Đang tải... (xem toàn văn)
Thực hiện hệ thống OFDM sử dụng phương pháp mô hình hóa LDPC trên kênh truyền rayleigh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Thông tin di động Đề tài 13 : Thực hệ thống OFDM sử dụng phương pháp mơ hình hóa LDPC kênh truyền Rayleigh Nhóm Lớp Điện tử 02-K60 CHƯƠNG TỒNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 1.2 Lời nói đầu Trong năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đề xuất chuẩn hóa cho truyền thơng tốc độ cao Một số ứng dụng OFDM kể đến truyền hình số DVB, phát số DAB, mạng LAN không dây… OFDM trường hợp đặc biệt phương pháp điều chế đa sóng mang, sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ phổ tín hiệu sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên mà khơi phục lại tín hiệu ban đầu, điều làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường Ngày kĩ thuật OFDM kết hợp với phương pháp mã kênh sử dụng thông tin vơ tuyến, hệ thống gọi COFDM Trong hệ thống tín hiệu trước điều chế OFDM mã kênh với loại mã khác nhằm mục đích chống lại lỗi đường truyền Trong phạm vi nghiên cứu đề tài này, nhóm chúng em nghiên cứu, đánh giá hiệu kết hợp mã LDPC- mã sửa sai có ma trận kiểm tra mật độ thấp (một loại mã kênh) hệ thống OFDM Sơ đồ khối hệ thống Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống LDPC-OFDM CHƯƠNG Mà SỬA SAI CÓ MA TRẬN KIỂM TRA MẬT ĐỘ THẤP LDPC 2.1 Sự phát triển mã sửa sai - Năm 1948 Claude E Shannon phát hành cơng trình nghiên cứu lý thuyết tốn học cơng nghệ truyền thơng Trong cơng trình Shannon phát triển mơ hình thuật toán cho phép giải vấn đề truyền dẫn tín hiệu Hình 2.1: Mơ hình hệ thống truyền tin số - Nguồn tin: nơi tạo tập tin M, với xác suất (M=m) Entropy M xác định sau: - Mã hóa nguồn: mã hóa loại bỏ thơng tin dư thừa chuỗi đầu vào Mã hóa kênh: ghép thêm thơng tin dư thừa vào chuỗi liệu đầu vào Mục đích việc làm nhằm tăng khả tái tạo liệu bị can nhiễu phía đầu thu Kênh: hàm xác suất truyền dẫn kênh định nghĩa (Y/X) Trong kênh truyền dẫn kênh khơng nhớ Có hai dòng mã sửa sai mã chập (convolution coding) mã khối (block coding) Trong mã hóa khối sử dụng nhiều thực tế Có hai loại mã hóa quan tâm phát triển mã Turbo mã LDPC • LDPC có khả sửa lỗi cao so với Turbo truyền dẫn qua kênh truyền có phân bố tạp âm trắng kiểu Gauss AWGN - So sánh với Turbo LDPC khơng bị ảnh hưởng tượng sàn lỗi (Error Floor), tượng làm tỉ lệ lỗi bit phía đầu (BER) giảm xuống giá trị cực nhỏ tỉ số Eb/No tăng lên nhiều • Độ phức tạp LDPC thấp Turbo 2.2 Khái niệm a) Khái niệm Mã LDPC (Low Density Parity Check Code) mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp, hay gọi mã Gallager, đề xuất Gallager vào năm 1962.Về loại mã khối có tuyến tính có đặc điểm ma trận kiểm tra chẵn lẻ H ma trận thưa, tức có hầu hết phẩn tử 0, số b) Mã LDPC Theo định nghĩa Gallager, ma trận kiểm tra chẵn lẻ LDPC có đặc điểm hàng chứa i phần tử cột chứa j phần tử 1, mã LDPC gọi mã LDPC (n, i, j), n độ dài khối mã số cột ma trận H c) Mã LDPC không Từ định nghĩa ban đầu Gallager, Luby tác giả khác đánh dấu bước tiến quan trọng mã LDPC việc đưa khái niệm mã LDPC không Đặc điểm mã trọng lượng hàng trọng lượng cột không đồng Các kết mô cho thấy mã LDPC không xây dựng phù hợp có đặc tính tốt mã Tiếp theo đó, Davey Mackay mã khơng GF(q) vời q>2 Theo tác giả này, khả kiểm soát lỗi loại mã GF(q) cải thiện đáng kể so với mã GF (2) d) Biểu diễn mã LDPC đồ hình • Hình 2.2: Đồ hình Tanner - Mã LDPC mơ tả đồ hình biết tới với tên gọi đồ hình Tanner Đồ hình Tanner biểu đồ gồm có hai nhánh (bipartide diagram) bao gồm hai nhóm nodes Một nhóm node kiểm tra (check nodes), nhóm node biến số (variable nodes) Nút biến số biểu thị bit từ mã, node kiểm tra biểu thị phương trình kiểm tra chẵn lẻ - Cho mã LDPC (n, k) bao gồm n bút biến số (n-k) nút kiểm tra Mối quan hệ node kiểm tra node biến số xác định ma trận kiểm tra chẵn lẻ H - Một chu kì có độ dài n (số cột ma trận H) đồ thị Tanner đường dẫn bắt đầu kết thúc nút bao gồm n cạnh 2.3 Mã hóa mã LDPC 2.3.1 Mã hóa dùng ma trận sinh G Các mã LDPC định nghĩa sở ma trận kiểm tra chẵn lẻ H, từ ma trận H ta xây dựng ma trận sinh G theo phương pháp khử Gauss-Jordan Phương pháp đưa ma trận H dạng: H=[] Với P ma trận kích thước (n-k)*k ma trận đơn vị kích thước (n-k)*(n-k) Ma trận sinh G xác định theo công thức: G=[] Q trình mã hóa đến đơn thực phép nhân ma trận hàng đơn biểu thị chuỗi tin đầu vào với ma trận sinh tìm - - - 2.3.2 Mã hóa LDPC dùng ma trận kiểm tra chẵn lẻ H - - Khác với phương pháp tìm ma trận G từ ma trận H cho trước sau thực mã hóa với G Một mã LDPC mã hóa việc sử dụng trực tiếp ma trận H nhờ biến đổi dạng gần tam giác Ý tưởng phương pháp sử dụng chủ yếu hoán vị hàng cột cho giữ đặc điểm thưa ma trận H Trước hết hoán vị hàng cột để đưa ma trận dạng gần tam giác - Với T ma trận tam giác dưới, nghĩa T có giá trị đường chéo từ trái qua phải, phần tử đường chéo khơng, kích thước (m-g) *(m-g) B ma trận kích thước (m-g) *g A ma trận kích thước (m-g) *k, C có kích thước g*k D có kích thước g*g, E có kích thước g*(m-g) Trong k chiều dài tin, n độ dài khối mã, m số bit kiểm tra m=n-k gọi g gap, nói cách gần g nhỏ độ phức tạp mã hóa thấp 2.4 Giải mã mã LDPC - Sau Mackay Neal chứng minh tính vượt trội LDPC có nhiều phương pháp giải mã đời thuật toán truyền Belief BPA, MPA- thuật toán chuyển tin…và số thuật toán khác Phương pháp tổng tích (SPA) a) Thuật tốn MPA Hiện nhiều hướng đặt nhằm giảm phức tạp thuật toán, MSA số đó, MSA hình thành sở phát triển thuật toán SPA, thuật toán mà Mackay-Neal sử dụng để chứng minh LDPC tiệm cận giới hạn Shannon Do để tiện cho việc tìm hiểu MSA khái quát lại thuật toán SPA b) Một số đặc điểm thuật toán giải mã MSA - - - - Sự phức tạp q trình tính tốn với MSA có khả giảm phụ thuộc vào kênh truyển đổi, điều thể chỗ không cần kể tới thông tin , ưu điểm trội thuật tốn so với SPA Với SPA ta phải tính xác suất xuất từ mã việc sử dụng phép nhân, thuật toán nhân phải tính giá trị (x)- giá trị từ mã nhỏ phép cộng so sánh nên khối lượng tính tốn giảm nhiều Khi sử dụng thuật tốn MPA giảm khối lượng tính tốn nhiều so với thuật toán SPA 2.5 Kết luận Ý nghĩa: • Vai trò đặc biệt quan trọng truyền dẫn thơng tin số • Tăng khả tái tạo liệu phía thu Bài tốn đặt ra: Tối ưu thuật toán giải mã để tăng khả sửa lỗi mã, giảm độ phức tạp q trình giải mã • Xây dựng giải mã với khả sửa lỗi tốt với độ phức tạp q trình mã hóa, giải mã chấp nhận • Xây dựng, tối ưu hóa mơ hình tích hợp mã có khả chống lỗi tốt mà độ phức tạp hệ thống chấp nhận • CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG OFDM 3.1 Giới thiệu chung kỹ thuật OFDM - OFDM viết tắt Orthogonal Frequency Division Multiplexing - 3.2 - tạm dịch Ghép Kênh Phân Chia Theo Tần Số Trực Giao OFDM nằm lớp kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) thơng tin vơ tuyến Còn hệ thống thông tin hữu tuyến kỹ thuật thường nhắc đến tên: đa tần (DMT) Kỹ thuật OFDM lần giới thiệu báo R.W Chang năm 1966 vấn đề tổng hợp tín hiệu có dải tần hạn chế thực truyền tín hiệu qua nhiều kênh Tuy nhiên, gần đây, kỹ thuật OFDM quan tâm nhờ có tiến vượt bậc lĩnh vực xử lý tín hiệu vi điện tử Ý tưởng kỹ thuật OFDM việc chia luồng liệu trước phát thành N luồng liệu song song có tốc độ thấp phát luồng liệu sóng mang khác Các sóng mang trực giao nhau, điều thực cách chọn độ giãn cách tần số chúng cách hợp lý Các khái niệm liên quan đến OFDM 3.2.1 Hệ thống đa sóng mang Hệ thống đa sóng mang hệ thống có liệu điều chế truyền nhiều sóng mang khác Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang thực chia tín hiệu thành số tín hiệu, điều chế tín hiệu sóng mang truyền kênh tần số khác nhau, ghép kênh tần số lại với theo kiểu FDM Hình 3.1: Cấu trúc hệ thống đa sóng mang 3.2.2 Ghép kênh phân chia theo tần số FDM - Ghép kênh phân chia theo tần số phương pháp phân chia nhiều kênh thông tin trục tần số Sắp xếp chúng băng tần riêng biệt liên tiếp Mỗi kênh thông tin xác định tần số trung tâm mà truyền dẫn Tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác xảy đồng thời không gian, thời gian Hình 3.2: Ghép kênh phân chia theo tần số - Để đảm bảo tín hiệu kênh khơng bị chồng lên tín hiệu kênh lân cận, tránh nhiễu kênh, đòi hỏi phải có khoảng trống hay băng bảo vệ xen kênh Điều dẫn đến không hiệu phổ 3.3 Hệ thống OFDM 3.3.1 Mơ hình hệ thống OFDM Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống OFDM 3.3.2 Nguyên lý hoạt động - - - Đầu tiên, dòng liệu vào tốc độ cao chia thành nhiều dòng liệu song song với tốc độ thấp nhờ chuyển đổi S/P (bộ chuyển đổi nối tiếp - song song), dòng liệu song song sau mã hóa sử dụng thuật tốn FEC xếp cách hỗn hợp Tiếp theo, ký tự hỗn hợp đưa tới đầu vào khối IFFT, khối tính tốn mẫu thời gian tương ứng với kênh nhánh miền tần số Sau ta thêm khoảng bảo vệ vào để làm giảm nhiễu xuyên ký tự ISI truyền kênh vơ tuyến di động đa đường Bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục chuyển đối lên tần sô cao để truyền kênh Trong q trình truyền, kênh có nguồn nhiễu gây ảnh hưởng nhiễu gauss trắng cộng AWGN Ở phía thu, tín hiệu thu chuyển xuống tần số thấp tín hiệu rời rạc đạt lọc thu Khoảng bảo vệ loại bỏ mẫu chuyern từ miền thời gian sang miền tần số phép biến đổi DFT dùng thuật tốn FFT Sau tùy vào sơ đồ điều chế sử dụng, dịch chuyển viên độ pha sóng mang nhánh cân bằng cân kênh (chanel Equalization) Các ký tự hôn họp thu xếp ngược trở giả mã Cuối cùng, nhận dòng liệu nối tiếp ban đầu Kỹ thuật xử lý tín hiệu OFDM 3.4.1 Mã hóa sửa sai trước FEC - Được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin, cụ thể đảm bảo tỷ số lỗi giới hạn cho phép mà nâng cao giá trị tỷ số Eb/No (SNR), điều thể rõ việc kênh truyền bị tác động cảu AWGN, mã FEC đc chia thành loại + Mã khối (block coding) + Mã chập (convolutional coding) + Ngồi người ta dùng mã hóa Trellis (là dạng mã chập có thêm phần mã hóa, bên thu dùng thuật tốn Virterbi) 3.4.2 Phân tán kí tự - Do fading lực chọn tần số kênh vô tuyến điển hình làm cho sóng mang phụ tin câyj sóng mang khác Vì tạo chumg lỗi bit lớn phân tán cách ngầy nhiên Hầu hết mã sửa lỗi không đc thiết kế để sửa lỗi chùm Do đó, phân tán kí tự tạo nhằm ngẫu nhiên hóa xuất bit lỗi trc giải mã Tại phát, cách người ta hốn vị bit mã hóa cho bit kề bị cách nhiều bit Tại thu, việc hoán vị ngược lại thực trước giải mã 3.4.3 Sắp xếp - Về nguyên tắc, áp dụng phương pháp điều chế cho sóng mang Dạng điều chế quy định số bit ngõ vào cặp giá trị (I, Q) ngõ 3.4 10 bước Bước “đồng thô” thực cách cho tương quan tín hiệu thu với tín hiệu phát (đã xác định trước) tìm đỉnh tương quan Để đảm bảo tính xác việc ước lượng đỉnh tương quan, lọc số sử dụng để cung cấp giá trị liệu nội suy Đồng thời, tần suất ước lượng điểm tương quan phải gấp khoảng lần tốc độ tín hiệu - Bước cuối thuật tốn đồng tinh (fine synchronization) Các kênh tín hiệu dẫn đường cấn với kênh ước lượng thông qua chuỗi huấn luyện Do độ xác thời gian đồng đảm bảo nhỏ 0,5 mẫu tín hiệu nên đáp ứng xung kênh nằm khoảng thời gian CP (vì thời khoảng CP phải lớn thời khoảng đáp ứng xung mẫu) Đồng thời gian dựa vào tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) Thực chất phương pháp đồng thời gian sử dụng tiền tố lặp, chèn vào thời điểm ban đầu ký hiệu OFDM thứ N chuỗi bảo vệ GI (Guard interval) Chuỗi bảo vệ, chuỗi tín hiệu có độ dài TG, lấy phía cuối mẫu tín hiệu OFDM có độ dài TFFT (hình 2.1) chép lên phần phía trước mẫu tín hiệu OFDM Trong khoảng thời gian GI máy thu không xử lý tia phản xạ (của ký hiệu OFDM trước đó) đến trễ khoảng thời gian cho phép, có tác dụng chống lại nhiễu xun tín hiệu ISI gây hiệu ứng phân tập đa đường Nguyên tắc giải thích sau: Để giải mã tín hiệu OFDM, máy thu phải thực FFT với ký tự để lấy biên độ pha sóng mang Với hệ thống OFDM có tốc độ lấy mẫu cho máy phát thu, kích thước FFT phải cho tín hiệu phát tín hiệu thu nhằm trì tính trực giao sóng mang Do chèn thêm dải bảo vệ ký tự thu có thời gian lấy mẫu TG + TFFT, máy thu cần giải mã tín hiệu khoảng thời gian TFFT Do khoảng thời gian TG thừa Với kênh truyền lý tưởng khơng có trễ truyền dẫn, máy thu khơng gặp phải xê dịch mặt thời gian lấy mẫu xác mà khơng cần khoảng ngăn cách ký tự Tuy nhiên, thực tế khơng có kênh truyền lý tưởng, kênh truyền luôn có trễ truyền dẫn Dải bảo vệ chuyển đổi xê dịch mặt thời gian thành quay pha sóng mang tín hiệu thu Lượng quay pha tỷ lệ với tần số sóng mang Giả sử lượng thời gian xê dịch với ký tự khác nhau, lượng di pha xê dịch thời gian dễ dàng loại bỏ bước cân kênh truyền Trong môi trường đa đường, dải bảo vệ lớn ISI loại bỏ nhiều, lỗi xê dịch thời gian giải Điều kiện định để đảm bảo cho hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng ISI loại bỏ lỗi xê dịch thời gian T G ≥ τmax Trong đó: τmax trễ truyền dẫn lớn 14 kênh truyền Tuy nhiên, chuỗi bảo vệ GI khơng mang thơng tin có ích nên phổ tín hiệu η= hệ thống bị suy giảm hệ số [3]: 15 TFFT TFFT + TG H Hình 3.4: Kỹ thuật chèn khoảng thời gian bảo vệ GI Dù việc chèn thêm tiền tố lặp CP vào chuỗi ký hiệu OFDM truyền làm cho hiệu suất truyền tin bị giảm Song với lợi ích to lớn mà kỹ thuật mang lại làm cho việc sử dụng kỹ thuât trở nên phổ biến mà hệ thống OFDM phải sử dụng Việc nhận dạng khoảng bảo vệ phía thu phân tích sau [1]: với N số sóng mang nhánh N số điểm lấy mẫu tương ứng với phần có ích ký tự OFDM (khơng kể CP) Khi đó: Nếu r(m) r(m+N) tương ứng với mẫu tín hiệu phát nằm thời khoảng ký tự OFDM, chúng phải nên công suất d(m) = r(m) - r(m+N) thấp Mặt khác, r(m) r(m+N) không tương ứng với mẫu tín hiệu phát nằm thời khoảng ký tự, d(m) hiệu hai biến ngẫu nhiên khơng tương quan, nên cơng suất trung bình d(m) trường hợp hai lần công suất trung bình ký tự OFDM Nếu sử dụng “cửa sổ” trượt có độ rộng khoảng thời gian CP (tức điểm cuối cửa sổ trùng vào điểm bắt đầu ký tự OFDM) cửa sổ trùng với thành phần CP ký tự OFDM có cực tiểu cơng suất trung bình mẫu d(m) cửa sổ Do đó, ước lượng thời điểm bắt đầu ký tự OFDM, đồng thời gian thực b) Nhiễu pha sóng mang Nhiễu pha sóng mang tượng xoay pha sóng mang khơng ổn định dao động thu phát Mơ hình, phân tích, đánh giá tượng trình bày nhiều tài liệu Theo đó, nhiễu pha sóng mang coi q trình Wiener Các đánh giá phân tích nhiễu pha sóng mang đề cập thêm phần đồng tần số sóng mang tiểu luận 3.5.2.2 Đồng tần số sóng mang 16 Đồng tần số sóng mang vấn đề định hệ thống thơng tin đa sóng mang Nếu việc thực đồng không bảo đảm, tiêu chất lượng ưu điểm hệ thống so với hệ thống thơng tin đơn sóng mang truyền thống bị giảm đáng kể Trong hệ thống OFDM, tính trực giao sóng mang đòi hỏi chặt chẽ nên việc đồng sóng mang cần quan tâm để đảm bảo cho việc phục hồi tín hiệu Có hai ngun nhân dẫn đễn việc đồng sóng mang, là: Sự suy giảm biên độ sóng mang thu (do thời điểm lấy mẫu máy thu không nằm vào đỉnh xung sinc [sinc (x) = sin x / x]) nhiễu kênh lân cận ICI ) Hình 3.5: Suy giảm biên độ lệch tần số sóng mang Trong đồng tần số sóng mang, người ta quan tâm đến hai vấn đề chính: lỗi tần số thực ước lượng tần số a) Lỗi tần số Lỗi tần số lệch tần số gây sai khác hai dao động bên phát bên thu, độ dịch tần Doppler nhiễu pha kênh khơng tuyến tính Hai ảnh hưởng lỗi tần số gây suy giảm biên độ tín hiệu tín hiệu (có dạng hàm sinc) lấy mẫu đỉnh tạo nhiễu xuyên kênh ICI kênh nhánh tính trực giao sóng mang nhánh Sự suy giảm tỉ số tín tạp D(dB) Pollet đánh giá phân tích thơng qua biểu thức sau: ≈ D(dB) 10 ( π ∆f ) = 10 π N ∆F ES ln10 ln10 W N0 Trong đó: ΔF độ lệch tần số N: số sóng mạng 17 W: độ rộng băng tần Hình 3.6: Suy giảm SNR lệch tần số (phân tích sở nhiễu AWGN) Theo đánh giá này, để đảm bảo yêu cầu chất lượng hệ thống, độ bất ổn định đồng tần số sóng mang hệ thống phải thấp 2% b) Thực ước lượng tần số Cũng giống đồng thời gian, chia giải pháp để ước lượng tần số thành hai loại: dựa sử dụng tín hiệu pilot sử dụng CP Vì đồng tần số yêu cầu cốt yếu hệ thống thông tin đa sóng mang nên vấn đề quan tâm nghiên cứu rộng rãi Với đồng tần số sử dụng CP, thực thuật toán theo số hướng sau: + Tạo hàm có đỉnh chênh lệch tần số 0; + Sử dụng ước lượng ML (Maximun Likehood) Ngồi ra, để tăng thêm độ xác ước lượng tần số, người ta sử dụng thêm khoá pha (Phase Lock Loop - PLL) Một vấn đề cần ý quan hệ đồng tần số đồng thời gian Để giảm ảnh hưởng đồng tần số, giảm số lượng sóng mang nhánh, tăng khoảng cách hai sóng mang cạnh Tuy nhiên, giảm số lượng sóng mang thu nhỏ thời khoảng ký tự sóng mang làm độ nhạy với sai lỗi thời gian hệ thống 18 tăng lên, yêu cầu đồng thời gian phải chặt chẽ Vì vây, cần phải nghiên cứu để dung hồ hai yêu cầu đồng thời gian đồng tần số Trong thuật toán đồng tần số dựa vào pilot, số sóng mang sử dụng để truyền dẫn tín hiệu Tín hiệu pilot thường chọn chuỗi giả ngẫu nhiên PN tín hiệu chip [1] Bằng cách sử dụng thuật toán thích hợp, bên thu xác định giá trị xoay pha tín hiệu gây sai lệch tần số Tín hiệu dẫn đường chèn vào nguồn tín hiệu, sau điều chế thành tín hiệu OFDM thơng qua biến đổi IFFT Tín hiệu dẫn đường mẫu tín hiệu biết trước phía phát phía thu phát nguồn tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác khôi phục kênh truyền, đồng hệ thống, có vai trò đồng tần số Hình 3.7: Mơ hình chèn mẫu tin dẫn đường vào tín hiệu OFDM Mẫu tin dẫn đường chèn với mẫu tin có ích miền tần số miền thời gian (hình 2.6) nhiên, khoảng cách hai mẫu tin dẫn đường liên tiếp phải tuân theo quy luật lấy mẫu miền tần số miền thời gian Ở miền tần số, biến đổi kênh vô tuyến phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn lớn kênh τmax Với rf tỷ số lấy mẫu miền tần số, f S khoảng cách liên tiếp hai sóng mang nhánh khoảng cách hai mẫu tin dẫn đường miền tần số D f phải thỏa mãn điều rf = kiện sau [3]: ≥1 D f f S τ max Tỷ số lấy mẫu tối thiểu miền tần số rf phải Tỷ số lớn 1, số mẫu tin dẫn đường nhiều mức cần thiết kênh truyền lấy mẫu vượt mức (oversampling) Trong trường hợp khoảng cách hai mẫu tin dẫn đường không thỏa mãn điều kiện lấy mẫu nêu kênh truyền khơng thể khơi phục đượchồn tồn thơng qua mẫu tin dẫn đường Tương tự miền tần số, miền thời gian, khoảng cách hai mẫu tin dẫn đường liên tiếp Dt phải thỏa mãn điều kiện tiêu chuẩn lấy mẫu miền thời gian Sự biến đổi hàm truyền vô tuyến miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler f D 19 Theo tiêu chuẩn lấy mẫu miền thời gian khoảng cách D t phải thỏa mãn điều kiện cho tỷ số lấy mẫu miền thời gian rt ≥ sau: max rf = ≥1 f D max Dt ( TS + TG ) Việc đồng tần số sóng mang phía thu thực thơng qua thuật tốn đánh giá kênh truyền ước lượng tần số Dưới trình bày số thuật tốn ước lượng tần số đánh giá kênh truyền Đánh giá lỗi tần số sử dụng thuật toán ước lượng sau DFT Cũng thuật toán miền thời gian, việc ước lượng độ lệch tần số thực sau xử lý DFT đòi hỏi phải cần tối thiểu ký hiệu lặp lại liền Phần cấu trúc mào đầu hai ký hiệu có thuộc tính phù hợp với ký hiệu huấn luyện dài ngắn- short and long training symbol, điều cho phép máy thu thực việc đánh giá sai số tần số sau trình xử lý DFT Theo phân tích Moose [7] đánh giá sai số tần số theo khả cực đại - maximum likelihood error estimator thực sau: Tín hiệu thu khoảng thời gian lặp lại hai ký hiệu (bỏ qua tạp âm) tính j 2πn ( k + f ∆ ) K rn = ∑ X k H k e N N k =− K Trong đó: n = 0, 1…, 2N-1 Xk ký hiệu liệu phát Hk đáp ứng tần số kênh cho sóng mạng phụ thứ k; K tổng số sóng mang phụ fΔ sai số tần số khoảng sóng mang phụ Tính tốn DFT cho ký hiệu thu với sóng mang phụ thứ k là: N −1 R1,k = ∑ rn e − j 2πkn N n =0 k = 0, 1…N-1 DFT cho ký hiệu thứ hai là: R2,k = N −1 ∑ rn e n= N − j 2πkn N N −1 = ∑ rn+ N e n =0 − j 2πkn N k = 0, 1… N-1 Từ phương trình (*) tính cho mẫu n + N ta có: 20 (*) rn+ N = j 2π ( n + N )( k + f ∆ ) j 2π n ( k + f ∆ ) K j 2.π f ∆ K N N X H e = X H e = e j 2.π f ∆ ∑ k k ∑ k k e N k =− K N k =− K Vì e j2πk = 1, vào biểu thức ta được: R2,k = R1,k e j 2.π f ∆ Do sóng mang có độ di pha tương ứng với độ lệch tần số, nên tính tốn lỗi tần số thơng qua độ di pha cách sử dụng biến trung gian z: = z K ∑ R1,k R2,k = k =− K = e j 2.π f ∆ = e j 2.π f ∆ z k =− K K ∑ R (R ) k =− K z ∑ R (R K K ∑ k =− K 1,k R1,k 1,k 1,k e j 2.π f ∆ ) * * 1,k Do biến z biến phức nên góc pha xác định theo lỗi tần số ước lượng sau: fˆ∆ = − ∠z 2π Kết nhận tương tự tính tốn miền thời gian Bám pha sóng mang Ước lượng tần số khơng phải thủ tục hồn hảo, tồn lỗi tần số mà ước lượng khơng kiểm sốt Sự suy giảm SNR ICI khắc phục ước lượng thiết kế để giảm lỗi tần số xuống giới hạn yêu cầu Vấn đề bù lệch tần số qúa trình quay chòm tín hiệu Q trình phân tích ước lượng lỗi tần sau DFT cho thấy quay chòm tín hiệu sóng mang Để thấy rõ tượng ta sử dụng matlab để mơ q trình điều chế QPSK 10 ký hiệu OFDM với lỗi tần số 3kHz Các đáp ứng lỗi tương đương với khoảng 1% phân đoạn sóng mang con, ảnh hưởng lên SNR không đáng kể Tuy nhiên q trình mơ cho thấy: sau 10 ký hiệu, điểm tín hiệu chòm vượt khỏi biên định, khơng thể thực giải điều chế xác Để khắc phục tượng người ta sử dụng phương pháp bám pha sóng mang 21 Bám pha sóng mang với liệu trợ giúp Phương pháp bám pha đơn giản có trợ giúp liệu Theo chuẩn IEEE 802.11a HiperLAN/2, bốn sóng mang xác định trước q trình truyền liệu Những sóng mang đặc biệt gọi sóng mang dẫn đường - pilot subcarriers, có nhiệm vụ giúp máy thu bám pha sóng mang Sau qúa trình DFT ký hiệu thứ n, sóng mang dẫn đường R n,k cân với tích đáp ứng tần số kênh Hk ký hiệu dẫn đường Pn,k Rn ,k = H k Pn ,k e j 2.π f∆ Giả sử ước lượng Hˆ k đáp ứng tần số kênh biết, suy giá trị pha gần là: ( ) Np Φ n = ∠∑ Rn ,k Hˆ k Pn,k k =1 Nếu giả sử trình đánh giá kênh hồn tồn xác, ta có: Np Φ n = ∠e j 2.π f ∆ ∑ H k k =1 Trong trường hợp này, ta ko cần quan tâm đến khoảng [-π, π) liệu dẫn đường biết, sai pha tự động sửa lỗi 3.5.2.3 Đồng tần số lấy mẫu - Tại bên thu, tín hiệu thu liên tục lấy mẫu theo đồng hồ máy thu Chênh lệch nhịp đồng hồ máy phát máy thu gây xoay pha, suy hao thành phần tín hiệu có ích, tạo nhiễu xuyên kênh ICI Có hai giải pháp đưa để xử lý tượng - Giải pháp thứ nhất, gọi phương pháp lấy mẫu đồng - Synchronized sampling, sử dụng thuật toán điều khiển dao động điều chỉnh điện áp (voltage-controlled oscillator) (hình dưới) 22 Hình 3.8: Sơ đồ máy thu sử dụng phương pháp lấy mẫu đồng - Giải pháp thứ hai, lấy mẫu không đồng - Non Synchronized Sampling thực xử lý số để đạt đồng tần số lấy mẫu giữ cố định tần số lấy mẫu Hình 3.9: Sơ đồ máy thu sử dụng phương pháp lấy mẫu không đồng - Việc điều chỉnh xung nhịp tên ADC lọai bỏ hoàn toàn độ lệch tần số lấy mẫu Theo đó, cách sửa lỗi tối ưu Ngày nay, máy thu thiết kế theo xu hướng số hóa, nghĩa khơng phải tìm cách điều chỉnh nhịp lấy mẫu Cơ sở cho xu mong muốn đơn giản hóa phần tương tự máy thu, thơng thường, giá thành chi phí cho phần tử tương tự, đắt so với linh kiện số Vì thế, sử dụng thạch anh cố định thay cho dao động điều khiển người ta giảm đáng kể số lượng phần tử tương tự, giá thành máy thu giảm đáng kể - Trong máy thu lấy mẫu khơng đồng bộ, có thêm khối chức “rob/stuf” phía sau chuyển đổi ADC nhằm giải vấn đề đồng khoảng thời gian lấy mẫu tượng trôi mẫu tức thời gây Khi sảy tượng này, tùy thuộc vào việc xung nhịp máy thu nhanh chậm so với xung nhịp máy phát, khối “rob/stuf” thực chép lại xung đồng hồ từ mẫu trước mượn mẫu từ tín hiệu thu Tiến trình khắc phục tượng trơi mẫu tức thời máy thu Do đó, thường dùng để sửa lỗi định thời ký hiệu, đảm bảo việc đồng tần số máy thu 2.6 Đặc tính kênh truyền OFDM 2.6.1 Sự suy giảm tín hiệu - Sự suy giảm tín hiệu suy hao mức cơng suất tín hiệu trình truyền từ điểm đến điểm khác Điều đường truyền dài, nhà cao tầng hiệu ứng đa đường 23 2.6.2 Hiệu ứng đa đường • Rayleigh fading - - - - Trong đường truyền vơ tuyến, tín hiệu RF từ máy phát bị phản xạ từ vật cản đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh nhiều đường tín hiệu đến máy thu dẫn đến lệch pha tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm • Fading lựa chọn tần số Trong đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ khơng phẳng có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu Sự phản xạ dẫn đến tính hiệu đa đường cơng suất tín hiệu tương tự tín hiệu trực tiếp gây suy giảm cơng suất tín hiệu thu nhiễu • Trải trễ Tín hiệu vơ tuyến thu từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp tín hiệu phản xạ từ vật cản nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm so với tín hiệu trực tiếp chiều dài truyền lớn Trải trễ thời gian trễ tín hiệu thẳng tín hiệu phản xạ cuối đến đầu vào máy thu 2.6.3 Dịch Doppler Khi nguồn tín hiệu bên thu chuyển động tương nhau, tần số tín hiệu thu khơng giống bên phía phát Khi chúng di chuyển chiều tần số nhận lớn tần số tín hiệu phát ngược lại chúng di chuyển xa tần số tín hiệu thu giảm xuống Đây gọi hiệu ứng Doppler 2.6.4 Nhiễu AWGN - - - Trong thực tế, đường truyền luôn bị hỏng nhiễu Các mơ hình tốn học thơng thường nhiễu AWGN Đây mơ hình tốt cho hệ thống thực tế miễn nhiễu nhiệt tín hiệu thu nguồn Vì đơn giản nó, thường sử dụng để mơ hình nhiễu 2.6.5 Nhiễu liên kí tự ISI 2.6.6 Nhiễu liên sóng mang ICI Hiệu việc lọc phần tín hiệu truyền qua kênh chất lượng tín hiệu nhận được ý nghĩa tượng gọi nhiễu kênh (ICI), ICI gây xung truyền để có chồng lấn với nhau, có nghĩa xung truyền khoảnh khắc thời gian làm lân cận xung ảnh hưởng đến q trình phát liệu gây lỗi kết nhiễu kết biểu tượng chồng lấn với Các cân trích chuỗi biểu tượng truyền cách chống lại ảnh hưởng ISI nâng cao khả phát biểu tượng xác Mục đích để đảo ngược tác động kênh có tín hiệu truyền với mục đích tái tạo tín hiệu ban đầu vào cuối thu 2.6.7 Tiền tố lặp CP Tiền tố lặp CP kỹ thuật xử lý tín hiêu OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp ảnh hưởng nhiễu xuyên ký tự ISI, nhiễu xuyên kênh ICI đến tín hiệu 24 OFDM, đảm bảo yêu cầu tính trực giao sóng mang phụ Để thực kỹ thuật này, q trình xử lý, tín hiệu OFDM lặp lại có chu kỳ phần lặp lại phía trước ký tự OFDM sử dụng khoảng thời gian bảo vệ ký tự phát kề Vậy sau chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền ký tự lúc bao gồm thời gian khoảng bảo vệ thời gian truyền thông tin có ích 2.7 Đánh giá kĩ thuật OFDM Ưu điểm: Sử dụng dải tần hiệu phép chồng phổ sóng mang Hạn chế ảnh hưởng fading hiệu ứng đa đường cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành kênh fading phẳng tương ứng với tần số sóng mang OFDM khác Loại bỏ hầu hết giao thoa ký tự (ISI) sử dụng CP giao thoa sóng mang (ICI) Nếu sử dụng biện pháp xen rẽ mã hoá kênh thích hợp khắc phục tượng suy giảm xác suất lỗi ký tự hiệu ứng chọn lọc tần số kênh gây Quá trình cân kênh thực đơn giản so với việc sử dụng cân thích nghi hệ thống đơn sóng tần Nhược điểm: Hệ thống OFDM tạo tín hiệu nhiều sóng mang, khuếch đại cơng suất phát cao cần độ tuyến tính, khuếch đại cơng suất thu nhiễu thấp đòi hỏi dải động tín hiệu lớn nên tỷ số cơng suất đỉnh cơng suất trung bình (PAPR: Peak-to-Average Power Ratio) lớn, tỷ số PAPR cao bất lợi nghiêm trọng OFDM dùng khuếch đại công suất hoạt động miền bão hồ để khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn gây nên nhiễu xuyên điều chế OFDM nhạy với dịch tần trượt sóng mang hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng tần số hệ thống OFDM phức tạp hệ thống sóng mang đơn Ứng dụng: Phát số DAB Một kênh OFDM truyền vài chương trình phát thanh, chương trình có chất lượng thay đổi mono hay stereo Mỗi kênh audio mã hóa mã hóa âm với tốc độ từ 32 Kbps đến 382 Kbps Dòng bít mã hóa vòng xoắn với tốc độ mã 1/2 cài xen (interleaving) Các dòng bít ghép kênh theo thời gian đưa tới điều chế OFDM Tốc độ bit tổng cộng 3.2 Mbps Bởi vỡ tốc độ kênh audio truyền kênh OFDM thay đổi theo Một hệ thống điển hình truyền kênh audio với tốc độ 192 Kbps Truyền hình số DVB 25 Loại bỏ nhiễu: tồn đồng thời truyền hình số truyền hình tương tự yêu cầu hệ thống tuyệt đối khơng gây nhiễu với truyền hình tương tự nhiễu bang hẹp khác, truyền hình tương tự nhạy cảm với nhiễu Hiệu ứng đa đường: sóng truyền theo nhiều đường tới máy thu với trễ truyền dẫn khác nguyên nhân làm suy giảm chất lượng kênh truyền hình mặt đất Kiến trúc mạng đơn tần SFN DVB tạo nhiều tín hiệu tới máy thu từ trạm phát khác phản xạ thông thường Sự tồn nhiều tín hiệu với độ trễ khác máy thu yêu cầu kỹ thuật điều chế mạnh để chống lại hiệu ứng OFDM cho phép loại bỏ hoàn toàn hiệu ứng đa đường miễn độ dại khoảng bảo vệ GI thiết kế cách hợp lý Mạng LAN không dây OFDM giải khó khăn cđa Wireless LAN bị phản xạ đa đường lớn vật thể nhà gây nên Mặc dù độ trải trễ phản xạ đa đường nhỏ truyền dẫn đa đường tốc độ cao, chu kì Symbol nhỏ nên ảnh hưởng trễ đa đường tới hệ thống Wireless LANlà lớn Tương đối hiệu việc sử dụng băng thơng Thích hợp với tốc độ truyền thay đổi Chống nhiễu bang hẹp tốt Nhiễu bang hẹp gây nhiều người sử dụng thiết bị khác gây Hiệu tính tốn cao: sử dụng biến đổi Fourier nhanh FFT cho phép giảm độ phức tạp xuống Đồng tốt: máy thu OFDM chịu ảnh hưởng jitter thời gian so với dùng kỹ thuật trải phổ Đường dây thuê bao số bất đối xứng Đường truyền thuê bao số bất đối xứng ADSL công nghệ ứng dụng phát triển nhiều tương thích với hệ thống phù hợp với nhu cầu người dùng ADSL truyền tải thông tin số tương tự đôi dây đồng Kênh truyền dẫn ADSL chia thành nhiều kênh số liệu tốc độ cao lúc phục vụ cho tín hiệu thoại Dữ liệu sau đóng khung đưa vào mã hóa để phát sửa lỗi phía thu ADSL sử dụng chuỗi mã hóa gồm mã khối, mã vòng xoắn cài xen Tiếp tín hiệu kết hợp với pilot qua biến đổi liệu nối tiếp thành dòng số song song có tốc độ thấp Các dòng số song song điều chế QAM thực thuật toán IFFT để điều chế DMT Sau tín hiệu điều chế 26 biến đổi thành nối tiếp chèn thêm khoảng bảo vệ CP để chống ISI, đồng khung Cuối tín hiệu số qua DAC biến đổi thành tín hiệu tương tự để truyền 27 28 ... lượng hệ thống người ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM 3.5.1 Ước lượng tham số kênh Ước lượng kênh hệ thống ofdm xác định hàm truyền đạt kênh thời gian để thực giải điều chế bên thu bên phát sử dụng. .. tốc độ kênh audio truyền kênh OFDM thay đổi theo Một hệ thống điển hình truyền kênh audio với tốc độ 192 Kbps Truyền hình số DVB 25 Loại bỏ nhiễu: tồn đồng thời truyền hình số truyền hình tương... thấp (một loại mã kênh) hệ thống OFDM Sơ đồ khối hệ thống Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống LDPC -OFDM CHƯƠNG Mà SỬA SAI CÓ MA TRẬN KIỂM TRA MẬT ĐỘ THẤP LDPC 2.1 Sự phát triển mã sửa sai - Năm 1948