Đề tài Hệ thống thông tin ứng dụng kĩ thuật OFDM

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. LỜI MỞ ĐẦU Em xin chân thành cảm ơn nhà trường đã tạo điều kiện, cám ơn sự dạy bảo tận tình của các thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông cũng như các thầy cô khác trong trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo Nguyễn Duy Nhật Viễn, người hướng dẫn của em và cô giáo Hoàng Lê Uyên Thục, đã tận tình chỉ bảo để cho em hoàn thành tốt đồ án này. Để có được kết quả như ngày hôm nay, em rất biết ơn gia đình đã động viên khích lệ, tạo mọi điều kiện nhất trong quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Mặc dù em đã có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn đồ án còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô cùng các bạn. Đà Nẵng, ngày 02 tháng 06 năm 2008 Sinh viên Lê Thị Bảo Quyên  MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng B BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit. BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân. C C/I Carrier to Interference Ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu. CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp. D (I)DFT (Inverse) Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc (ngược). DSP Digital Signal Processing Bộ xử lý tín hiệu số. E F FDD Frequency Division Duplexing Ghép kênh song công phân chia theo tần số. FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số. FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn. . G GI Guard Interval Dải bảo vệ. . H I ICI Inter Channel Interference Nhiễu xuyên kênh. (I)FFT (Inverse) Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh thuận (đảo). ISI Intersymbol Interference Nhiễu xuyên ký tự. L LS Least Square Bình phương nhỏ nhất. LMMSE Least Minimum Mean Squared Error Lỗi quân phương tối thiểu tuyến tính. LOS Line of Sight Tuyến truyền dẫn thẳng. M MUX Multiplex Đa hợp MMSE Minimum Mean Squared_Error Lỗi quân phương tối thiểu. N NLOS Non Line Of Sight Không có tuyến truyền dẫn thẳng. O OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao. P PAPR Peak_to_Average Power Ratio (PAR) Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình. PN Pseudo Noise Chuỗi giả ngẫu nhiên. PSK Phase Shift Keying Điều chế số dịch pha. Q QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều biên cầu phương. QOS Quality of Service Chất lượng dịch vụ. (Q)PSK (Quadrature) Phase-Shift Keying Khóa dịch pha (vuông góc). R S SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi Symbol (kí hiệu) SNR Signal to Noise Rate Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. T TDD Time Division Duplexing Ghép song công phân chia thời gian. TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian U UL Uplink Tuyến lên. UMTS Universal Mobile Telecommunnication System Hệ thống thông tin di động đa năng. V . W WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây nội bộ CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu chung Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là một kĩ thuật truyền mà trong đó tập hợp những sóng mang trực giao với nhau rồi truyền đồng thời. Ứng dụng kĩ thuật OFDM, ta có khả năng truyền thông tin tốc độ cao, sử dụng băng thông hiệu quả, chống được nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI, chống được fading chọn lọc tần số. Kĩ thuật OFDM được biết đến cách đây khoảng 40 năm nhưng mà nó mới được ứng dụng rộng rãi những năm gần đây. Những sản phẩm ứng dụng kĩ thuật OFDM có thể kể đến WIMAX (Worlwide interoperationability for Microwaves Access), WLAN (Wireless Local Area Network) 802.11, x-DSL (x-Digital Subcriber Line) và DVT (Digital Video Broadcasting). OFDM là một ứng cử viên sáng giá cho các hệ thống thông tin tốc độ cao, do đó ngày càng có nhiều hệ thống thông tin ứng dụng kĩ thuật OFDM. Việc ước lượng kênh truyền đóng vai trò quan trọng trong các hệ thông thông tin nói chung và hệ thống OFDM nói riêng. Với niềm đam mê trong lĩnh vực DSP, cùng với ham muốn tìm hiểu kĩ thuật OFDM, em đã chọn đề tài nghiên cứu này cho đồ án tốt nghiệp của mình. 1.2 Mục đích của đồ án Đồ án tìm hiểu về kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM. Trong đó, đồ án tập trung nghiên cứu hai loại ước lượng tương đối đơn giản là MMSE và LS, so sánh 2 phương pháp ước lượng kênh lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất (MMSE) và bình phương ít nhất (LS) cũng như tác động của các loại nhiễu và các hiện tượng đa đường đến hệ thống thông tin. 1.3 Bố cục của đồ án Đồ án chia làm 5 chương : Chương 1 : Giới thiệu khái quát đồ án Chương 2 : Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong OFDM, sự khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, sơ đồ khối hệ thống OFDM, vấn đề đồng bộ trong OFDM, ưu nhược điểm của hệ thống OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM. Phần còn lại của chương sẽ trình bày các bước thiết kế hệ thống OFDM và các kết quả mô phỏng Chương 3 : Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong kênh truyền vô tuyến, khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường, đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian và kênh phụ thuộc thời gian, các mô hình kênh cơ bản, quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình kênh, kênh truyền dẫn trong môi trường nhiễu trắng và một số kết quả mô phỏng. Ngoài ra vấn đề về dung lượng kênh vô tuyến cũng được đề cập đến. Chương 4 : Trong chương này sẽ trình bày về kĩ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM , trong đó đi sâu vào hai phương pháp ước lượng kênh lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất ( MMSE ) và bình phương ít nhất ( LS ). Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển đề tài trong tương lai CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT OFDM 2.1 Giới thiệu chương Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong OFDM, sự khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, sơ đồ khối hệ thống OFDM, vấn đề đồng bộ trong OFDM, ưu nhược điểm của hệ thống OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM.. Phần còn lại của chương sẽ trình bày các bước thiết kế hệ thống OFDM và các kết quả mô phỏng 2.2 Khái niệm OFDM Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh. Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệu độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại. Trong OFDM, những tín hiệu độc lập này là các sóng mang con. Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mã hóa và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóng mang OFDM. OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex). Ta có thề liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy, nước chảy thành một dòng lớn; kênh truyền OFDM giống như nước chảy ở vòi sen, chia ra thành từng dòng nước nhỏ. Ta có thể dùng tay để chặn dòng nước từ vòi nước thông thường nhưng không thể làm tương tự với nước chảy ra ở vòi sen. Mặc dù cả hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc nhưng mà lại co những phản ứng khác nhau đối với nhiễu. Ta cũng có thể liên tưởng tới sự vận chuyển hàng hóa bằng xe tải . Ta có hai phương án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hóa (FDM) hoặc dùng một đoàn xe nhỏ (OFDM). Cả hai phương án đều chở cùng một loại hàng hóa nhưng trong trường hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đoàn xe nhỏ thì chỉ có ¼ hàng hóa bị mất mát. Hình 2.1: Minh họa sự khác nhau của OFDM và FDM 2.3 So sánh FDM và OFDM OFDM khác với FDM nhiều điểm. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữa các sóng mang với nhau. Các sóng mang này chồng lấp trong miền tần số nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI: inter-carrier interference) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM, tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa các kênh để đảm bảo không bị chồng phổ, vì vậy không có hiện tượng giao thoa kí tự ISI giữa những sóng mang. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM nhằm khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (guard period) bằng cách giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lắp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua diểm không của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau để những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ. Hình 2.2:Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung và không chồng xung. Hình 2.3: Phổ của OFDM và FDM 2.4 Tính trực giao Một tín hiệu được gọi là trực giao nếu nó có quan hệ độc lập với tín hiệu khác. Tính trực giao là một đặc tính cho phép truyền một lúc nhiều thông tin trên một kênh chung mà không gây ra nhiễu. Chính sự mất tính trực giao là nguyên nhân gây ra sự suy giảm tín hiệu trong viễn thông . OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một số sóng mang nhất định khác nhau. Tín hiệu OFDM đạt được chính là tổng hợp của tất cả các sóng sin này. Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu (symbol duration). Tức là để truyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần mốt số nguyên lần của chu kỳ. Hình 2.4 là trường hợp của tín hiệu OFDM với 4 sóng mang phụ. Hình 2.4: Cấu trúc của một tín hiệu OFDM Các hình (1a), (2a), (3a), (4a) là miền thời gian của các sóng mang đơn tần với các chỉ số 1, 2, 3, 4 là số chu kỳ trên mỗi ký hiệu. Các hình (1b), (2b), (3b), (4b) là miền tần số nhờ sử dụng biến đổi Fourier nhanh của tín hiệu. Hình phía dưới cùng là tín hiệu tổng hợp của 4 sóng mang phụ. Tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức (2.1) (2.1) Những sóng mang này trực giao với nhau vì khi nhân dạng sóng của 2 sóng mang bất kỳ và sau đó lấy tích phân trong khoang thời gian T sẽ có kết quả bằng không. 2.5 Cấu trúc OFDM Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con : - Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu - Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ - Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho các băng bảo vệ và các sóng mang DC. Hình 2.5: Cấu trúc OFDM trong miền tần số Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con. Các tài nguyên này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho người dùng. Hình 2.6: Cấu trúc kênh con OFDM Hình 2.7: Cấu trúc lát OFDM Cấu trúc kênh con OFDM được phát hoạ ở hình (2.6). Trong kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng mang con dẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng việc so sánh với những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước. Đáp ứng tần số của hai sóng mang bên trong có thể được ước lượng bằng phép nội suy tuyến tính trong miền tần số. Để tính toán đáp ứng tần số của những sóng mang liên kết với kí tự OFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong miền thời gian từ sự ước lượng cho kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3 2.6 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra những bank lớn các bộ dao động và những bộ thu khóa pha trong miền tương tự. Hình 2.8 là sơ đồ khối của bộ phát và thu OFDM cơ bản. Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của các tải phụ. Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc đảo (inverse Discrecte Fourier Transform). Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse Fast Fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDFT, nhưng nó hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực tế. Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán được nâng lên tần số cần thiết. Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát. Khi dịch tính hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần số. Sau đó biên độ và pha của các tải phụ được tách ra và đuợc biến đổi ngược lại thành dữ liệu số. Hình 2.8: Sơ đồ khối của qúa trình phát và thu OFDM 2.6.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp song song Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao do vậy giai đoạn biến đổi song song thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng bit nối tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM. Dữ liệu được phân phối cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử dụng và số sóng mang. Có thể nói biến đổi nối tiếp song song bao hàm việc làm đầy các dữ liệu cho mỗi tải phụ. Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽ được thực hiện, với dữ liệu từ các tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữ liệu nối tiếp gốc. Khi truyền dẫn OFDM trong môi trường đa đường (multipath), fading chọn lọc tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng và gây ra lỗi bit. Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống OFDM dùng các bộ xáo trộn dữ liệu (scramber) như một phần của giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song. Tại máy thu quá trình giải xáo trộn được thực hiện để giải mã tín hiệu. 2.6.2 Mã hóa kênh và sắp xếp (Coding & Mapping) trong hệ thống OFDM 2.6.2.1 Mã hóa kênh Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai theo phương pháp FEC (Forward Error Correcting) được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin, cụ thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép , điều này càng thể hiện rõ ở kênh truyền bị tác động của AWGN. Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen rẽ (interleaving) trên giản đồ thời gian – tần số để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số. Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh. Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh. 2.6.2.2 Ánh xạ (mapping) Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Hay nói cách khác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra. b0 b1 b2 I b3 b4 b5 Q 000 -7 000 -7 001 -5 001 -5 011 -3 011 -3 010 -1 010 -1 110 1 110 1 111 3 111 3 101 5 101 5 100 7 100 7 Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation). Trong 6 bit thì 3 bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b3 b4 b5) biểu thị cho giá trị của Q . Bảng 2.1 : Các giá trị trong mã hóa 64-QAM 2.6.3 Ứng dụng kĩ thuật IFT/FFT trong OFDM Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết 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 trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là 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 bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ (inplace). Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 , Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng : , (2.2) = trong đó: là tín hiệu băng gốc. Ở băng gốc: +Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín hiệu, phương trình (2.2) được viết lại như sau : (2.3) +Nếu thỏa mãn điều kiện , , thì các sóng mang sẽ trực giao với nhau, lúc này, phương trình (2.4) được viết lại : (2.4) Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian. Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu Thật vậy, ta có : = = (2.5) Ở đây, hàm là hàm delta, được định nghĩa là : (2.6) 2.6.4 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ ký hiệu của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ ký hiệu của sơ đồ truyền đơn sóng mang. Ví dụ đối với điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ ký hiệu tương ứng với tốc độ bit. Tuy nhiên với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ do đó tốc độ ký hiệu được giảm Nc lần so với truyền đơn sóng mang. Tốc độ ký hiệu thấp làm cho OFDM chịu đựng tốt với nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI) gây ra bởi hiệu ứng đa đường. Có thể giảm tổi thiểu ảnh hưởng của ISI tới tín hiệu OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệ phía trước mỗi ký hiệu. Khoảng bảo vệ là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng ký hiệu. Mỗi ký hiệu OFDM khi chưa bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) bằng một số nguyên lần chu kỳ của sóng mang phụ đó. Do vậy việc đưa vào các bản copy của ký hiệu nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối. Như vậy việc sao chép đầu cuối của ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu của mỗi ký hiệu đã tạo ra một khoảng thời gian ký hiệu dài hơn. Hình 2.9: Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM Gọi TFFT là cỡ của IFFT dùng để tạo tín hiệu OFDM, TG độ dài của khoảng bảo vệ thì lúc sử dụng phương pháp chèn khoảng bảo vệ độ dài của ký hiệu sẽ là: Ts = TFFT + TG (2.7) Điều này giúp tăng độ dài ký hiệu do đó chống được nhiễu giao thoa ký hiệu, ngoài ra khoảng bảo vệ cũng giúp chống lại lỗi lệch thời gian tại đầu thu. 2.6.5 Điều chế RF Tại đầu ra của bộ điều chế OFDM, là tín hiệu có băng tần cơ bản. Nó cần được nâng tần trước khi truyền dẫn. Việc nâng tần có thể thực hiện bằng kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật số. 2.7 Đồng bộ 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). 2.7.1 Đồng bộ kí tự 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). Trong bước nhận biết công suất, tiến hành so sánh công suất tín hiệu thu được và giá trị ngưỡng để xác định xem tín hiệu nhận được có phải là tín hiệu OFDM hay không. Trong bước đồng bộ thô, tín hiệu thu được sẽ được cho tương quan với bản sao tín hiệu bên phát (do đã biết trước)à xác định đỉnh tự tương quan để thực hiện đồng bộ với độ chính xác không cao (giá trị tại đỉnh tương quan có giá trị lớn nhất và đặt tại gốc tọa độ). Trong bước đồng bộ tinh, do đã qua quá trình đồng bộ thô nên giá trị của lỗi thời gian lúc này đã nhỏ hơn chiều dài CP. Đồng bộ tinh sẽ thực hiện sự cân bằng giữa các kênh truyền phụ có mang thông tin pilot và giá trị ước lượng kênh. Trong phương pháp đồng bộ thời gian sử dụng tiền tố lặp CP, người ta đi xét sự sai biệt giữa hai mẫu tín hiệu thu cách nhau N khoảng lấy mẫu. Đặt giá trị sai lệch này là d(k) = r(k)-r(k+N). Khi một trong hai mẫu nằm trong khoảng CP, mẫu còn lại nằm trong phần tín hiệu có ích của ký tự OFDM thì chúng là bản sao của nhau nên d(k) có giá trị rất béà công suất của d(k) rất bé. Nếu không nằm trong trường hợp trên (tức là các mẫu không cùng nằm trong khoảng thời gian truyền của một ký tự OFDM) thì d(k) có giá trị lớnàcông suất của d(k) khá lớn. Nếu dùng một cửa sổ trượt có chiều dài đúng bằng chiều dài của tiền tố lặp thì công suất ra có giá trị bé nhất khi bắt đầu một tín hiệu OFDM mới à xác đinh được thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. 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. 2.7.2 Đồng bộ tần số sóng mang Trong đồ 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. Lỗi tần số  Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tao dao động bên phát và bên thu, do độ dịch tần Doppler, hoặc do nhiễu pha xuất hiện 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). Hình 2.10: Ảnh hưởng của lỗi tần số (∆F) đến hệ thống : suy giảm biên độ tín hiệu (o) và bị tác động nhiễu ICI (●) 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). Nhận xét : 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. 2.7.3 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. 2.8 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM 2.8.1 Ưu điểm Kỹ thuật OFDM có nhiều lợi ích mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có được. OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con fading phẳng. Nhờ việc sử dụng tập tần số sóng mang trực giao nên các sóng mang nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể được loại bỏ, do các sóng mang phụ trực giao nhau nên các sóng mang này có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể tách ra được dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông hệ thống rất hiệu quả. Khi sử dụng khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì hiện tượng nhiễu xuyên ký tự ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn. Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix nên hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản. IFFT và FFT giúp giảm thiệu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm được độ phức tạp và chi phí hiện thực, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả hơn nhờ vào FFT và IFFT 2.8.2 Nhược điểm OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang nên nhươc điểm chính của kỹ thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) lớn. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn khiến cho PAPR lớn. Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuyếch đại cống suất lớn HPA (high-power amplifier). Một nhược điểm khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tần Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol. Đồng thời OFDM đòi hỏi đồng bộ tần số và thời gian một cách chính xác. 2.9 OFDM trong hệ thống Ta bắt đầu phần nhỏ này bằng cách mô tả một vài khía cạnh cần phải đề cập đến khi thực hiện hệ thống OFDM. Trong hầu hết hệ thống di động, không riêng hệ thống OFDM , một vài dạng mã hóa kênh truyền được dùng để giảm BER (bit error rate) bằng cách tạo ra sự dư thừa. Đó cũng là vấn đề của hệ thống OFDM bởi vì phần đầu của mã hóa kênh thường là nhỏ hơn rất nhiều so với việc phải truyền lại toàn phần tin tức bị lỗi. Thông thường sự truyền thông sẽ diễn ra theo 2 hướng, ví dụ giữa BS(base station) và user hoặc ngược lại. Có hai cách chính để thực hiện điều đó trong hệ thống OFDM đó là: FDD(Frequency Divison Duplex) và TDD(Time Division Duplex) . Trong hệ thống FDD, đường xuống (từ BS đến user) và đường lên (từ user đến BS) được phân cách nhau bởi hai dải tần số khác nhau. Trong hệ thống TDD, đường lên và đường xuống cùng tần số nhưng được trải trong những khoảng thời gian khác nhau. Như đã nói ở phần đầu, một vài dạng của mã hóa kênh truyền thường được dùng để giảm BER(bit error rate). Không những thế, một hệ thống OFDM còn đòi hỏi thêm bộ ước lượng độ dịch tần số và ước lượng kênh truyền để đạt được chất lượng tối ưu. Bộ ước lượng độ dịch tần số đòi hỏi phải đếm ảnh hưởng của sự chênh lệch tần số giữa bộ dao động nội ở vị trí thu và vị trí nhận (sự chênh lệch này có thể phá hủy sự trực giao của hệ thống). Nếu như các sóng mang con không trực giao, chúng sẽ gây ra ICI và do đó thông tin gởi đi sẽ rất khó khăn để khôi phục lại . Bởi vì mục đích của đồ án là ước lượng kênh truyền cho nên độ dịch tần số được xem như lý tưởng . Trong trường hợp ước lượng kênh truyền, đầu tiên ta sẽ ước lượng trong miền tần số (sau khi giải mã tín hiệu OFDM). Cách thường hay sử dụng nhất để ước lượng kênh truyền và độ dịch tần số là dùng kí hiệu pilot. Kí hiệu pilot là kí hiệu đã được bên thu và bên nhận biết trước . Tương quan giữa fading kí hiệu pilot và fading của kí hiệu thông tin dữ liệu được gởi đi gần với kí hiệu pilot trong miền thời gian và trong miền tần số là rất mạnh mẽ. Dưới đây là một ví dụ về sự phân bố pilot Thời gian Sóng mang con Kí hiệu dữ liệu Kí hiệu pilot Kí hiệu null Hình 2.11: Một ví dụ về sự phân bố pilot Ta làm quen với một khái niệm mới, đó là kí hiệu null. Kí hiệu null thông thường được gởi trên sóng mang con null, đó đơn giản là sóng mang con không có nội dung. Một vài hệ thống truyền thông OFDM sóng mang con null như là một khoảng bảo vệ sao cho hệ thống OFDM không nhiễu sang hệ thống khác có tần số hoạt động gần giống nhau. Cột thẳng đứng trên hình trên tương đương với một kí hiệu OFDM , trong ví dụ trên ta có 8 kí hiệu OFDM.. 2.10 Các bước thiết lập một hệ thống OFDM Xác định băng thông dành cho kênh truyền (B) Xác định giá trị trải trễ lớn nhất của kênh truyền Chọn khoảng thời gian tiền tố vòng cho mỗi một ký tự OFDM phải lớn hơn giá trị trải trễ lớn nhất , thông thường chọn = 4. để loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI Chọn khoảng cách giữa các sóng mang để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang Xác định thời gian tổng cộng của một ký tự OFDM : Xác định số sóng mang phụ (số kênh con) là 2.11 Một số ứng dụng của OFDM Mặc dù OFDM được phát minh từ những năm 60, nhưng hệ thống không thể hiện thực vào thời điểm đó, do việc điều chế dữ liệu lên các sóng mang một cách chính xác, cũng như việc tách các sóng mang phụ quá phức tạp, các thiết bị bán dẫn phục vụ cho việc hiện thực hệ thống chưa phát triển. Tuy nhiên sau 20 năm được phát minh, kỹ thuật OFDM đã có thể dễ dàng hiện thực với chi phí rẻ và được ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT. Cũng giống như kỹ thuật CDMA, kỹ thuật OFDM được ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực thông tin quân sự. Đến những năm 1980 kỹ thuật OFDM được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong truyền thông di động. Kể từ năm 1990, OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Line), ADSL, VHDSL (Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line) sau đó OFDM được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB. Những năm gần đây OFDM đã sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802.11 và 802.16 của IEEE và tiếp tục được nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn đi động 4G. OFDM đang chứng tỏ những ưu điểm của mình trong các hệ thống viễn thông trên thực tế, đặc biệt là trong các hệ thông vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao như thông tin di động và cả trong truyền hình số. Các nơi có địa hình phức tạp như vùng nông thôn, ngoại ô, các thành phố đông dân cư, vv… ảnh hưởng lớn đến khả năng truy cập không dây băng rộng khi triển khai trong thời gian thực. Một hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng chắc chắn chính là hệ thống có nhiều tính năng cao và khả năng truyền dẫn tốt trong các điều kiện kết nối rộng lớn, giúp các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông phủ sóng trên diện rộng hơn với số trạm gốc giảm đi. Với tính ưu việt của nó, kĩ thuật OFDM đang được các hãng viễn thông trên thế giới ứng dụng rất hiệu quả vào một số sản phẩm nhằm đáp ứng các yêu cầu từ đơn giản đến chuyên dụng như kết nối mạng Lan, camera giám sát, hệ thống hội nghị truyền hình số (DVB) hay kĩ thuật truy cập WiFi và Wimax .. Các sản phẩm này được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng điểm-điểm, điểm-đa điểm trong các điều kiện bị che chắn. Sự kết hợp công nghệ modem OFDM và điều chế thích nghi linh hoạt chỉ có trong thị trường công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng và là các yếu tố chính tạo nên tính năng nổi trội trong các sản phẩm viễn thông. Mô phỏng Trong phần mô phỏng, ta sẽ lần lượt mô phỏng đặc tính của kênh truyền, tín hiệu OFDM phát, thu trong miền tần số, thời gian. Đồng thời, để thấy rõ ưu điểm của kỹ thuật OFDM, ta cũng sẽ mô phỏng tín hiệu QAM đơn sóng mang (với cùng một chuỗi nhị phân phát như trong kỹ thuật OFDM) trong miền thời gian và miền tần số, từ đó xác định tỷ lệ BER khi truyền bằng kỹ thuật OFDM và khi truyền bằng điều chế 16-QAM đơn sóng mang. Hình 2.12 Đặc tính kênh truyền Hình 2.13 Tín hiệu OFDM phát và thu. Hình 2.14 Tín hiệu OFDM phát và thu trong miền tần số Hình 2.15 Tín hiệu QAM phát và thu Hình 2.16 Tín hiệu QAM phát và thu trong miền tần số Kết quả tính BER khi truyền dữ liệu bằng kỹ thuật OFDM và QAM Hien thi ket qua OFDM: BER=0 % va so bit loi la =0 QAM: BER=25.9 % va so bit loi la =7 Nhận xét : Qua kết quả mô phỏng, ta nhận thấy rõ ưu điểm nổi trội của kỹ thuật OFDM so với kỹ thuật QAM đơn sóng mang. Với cùng một chất lượng kênh truyền như nhau thì OFDM cho tỷ lệ BER thấp hơn nhiều so với QAM. Cụ thể, trong kết quả hiển thị trên, tỷ lệ BER = 0 tương ứng với OFDM và tỷ lệ BER = 25.9% tương ứng với QAM. 2.13 Kết luận chương Trong chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của một hệ thống OFDM : mô hình hệ thống, chức năng từng khối, các bước thiết lập thông số, một số kết quả mô phỏng hệ thống OFDM bên phát và bên thu. Nhìn một cách khái quát, hệ thống OFDM mang trong nó rất nhiều ưu điểm, hứa hẹn sẽ là một giải pháp kỹ thuật được áp dụng rộng rãi trong các mạng viễn thông tốc độ cao trong tương lai. Trong chương tiếp theo, sẽ trình bày về một trong những vấn đề quan trong nhất trong hệ thống đó là ước lượng kênh truyền. CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT VỀ KÊNH TRUYỀN 3.1 Giới thiệu chương Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong kênh truyền vô tuyến, khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường, đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian và kênh phụ thuộc thời gian, các mô hình kênh cơ bản, quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình kênh, kênh truyền dẫn trong môi trường nhiễu trắng và một số kết quả mô phỏng. Ngoài ra vấn đề về dung lượng kênh vô tuyến cũng được đề cập đến. 3.2 Đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát và máy thu. Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu như : nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN-Additive White Gaussian Noise), Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading nhiều tia…Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài (external noise) và nhiễu giao thoa là rất lớn. Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường (multipath environment) và chịu ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số. Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng thông gốc thành rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của Fading lựa chon tần số, các kênh con có thể được coi là các kênh Fading không lựa chọn tần số. Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của Fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang. 3.3 Khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường Hình 3.1: Minh họa phân tập đa đường Tín hiệu từ anten phát được truyền đến máy thu thông qua nhiều hướng phản xạ khác nhau. Tín hiệu ở máy thu là tổng của tín hiệu nhận được từ các tuyến truyền dẫn khác nhau đó. Mỗi tuyến truyền dẫn như vậy sẽ có tần số khác nhau. Ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng tín hiệu thu được ở mỗi tấn số khác nhau là khác nhau cho dù ở máy phát phát đi hai tín hiệu cùng biên độ. Hiện tượng này chính là hiện tượng fading ở miền tần số. Kênh truyền phân tập đa đường gây nên hiệu ứng fading ở miền tần số gọi là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel). Thực chất của hiện tượng phụ thuộc tần số là hàm truyền đạt của kênh phụ thuộc vào giá trị tần số của tín hiệu phát . 3.4 Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian (time_invariant channel impulse) 3.4.1 Khái niệm về kênh không phụ thuộc thời gian: Kênh không phụ thuộc thời gian là kênh truyền dẫn trong trường hợp không có sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu. Đối với kênh này, cả đáp ứng xung và hàm truyền đạt của nó đều không phụ thuộc thời gian. 3.4.2 Khái niệm về đáp ứng xung của kênh (channel impulse response) Đáp ứng xung của kênh là một dãy xung thu được ở máy thu khi máy phát phát đi một xung cực ngắn gọi là xung Dirac (Dirac impulse). *Định nghĩa của xung Dirac: Xung được định nghĩa là xung Dirac nếu nó thỏa mãn hai điều kiện sau: (2.1) Và (2.2) Với định nghĩa của xung Dirac, đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian về mặt toán học được biểu diễn như sau: (2.3) Trong đó: +k chỉ số của tuyến truyền dẫn +h đáp ứng xung của kênh + biến trễ truyền dẫn + trễ truyền dẫn tương ứng với tuyến k + hệ số suy hao +Np số tuyến truyền dẫn. 3.5 Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian (time-invariant channel transfer function) Hàm truyền đạt của kênh là (2.4) Dựa vào hàm truyền đạt của kênh ta có thể nhận biết được ở miền tần số nào tín hiệu bị suy hao tương ứng với độ fading lớn (deep fading), hoặc ở miền tần số nào tín hiệu ít bị suy hao. Thực chất hầu hết các hệ thống truyền dẫn băng rộng trong môi trường truyền dẫn phân tập đa đường đều có fading ở miền tần số. Độ phụ thuộc vào tần số phụ thuộc vào trễ truyền dẫn của kênh và bề rộng băng tần tín hiệu. 3.6 Bề rộng độ ổn định về tần số của kênh (coherence bandwidth of the channel) Bề rộng độ ổn định về tần số của kênh được định nghĩa như sau: (2.5) Ở phương trình trên là bề rộng độ ổn định tần số của kênh còn là trễ truyền dẫn hiệu dụng của kênh. Tùy thuộc vào bề rộng băng tần của hệ thống so với bề rộng độ ổn định tần số của kênh mà kênh được định nghĩa là kênh phụ thuộc tần số hay không. Nếu bề rộng độ ổn định tần số của kênh lớn hơn nhiều so với bề rộng băng tần của hệ thống: >> B (2.6) thì kênh được định nghĩa là không phụ thuộc vào tần số (non-frequency selective channel). Trong trường hợp ngược lại: << B (2.7) thì kênh được định nghĩa là kênh phụ thuộc tần số (frequancy selective channel) 3.7 Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu. Cụ thể là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tần số bị xê dịch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler. Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống. Đặc biệt trong OFDM vấn đề đồng bộ đóng vai trò khá quan trọng. Hiệu ứng Doppler còn gây ra sự phụ thuộc thời gian của kênh vô tuyến (time-variant channel) sẽ được giới thiệu ở mục sau. Giả thiết góc tới của tuyến k so với hướng chuyển động của máy thu là , khi đó tần số Doppler tương ứng của tuyến này là : (2.8) Trong đó: +: tần số sóng mang của hệ thống. +v : vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát. +c : vận tốc ánh sáng Nếu =0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là: (2.9) 3.8 Kênh phụ thuộc thời gian Sự dịch chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu gây ra hiệu ứng Doppler và hiện tượng phụ thuộc vào thời gian của kênh. Sự phụ thuộc vào thời gian của đáp ứng xung của kênh vô tuyến được biểu diễn ở phương trình dưới đây: (2.10) Trong đó: +: tần số Doppler +t: thời gian tuyệt đối (liên quan đến thời điểm quan sát kênh) Trong trường hợp kênh truyền dẫn là quá trình dừng thì thời điểm quan sát kênh không đóng vai trò quan trọng. Đáp ứng xung của kênh là phép biểu diễn toán học của kênh ở miền thời gian. Biến đổi Fourier của đáp ứng xung của kênh cho ta hàm truyền đạt của kênh. Vậy hàm truyền đạt là phép biến đổi toán học của kênh ở miền tần số. Hàm truyền đạt của kênh do vậy được biểu diễn như sau: (2.11) Ở thông tin vô tuyến, fading co cả ở miền thời gian và miền tần số. Nói cụ thể hơn tức là tín hiệu thu được ở tần số này cao nhưng co thể ở tần số khác lại thấp. Tương tự vậy co những thời điểm tín hiệu lại cao còn ở tín hiệu khác tín hiệu lại thấp. Điều này dễ phát hiện ra khi chúng ta bắt sóng đài AM và đi xe đạp. 3.9 Bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh (coherence duration of the channel) Định nghĩa về độ ổn định thời gian của kênh (2.12) Tùy thuộc vào sự so sánh giữa bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh với độ dài mẫu tín hiệu sẽ cho ta kết quả liệu kênh vô tuyến đựoc gọi là kênh phụ thuộc thời gian hay không. Nếu bề rộng sự ổn định về thời gian của kênh lớn hơn nhiều so với độ dài một mẫu tín hiệu của hệ thống (2.13) thì kênh truyền dẫn của hệ thống đó được coi là không phụ thuộc thời gian (time-invariant channel) Trong trường hợp ngược lại, có nghĩa là (2.14) thì kênh truyền dẫn của hệ thống được coi là phụ thuộc thời gian (time-variant channel) 3.10 Các mô hình kênh cơ bản 3.10.1 Kênh theo phân bố Rayleigh Hàm truyền đạt của kênh thực chất là một quá trình xác suất phụ thuộc cả thời gian và tần số. Biên độ hàm truyền đạt của kênh tại một tần số nhất định sẽ tuân theo phân bố Rayleigh nếu các điều kiện dưới đây của môi trường truyền dẫn được thõa mãn: +Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thẳng, có nghĩa là không có tuyến có công suất tín hiệu vượt trội. +Tín hiệu ở máy thu nhận được từ vô số các hướng phản xạ và nhiễu xạ khác nhau. Hàm mật độ xác suất của kênh phân bố Rayleigh = (2.15) Hình 3.2 : Phân bố Rayleight 3.10.2 Kênh theo phân bố Rice Trong trường hợp môi trường truyền dẫn có tuyến truyền dẫn trong tầm nhìn thẳng thì công suất tín hiệu từ tuyến này vượt trội so với các tuyến khác. Xác suất của biên độ hàm truyền đạt của kênh sẽ tuân theo phân bố Rice 3.11 Quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình của kênh Trong mục này ta phân loại ra hai loại tín hiệu phát: Tín hiệu phát thuộc về lớp hàm xác định (deterministic function) và tín hiệu phát thuộc về lớp các hàm xác suất. 3.11.1 Tín hiệu phát là hàm xác định x(t) y(t) Tín hiệu phát Mô hình kênh Tín hiệu thu Hình 3.3: Mô hình kênh tuyến tính Hình (3.3) mô tả quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và kênh. Do kênh truyền dẫn là tuyến tính nên quan hệ này được biểu diễn ở phương trình sau đây: y(t) = x(t)*= (2.16) Trong đó x(t) là một hàm xác định nào đó và là tín hiệu phát, y(t) là tín hiệu thu và là đáp ứng xung của kênh. Ở miền tần số thay vì phép cuộn của tín hiệu phát với kênh truyền là phép nhân như ở phương trình sau (2.17) Hệ thống truyền dẫn do vậy là tuyến tính (linear system) và nhân quả (casual system) 3.11.2 Tín hiệu phát là một hàm xác suất Mô hình của tín hiệu phát và thu cũng được mô tả tương tự như ở hình(y) , tuy nhiên tín hiệu phát được giả thiết là một quá trình xác suất và do đó tín hiệu thu cũng sẽ là một quá trình xác suất . Khi đó mối quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiêu thu và kênh truyền thông qua phép lấy tích phân như ở phương trình sẽ không tồn tại. Đối với các quá trình xác suất sẽ không tồn tại phép biến đổi Fourier, do vậy mối liên hệ giữa hàm truyền đạt của kênh, tín hiệu phát và thu như ở phương trình (x) sẽ không còn phù hợp. Để xây dựng mối liên hệ này người ta sử dụng các hàm tương quan và các hàm tương quan chéo của các quá trình xác suất, vì phép biến đổi Fourier có thể thực hiện được cho các hàm tương quan. 3.11.3 Mối liên hệ giữa hàm tương quan chéo của các tín hiệu vào và ra của kênh Ở miền thời gian, mối quan hệ này có thể viết được = * (PT) (2.18) Với = (2.19) được định nghĩa là hàm tự tương quan của quá trình và (2.20) được định nghĩa là hàm tương quan chéo của quá trình đầu vào và đầu ra của kênh. Ở miền tần số mối quan hệ ở PT được viết lại (2.21) Trong đó và lần lượt là biến đổi Fourier của và . 3.11.4 Mối liên hệ giữa hàm tương quan của các tín hiệu vào và ra của kênh Mối liên hệ này ở miền thời gian được thể hiện bởi phương trình sau (2.22) Ở miền tần số được biểu diễn dưới dạng (2.23) Quan hệ trên là quan hệ Wiener-Lee, thể hiện mối quan hệ giữa các hàm tự tương quan của các quá trình đầu vào và đầu ra của kênh Dựa vào các hàm tự tương quan, người ta tính công suất tín hiệu đầu vào và đầu ra của kênh như sau. Công suất tín hiệu phát: (2.24) Tương tự ta có thể tính công suất của tín hiệu thu như sau: (2.25) 3.12 Kênh truyền dẫn trong môi trường nhiễu trắng 3.12.1 Khái niệm về nhiễu trắng n(t) Tín hiệu phát x(t) y(t) Mô hình kênh Tín hiệu thu Hình 3.4: Môi trường truyền dẫn với sự có mặt của nhiễu trắng Môi trường truyền dẫn thực tế không chỉ có tác động của hiệu ứng phân tập đa đường và hiệu ứng Doppler, mà còn có sự tác động của nhiễu trắng như trình bày ở hình (2.4). Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra như do thời tiết, do bộ khuếch đại ở máy thu, do nhiệt độ, hay do con người. Tín hiệu thu do vậy được viết lại như sau: (2.26) Ở phương trình trên n(t) là tác động nhiễu trắng. Vậy bản chất của nhiễu trắng là gì? có đặc tính phổ và hàm mật độ phân bố như thế nào? tại sao gọi là nhiễu trắng? Những vấn đề này sẽ được trình bày ở mục tiếp theo. 3.12.2 Các phép biểu diễn toán học của nhiễu trắng Về mặt toán học, nguồn nhiễu trắng n(t) có thể mô hình bằng một biến xác suất x tuân theo phân bố xác suất Gauss với giá trị kỳ vọng (giá trị trung bình xác suất) bằng không và độ lệch chuẩn . Điều này có nghĩa là: := E[x] =0 (2.27) và :=E[(x- )] (2.28) Do kỳ vọng bằng 0 nên độ lệch chuẩn cũng là phương sai (variance) của biến ngẫu nhiên x. Cụ thể hơn nhiễu trắng có công suất không đổi và là . Nhà toán học Gauss người Đức đã tìm ra quy luật phân bố xác suất của nhiễu trắng do vậy hàm phân bố này đã được mang tên ông. Nhiễu trắng cũng được gọi là nhiễu Gauss (additive white Gaussian noise). Hàm phân bố này được viết lại ở phương trình dưới đây [Pro95, Pap9]: (2.19) Hình 3.5: Phân bố Gauss Ở phân bố Gauss, thông số xác định điểm giữa của phân bố và thông số xác định độ rộng của hàm phân bố. 3.12.3 Phổ công suất của nhiễu trắng có băng tần giới hạn Về mặt lý thuyết, nhiễu trắng có băng tần vô hạn và công suất nhiễu là bằng nhau ở mọi tần số. Về mặt thực tế không tồn tại hệ thống có băng tần vô hạn. Hình 3.6: Mật độ phổ công suất nhiễu. Ở hình trên ta giả sử hệ thống có băng tần giới hạn B=2, với chu kỳ lấy mẫu là . Mật độ phổ công suất của nhiễu như ở hình Z được viết lại như sau: (2.30) Chú ý rằng tất cả các biến ngẫu nhiên đều không tồn tại phép biến đổi Fourier mà chỉ tồn tại hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất, trong đó hàm mật độ công suất là phép biến đổi Fourier của hàm tự tương quan. Ở phương trình trên Là hàm mật độ công suất nhiễu còn là hàm tương quan của nhiễu với định nghĩa: :=E[ = (2.31) Theo phương trình trên, hàm tự tương quan là biến đổi Fourier ngược của hàm mật độ phổ công suất. Do hàm mật độ phổ công suất có dạng hình chữ nhật, kết quả biến đổi Fourier ngược của hàm hình chữ nhật cho ta hàm số Si(). Công suất nhiễu có thể tính được bằng cả từ hàm mật độ công suất nhiễu hoặc hàm tự tương quan của nhiễu như sau P=E[n]= (2.32) Khi đó tỉ số tín hiệu trên tạp âm được tính theo công thức sau: SNR= (2.33) Với là công suất tín hiệu co ích. Tỷ số này quyết định chất lượng tín hiệu và dung lượng kênh . Sự can thiệp của nhiễu trắng đến kênh truyền dẫn, cụ thể hơn là tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm, ảnh hưởng trực tiếp đến thông lượng của kênh và chất lượng tín hiệu thu. 3.12.4 Ảnh hưởng của AWGN đến hệ thống OFDM Nhiễu tồn tại trong kênh vật lý của tất cả các hệ thống thông tin, bao gồm thông tin vô tuyến. Các nguồn nhiễu chính là nhiễu nhiệt, nhiễu điện trong các bộ khuếch đại máy thu và can nhiễu giữa các tế bào. Ngoài ra nhiễu còn có thể tạo ra bên trong các hệ thống thông tin như là kết quả của can nhiễu giữa các symbol ISI, can nhiễu giữa các sóng mang ICI và méo xuyên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion). Các nguồn nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu/nhiễu, giới hạn đáng kể hiệu quả phổ của hệ thống. Tất cả các loại nhiễu trên làm giảm chất lượng truyền dẫn trong thông tin vô tuyến. Do vậy việc nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiễu đến tỉ lệ lỗi thông tin và một số biện pháp dung hòa giữa mức nhiễu và hiệu quả phổ hệ thống là rất quan trọng. Hầu hết các dạng nhiễu trong hệ thống thông tin vô tuyến được mô hình hóa chính xác nhờ dùng nhiễu trắng Gauss. 3.13 Nhiễu xuyên kí tự ISI ISI, được định nghĩa là xuyên nhiễu (crosstalk) giữa các kí tự trong khoảng thời gian T của các frame FFT liên tiếp (trong miền thời gian), nghĩa là các kí tự cạnh nhau sẽ giao thoa với nhau dẫn đến méo dạng kí tự và máy thu có thể quyết định sai về kí tự này. Hiện tượng đa đường làm cho mỗi sóng con trải năng lượng đối với những kênh kế cận, điều này làm cho tín hiệu được gửi trước sẽ gây nhiễu lên tín hiệu đang gửi hiện hành. Bằng việc chèn tiền tố vòng, vấn đề này sẽ được giải quyết. Ví dụ về ISI được cho ở hình (3.7). Chuỗi ‘0’ được phát từ BTS. Nếu tín hiệu phản xạ đến chậm hơn đúng một bít so với tín hiệu đi thẳng thì máy thu kí hiệu là ‘1’ ở tín hiệu phản xạ sẽ giao thoa với kí hiệu ‘0’ của tín hiệu đi thẳng và máy thu sẽ quyết định nhầm là kí hiệu ‘1’ Hình 3.7: Ví dụ về ISI 3.14 Nhiễu ICI (Inter-carrier interference) Nhiễu giao thoa liên sóng mang, được định nghĩa là xuyên nhiễu (crosstalk) giữa các sóng mang phụ của cùng một frame FFT (trong miền tần số). ICI phá hủy tính trực giao của sóng mang. Nhiễu ICI được loại bỏ hoàn toàn nhờ sử dụng tập tần số trực giao làm tập tần số của các kênh phụ. 3.15 Dung lượng kênh vô tuyến Dung lượng của kênh cho ta biết tốc độ tối đa của tín hiệu có thể truyền được qua kênh mà không bị lỗi. Do vậy dung lượng kênh sẽ phụ thuộc vào bề rộng băng tần của kênh và các tác động của các loại nhiễu. Phần này sẽ trình bày vắn tắt các khái niệm về dung lượng kênh của Shanon. 3.15.1 Lý thuyết về dung lượng kênh số của Shannon Giả thiết máy phát phát đi trùm tín hiệu là , khi đó lượng tin (entropy) của khối tin này được tính là () = (2.34) Trong đó là xác suất xảy ra sự kiện mẫu tin được truyền đi. Lượng tin do vậy co tính chất . Lượng tin mất mát khi phát đi mẫu tin nhưng lại nhận được mẫu tin là , với - là xác suất liên hợp, còn là xác suất điều kiện. Tổng lượng tin mất mát là: = (2.35) Thông lượng kênh tương ứng với lượng tin không bị thất thoát C= max {H(- H(} (2.36) Thông lượng kênh là tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất không lỗi qua một kênh truyền dẫn cho trước. Trong trường hợp kênh không nhiễu thì lượng tin thất thoát bằng không, có nghĩa là = 0 (2.37) Với định nghĩa trên, Shannon đã đưa ra giới hạn trên của tốc độ dữ liệu của một kênh truyền dẫn vật lý. Giới hạn này là nền tảng cho nhiều lĩnh vực khác nhau như lý thuyết mã kênh, lý thuyết điều chế, và lý thuyết thông tin. Lý thuyết về lượng thông lượng kênh của Shannon cho chúng ta biết tỉ lệ lỗi bít của tín hiệu nhận được có thể được giảm đến một mức nhỏ tùy ý bằng các kỹ thuật mã kênh và kỹ thuật điều chế, chừng nào mà tốc độ tín hiệu vẫn còn nhỏ hơn thông lượng kênh 3.15.2 Thông lượng kênh tương tự có băng tần giới hạn Shannon đã đưa ra lý thuyết về thông lượng của một kênh truyền dẫn có băng tần giới hạn như sau: “Thông lượng của một kênh với bề rộng băng tần là B và bị can nhiễu trắng với tỉ số của công suất tín hiệu trên tạp âm trung bình là được tính bởi : C = (2.38) Nếu tỉ lệ công suất tín hiệu trên tạp âm được tính bằng dB, thì thông lượng kênh được gần đúng hóa bằng công thức sau: C SNR (2.39) 3.16 Kết luận chương Chương này trình bày về các khái niệm cơ bản trong kênh truyền vô tuyến, về cái mà chúng ta ước lượng trong đồ án này. Chương tiếp theo sẽ là nội dung chính của đồ án này, các kĩ thuật ước lượng kênh truyền và nội suy. CHƯƠNG 4 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG OFDM 4.1 Giới thiệu chương Trong chương này sẽ trình bày về kĩ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM. Phần đầu tiên sẽ là giới thiệu một số kĩ thuật ước lượng kênh truyền khác nhau và phần cuối cùng sẽ giới thiệu một vài phương pháp nội suy. Tiếp theo sẽ là phần mô phỏng. Ước lượng kênh truyền trong đồ án này được thực hiện theo 3 bước. Bước đầu tiên được thực hiện trên kí tự OFDM chứa kí hiệu pilot, bước thứ hai sẽ thực hiên trên kí tự OFDM không chứa kí hiệu pilot và cuối cùng là nội suy trong miền thời gian. Thời gian Sóng mang con Kí hiệu pilot Kí hiệu data Hình 4.1: Kí hiệu OFDM với pilot và OFDM không có pilot Bước đầu tiên là ước lượng hệ số kênh truyền trong miền tần số tại vị trí của kí hiệu dẫn đường, dùng kết quả đó nội suy toàn bộ hệ số kênh truyền trong miền tần số ở vị trí của kí hiệu dữ liệu, cuối cùng là nội suy thời gian. Trước hết ta xem xét những định nghĩa cơ bản được đưa ra cho N sóng mang con trong một kí hiệu OFDM D= h= Ước lượng 1D Ước lượng 1D là kĩ thuật ước lượng chỉ dùng thông tin một chiều, hoặc là thời gian hoặc là tần số. Dưới đây sẽ giới thiệu ba dạng ước lượng khác nhau trong miền tần số. 4.2.1 Phương pháp ước lượng bình phương ít nhất (least squares estimation) Việc ước lượng sẽ tìm ra đáp ứng xung của kênh truyền sao cho lỗi bình phương được giảm thiểu. = (4.1) = min (4.2) Trong đó: + là sự chênh lệch giữa tín hiệu thu và tín hiệu nhận +D là kí hiệu đã biết trên đường chéo chính và có kích thước là NxN + là ma trận DFT có kích thước NxN +y là vector nhận có kích thước Nx1 Từ (4.1) ta suy ra đáp ứng xung của kênh truyền là : = (4.3) trong đó : Q = (4.4) Đáp ứng tần số của kênh truyền: = (4.5) Từ (4.4) và (4.5) ta suy ra: = (4.6) Trong đó: + chỉ chứa kí hiệu pilot và có kích thước là PxP (P là số kí hiệu pilot) + là vector nhận (chỉ chứa pilot) có kích thước là Px1 Để ước lượng tất cả hệ số của kênh truyền, hệ số tương ứng với vị trí dữ liệu phải được nội suy. Phương pháp nội suy sẽ được trình bày ở phần sau.(4.5) Không phải tất cả các kí hiệu OFDM đều có pilot do đó việc nội suy trong miền thời gian là cần thiết. Phương pháp nội suy thời gian sẽ được mô tả trong phần (4.5.2). Để minh họa bộ ước lượng được thưc hiện cùng với bộ nội suy như thế nào ta xem xét hình 4.2 Thời gian Sóng mang con Kí hiệu pilot Ước lượng LS Nội suy thời và nội suy tần số gian Kí hiệu data Hình 4.2 : Thực hiện ước lượng LS Thuật toán nội suy FIR Cách tiếp cận thuật toán nội suy FIR: đáp ứng xung của kênh truyền có số lượng tap giới hạn. Ta có thể ước lượng số lượng của tap này thông qua kí hiệu pilot và sau đó tính toán đáp ứng tần số ước lượng của kênh truyền với phép tính DFT. Theo (4.5) ta có: = trong đó: Q = Ta giả sử rằng đáp ứng xung h chỉ có nhiều nhất là L tap. là ma trận chỉ chứa L cột đầu tiên của , ma trận này do đó sẽ có kích thước là NxL. Để cho phép tính được nhanh hơn, tất cả các hàng của không tương ứng với kí hiệu pilot được thiết lập bằng 0. Ma trận chứa kí hiệu pilot đã biết có kích thước NxN và có kí hiệu pilot trên đường chéo. Tất cả các vị trí trên đường chéo D và không tương ứng với kí hiệu pilot được thiết lập bằng 0. Vector nhận y chứa tất cả các kí hiệu nhận trong một kí hiệu OFDM, kích thước của nó là : Nx1. Ta viết lại ước lựong LS như sau: = (4.7) với = (4.8) có kích thước là LxL. Để thuật toán chính xác, ta cần có một vài điều kiện. Điều kiện đầu tiên là số lượng tap L lớn nhất của kênh truyền không thể lớn hơn số lượng của kí hiệu pilot. Điều này được giải thích bởi lý do số biến phải nhỏ hơn hoặc bằng số phương trình, khi đó ta mới tìm ra được nghiệm của phương trình. Tuy nhiên nếu có quá ít tap trong ước lượng kênh truyền so với kênh truyền thực tế thì sẽ không đúng với mô hình đưa ra. Do đó ta phải ước lượng số lượng tap trong bộ lọc FIR . Một trong những phương pháp dùng để ước lượng số lượng tap đó là dùng tiêu chuẩn thông tin Akaike . Thực hiện thuật toán nội suy FIR trong miền tần số là một việc không quá khó khăn. Nó đơn giản là thực hiên thuật toán như đã nêu ở trên , từng kí hiệu OFDM rồi đến toàn bộ khung. Sau khi thực hiện thuật toán nội suy FIR, bởi vì không phải tất cả các kí hiệu OFDM đều chứa kí hiệu pilot, do đó nội suy thời gian phải được thực hiện . Phương pháp nội suy thời gian được mô tả trong phần (4.5). Để minh họa làm thế nào nội suy thời gian được thực hiện cùng với thuật toán nội suy FIR ta xem xét hình (4.3) Sóng mang con Thời gian Kí hiệu pilot Thuật toán Nội suy Nội suy FIR thời gian Kí hiệu data Hình 4.3 : Thực hiện thuật toán nội suy FIR . LMMSE (least minimum mean square error) Một dạng khác của ước lượng 1D là ước lượng LMMSE. Một cách tổng quát, bộ ước lượng này được mô tả như sau: = (4.9) Trong đó: + là ma trận tương quan của H. + là ước lượng bình phương ít nhất được tính ở phần (4.2.1). +SNR là tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR = (4.10) * là năng lượng trung bình của các bit truyền. *là phương sai của nhiễu trắng * là năng lượng của kênh truyền. Năng lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM không cố định mà biến đổi rõ rệt giữa các sóng mang con khác nhau. Do đó ta phải dùng kết quả xấp xỉ căn cứ vào công suất trung bình kênh truyền của một kí hiệu OFDM. Như biểu thức dưới đây: SNR = (4.11) + = Trong đó kí hiệu trên sóng mang con thứ k. Với điều chế QPSK = 1. Thuật toán này đòi hỏi tất cả các kí hiệu được gởi đi trong một hí hiệu OFDM đều phải là pilot. Vấn đề này có thể được khắc phục bằng thuật toán sau đây: = (4.12) Trong đó: +là hàm tương quan chéo của kênh truyền, được định nghĩa như sau: = E[] (4.13) +là hàm tự tương quan của kênh truyền, được định nghĩa như sau: = E[] (4.14) trong đó: + là đáp ứng kênh truyền ở vị trí pilot trong miền tần số. + là đáp ứng cho tất cả các vị trí của kênh truyền trong miền tần số. Để giảm bớt sự phức tạp trong ước lượng ta chia thành hai vector khác nhau như biểu thức dưới đây: = (4.15) Trong đó: + là đáp ứng kênh truyền trong miền tần số tại vị trí không có pilot. Với cách tiếp cận đó ta có thể tách biệt ước lượng và nội suy thành hai biểu thức sau đây: = (4.16) = (4.17) Ở (4.18) ta nhận thấy khi tỉ số tín hiệu trên nhiễu lớn thì sẽ gần bằng 0 và do đó sẽ tiến đến .Thông thường không phải là ma trận full rank. Do đó định thức của bằng 0. Để khắc phục vấn đề này, đầu tiên ta phân tích ma trận R thành tích của các ma trận như sau : = (4.18) Với U là ma trận Unita với vectơ riêng nằm ở cột có vị trí tương ứng với giá trị riêng, V là ma trận chéo có các giá trị riêng nằm trên đường chéo. Biểu thức giả ngược (pseudo-inverse) được tính bằng cách loại bỏ trị riêng bằng 0 của V sao cho nó chỉ chứa duy nhất k trị riêng khác không và đồng thời giảm U để nó chỉ chứa k vectơ riêng, tạo thành ma trận . Biểu thức giả ngược được tính như sau: = , (4.19) Bộ ước lượng LMMSE thời gian được mô tả trong phần sau. Để minh họa làm thế nào để bộ ước lượng LMMSE thực hiện cùng với nội suy ta xem xét hình (4.4) Thời gian Sóng mang con Kí hiệu pilot Ước lượng LMMSE Nội suy thời gian tần số và nội suy Kí hiệu data Hình 4.4: Thực hiện ước lượng LMMSE4.3 Ước lượng 2D Những phương pháp ước lượng ở trên chỉ dùng hàm tương quan giữa các sóng mang con trong một mốc thời gian để ước lượng. Việc ước lựong sẽ trở nên chính xác hơn nếu ta sử dụng thông tin ở cả hai miền thời gian và tần số, đó là phương pháp ước lương 2D. Đồ án chọn nghiên cứu một phương pháp ước lượng 2D tương đối đơn giản để nghiên cứu. Cách tiếp cận để xây dựng nên bộ lọc 2D đơn giản nhất là dùng hai bộ ước lượng 1D, một bộ ước lượng kênh truyền trong miền thời gian , một bộ ước lượng kênh truyền trong miền tần số. Việc ước lượng kênh truyền trong miền thời gian sẽ thực hiện trước sau đó sẽ đến ước lượng kênh truyền trong miền tần số. Sau đây là thuật toán của bộ ước lượng thời gian 2D đơn giản: = (+ (4.20) trong đó: +là kết quả ước lượng LS trong miền thời gian +là ma trận tự tương quan của kênh truyền được định nghĩa như sau: = E[] (4.21) +là ma trận tương quan chéo của kênh truyền = E[] (4.22) là đáp ứng tần số của kênh truyền trong miền thời gian. là đáp ứng tần số của kênh truyền trong miền thời gian tại vị trí pilot. Thuật toán của bộ ước lượng thời gian tần số 2D đơn giản tương tự như trên. Dưới đây là hình minh họa làm thế nào hai bộ ước lượng trên khung của đường lên. Thời gian Sóng mang con Kí hiệu pilot Ước lượng tần số Ước lượng LMMSE và nội suy thời gian và nội suy. Kí hiệu data Hình 4.5 : Thực hiện ước lượng 2D đơn giản 4.4 Ước lượng thích nghi Bộ ước lượng thích nghi là bộ ước lượng thường xuyên cập nhật các thông số của kênh truyền do hệ quả của việc thay đổi thống kê kênh truyền. Đó là điểm khác biệt cơ bản nhất so với ước lượng 1D và 2D như trình bày ở trên. Đồ án tập trung vào ước lựong LS và MMSE cho nên phần này chỉ mang tính chất giới thiệu. 4.5 Nội suy Để ước lượng hết tất cả các đáp ứng tần số của kênh truyền, ta phải nội suy. Phần này sẽ trình bày về hai bộ nội suy, đó là: bộ nội suy trong miền tần số và nội suy trong miền thời gian. 4.5.1 Nội suy trong miền tần số Đây là một bộ lọc Wiener như sau: = (4.23) Trong đó : + là đáp ứng kênh truyền được nội suy trong miền tần số + là đáp ứng kênh truyền được ước lượng tại vị trí pilot. Bộ nội suy có chung vấn đề giống như phương pháp ước lượng LMMSE với khi nghịch đảo bởi vì thông thường không phải là ma trận full rank. Do đó định thức của có thể bằng 0. Để khắc phục vấn đề này, bước đầu tiên thực hiện một sự phân tích giá trị kì dị của ví dụ : = (4.24) Với U là ma trận Unita với vectơ riêng nằm ở cột có vị trí tương ứng với giá trị riêng, V là ma trận chéo có các giá trị riêng nằm trên đường chéo. Biểu thức giả ngược (pseudo-inverse) được tính bằng cách loại bỏ trị riêng bằng không của V sao cho nó chỉ chứa duy nhất k trị riêng khác không và đồng thời giảm U để nó chỉ chứa k vectơ riêng, tạo thành ma trận . Biểu thức giả ngược được tính như sau: = , 4.5.2 Phương pháp nội suy trong miền thời gian. Bởi vì không phải tất cả kí hiệu OFDM đều có chứa pilot cho nên bộ nội suy đơn giản trong miền thời gian cần phải được thiết kế. Bộ nội suy này hoạt động dựa trên giả thuyết là các kí hiệu OFDM gần với nhau về thời gian và có hàm tương quan mạnh giữa đáp ứng tần số của chúng. Đầu tiên bộ nội suy sẽ tạo ra ma trận A có kích thước bằng với kích thước tổng thể frame đường lên và bằng 0 ở mọi vị trí, sau đó tất cả các đáp ứng kênh truyền được ước lượng và nội suy sẽ được chèn vào vị trí thích hợp , bộ lọc sau sẽ được áp dụng trên mỗi thành phần của ma trận A A(i,n) = Trong đó n là chỉ số của kí hiệu OFDM không có pilot và i là chỉ số sóng mang. Mô phỏng 4.6.1 Giới thiệu Trong mô phỏng này, mục đích là truyền dẫn 0.4Mb/s dùng BPSK với BW=500kHz, trải trễ lên tới 3.5 micro giây. Thực hiện -thời gian symbol dữ liệu OFDM là =143 -thời gian tiền tố vòng CP là =18 - BW=500kHz -tổng thời gian symbol =161 -=7kHz -=500/7=72 kênh con -giả sử có 8 CP, sẽ có 64 kênh con dữ liệu, mỗi kênh con sẽ truyền dẫn 1 bít trong 161 Nếu ta dùng hệ thống OFDM với 64 sóng mang phụ thì luồng dữ liệu tốc độ 0.4Mbit/s sẽ được chia thành 64 luồng tốc độ thấp, nên 1 symbol có độ dài=2,5 4.6.2 Kênh truyền Kênh truyền multipath được mô phỏng gồm đường: 1 đường LOS và 2 đường trễ, thời gian trễ của mỗi đường là =0.5và=3.5và kênh truyền này sẽ là kênh truyền fading chậm lựa chọn tần số ( do thời gian trễ > thời gian symbol) đối với hệ thống đa sóng mang OFDM. Tính trễ trung bình vượt mức ( mean excess delay) Và vậy trễ hiệu dụng ( rms delay spread ) 4.6.3 Tiến trình mô phỏng +Dữ liệu được tạo ra ngẫu nhiên, sau đó luồng dữ liệu sẽ được chuyển thành 64 luồng song song bằng bộ S/P. + Các luồng dữ liệu song song sẽ được đưa qua bộ ánh xạ BPSK tạo các symbol . +Nhằm giúp quá trình D/A được thực hiện chính xác, ta sẽ lấy IFFT 64 điểm để tạo ra 64 mẫu trong 1 symbol , 64 luồng tín hiệu sau khi qua bộ ánh xạ được đưa vào 64 ngõ vào đầu tiên của bộ 64-IFFT, để đưa các luồng dữ liệu lên 64 tần số trực giao từ 0 đến , chuyển luồng dữ liệu từ miền tần số sang miền thời gian. 64 mẫu rời rạc song song của symbol OFDM sẽ được chuyển về dạng nối tiếp. +Sau khi đã có tín hiệu ở miền thời gian, symbol OFDM sẽ được chèn tiền tố vòng CP=12.5% tạo thành symbol . 8 mẫu cuối của 64 mẫu trong mỗi symbol được sao chép và đưa lên đầu mỗi symbol tạo thành 72 mẫu trong 1 symbol. + Tín hiệu số rời rạc OFDM được chia thành 2 kênh, phần thực đưa vào kênh I (Imphase), phần ảo đưa vào kênh Q (Quadrature). Hai kênh I và Q được đưa và bộ D/A để chuyển thành tín hiệu tương tự. +Tín hiệu tương tự sau bộ D/A được đưa qua bộ lọc thông thấp cho ra tín hiệu thời gian s(t) sẵn sàng đưa ra kênh truyền, kênh truyền ở đây có 3 đường cho tín hiệu Fading. Tín hiệu fading bị tác động bởi nhiễu cộng Gauss AWGN với tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR=3). +Tín hiệu OFDM thu được đưa qua bộ lọc thông thấp giống phía phát. Tín hiệu OFDM thu được được đưa qua bộ biến đổi A/D. Bộ A/D sẽ lấy mẫu bằng cách lấy 1 mẫu sau mỗi 64 mẫu cho ra tín hiệu rời rạc. + Sau đó tín hiệu này được loại bỏ CP được biến đổi từ dạng nối tiếp thành dạng song song cho symbol. +Tiếp theo tín hiệu này được đưa qua bộ biến đổi Fourier nhanh FFT (Fast Fourier Transform) để lấy lại các luồng dữ liệu song song. + Sau đó, luồng dữ liệu song song được ghép lại thành một luồng dữ liệu tốc độ cao như lúc đầu. Lúc này dữ liệu được ước lượng theo thuật toán MMSE và LS. Sau khi ước lượng dữ liệu sẽ được đưa qua bộ demapper. Để đánh giá hệ thống ta sẽ so sánh luồng dữ liệu gốc đưa vào hệ thống và luồng dữ liệu thu được và tính ra số symbol lỗi cũng như tỷ số symbol lỗi SER (Symbol Error Rate). Lưu đồ thuật toán Bắt đầu +Tạo vectơ đáp ứng xung của kênh truyền. +Tính ma trận tương quan của đáp ứng xung của kênh truyền Kết thúc Tạo khối pilot, tạo vectơ tín hiệu nhận được Ước lượng kênh truyền theo phương pháp LS và MMSE Tạo CC khối dữ liệu OFDM để phát đi Hiển thị Tính vectơ tín hiệu nhận được. Ước lượng các tín hiệu đã phát nhờ vào đáp ứng kênh truyền đã ước lượng bằng hai phương pháp trên Tính Symbol Error Rate 4.6.5 Kết quả mô phỏng Tiến trình trên được lặp lại ứng với mỗi giá trị SNR của nhiễu Gauss từ 5 đến 30 ta sẽ tính được tỉ lệ lỗi symbol ( SER ), lỗi bình phương trung bình ( MSE ). Từ đó vẽ đồ thị SER, MSE của hệ thống OFDM theo SNR. Nhằm đảm bảo tính chính xác của SER ở một mức độ tin cậy được ta sẽ mô phỏng 1000 lần và lấy trung bình, ta thu được kết quả như các bảng 4.1, 4.2, và 4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG a) Kết quả mô phỏng MSE với phương pháp ước lượng LS và MMSE(uocluong2.m) Hình 4.6: Kết quả mô phỏng MSE với phương pháp ước lượng LS và MMSE SNR ( dB) 5 10 15 20 25 ls_mse 0.0904 0.0217 0.0081 0.0028 0.0006 mmse_mse 0.0216 0.0092 0.0033 0.0016 0.0003 Bảng 4.2: Kết quả mô phỏng MSE với phương pháp ước lượng LS và MMSE Nhận xét: Đồ thị cho thấy phương pháp MMSE và LS đều có giá trị lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất ( MSE ) là 1 hàm giảm tuyến tính theo SNR, tuy nhiên phương pháp MMSE cho ta trị lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất ( MSE ) chính xác hơn so với phương pháp LS c) Kết quả mô phỏng hệ thống OFDM với đầu thu dựa vào ước lượng MMSE/LS(uocluong1.m) Hình 4.7: Kết quả mô phỏng hệ thống OFDM với đầu thu dựa vào ước lượng MMSE/LS SNR( dB ) 5 10 15 20 25 ser_ls 0.0695 0.0514 0.0437 0.0380 0.0339 ser_mmse 0.0606 0.0413 0.0329 0.0275 0.0249 Bảng 4.3 : Kết quả mô phỏng hệ thống OFDM với đầu thu dựa vào ước lượng MMSE/LS(uocluong1.m) Nhận xét: Đồ thị chứng tỏ phương pháp ước lượng kênh MMSE và LS đều có tỉ lệ lỗi symbol ( SER ) là một hàm giảm theo SNR tuy nhiên phương pháp MMSE cho SER thấp hơn và chính xác hơn so với phương pháp ước lượng kênh LS, đặc biệt là khi SNR càng lớn . Tuy nhiên phương pháp MMSE lại phức tạp hơn so với phương pháp LS. 4.7 Kết luận chương Trong chương 4, chúng ta đã tìm hiểu về những vấn đề cơ bản trong kỹ thuật ước lượng kênh truyền, tìm hiểu sâu hai phương pháp ước lượng kênh phổ biến, đó là phương pháp LS và MMSE, vấn đề nội suy cũng được đề cập đến. Phần mô phỏng cuối chương chứng tỏ ưu điểm của phương pháp MMSE so với LS, tuy nhiên MMSE lại phức tạp hơn LS do đó vấn đề cân bằng giữa độ chính xác của phương pháp ước lượng và phương pháp tiến hành ước lượng phải được quan tâm khi thiết kế bộ ước lượng kênh. CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. 5.1 Kết luận Ước lượng kênh truyền là một khâu cực kì quan trọng trong việc khôi phục lại tín hiệu OFDM, ngoài ra nó còn giúp cho vấn đề đồng bộ được thực hiện tốt hơn. Nghiên cứu việc ước lượng kênh truyền, đồ án đã tập trung vào những kĩ thuật ước lượng kênh truyền khác nhau trong hệ thống OFDM. Trước khi đi sâu vào nghiên cứu các kĩ thuật ước lượng kênh truyền, đồ án đã tìm hiểu tương đối đầy đủ những vấn đề cơ bản của kênh truyền vô tuyến và kỹ thuật OFDM nhằm có một cái nhìn sâu sắc về kĩ thuật ước lượng kênh truyền. Trong phần OFDM, đồ án tập tìm hiểu tương đối kĩ một số đặc điểm của kĩ thuật OFDM, qua đó làm nổi rõ những ưu điểm của kĩ thuật này, đó là hạn chế ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang con OFDM khác nhau. Với ưu điểm này, OFDM thích hợp cho hệ thống tốc độ cao, thích hợp với các ứng dụng không dây cố định. Phần mô phỏng ở chương OFDM cũng một lần nữa chứng tỏ khả năng của kĩ thuật OFDM trong việc chống lại trải trễ do đa đường. Phần kênh truyền nghiên cứu các khái niệm cơ bản của kênh truyền vô tuyến nhằm giúp ta có một cái nhìn tổng quan về kênh truyền, cái mà ta ước lượng. Phần này trình bày khái niệm về phân tập đa đường, đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian và phụ thuộc thời gian, các mô hình kênh cơ bản, quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình kênh truyền, kênh truyền dẫn trong môi trường nhiễu trắng, vấn đề dung lượng kênh truyền vô tuyến cũng được đề cập đến. Chương 4, phần chính của đồ án trình bày về kĩ thuật ước lượng kênh truyền. Bộ ước lượng kênh truyền trong đồ án gồm có 3 bước. Đầu tiên kênh truyền sẽ được ước lượng ở vị trí của kí hiệu pilot, sau đó kênh truyền sẽ được nội suy nhờ vào kí hiệu pilot trong miền tần số và cuối cùng là nội suy trong miền thời gian. Thứ tự của hai bước cuối cùng có thể thay đổi tùy vào phương pháp ước lượng kênh truyền khác nhau trình bày tương đối đầy đủ những vấn đề cơ bản của kỹ thuật. Số lượng thông số cần thiết cho bộ ước lượng biến đổi một cách đáng kể phụ thuộc vào thuật toán ước lượng. Ước lượng 2D ngoài thông tin trong miền tần số còn cần thêm thông tin trong miền thời gian . 5.2 Hướng phát triển của đề tài Kỹ thuật OFDM là một hướng nghiên cứu mới trong thông tin di động. Tại Việt Nam, tuy đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này, nhưng ở nước ta vẫn chưa có nhiều điều kiện để có thể kiểm nghiệm và ứng dụng các kết quả nghiên cứu đó vào thực tế nhiều. Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp bậc Đại học, khi kiến thức và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chưa có, cho nên đồ án của em chỉ mang tính chất tìm hiểu tổng quan, chứ chưa đi sâu vào nghiên cứu hết tất cả các phương pháp ước lượng kênh truyền (Đồ án chọn nghiên cứu hai phương pháp đơn giản nhất, đó là LS và MMSE). Trong tương lai, nếu được tiếp tục tham gia nghiên cứu khoa học, em sẽ cố gắng để nghiên cứu sâu hơn về kỹ thuật ước lượng kênh truyền, nghiên cứu các kĩ thuật ước lượng và nội suy phức tạp hơn và hiệu quả hơn, cụ thể như sau: +Nghiên cứu kĩ thuật ước lượng 2D MMSE. +Nghiên cứu về bộ ước lượng thích nghi (bộ ước lượng Kalman) +Nghiên cứu sâu hơn về các phương pháp nội suy trong miền tần số. +Mô phỏng so sánh các phương pháp ước lượng để thấy rõ ưu nhược điểm của từng phương pháp, từ đó rút ra được cách lựa chọn phương pháp ước lượng kênh truyền trong điều kiện thích hợp. Tài liệu thao khảo [1]. Nguyễn Văn Đức, “Lý thuyết về Kênh Vô Tuyến” ; Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2006. [2]. Thái Hồng Nhị, Phạm Minh Việt, “Hệ thống viễn thông” Tập 1, 2, 3; Nhà xuất bản giáo dục, 2001. [3]. Nguyễn Văn Đức, “Các Bài tập Matlab về Thông Tin Vô Tuyến”; Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2006. [4]. Daniel Larsson, “Analyse of channel estiamtions method for OFDMA”; Master of Science Thesis, Stockholm, Sweden 2006-12-19. [5]. Fredrik Harsson, “Channel estimation and Interpolation in Multi Antenna OFDM based system”, IR-SB-EX-0316, 2003, Royal Institute of Technology. [6]. Carin Omurcali, “Channel estimation and its effect on the performance in an OFDM system”, IR-SB-EX-0418, Royal Institute of Technology, May 2004 [7]. O. EDFORS, M. SANDELL, J.J. VAN DER BEEK, D. LANSTROM, F. SJOBERG, “An introduction to Orthogonal Frequency Division Multiplexing”, September 1996. [8]. Jian Sub, “OFDM for Wireless Communications”, Wireless Communication Research Laboratory, Lane Dept. of Comp. Sci. and Elec. Engr., West Virginia University, USA, June 23, 2003. [9]. Y. Chui, D. Markovic, H. Tang, N. Zhang, “OFDM Receiver Design”, EE25C Fall 2000, Final Report 12/12/2000. [10]. A. Bletsas, A. Lippman, “Efficient Collaborative (Viral) Communication in OFDM Based WLANs ” Media Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA. [11]. [12]. [13]. A. C. Brooks, S. J. Hoelzer, “Design and Implementation of OFDM Signaling”, March 16, 2001. [14]. S. Coleri, M. Ergen, A. Puri, A. Bahai, “Channel Estimation Techniques Based on Pilot Arrangement in OFDM Systems”, IEEE Trans. Broadcast., Vol. 48, No. 3, September 2002. [15]. S. Coleri, M. Ergen, A. Puri, A. Bahai, “A Study of Channel Estimation in OFDM Systems”, 0-7803-7467-3/02/$17.00©2002 IEEE, pp 894-898. [16]. Hui Lui and Guoqing Li, “OFDM-Based Broadband Wireless Network Design and Optimization”, ISBN 0-471-72346-0, John Wiles & Sons, Inc, 2005. [17]. O. Edfors, M. Sandell, J.J. Van Der Beek, S. K. Wilson, P. O. Borjesson, “OFDM Channel Estimation by Singular Value Decomposition”, IEEE Trans. Comm., Vol. 46, No. 7, July 1998, pp 931-939. [18]. Jin-Goong Kim, Tae-Joon Kim, Jae-Seang Lee and Jong-Tae Lim, “Channel Estimation for OFDM over Fast Rayleight Fading Channels”, Proceedings of world academy of science, engineering and technology volume 21 january 2007 ISSN 1307-6884. [19]. Ye(Geoffrey) Li, Leonard J.cimini, nelson R.Sollenberger, “Robust channel estiamtion for OFDM systems with Rapid Dispersive Fading Channel”, IEEE Transactions on Communications, Vol.46, No.7, Jully 1998. [20]. Dr. M. A. INGRAM, G. ACOSTA, “OFDM Simulation Using Matlab”, Smart Antenna Research Laboratory, August 2000. PHẦN PHỤ LỤC MỤC LỤC HÌNH Hình 2.1: Minh họa sự khác nhau của OFDM và FDM 14 Hình 2.2: Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung và không chồng xung. 15 Hình 2.3: Phổ của OFDM và FDM 15 Hình 2.4: Cấu trúc của một tín hiệu OFDM 16 Hình 2.5: Cấu trúc OFDM trong miền tần số 17 Hình 2.6: Cấu trúc kênh con OFDM 17 Hình 2.7: Cấu trúc lát OFDM 17 Hình 2.8: Sơ đồ khối của qúa trình phát và thu OFDM 19 Hình 2.9: Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM 23 Hình 2.10: Ảnh hưởng của lỗi tần số (∆F) đến hệ thống : suy giảm biên độ tín hiệu (o) và bị tác động nhiễu ICI (●) 26 Hình 2.11: Một ví dụ về sự phân bố pilot 30 Hình 2.12 Đặc tính kênh truyền 32 Hình 2.13 Tín hiệu OFDM phát và thu. 33 Hình 2.14 Tín hiệu OFDM phát và thu trong miền tần số 33 Hình 2.15 Tín hiệu QAM phát và thu 34 Hình 2.16 Tín hiệu QAM phát và thu trong miền tần số 34 Hình 3.1: Minh họa phân tập đa đường 37 Hình 3.2 : Phân bố Rayleight 42 Hình 3.3: Mô hình kênh tuyến tính 43 Hình 3.5: Phân bố Gauss 47 Hình 3.6: Mật độ phổ công suất nhiễu. 47 Hình 3.7: Ví dụ về ISI 49 Hình 4.1: Kí hiệu OFDM với pilot và OFDM không có pilot 52 Hình 4.2 : Thực hiện ước lượng LS 55 Hình 4.3 : Thực hiện thuật toán nội suy FIR 57 Hình 4.4: Thực hiện ước lượng LMMSE 60 Hình 4.5 : Thực hiện ước lượng 2D đơn giản 62 Hình 4.6: Kết quả mô phỏng MSE với phương pháp ước lượng LS và MMSE 68 Hình 4.7: Kết quả mô phỏng hệ thống OFDM với đầu thu dựa vào ước lượng MMSE/LS 70 MỤC LỤC BẢNG Bảng 2.1 : Các giá trị trong mã hóa 64-QAM 21 Bảng 4.1 : Kết quả mô phỏng SER với phương pháp ước lượng LS và MMSE 72 Bảng 4.2 : Kết quả mô phỏng MSE với phương pháp ước lượng LS và MMSE 73 Bảng 4.3 : Kết quả mô phỏng hệ thống OFDM với đầu thu dựa vào ước lượng MMSE/LS(uocluong1.m) 74 MÃ NGUỒN %Hàm uocluong1.m %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% clc; clear all; tic %Tinh ma tran kenh G g = zeros(1,64); tau=[0.5 3.5]; for k=1:64 s=0; for m=1:2 s=s+(exp(-j*pi*(1/64)*(k+63*tau(m))) * (( sin(pi*tau(m)) / sin(pi*(1/64)*(tau(m)-k))))); end g(k)=s/sqrt(64); end G=g'; H=fft(G); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Danh gia ma tran Rgg %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% gg=zeros(64,64); for i=1:64 gg(i,i)=G(i); end gg_myu = sum(gg, 1)/64; gg_mid = gg - gg_myu(ones(64,1),:); sum_gg_mid= sum(gg_mid, 1); Rgg = (gg_mid' * gg_mid- (sum_gg_mid' * sum_gg_mid) / 64) / (64 - 1); AA = 30; % AA lan chay ( 1 lan uoc luong + CC lan chay tim SER ) Hls=zeros(64,64); Hmmse = zeros(64,64); ser_ls = zeros(1,5); ser_mmse = zeros(1,5); SNR = zeros(1,5); for a=1:AA % Ước lượng Hls and Hmmse X=zeros(64,64); d=rand(64,1); for i=1:64 if(d(i)>=0.5) d(i)=+1; else d(i)=-1; end end for i=1:64 X(i,i)=d(i); end XFG=X*H; n1=ones(64,1); n1=n1*0.000000000000000001i; noise=awgn(n1,8); variance=var(noise); N=fft(noise); Y=XFG+N; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %Hls=inv(X)*Y; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% H_ls=(inv(X)) * Y; for i=1:64 Hls(i,i)= H_ls(i); end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %Hmmse=F*Rgg*inv(Rgy)*Y; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% u=rand(64,64); F=fft(u)*inv(u); I=eye(64,64); Rgy=Rgg * F'* X'; Ryy=X * F * Rgg * F' *X' + variance * I; yy = zeros(64,64); for i=1:64 yy(i,i)=Y(i); end Gmmse=Rgy * inv(Ryy)* Y; H_mmse=fft(Gmmse); for i=1:64 Hmmse(i,i)= H_mmse(i); end % kết thúc ước lượng Hls and Hmmse %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %từ các giá trị Hls và Hmmse ta tính SER từ CC lần chạy for n=1:5 SNR_send=5*n; error_count_ls=0; error_count_mmse=0; CC = 1000; for c=1:CC d=rand(64,1); for i=1:64 if(d(i)>=0.5) d(i)=+1; else d(i)=-1; end end for i=1:64 X(i,i)=d(i); end XFG=X*H; n1=ones(64,1); n1=n1*0.000000000000000001i; noise=awgn(n1,SNR_send); variance=var(noise); N=fft(noise); Y=XFG+N; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % I:Dau thu dua vao uoc luong LS %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% I=inv(Hls)* Y; for k=1:64 if(real(I(k))>0) I(k)=1; else I(k)=-1; end end for k=1:64 if(I(k)~=d(k)) error_count_ls=error_count_ls+1; end end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % I:Dau thu dua vao uoc luong MMSE %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% I=inv(Hmmse)* Y; for k=1:64 if(real(I(k))>0) I(k)=1; else I(k)=-1; end end for k=1:64 if(I(k)~=d(k)) error_count_mmse=error_count_mmse+1; end end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% end % for c=1:CC ser_ls(n)=ser_ls(n)+error_count_ls/64/CC/AA; ser_mmse(n)=ser_mmse(n)+error_count_mmse/64/CC/AA; SNR(n)=SNR_send; end end % for a =1:AA semilogy(SNR,ser_mmse,'-og'); hold on; semilogy(SNR,ser_ls,'-*r'); hold on; grid on; xlabel('SNR in DB'); ylabel('Symbol Error Rate'); title('He thong OFDM voi dau thu dua vao uoc luong MMSE/LS'); legend('mmse','ls') hold off toc %ham uongluong2.m %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % So sanh thuc hien uoc luong bang pp LS va MMSE cho he % thong 64 song mang con OFDM dua vao MSE %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% clc; clear all; X=zeros(64,64); d=rand(64,1); for i=1:64 if(d(i)>=0.5) d(i)=+1; else d(i)=-1; end end for i=1:64 X(i,i)=d(i); end %Tinh ma tran G tap=[0.5 3.5]; for k=1:64 s=0; for m=1:2 s=s+(exp(-j*pi*(1/64)*(k+63*tap(m))) * (( sin(pi*tap(m)) / sin(pi*(1/64)*(tap(m)-k))))); end g(k)=s/sqrt(64); end G=g'; H=fft(G); u=rand(64,64); F=fft(u)*inv(u); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Tinh ma tran G-Rgg %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% gg=zeros(64,64); for i=1:64 gg(i,i)=G(i); end gg_myu = sum(gg, 1)/64; gg_mid = gg - gg_myu(ones(64,1),:); sum_gg_mid= sum(gg_mid, 1); Rgg = (gg_mid' * gg_mid- (sum_gg_mid' * sum_gg_mid) / 64) / (64 - 1); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %Chay mo phong 1000 lan va lay trung binh ket qua for m=1:1000 for n=1:5 SNR_send=5*n; XFG=X*H; n1=ones(64,1); n1=n1*0.000000000000000001i; noise=awgn(n1,SNR_send); variance=var(noise); N=fft(noise); Y=XFG+N; %Danh gia MSE cho LS mean_squared_error_ls=LS_MSE_calc(X,H,Y); %Danh gia MSE cho MMSE mean_squared_error_mmse=MMSE_MSE_calc(X,H,Y,Rgg,variance); SNR(n)=SNR_send; mmse_mse(m,n)=mean_squared_error_mmse; ls_mse(m,n)=mean_squared_error_ls; end; end; ls_mse mmse_mse mmse_mse_ave=mean(mmse_mse); ls_mse_ave=mean(ls_mse); semilogy(SNR,mmse_mse_ave,'-og'); hold on; semilogy(SNR,ls_mse_ave,'-*r'); hold on; grid on; xlabel('SNR in DB'); ylabel('mean squared error'); title('MSE voi uoc luong MMSE va LS'); legend('mmse','ls') hold off %Quyen_Fir (chuong trinh tinh noi suy FIR) N = 8; L = 3; d = [1 0 0 2 3 0 0 4]; y = [1 ;1.2; 1.4; 1.6; 4; 2; 1.8; 2.1]; D = diag(d); w = exp(-2*pi*sqrt(-1)/N); W_N = zeros(N,L); indexes = find (d>0);%tap hop U for i = 1: length(indexes) for j=1:L W_N(indexes(i),j) = w^((indexes(i)-1)*(j-1)); end end %Viet ham dem so gia tri khac 0 trong d counter = 0; for i = 1:length(d) if (d(i)~=0) counter = counter+1; else ; end end B = D * W_N; A = B' * B; C = inv(A); H = W_N*C*B'*y; H1=zeros(L,1); index=0; for i=1:N if d(i)~=0 index=index+1; H1(index)=H(i); else; end end