Giáo trình thông tin vô tuyến

GIẢI NGHĨA CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌCHàm tán xạ của kềnh Nhiễu trắng Tín hiệu phát Tín hiệu thuTrễ truyền dẫn lớn nhất của kênh Số bít trên một mẫu tín hiệu Độ dài FFTKhoảng cách giữa hai sóng

HỆ THỐNG VÀ KIẾN TRÚC CÁC HỆ THÓNG VÔ TUYẾN

Tóm tắt việc sử dụng các băng tần s ố

Để dễ dàng theo dõi các chuẩn vô tuyến trong từng dải tần số cụ thể, chúng ta cần nắm rõ các băng tần số đã được chuẩn hóa Hình 4.1.1 trình bày rõ các dải tần sóng điện từ được sử dụng trong truyền thông vô tuyến, giúp xác định được phạm vi tần số phù hợp cho các ứng dụng khác nhau Việc nắm vững các chuẩn tần số này rất quan trọng trong việc thiết kế và vận hành hệ thống truyền thông vô tuyến hiệu quả.

Hình 4.1.1: Các dài sóng điện từ được sừ dụng trong thông tin vô tuyến

Các dái sóng cũng như dải tần số và bước sóng của chúng được tóm tắt trong bảng 4.1.1.

Bảng 4.1.1: Các dải sóng điện từ đưọ'c sử dụng trong thông tin vô tuyến

Dải sóng Dải tần số Bước sóng

LF (Low Frequency) 30 kHz - 300 kHz 10 km - 1 km

Radio frequency bands are categorized into several ranges, each suitable for specific applications Medium Frequency (MF) spans from 300 kHz to 3 MHz, with signals reaching distances of 100 meters to 1 kilometer, commonly used in AM radio broadcasting Very High Frequency (VHF), covering 30 MHz to 300 MHz, has a range of 10 meters to 1 meter, ideal for FM radio, television broadcasts, and marine communication Ultra High Frequency (UHF), from 300 MHz to 3 GHz, offers coverage from 1 meter to 10 centimeters, utilized in mobile phones, Wi-Fi, and television signals Super High Frequency (SHF), between 3 GHz and 30 GHz, ranges from 10 centimeters to 1 centimeter, important for satellite communications, radar, and microwave links Extremely High Frequency (EHF) encompasses 30 GHz to 300 GHz, with wavelengths from 1 centimeter down to 1 millimeter, supporting advanced applications like high-frequency radar, millimeter-wave radio, and cutting-edge wireless technologies.

Ngoài ra người ta còn dùng các chữ cái để đánh số các băng tần như trình bày trong bảng 4.1.2.

Bảng 4.1.2: Các băng sóng sử dụng trong thông tin vô tuyến Đăng sóng Dải tần số quy định (GHz)

Các chuẩn vô tuyến

Trong phần này sẽ giớị thiệu các hệ thống hay các chuẩn vô tuyến, chủ yếu tóm tắt các thông số kỹ thuật của hệ thống.

4.2.1 Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)

Các hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên trên thế giới phải nói tới là:

- Hệ thống AMPS (Avanced Mobile Phone Service): Hệ thống dịch vụ điện thoại di động tiên tiến.

- Hệ thống TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy cập tổng thể.

- Hệ thống NMT (Nordic Mobile Téléphoné): Hệ thống thông tin di động Bắc Âu.

Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống này như sau:

Dải tân: Dải tân thu: 869 - 894 MHz

Phương pháp truv cập kênh: FDMA

Phương pháp điều chế: điều tan FM Độ rộng kênh vô tuyến (phổ kênh vô tuyén): 30 kHz

Phương pháp ghép kênh: FDD

Hệ thống này có hai loại: ETACS và NTACS

Dải tần: Đài tần thu: 9 1 6 -9 4 9 MHz 860 - 870 M

Phương pháp truy cập kênh: FDMA FDMA

Phương pháp ghép kênh: FDD FDD

Phương thức điều chế: FM FM

Dải tần: Dải tần thu:

Phương pháp truy cập kênh:

Phương pháp điều chế: Độ rộng cùa kênh:

Số lượng kênh: Đ ộ rộng phổ của kênh:

Các hệ thống thông tin di động đầu tiên gặp nhiều hạn chế về giá thiết bị đầu cuối, chi phí hệ thống cao và dung lượng phổ hạn chế Nguyên nhân chính là do sử dụng phương pháp điều chế tương tự (FM), qua đó giới hạn khả năng mở rộng số lượng người dùng so với các hệ thống sử dụng phương pháp điều chế số hiện đại hơn.

4.2.2 Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) có nhiều ưu điểm vượt trội so với các hệ thống thông tin di động tương tự (anolog) 1G Các ưu điểm vượt trội đó là việc ứng dụng các công nghệ số cho phép cải thiện chất lượng thông tin và tăng đáng kể số lượng người sử dụng Ngoài ra trong hệ thống 2G, sự xuất hiện cùa kỹ thuật chuyển giao (hand-over) mở ra hệ thống điện thoại tế bào (cellular system) đã, đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới.

• Hệ thòng hay chuân GSM

Hệ thống GSM (Global System for Mobile Communication) ra đời tại châu Âu vào năm 1992, là hệ thống di động thế hệ thứ hai đầu tiên ứng dụng kỹ thuật điều chế số, góp phần thay đổi diện mạo mạng viễn thông Thuộc loại hệ thống sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDD và phương pháp truy cập đa tần số và thời gian (TDMA/FDMA), GSM sử dụng kỹ thuật điều chế GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của méo phi tuyến và tối ưu hiệu suất truyền dữ liệu Ban đầu, hệ thống dự kiến phục vụ các ứng dụng thoại và dữ liệu bit thấp, như gửi tin nhắn ngắn SMS với dung lượng 160 ký tự; tốc độ bit gốc đạt khoảng 279.833 kbit/s, nhưng sau đó được chia sẻ qua phương pháp đa truy cập theo thời gian, giảm bớt tốc độ truyền thực tế để phù hợp với khả năng xử lý của mạng.

8 Khoảng thời gian trong đó các dữ liệu được nén gọi là các khe thời gian (time slot) Hệ thống này cho phép thông tin giữa những người sử dụng di động và có nhiều đặc điểm nổi trội so với các hệ thống tương tự thế hệ thứ nhất Sau đây tóm tẳt các thông số kỹ thuật đặc trưng cơ bản của hệ thống: Dải tần: Dải tần thu: 935 - 960 MHz

Sự tăng trưởng về số lượng người dùng và phát triển của các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao như internet tốc độ cao và điện thoại hình đang thúc đẩy nhu cầu cải thiện hạ tầng mạng Yêu cầu kết nối không chỉ giữa các thuê bao di động với nhau mà còn giữa các thuê bao và các nhà cung cấp dịch vụ, đòi hỏi hệ thống mạng ngày càng mạnh mẽ và linh hoạt hơn Điều này góp phần nâng cao trải nghiệm người dùng và đảm bảo khả năng đáp ứng lượng lớn lưu lượng dữ liệu trong thời đại số.

GMSK 1 bit/symbole (1 biưl kí hiệu)

Bộ lọc Gaussian hệ số 0,3

124, mỗi kênh cho 8 người sử dụng

Bộ lọc sứ dụng: Độ rộng phổ của kênh:

Các nhà cung cấp dịch vụ internet và mạng intranet đang yêu cầu một mạng thông tin di động có tốc độ cao để đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu nhanh chóng và linh hoạt Mạng phải có khả năng điều chỉnh tốc độ phù hợp với yêu cầu của người dùng và tính cước phí dựa trên số lượng gói tin gửi đi Tuy nhiên, mạng GSM dựa trên chuyển mạch kênh truyền thống ban đầu không đáp ứng được các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao này Để nâng cao tốc độ bit, nhiều giải pháp đã được phát triển như hệ thống dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS hoặc hệ thống EDGE, còn gọi là 2G+ hoặc 2.5G, giúp cải thiện hiệu suất mạng GSM và mở rộng khả năng truyền dữ liệu.

Hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ thứ 2, hệ thống DCS (Digital Communication System: Hệ thống thông tin số), xuất hiện ờ châu Âu năm

Hệ thống này ra đời năm 1993, có các thông số kỹ thuật chính tương tự như hệ thống GSM nhưng hoạt động ở tần số 1800 MHz Ở một số quốc gia châu Âu, hệ thống này còn được gọi là GSM 1800 vì đặc trưng kỹ thuật của nó Dải tần hoạt động của hệ thống này bao gồm cả dải tần thu, mang lại khả năng truyền tải dữ liệu hiệu quả trên mạng di động.

Phương pháp đa truy cập:

Tốc độ bit cơ sở:

Bộ lọc sử dụng: Độ rộng kênh vô tuyến:

1805 - 1880 MHz 1710- 1785 MHz TDMA/FDM FDD

1600 với 3 người sử dụng cho 1 kênh

Năm 1993 tại Châu Âu, hệ thống điện thoại không dây thế hệ thứ 2, hệ thống DECT (Digital European Cordless Telephone), được giới thiệu Hệ thống này sử dụng phương pháp điều chế tần số GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) với bộ lọc Gaussian có hệ số 0,5, mang lại hiệu quả cao trong truyền dẫn tín hiệu không dây Các thông số kỹ thuật đặc trưng của hệ thống DECT đã được tổng hợp rõ ràng, phản ánh những cải tiến đáng chú ý so với các hệ thống trước đó.

Năm 1992, hệ thống điện thoại tế bào thế hệ thứ 2 (IS-54 hay NADC) ra đời tại Bắc Mỹ, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ di động Giống như hệ thống GSM ở châu Âu, các nghiên cứu và phát triển cho các hệ thống di động tiên tiến tiếp tục được đẩy mạnh nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ Hệ thống NADC sử dụng phương pháp điều chế n/4 DQPSK và bộ lọc cosin nâng (Raised-Cosine) để tối ưu hóa hiệu quả truyền tải dữ liệu.

Filter) với hệ số truy cập bàng hay hệ số roll-off bằng 0,35.

Các thông số kỹ thuật chính của chuẩn IS-54 như sau:

Dài tần: Dải tần thu: 869 - 894 MHz

Tốc độ bit cơ sờ: ,

Bộ lọc sứ dụng: Độ rộng kênh vô tuyến:

10 với 24 người sử dụng cho 1 kênh

TDMA/FDM FDD n/4 DQPSK 2 bit/1 symbol

Tốc độ bit cơ sờ:

• Hệ thống ỈS-95 hay CDMA One

Cũng năm 1992 ờ châu Mỹ, một hệ thống điện thoại tế bào khác xuất hiện, đó là hệ thống IS-95 hay CDMA one.

Dải tần: Dải tần thu: 869 - 894 MHz Đ ộ rộng kênh vô tuyến:

Hệ thống IS-136, còn gọi là Hệ thống điện thoại di động số tiên tiến (Digital Advanced Mobile Phone System), là bước phát triển của hệ thống AMPS, sử dụng băng tần 800 MHz theo tiêu chuẩn IS-54 cùng với băng tần 1900 MHz của hệ thống PCS Các thông số kỹ thuật nổi bật bao gồm dải tần thu từ 869 đến 894 MHz, mang lại khả năng truyền dẫn hiệu quả và nâng cao chất lượng dịch vụ di động số.

QPSK/OQPSK, 2 biư l symbol thay đổi < 9,6 kbit/s cosine nâng

Năm 1994, ờ Nhật Bản xuất hiện một hệ thống điện thoại tế bào thế hệ thứ

The PDC (Personal Digital Cellular) system is a cellular phone technology that utilizes ft/4 DQPSK modulation, ensuring reliable digital communication It employs cosine roll-off filters with a roll-off factor of 0.5 to optimize signal quality and reduce interference This combination enhances the overall performance and efficiency of the personal digital cellular network.

Phương pháp đa truy cập kênh:

940 - 956 MHz 1777- 1801 MHz 1429- 1553 MHz TDMA/FDM FDD f t /4 DQPSK, 2 bit/1 symbol

• Hệ thống PHS Đây là một chuẩn không dây thế hệ thứ 2 của Nhật Bản xuất hiện năm 1993

Hệ thống PHS (Personal Handy Phone System: Hệ thống điện thoại vô tuyến cầm tay) sứ dụng điều chế f t /4 DQPSK, bộ lọc sử dụng là bộ lọc cosine nâng với hệ số truy cập băng hay hệ số roll-off là 0,5.

Phương pháp đa truy cập kênh:

TDMA/FDM TDD f t /4 DQPSK, 2 bit/1 symbol

4.2.3 Hệ thống thông tin di động thể hệ 2.5G

Sự gia tăng về số lượng người sử dụng và sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ đa phương tiện như internet và điện thoại hội nghị đòi hỏi các hệ thống thông tin di động có tốc độ truyền dẫn cao Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) không đáp ứng đủ yêu cầu này về tốc độ bit, do đó cần nâng cấp và phát triển mạng GSM hiện có Các đề xuất nâng cấp bao gồm hệ thống GPRS (General Packet Radio Services) và hệ thống EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution), được xem là bước tiến từ công nghệ 2G lên 3G Ưu điểm của các hệ thống 2.5G này là tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có của mạng GSM, chỉ cần thực hiện những thay đổi nhỏ để khai thác tối đa các dịch vụ mới.

Hệ thống GPRS là bước phát triển đầu tiên của công nghệ GSM nhằm đạt được tốc độ bit phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ trung bình GPRS dựa trên nền tảng GSM sẵn có và bổ sung một lớp trong thủ tục thông tin, cho phép vận chuyển dữ liệu dạng gói với tốc độ khoảng 115 kbit/s mà vẫn giữ nguyên kiểu chuyển mạch truyền thống cho các tốc độ thấp hơn Việc sử dụng lại tần số, khung truyền (trame) và cơ sở hạ tầng của mạng GSM giúp giảm thiểu chi phí trong quá trình triển khai Giải pháp GPRS chỉ thay đổi phần mềm hệ thống để cấu hình hệ điều hành phù hợp, sử dụng các mode thông tin khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu.

Thông tin chuyển mạch kênh là quá trình thiết lập tạm thời một kênh thông tin hai chiều giữa các thiết bị đầu cuối, được duy trì suốt quá trình truyền dữ liệu Kênh này tồn tại thực và dựa trên một đường truyền vật lý gồm các đường truyền dẫn giúp thiết lập một mạch liên lạc ổn định giữa các người dùng Một trong những ưu điểm chính của chuyển mạch kênh là khả năng truyền thông tin trực tiếp, tức thì và không bị trễ giữa các người sử dụng, ngoại trừ trễ do truyền sóng.

Một số vấn đề cơ bản trong thiết kế các hệ thống vô tuyến

Khi phân tích và thiết kế hệ thống máy thu - phát vô tuyến (transceiver), việc quan tâm và tính toán các tham số như tham số tuyến tính, tham số về tạp âm, công suất và tham số phi tuyến là rất quan trọng Các tham số này giúp đánh giá ảnh hưởng của tín hiệu và tạp âm đến hiệu suất tổng thể của hệ thống Tổ hợp các tham số này cung cấp cái nhìn toàn diện về cách tín hiệu truyền dẫn và nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng và độ tin cậy của hệ thống vô tuyến.

Hình vẽ 4.3.1 trinh bày sư đồ khối cùa một hệ thống vô tuyến.

Trong chương này, chúng ta đã trình bày về sự suy hao của tính hiệu vô tuyến trong kênh truyền và các vấn đề liên quan đến kênh vô tuyến Chi tiết về chức năng và nguyên lý hoạt động của các khối trong máy phát và máy thu sẽ được đề cập trong các phần tiếp theo của chương này Giả thiết ban đầu xem máy phát như một nguồn phát tín hiệu lý tưởng, trong khi hạn chế chính khi nhận tín hiệu yếu là mức độ tạp âm nhiệt thu bởi hệ thống, ảnh hưởng bởi các thành phần phi tuyến như bộ khuếch đại, bộ trộn tần và bộ chuyển đổi ADC Bộ trộn tần trong máy thu tạo ra các tần số mới trong băng tần sử dụng, làm suy giảm tỷ số tín hiệu - nhiễu và giảm độ nhạy của máy thu Các thông số đặc trưng như hệ số tạp âm của máy thu, nhiệt độ tạp âm của hệ thống và độ nhạy của máy thu đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất thu sóng vô tuyến.

4.3 1 Nhiệt độ tạp âm hệ thống và hệ số tạp âm

Ta định nghĩa nhiệt đội tạp âm của hệ thống ở đầu vào của máy thu như trong hình vẽ sau:

Mặt phẳng chuẩn đầu vào

Tạp âm trắng Gaussian được đặc trưng bởi quá trình ngẫu nhiên Gaussian có trị trung bình bằng không và mật độ phổ công suất bằng M)/2 (W/Hz) Các loại tạp âm như tạp âm khí quyển, mặt trời và thiên hà thu qua anten đều được xem là tạp âm nhiệt, mặc dù mật độ phổ công suất của chúng có thể biến động không đều Tạp âm này ảnh hưởng đến tín hiệu theo dạng cộng (AWGN - Additive White Gaussian Noise), gây nhiễu làm giảm chất lượng truyền dẫn tín hiệu qua hệ thống anten Liên quan đến anten, ta có thể xác định các đặc trưng như hệ số truyền tải và các mức nhiễu ảnh hưởng để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống truyền thông.

2 2 với k — 1,38.10 ~'J.K 1 là hăng sổ Boltzmann;

Ta: nhiệt độ tạp âm ăngten (K: Kelvin).

Trong trường hợp ăngten và máy thu được phối hợp trở kháng trong một băng thông hiệu dụng của tạp âm, B Công suất tới máy thu sẽ là

Tạp âm nền được xác định dựa trên công suất của nó Đối với một nguồn tạp âm hoạt động ở nhiệt độ chuẩn 290K, công suất tạp âm nền được biểu diễn dưới dạng đơn vị dBm, giúp đo lường chính xác mức độ nhiễu nền trong hệ thống truyền tín hiệu Việc hiểu rõ về công suất tạp âm nền là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị và hệ thống truyền dẫn.

Trong hệ thống truyền thông, công suất tạp âm của máy thu được tính bằng công thức P′(dBm) = -174 + 10log10 B, trong đó B là băng thông hiệu dụng và -174 dBm đại diện cho nhiệt nền công suất tín hiệu trong môi trường truyền dẫn Hệ thống bao gồm một ăng-ten và một máy thu có độ khuếch đại công suất, với tạp âm của máy thu là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống Tạp âm của máy thu PK và băng thông hiệu dụng B đóng vai trò quyết định đến chất lượng tín hiệu và khả năng truyền nhận dữ liệu chính xác trong hệ thống.

4.3.3), công suất tạp âm nền ở đầu ra máy thu sẽ là

1 n i 1 z 0 Mặt phẳng chuẩn đầu vào

PN = GkT B + PN out rx

PN : tạp ầm của chính máy thu.

“ GkB \ = GkB(Ta +Tc) = GkB.Ts

Với T„= N”_ được gọi là nhiệt độ tạp âm hiệu dụng

Tn + Tư = Ts được gọi là nhiệt độ tạp âm của hệ thống chuẩn hóa ở đầu vào máy thu.

Hệ số tạp âm F đo mức độ tạp âm gây ra trong bốn cực của máy thu, phản ánh tỷ lệ giữa công suất đầu ra và công suất tạp âm đầu ra của bốn cực phản hồi không nhiễu Hệ số này được tính dựa trên giả thiết nguồn tạp âm đầu vào có nhiệt độ tiêu chuẩn T₀ là 290 K Ngoài ra, hệ số tạp âm F còn thể hiện mức suy giảm tỷ số tín hiệu - tạp âm (S/N) từ đầu vào đến đầu ra của bốn cực, giúp đánh giá hiệu quả lọc nhiễu của hệ thống.

Trong hệ thống gồm n tầng, mỗi tầng được mô tả như một bốn cực mắc nối tiếp theo hình 4.3.4, hệ số tạp âm của hệ thống có thể được tính theo công thức của Friis Để đạt hiệu quả tối ưu, cần chuẩn hoá đầu vào và áp dụng công thức chính xác để đánh giá độ nhiễu của toàn bộ hệ thống Công thức Friis giúp xác định chính xác ảnh hưởng của từng tầng đến tổng hệ số tạp âm, hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa hệ thống truyền dẫn.

G : hệ sổ khuếch đại của tầng thứ i (/ = 1, n );

T, : nhiệt độ tạp âm hiệu dụng của tầng thứ i;

F' : hệ số tạp âm của tầng thứ i.

Do đó nhiệt độ tạp âm hiệu dụng có thể viết dưới dạng:

Ngoài ra, dễ dàng chi ra rằng hệ số tạp âm của một bốn cực suy giảm bằng chính hệ số suy giảm L đó

Trong thiết kế các mạch siêu cao tần tích hợp, việc thực hiện và tính toán các tầng phối hợp trở kháng 50 Ω gặp nhiều thách thức, do độ phức tạp của cấu trúc Khi đo đạc thực tế, chúng ta thường dựa vào dòng điện và điện áp để phân tích, như đã trình bày trong hình 4.3.5, giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình thiết kế và kiểm tra các mạch RF cao tần.

Trong trường hợp này, nguồn âm nội tại vĩ và tín hiệu được nối với nhau trong mạch Bộ cực có nguồn lập thành âm tương đương với V(t) Hệ số tạp âm khi sử dụng điện trở R, là thành phần của nguồn phát tạp âm, được tính theo công thức: p = Ỷ (Fn + Fs Jn) + I, đảm bảo độ chính xác trong phân tích độ nhiễu của hệ thống.

Do đó, hệ số tạp âm phụ thuộc duy nhất vào trở kháng của nguồn hay người ta thường nói là chuẩn hóa theo trở kháng nguồn Rs

Trường hợp hệ thống tầng mắc nối tiếp (Hình 4.3.6), tưomg tự như công thức Friis, người ta xác định hệ số tạp âm của hệ thống như sau:

Hình 4.3.6: Mô hình hóa của hai bổn cực mắc nối tiếp để tỉnh toán tạp âm

Hệ thống gồm M tầng mắc nối tiếp và các tầng phối hợp trở kháng Rs - Rm = R_{oo} - R_{l} = = R Hệ số tạp âm trong hệ thống này được tính dựa trên công thức phù hợp, phản ánh đặc điểm của tất cả các tầng trong chuỗi Việc tổng quát hóa cấu trúc hệ thống giúp dễ dàng phân tích và thiết kế các mạch điện phức tạp, đảm bảo hiệu suất tối ưu và giảm thiểu nhiễu ảnh hưởng Các tham số trở kháng liên tục cân bằng giúp duy trì chất lượng tín hiệu, đồng thời hệ số tạp âm đo lường mức độ nhiễu gây ra trong quá trình truyền dẫn.

A v f.A vợ Avt ( M - l ) 2 (4.3.13) Ở đây, tất cả các hệ số tạp âm của các tầng được chuẩn hóa theo nguồn phát

Rs và Av, (/■ = l,M ) đại diện cho độ khuếch đại điện áp của bốn cực không tải.

4.3.2 Độ nhạy thu Độ nhạy của máy thu là công suất tối thiểu ở đầu vào máy thu cho phép đạt một mức tỉ số sóng mang - tạp âm (C/N) nhất định ở đầu vào bộ giải điều chế hoặc tỉ số tín hiện - tạp âm (S/N hay SNR: Signal-to-Noise Ratio) ở đầu ra với một mức ti số lỗi bit BER (Bit Error Rate) khi phưcmg thức điều chế được lựa chọn Hay nói cách khác độ nhạy của máy thu được xác định là mức tín hiệu thu nhô nhật mà hệ thống có thể thu được với m ột tỉ số tín hiệu

- nhiều chấp nhận được. Đe tính toán độ nhạy thu, theo định nghĩa hệ sô tạp âm, ta co

Trong đó: SNRi„: tỉ số tín hiệu - tạp âm ở đầu vào;

SNRouí- tỉ số tín hiệu - tạp âm ở đầu ra; p sig: công suất tín hiệu vào trên 1 đơn vị băng thông (1 Hz);

PRS: công suất tạp âm gây ra bởi điện ừ ờ nguồn trên 1 Hz. Ở nhiệt độ phòng, P rs được tính như sau

Khi xét trên toàn bộ băng thông B, ta có p = P F SNR B (4.3.17) r slg.lằlal r lts ■ 1

Phương trình (4.3.17) dự đoán độ nhạy thu là mức tín hiệu tối thiểu đưa vào máy thu để đảm bảo đầu ra duy trì tỷ lệ tín hiệu - nhiễu tối thiểu Trong biểu diễn bằng đơn vị dBm, công thức pm m {dBm) = Pns(dBm / Hz) + F(dB) + SNRmtn(dB) + 10 log10 B thể hiện rõ các thành phần ảnh hưởng đến độ nhạy, trong đó P'"min là công suất tín hiệu đầu vào tối thiểu để đạt được tỷ lệ tín hiệu - nhiễu mong muốn.

SNRmin và B là băng thông (Hz).

Vậy pm_ "'min = -1 7 4 + F + 101og|0 B + SNRmin (4.3.19)

Trong phương trình (4.3.19), thành phần đầu tiên ở vế phải là tông của tạp âm tích hợp của hệ thống, thường gọi là tạp âm nền Ngoài ra, phương trình này còn cho thấy rằng nó không phụ thuộc vào độ khuếch đại của hệ thống, đảm bảo tính ổn định và chính xác trong phân tích tín hiệu.

Pm là hàm của băng thông hiệu dụng của tạp âm máy thu, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hệ thống B được tính dựa trên đặc trưng tuyến của bộ lọc trung tần, là bộ lọc có băng thông hẹp nhất trước khi tiến hành giải điều chế Việc hiểu rõ mối liên hệ giữa Pm và B giúp nâng cao chất lượng xử lý tín hiệu và giảm thiểu nhiễu.

Khi nhiệt độ của nguồn tạp âm khác với nhiệt độ tiêu chuẩn T₀, độ nhạy của hệ thống bị ảnh hưởng đáng kể Nhiệt độ tạp âm của antenna hoặc các thành phần khác không phù hợp với T₀ có thể làm giảm hiệu suất thu tín hiệu Hiểu rõ tác động của nhiệt độ tạp âm giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống để duy trì độ nhạy cao Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng viễn thông, radar và truyền dữ liệu yêu cầu độ chính xác cao.

4.3.3 Các hiện tượng phi tuyến và các tham số đặc trưng tương ứng 4.3.3.1 Các hiện tượng phi tuyến

Bài tậ p

LÝ THUYẾT VỀ KÊNH VÒ TUYẾN

2.1 K hái niệm về tm \c u d ần Ị)han lập da diròng Ă n gten

Hình 2 Ị ỉ: Mỏ hình phản xa trong truyền dẫn phân tập đa dường

Truyền dẫn phân tập đa đường là quá trình tín hiệu phát từ ăng-ten gửi đi qua nhiều hướng phản xạ và tán xạ khác nhau để đến máy thu Trong quá trình truyền, tín hiệu có thể nhận được nhiều luồng tín hiệu khác nhau, gồm cả tín hiệu chính và các tín hiệu phản xạ muộn hơn với trễ truyền dẫn tương ứng Hình 2.1.1 minh họa rõ khái niệm về truyền dẫn đa đường, trong đó một luồng tín hiệu chính có trễ truyền dẫn là Tị, ảnh hưởng đến chất lượng và độ tin cậy của truyền tải dữ liệu.

Tuyên thứ 2 có trễ truyền dẫn là một yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Giả sử tín hiệu phát đi từ máy phát chỉ là luồng tín hiệu sin(2πf₁t) với tần số f₁ và f₂; tín hiệu ở máy thu là tổng của các tín hiệu nhận được từ hai tuyến truyền dẫn khác nhau Tín hiệu thu được tại máy thu bị suy giảm với mức độ khác nhau ở các tần số khác nhau, đặc biệt là so với tần số f₂ Do đó, cường độ tín hiệu thu được ở các tần số khác nhau không còn giống như tín hiệu ban đầu, mặc dù phát ra từ máy phát cùng biên độ Hiện tượng này chính là hiện tượng mù méo tần số, gây ra bởi các kênh truyền dẫn phân tán đa đường, dẫn đến hiệu ứng fading gây suy giảm tín hiệu và làm giảm chất lượng truyền dẫn.

GIỚI THIỆU VÈ KỸ THUẬT ĐIÈU CHẾ OFDM

Các ưu và nhược điểm

Trong hệ thống thông tin vô tuyến, kênh truyền gây ra các hiện tượng như trễ truyền dẫn, suy hao tín hiệu, lệch đồng bộ tần số do hiệu ứng Doppler, lệch đồng bộ thời gian do trễ truyền dẫn, nhiễu ISI từ hiệu ứng phân tập đa đường, và nhiễu ICI do mất đồng bộ tần số Để giảm thiểu méo và nhiễu do kênh gây ra, cần thực hiện ước lượng và cân bằng kênh ở phía thu, giúp khôi phục thông tin kênh truyền Mục đích của ước lượng kênh là tái tạo lại đặc tính truyền dẫn, trong khi cân bằng kênh giúp loại bỏ méo do suy hao đường truyền, điều chỉnh các hiệu ứng Fading và loại bỏ nhiễu ISI do đa đường phân tán.

3.1 Ước lượng kcnh vô tuyến

Mục đích của ước lượng kênh là phục hồi thông tin kênh truyền tại máy thu, bao gồm các yếu tố như trễ truyền dẫn, hệ số suy hao và thông tin về dịch tần Doppler, nhằm triệt tiêu các nhiễu do kênh gây ra Trong các hệ thống truyền thông vô tuyến, nhiễu đa đường là hiện tượng không thể tránh khỏi do tính chất phân tán dọc theo nhiều đường đi khác nhau của tín hiệu, gây méo dạng tín hiệu phát đi Nhiễu đa đường làm giảm khả năng khôi phục tín hiệu ban đầu của thu, khiến việc ước lượng chính xác thông tin trạng thái kênh (CSI) trở nên vô cùng quan trọng để có thể xử lý và loại bỏ nhiễu hiệu quả Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung vào các phương pháp tính toán và ước lượng kênh truyền nhằm nâng cao hiệu quả của hệ thống truyền thông vô tuyến.

• Ước lượng kênh trực tiếp - phương pháp giải chập ừong miền thời gian.

• Ước lượng kênh trực tiếp - phương pháp tính toán kênh trong miền tần sổ.

• Phương pháp sử dụng các bộ lọc thích ứng.

Trong các hệ thống thông tin, khung truyền được thiết kế thường có dạng như bảng 3.1.1.

' Bang 3.1.1: cấu trúc khung truyền tổng quát

Phần Header, hay còn gọi là tiêu đề, là phần chứa các thông tin đồng bộ và ước lượng kênh, được ký hiệu là xp(t) Các thông tin trong phần tiêu đề có thể được biết trước ở cả phía phát và phía thu, giúp xác định các đặc điểm của kênh truyền Phần Payload chứa dữ liệu người dùng, tức là xd(t), và nhiệm vụ của bên thu là khôi phục chính xác tín hiệu nhận được như đã phát đi, đảm bảo truyền tải dữ liệu đúng và hiệu quả.

Mối quan hệ giữa thông tin phát thu và kênh truyền được chi ra ở hình 3.1.1. x(0 h(0 y(t) CÒ 11 bằng kènli c(t) x '(0

(a) Khôi phục tín hiệu dùng bộ cân bằng x(t) ll(t)

(b) Khôi phuc tín hiệu bằng ước lương kênh truyền

Hình 3.1.1: Mồi quan hệ giữa các tín hiệu thu và phát

Trong hình 3.1.1: xít): tín hiệu phát; hít): đáp ứng xung cùa kênh;

\: tín hiệu thu trước khi qua bộ cân bàng kcnh.

Mối quan hệ giữa tín hiệu thu, phát và kênh truyên trong miên thời gian được thê hiện thông qua phép tích chập như sau y (t) = h{t) * x{t) (3.1.1)

Trong miền tần sổ ta có

Phương trình (3.1.2) cho thấy rằng Y(ja>) là tín hiệu thu nhận được từ phía bên nhận, do đó, chúng ta đã biết trước thông tin này để phục hồi tín hiệu đã truyền đi một cách chính xác Việc phân tích tín hiệu đầu vào và đầu ra giúp cải thiện hiệu suất truyền dẫn cũng như đảm bảo quá trình khôi phục tín hiệu diễn ra hiệu quả Điều này rất quan trọng trong các hệ thống truyền thông để duy trì chất lượng truyền tải dữ liệu.

X(ịcủ) thì cần phải tính được H (j(ũ) là thông tin trạng thái kênh truyền

Trong chiều ngược lại, để tính được H{jcờ) ta phải biết X ( j(ù) theo công thức

H (jco) và X (jco) là hai đại lượng có mối liên hệ chặt chẽ, do đó hệ thống thông tin cần được thiết kế để tính toán cả hai một cách chính xác Trong đó, H (jco) luôn được tính trước X (jco), giúp đảm bảo quy trình xử lý dữ liệu hiệu quả Việc sử dụng cấu trúc khung truyền gồm hai phần chứa tiêu đề và dữ liệu, như đã trình bày trong bảng 3.1.1, sẽ giúp thực hiện quá trình này thuận lợi hơn Thông tin trong phần tiêu đề của khung chứa các tín hiệu dẫn đường như x p(t), đã được nhận biết sẵn từ phía bên thu, giúp xác định H (jco) thông qua công thức H (jco) = Yp (jco) / X p (jco) Phần còn lại của khung, chứa dữ liệu của người dùng tương ứng X d(jco), sẽ được tính toán dựa trên công thức phù hợp, đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra chính xác và hiệu quả.

X ,iU fơ) = Ytl(júỉ) / H (jcứ) Y,{ j(ù) là tín hiệu thu đươc tương ứng với tín hiệu phát X t(j(ở) của bên phát.

Như vậy khái niệm ước lượng kênh ở đây là công việc bên thu phải tính toán lại các thông tin trạng thái kênh truyền.

Dưới đây trình bày về các phương pháp ước lượng kênh.

3.1.1 Phương pỉtép tính toán trực tiếp (phương pháp giải chập)

Phương pháp ước lượng kênh trong miền thời gian là kỹ thuật đơn giản và trực tiếp, dựa trên việc tính toán h(t) = yp(t) / xp(t) theo phương trình (3.1.5) Phương pháp này thực hiện phép chia đa thức để xác định đặc tính của kênh truyền, giúp cải thiện hiệu quả trong quá trình xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu.

Ví dụ: cho tín hiệu phát Xp(t) =[3 -4 2 -1 5] kênh truyền h(t)-[0.7 -1.2 0.4]

Tính tín hiệu nhận được yp(t) yp(t) = xp(t) *h(t) = [3 -4 2 -1 5]*[0.7 -1.2 0.4]

Ngược lại trong trường hợp biết y(t) và x(t), Tính đáp ứng xung của kênh truyền hít) = yp(t)/xp(t)

Tuy nhiên phương pháp tín này ít được sừ dụng trong thực tế do sai lôi lớn nếu trong trường hợp hệ thống có nhiễu

3.1.2 Phương pháp ước lượng kênh trong miền tần số

Phương pháp này tính H(ja>) qua phương trình

Và h(t) trong miền thời gian được tinh từ H(jco) trong miền tần số qua phép biến đổi Fourier ngược.

Trong ví dụ trên, tín hiệu đầu vào xp(t) = [3, -4, 2, -1, 5] được gửi qua một kênh truyền dẫn, với tín hiệu nhận được yp(t) = [2.1, -6.4, 7.4, -4.7, 5.5, -6.4, 2] Để xác định đáp ứng xung của kênh truyền theo phương pháp miền tần số, ta cần phân tích tín hiệu qua miền tần số, giúp tính toán chính xác phản hồi của kênh đối với tín hiệu đầu vào Phương pháp này dựa trên việc lấy biến đổi Fourier của cả tín hiệu đầu vào và tín hiệu nhận được, từ đó xác định hàm truyền; cuối cùng, ta sẽ lấy nghịch biến đổi Fourier để thu được đáp ứng xung của kênh truyền.

Chuyển tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian với phép biến đổi Fourier rời rạc thuận

Khi tín hiệu Xp(t) ngắn hơn y p(t), cần thêm số 0 vào Xp(t) để đảm bảo độ dài bằng y p(t), giúp quá trình chuyển đổi sang miền tần số chính xác hơn Đáp ứng xung của kênh truyền trong miền tần số được tính dựa trên dữ liệu đã được điều chỉnh này, đảm bảo phân tích tín hiệu chính xác và tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.

Cuối cùng chuyển H từ miền tần số sang miền thời gian bàng phép biến đổi Fourier rời rạc ngược h(t)= F ' {//}=[0.7 -1.2 0.4 0 0 0 0]

3.1.3 ước lượng kênh bằng bộ lọc thích ứng

Bộ lọc thích ứng là thiết bị cần thiết để bù trừ các thay đổi của kênh truyền do đặc tính phụ thuộc thời gian và tần số Để hoạt động hiệu quả, hệ thống đòi hỏi các thuật toán đặc biệt giúp cập nhật liên tục sự biến đổi của kênh và điều chỉnh các hệ số bộ lọc phù hợp Các thuật toán bộ lọc thích ứng thường được so sánh dựa trên tốc độ hội tụ, độ chính xác trong quyết định và độ phức tạp tính toán Trong số các thuật toán phổ biến của bộ lọc thích ứng, có thể kể đến LMS (Least Mean Square), RMS (Recursive Mean Square) và Kalman filter.

Cân bằng kênh được thực hiện tại bên thu nhàm khôi phục lại tín hiệu xịt) ở bên phát từ tín hiệu thu được y(t) thông qua việc sử dụng một bộ lọc g(t) như ơ Hình 3.2.1. c(t)

I Nguồn I 1 Bộ lọc Ị_ Kènh j yM số liẻu * phải * truyền ’

Hình 3.2.1: Vi trí bộ lọc cân baue, kênh trong, hệ thống tỉm phát vô tuyến z(t): tín hiệu sau khi qua bộ cân bàng kênh z(t) = h(t)* x(t)* c(l) ( 0 1 )

Tín hiệu thu được sau bộ cân bằng z(t) chính là tín hiệu phát đi x(t) Bộ cân bằng kênh lý tưởng phải đáp ứng điều kiện H(jω) * G(jω) = 1 để khôi phục tín hiệu gốc chính xác Điều kiện này đảm bảo rằng hệ thống cân bằng kênh hoạt động hiệu quả, loại bỏ nhiễu và méo mó, nhằm tối ưu hóa chất lượng truyền tải dữ liệu.

Như vậy giá trị cùa bộ cân bằng kênh chính là nghịch đảo của thông tin trạng thái kênh truyền H.

Kỹ thuật cân bằng kênh chính là phương pháp khôi phục kênh truyền H, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu trong hệ thống truyền thông Trong thực tế, quá trình cân bằng kênh thường được hiểu khác một chút so với kỹ thuật ước lượng kênh, trong đó ta tính trực tiếp giá trị của tham số cần thiết Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu và giảm thiểu lỗi do nhiễu và suy hao tín hiệu Do đó, kỹ thuật cân bằng kênh đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của hệ thống truyền thông hiện đại.

Heq Tùy thuộc vào thiết kế của từng hệ thống thông tin mà ta có thể tính G hoặc H cho phù hợp.

Các bộ cân bằng và ước lượng kênh truyền có hai dạng chính là preset (thiết lập trước) và adaptive (thích ứng) Trong chế độ preset, các tham số của bộ cân bằng được điều chỉnh dựa trên đo đạc đáp ứng xung và giải các phương trình sử dụng kết quả các phép đo Ngược lại, bộ cân bằng thích ứng tự động điều chỉnh các hệ số của nó bằng cách gửi các tín hiệu đã biết qua kênh truyền và tự điều chỉnh dựa trên các tín hiệu này Có hai loại bộ lọc cơ bản được sử dụng trong các bộ cân bằng này.

3.1.4 Bộ lọc ép không - Zero Forcing

Phát Kênh vò tuy én

Bộ càn bang kênh vói các hệ s ố c

Hình 0.2: Bộ lọc ẻp không

Trong hình 3.2.2: x(t): tín hiệu phát;

7 0 h(t): là đáp ứng xung của kênh; y(t): là tín hiệu thu trước khi qua bộ cân bằng kênh;

T: chu kỳ lấy mẫu tín hiệu; m: các số nguyên 0,±1.±2,

Quan hệ giữa các tín hiệu xịt), y(t), h(t), z(t) đã được mô tả ờ phương trình (3.1.1), (0.1).

Chú ý rằng bộ cân bằng kênh lý tường phải thỏa mãn điều kiện phương trình (3.2.8) là H( jco) C{ ịcò) - 1

Khi đó: z(t)=x(t) ( tín hiệu thu lý tưởng )

Trong trường hợp tín hiệu đã được rời rạc hỏa thông qua quá trình lấy mẫu

Ta thay mT=n khi Khi đó c „, t (0 là c(m), x(t) là x(n), y(t) 1 ằy(n), z(t) 1 ằz(n), h(l) là h(n) Bộ lọc cân bàng kênh FIR có 2N + 1 hệ số bộ lọc c m h(t)

Hình 0.3: Sơ đồ bộ lọc FỈR

Xét tín hiệu đầu vào bộ lọc là h(n) khi đó z(m) = C(m)* h(m) (0.3)

Với ( m = -N, +N ), theo biểu diễn phép nhân tích chập ta có n=j_x z(m)= ^ C (n)-h(m -n) (0.4) n=-N

Với m = + v ta có z (-AO'=[M0) M -1)-M -2A01- rc_„

Do z(/w) = C(m) * h(m)= sự) (cho trường hợp bộ lọc lý tường) nên

Hệ số bộ lọc V là tích của ma trận nghịch đảo h 1 với vector z

Do z là vector có phần tử chính giữa là 1, các phần tử còn lại bằng 0 nên c là cột trung tâm của ma trận nghịch đảo h ' 1 ư u điểm của bộ lọc:

Nhược điểm của bộ lọc:

- Nhạy cảm với nhiễu tương ứng với vùng tín hiệu có biên độ nhỏ.

Ví dụ: cho kênh truyền có đáp ứng xung như hình 3.2.4.

Hình 0.4 mô tả đáp ứng xung của kênh truyền, thể hiện các giá trị tại các thời điểm lấy mẫu theo bảng: h{-2) = 0.5, h{-1) = 0.1, h(0) = 1, h(1) = 0, h(2) = 0.2, và h(3) = 0.2 Đáp ứng xung này đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích đặc tính của kênh truyền và thiết kế các bộ lọc phù hợp Trong trường hợp sử dụng bộ lọc Zero Forcing (ZF) với 5 hệ số, ma trận đáp ứng xung của kênh truyền được xác định dựa trên các giá trị này, giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải dữ liệu.

Ma trận nghịch đảo của ma trận này là

0.5729 0.3006 -0.0089 -0.0887 -0.0475 -0.1364 0.5149 0.2914 0.0270 -0.0887 0.Ĩ778 -0.0178 0.4911 0.2914 -0.0089 -0.1357 0.1091 -0.0178 0.5149 0.3006 0.1635 -0.1357 0.1778 -0.1364 0.5729 Vector hệ số bộ lọc chính là cột trung tâm của ma trận nghịch đảo. c = [ -0.0089 0.2914 0.4911 -0.0178 0.1778]

Kiểm tra lại kết quả ta lấy c nhân tích chập với h(t) z = c*h(t)= [ -0.0089 0.2914 0.4911 -0.0178 0.1778]*[0.5-0.8 1.4 0.7-0.6

Kết quả cho thấy tại z(0), giá trị bằng 1, trong khi các điểm xung quanh z(0) có giá trị bằng 0 Chính đặc điểm này dẫn đến việc số giá trị bằng 0 chính là N, với tổng số điểm là 2*N+1, phản ánh độ dài của bộ lọc Điều này cho thấy cấu trúc của bộ lọc có ảnh hưởng trực tiếp đến phân bố giá trị xung quanh điểm trung tâm, giúp tối ưu hóa hiệu suất lọc trong các ứng dụng xử lý tín hiệu.

Nhận xét: Phưcmg pháp lọc ép không không tính đến ảnh hưởng của nhiễu

Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam

Thuật ngữ mạng internet băng rộng ADSL rất quen thuộc tại Việt Nam, nhưng ít người biết rằng nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống ADSL nhờ công nghệ OFDM Công nghệ điều chế đa sóng mang và khả năng chồng phổ giữa các sóng mang giúp tốc độ truyền dẫn của hệ thống ADSL tăng lên đáng kể so với các mạng internet thông thường.

Các hệ thống cung cấp dịch vụ internet như ADSL đã được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam, bên cạnh đó các mạng truyền hình mặt đất DVB-T cũng đang được khai thác hiệu quả Trong tương lai gần, các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM dự kiến sẽ được mở rộng sử dụng, góp phần phát triển truyền thông số cho đất nước Các mạng truyền thông máy tính không dây như HiperLAN/2 và IEEE 802.11 cũng sẽ được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam, nâng cao khả năng kết nối không dây Kỹ thuật OFDM đóng vai trò là nền tảng cốt lõi của các công nghệ truyền dẫn vô tuyến, có ý nghĩa thực tiễn lớn không chỉ trên thế giới mà còn trong nước.

Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

Trong hệ thống thông tin vô tuyến, kênh truyền gây ra các hiện tượng như trễ truyền dẫn, suy hao tín hiệu, lệch đồng bộ tần số do hiệu ứng Doppler, lệch đồng bộ thời gian do trễ truyền dẫn, nhiễu ISI từ phân tập đa đường và nhiễu ICI do mất đồng bộ tần số Để giảm thiểu méo dạng và nhiễu do kênh truyền, cần thực hiện ước lượng và cân bằng kênh ở phía thu, trong đó mục đích của ước lượng là khôi phục lại thông tin kênh truyền, còn cân bằng giúp loại bỏ méo do suy hao đường truyền, xử lý hiệu ứng fading và loại bỏ nhiễu ISI gây ra bởi phân tập đa đường.

Mục đích của ước lượng kênh là khôi phục lại thông tin kênh truyền tại máy thu, bao gồm trễ truyền dẫn, hệ số suy hao, thông tin về dịch tan Doppler, để từ đó triệt các loại nhiễu do kênh truyền gây ra Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, nhiễu đa đường là không thể tránh khỏi do tính chất phân tập đa dường cùa kênh Nhiễu này làm méo tín hiệu phát đi khiến bên thu không thể khôi phục được thông tin ban đầu nếu không thực hiện khôi phục lại chính xác thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) Trong phần này, ta sẽ xem xét một số phương pháp tính toán và ước lượng kênh truyền như sau:

Phần Header hay còn gọi là tiêu đê là phân dùng chứa các thông tin dùng đê đồng bộ và ước lượng kênh - ta ký hiệu là xp( t ) Các thông tin nằm trong phần tiêu đề có thể được biết trước ở cả hai phía phát và thu Phần tiếp theo là Pạyload là phần chứa thông tin dữ liệu người sử dụng xd(t)- thông tin này bên thu chưa biết mà nhiệm vụ của bên thu là khôi phục tín hiệu nhận được đúng như những gì bên phát đã phát đi.

Từ phương trình (3.1.2), ta có thể thấy rằng Y(ja>) là tín hiệu nhận được, do đó, việc biết trước dữ liệu này giúp phục hồi tín hiệu truyền đi một cách chính xác Khôi phục tín hiệu đã phát là bước quan trọng trong quá trình xử lý, nhằm đảm bảo chất lượng và độ chính xác của hệ thống truyền thông Hiểu rõ mối liên hệ giữa tín hiệu gửi đi và tín hiệu nhận về sẽ tối ưu hóa quá trình giải mã và nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu.

Mối liên hệ giữa H(jco) và X(jco) là mối quan hệ hai chiều, đòi hỏi hệ thống thông tin phải được thiết kế để tính toán từng phần một cách chính xác Chúng ta thường tính H(jco) trước khi xác định X(jco), nhờ vào việc sử dụng cấu trúc khung truyền gồm hai phần chứa tiêu đề và dữ liệu, trong đó phần tiêu đề chứa các thông tin dẫn đường (pilot ký hiệu là xₚ(t)) đã được nhận biết trước Tín hiệu thu được – Yₚ(jco) – cho phép tính H(jco) theo công thức H(jco) = Yₚ(jco) / Xₚ(jco) Phần còn lại của khung chứa các thông tin liên quan đến người dùng, tức là dữ liệu X_d(jco), sẽ được tính toán dựa trên phương trình thích hợp.

Phương pháp ước lượng kênh trong miền thời gian là kỹ thuật đơn giản và dễ thực hiện, cho phép tính trực tiếp từ phương trình h(t) = yₚ(t) / xₚ(t) (3.1.5) Phương pháp này sử dụng phép chia đa thức theo kỹ thuật giải chập để xác định kênh truyền, giúp cải thiện độ chính xác trong các hệ thống truyền tín hiệu.

Trong ví dụ trên, tín hiệu đã nhận là yp(t) = [2.1, -6.4, 7.4, -4.7, 5.5, -6.4, 2], trong khi tín hiệu phát là xp(t) = [3, -4, 2, -1, 5] Để tính đáp ứng xung của kênh truyền theo phương pháp miền tần số, ta cần xác định hàm truyền của kênh bằng cách lấy biến đổi Fourier của tín hiệu đầu vào và đầu ra, từ đó phân tích và tính toán đáp ứng dựa trên tần số Phương pháp này giúp hiểu rõ đặc trưng của hệ thống truyền qua tỷ lệ biến đổi tần số, từ đó tối ưu hóa quá trình truyền tải tín hiệu.

Chú ý rằng tín hiệu Xp(t) ngắn hơn y p(t), do đó khi chuyển sang miền tần số, cần thêm các giá trị 0 vào Xp(t) để đảm bảo độ dài bằng y p(t) Việc này giúp đảm bảo chính xác trong quá trình phân tích tín hiệu Đáp ứng xung của kênh truyền trong miền tần số được tính dựa trên dữ liệu đã được điều chỉnh này, đảm bảo quá trình xử lý tín hiệu chính xác và hiệu quả hơn trong hệ thống truyền thông.

Bộ lọc thích ứng là yêu cầu quan trọng để bù trừ những biến đổi của kênh truyền, do tính chất phụ thuộc thời gian và tần số của nó Để duy trì hiệu quả, các thuật toán đặc biệt phải liên tục cập nhật các sự biến đổi của kênh truyền nhằm điều chỉnh các hệ số của bộ lọc Các thuật toán tính toán bộ lọc thích ứng thường được so sánh dựa trên tốc độ hội tụ, độ chính xác của quyết định, và độ phức tạp tính toán Trong số các thuật toán phổ biến thuộc loại này, có thể kể đến LMS (Least Mean Square), RMS (Recursive Mean Square), và Kalman filter, giúp tối ưu hóa hiệu quả xử lý tín hiệu trong các hệ thống truyền thông.

Cân bằng kênh được thực hiện tại bên thu nhằm khôi phục lại tín hiệu xịt từ tín hiệu thu được y(t) Quá trình này diễn ra thông qua việc sử dụng bộ lọc g(t), như minh họa trong Hình 3.2.1, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và đảm bảo khả năng truyền tải dữ liệu hiệu quả.

Bộ cân bằng z(t) giúp thu được tín hiệu đầu ra chính xác từ tín hiệu phát đi x(í), đảm bảo tín hiệu phục hồi rõ ràng và rõ nét Một bộ cân bằng kênh lý tưởng phải thỏa mãn điều kiện \( h(t) * g(t) = δ(t) \), nghĩa là phản hồi của hệ thống phải tương đương với hàm delta để đảm bảo truyền tải tín hiệu chính xác mà không bị biến đổi Điều này tương đương với điều kiện \( H(jω) \times G(jω) = 1 \), giúp loại bỏ tác động của nhiễu và giảm thiểu sai lệch trong quá trình truyền tín hiệu qua kênh.

Kỹ thuật cân bằng kênh thực chất chính là kỹ thuật khôi phục kênh truyền H (channel estimation) Trong các hệ thống thực tế, quá trình này có thể được hiểu theo những cách khác nhau Cụ thể, việc cân bằng kênh liên quan đến việc tính toán hệ số C, trong khi kỹ thuật ước lượng kênh tập trung vào việc xác định trực tiếp giá trị của kênh truyền H để cải thiện hiệu suất truyền tải dữ liệu.

Các bộ cân bằng và ước lượng kênh truyền có hai dạng chính là preset (thiết lập trước) và adaptive (thích ứng) Trong trường hợp preset, các tham số của bộ cân bằng được điều chỉnh dựa trên đo đạc đáp ứng xung và giải các phương trình sử dụng kết quả các phép đo để tối ưu hóa hiệu suất Ngược lại, bộ cân bằng thích ứng tự động điều chỉnh bằng cách gửi các tín hiệu đã biết qua kênh và tự điều chỉnh các hệ số của nó dựa trên các tín hiệu này, đảm bảo khả năng thích nghi linh hoạt với môi trường truyền dẫn Có hai loại bộ lọc cơ bản được sử dụng là bộ lọc thích ứng và bộ lọc cố định, mỗi loại phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong hệ thống truyền dẫn.

Hình 0.4 trình bày đáp ứng xung của kênh truyền, thể hiện các giá trị tại các thời điểm lấy mẫu theo bảng số liệu Đáp ứng xung này gồm các giá trị như h(-2) = 0.5, h(-1) = 1, h(0) = 1, h(1) = 0, h(2) = 0.1, và h(3) = 0.2, phản ánh đặc điểm của kênh truyền tín hiệu Trong trường hợp sử dụng bộ lọc ZF với 5 hệ số, ma trận đáp ứng xung của kênh truyền được xác định rõ ràng để tối ưu hóa hiệu quả truyền dữ liệu.

Kết quả phân tích cho thấy tại z(0) có giá trị bằng 1, trong khi các điểm xung quanh z(0) có giá trị bằng 0 Điều này phản ánh đặc điểm của bộ lọc đặc trưng, với số lượng giá trị bằng 0 xung quanh điểm trung tâm chính là N, trong đó tổng số điểm trong bộ lọc là 2*N + 1, thể hiện độ dài của bộ lọc.

Hệ thống thu - giải mã tín hiệu OFDM

Trong hệ thống thông tin vô tuyến, kênh truyền gây ra trễ truyền dẫn, suy hao tín hiệu, lệch đồng bộ tần số do hiệu ứng Doppler, và lệch đồng bộ thời gian do trễ truyền dẫn Ngoài ra, nhiễu ISI từ hiệu ứng phân tập đa đường và nhiễu ICI từ mất đồng bộ tần số cũng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Để giảm thiểu méo và nhiễu do kênh truyền gây ra, cần thực hiện ước lượng và cân bằng kênh tại phía thu Mục đích của ước lượng kênh là khôi phục lại thông tin kênh truyền, trong khi cân bằng kênh giúp loại bỏ méo do suy hao đường truyền, cân bằng các hiệu ứng fading, và loại bỏ nhiễu ISI từ phân tập đa đường, từ đó cải thiện hiệu suất truyền tải dữ liệu.

Mục đích của ước lượng kênh là khôi phục lại thông tin kênh truyền tại máy thu, bao gồm trễ truyền dẫn, hệ số suy hao, và thông tin về dịch tần Doppler, nhằm loại bỏ các loại nhiễu do kênh truyền gây ra Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, nhiễu đa đường là hiện tượng không thể tránh khỏi do tính chất phân tán đa đường của kênh, gây méo tín hiệu phát đi và làm mất khả năng khôi phục dữ liệu ban đầu nếu không có phương pháp ước lượng chính xác thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) Vì vậy, ước lượng kênh vô tuyến đóng vai trò then chốt trong việc cải thiện chất lượng truyền dữ liệu và giảm nhiễu trong hệ thống truyền dẫn không dây Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét các phương pháp tính toán và ước lượng kênh truyền một cách chi tiết để nâng cao hiệu quả của quá trình truyền tải thông tin.

Phần header (tiêu đề) là phần chứa các thông tin đồng bộ và ước lượng kênh, được ký hiệu là \( x_p(t) \), giúp bên nhận hiểu rõ quá trình truyền dữ liệu Các thông tin trong phần tiêu đề có thể được biết trước từ cả phía phát và phía thu để đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra chính xác Phần payload là phần chứa dữ liệu người dùng (\( x_d(t) \)), là thông tin mà bên nhận chưa biết và có nhiệm vụ khôi phục lại tín hiệu đúng như bên phát đã gửi đi.

Từ phương trình (3.1.2) cho thấy, Y(ja>) là tín hiệu nhận được từ bộ thu, do đó đã biết trước đặc điểm của tín hiệu này Việc này giúp quá trình khôi phục tín hiệu đã truyền đi trở nên chính xác hơn Khôi phục tín hiệu truyền là bước quan trọng trong hệ thống truyền thông, đảm bảo dữ liệu được truyền tải đúng và đầy đủ Hiểu rõ mối liên hệ giữa tín hiệu gửi đi và tín hiệu nhận được giúp tối ưu hóa quá trình xử lý và giảm thiểu lỗi trong truyền tải thông tin.

H (jco) và X (jco) là hai hệ thống thông tin cần thiết để xác định mối liên hệ giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra trong hệ thống truyền dẫn, trong đó H (jco) luôn được tính trước để đảm bảo độ chính xác của quá trình phân tích Việc thiết kế các hệ thống này đòi hỏi sử dụng cấu trúc khung truyền gồm hai phần: phần tiêu đề chứa các thông tin dẫn đường đã được nhận biết trước và phần dữ liệu chứa thông tin người dùng, giúp thuận tiện trong việc tính toán H (jco) và X (jco) một cách chính xác và rõ ràng Các thông tin trong phần tiêu đề, gồm các tín hiệu pilot như x p(t), sẽ giúp nhận biết các thông tin cần thiết để tính H (jco) qua công thức Yp(jco) / Xp(jco), trong khi phần dữ liệu sẽ được xác định dựa trên các phương trình phù hợp để đảm bảo tính liên tục và chính xác của quá trình truyền dẫn dữ liệu.

Phương pháp ước lượng kênh trong miền thời gian là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện và có thể tính trực tiếp từ công thức h(t) = yp(t) / xp(t) (3.1.5) Phương pháp này dựa trên kỹ thuật chia đa thức theo phương pháp giải chập, giúp xác định chính xác hệ số kênh trong quá trình xử lý tín hiệu.

Dựa trên tín hiệu nhận được yp(t) = [2.1, -6.4, 7.4, -4.7, 5.5, -6.4, 2] và tín hiệu phát xp(t) = [3, -4, 2, -1, 5], ta có thể tính đáp ứng xung của kênh truyền theo phương pháp trong miền tần số Phương pháp này giúp xác định hệ số truyền qua phân tích biến đổi Fourier, từ đó tính toán đáp ứng xung một cách chính xác Việc phân tích miền tần số là bước quan trọng trong xử lý tín hiệu để đánh giá hệ thống truyền dẫn, tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu Các bước thực hiện bao gồm biến đổi tín hiệu tín hiệu vào miền tần số, tính phần tử phản hồi của kênh, và sau đó chuyển đổi ngược về miền thời gian để có đáp ứng xung cuối cùng.

Khi tín hiệu Xp(t) có độ dài ngắn hơn y p(t), cần thêm vào các số 0 để đảm bảo Xp(t) có độ dài bằng y p(t) trước khi chuyển sang miền tần số Điều này giúp duy trì tính đồng bộ của tín hiệu trong quá trình phân tích tín hiệu trong miền tần số Đáp ứng xung của kênh truyền trong miền tần số được tính dựa trên tín hiệu đã được điều chỉnh này, đảm bảo phản ánh chính xác đặc tính của kênh truyền tải.

Bộ lọc thích ứng cần được thiết kế để bù trừ các thay đổi của kênh truyền do tính chất phụ thuộc thời gian và tần số của nó Các thuật toán đặc biệt phải được sử dụng để cập nhật liên tục các sự thay đổi của kênh truyền và điều chỉnh các hệ số của bộ lọc một cách thích hợp Hiệu quả của các thuật toán bộ lọc thích ứng thường được so sánh dựa trên các tiêu chí như tốc độ hội tụ, độ chính xác trong việc ra quyết định và độ phức tạp của tính toán Các thuật toán phổ biến của bộ lọc thích ứng gồm có LMS (Least Mean Square), RMS (Recursive Mean Square) và Kalman filter, đều đóng vai trò quan trọng trong cải thiện khả năng thích nghi của hệ thống truyền thông.

Cân bằng kênh được thực hiện tại bên thu nhằm khôi phục lại tín hiệu gốc đã bị biến dạng trong quá trình truyền Quá trình này dựa trên việc sử dụng một bộ lọc g(t), như minh họa trong Hình 3.2.1, để xử lý tín hiệu received y(t) và lấy được tín hiệu c(t) chính xác hơn Việc cải thiện này giúp đảm bảo chất lượng truyền tải và nâng cao hiệu quả của hệ thống truyền thông.

Tín hiệu thu được sau bộ cân bằng z(t) chính là tín hiệu phát đi x(t) Để bộ cân bằng kênh lý tưởng hoạt động hiệu quả, nó phải thỏa mãn điều kiện h(t) * g(t) = δ(t), hayH(ω) * G(ω) = 1, đảm bảo loại bỏ các tác động làm nhiễu và chỉnh sửa tín hiệu bị biến dạng trong quá trình truyền dẫn.

Kỹ thuật cân bằng kênh thực chất chính là kỹ thuật khôi phục kênh truyền H (channel estimation) Trong các hệ thống thực tế, quá trình này có thể được hiểu theo cách khác một chút, khi cân bằng kênh ta thường tính hệ số c, còn kỹ thuật ước lượng kênh thì xác định trực tiếp giá trị của H.

Các bộ cân băng và ước lượng kênh truyền có hai dạng chính là preset (thiết lập sẵn) và adaptive (thích ứng) Trong chế độ preset, các tham số của bộ cân bằng được điều chỉnh thông qua đo đạc đáp ứng xung và giải các phương trình dựa trên kết quả các phép đo đó Ngược lại, bộ cân băng thích ứng tự động điều chỉnh bằng cách gửi các tín hiệu đã biết qua kênh và tự động điều chỉnh các hệ số của nó dựa trên các tín hiệu nhận được Hai loại bộ lọc cơ bản thường được sử dụng trong các hệ thống này là bộ lọc cố định và bộ lọc thích ứng.

Đáp ứng xung của kênh truyền thể hiện các giá trị tại các thời điểm lấy mẫu, được trình bày trong bảng, với các giá trị như h(-2) = 0.5, h(-1) = 0.3, h(0) = 1.0, h(1) = 0.1, h(2) = 0.2, và h(3) = 0.2 Trong trường hợp sử dụng bộ lọc ZF với 5 hệ số, ma trận đáp ứng xung của kênh truyền sẽ được xác định dựa trên các giá trị này, giúp tối ưu hoá quá trình xử lý tín hiệu và giảm thiểu lỗi truyền.

Kết quả cho thấy tại điểm z(0) có giá trị bằng 1, trong khi đó, các điểm xung quanh z(0) có giá trị bằng 0 Số lượng các giá trị bằng không xung quanh z(0) chính là N, tạo thành một bộ lọc có độ dài là 2*N+1 Điều này thể hiện rõ đặc tính của bộ lọc trong xử lý tín hiệu, phản ánh khả năng lọc các thành phần không mong muốn Hiểu rõ cấu trúc này giúp cải thiện thiết kế các bộ lọc phù hợp với yêu cầu xử lý tín hiệu trong các ứng dụng kỹ thuật.

QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN VÀ ĐIỀU KHIẾN ĐA TRUY NHẬP CHO MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1 67 6.1 Khái niệm về quản lý tài nguyên vô tuyến

Tiêu đề	Giáo trình Thông Tin Vô Tuyến
Tác giả	Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Nguyễn Quốc Khương
Trường học	Trường Đại Học Quy Nhơn
Chuyên ngành	Thông tin vô tuyến
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	2006, 2016
Thành phố	Quy Nhơn

Định dạng
Số trang	228
Dung lượng	8,3 MB