Giải pháp ước lượng kênh truyền kết hợp kỹ thuật wavalet trong hệ thống ofdm băng rộng,luận văn thạc sỹ kỹ thuật điện tử

Trong khi các giải pháp trước đây, các ứng dụng truyền thông tin trên các sóng mang định sẵn sẽ độc chiếm một băng thông, một dải tần số, một vùng khai thác dành riêng.. Lịch sử OFDM Kỹ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN PHÚ TRỊNH

GIẢI PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN KẾT HỢP

KỸ THUẬT WAVELET TRONG HỆ THỐNG OFDM

BĂNG RỘNG

Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử

Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN CẢNH MINH

TP.Hồ Chí Minh, 2014

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC

Họ và tên học viên: Nguyễn Phú Trịnh Năm sinh: 1984

Cơ quan công tác: Công ty Fujixerox

Khoá: 20.1

Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 60520203

Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Cảnh Minh Bộ môn: Kỹ Thuật Viễn Thông

1 Tên đề tài luận văn: Giải pháp ước lượng kênh truyền kết hợp kỹ thuật

wavelet trong hệ thống OFDM băng rộng

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật wavelet và FFT/IFFT trong hệ thống OFDM Xác định cụ thể những ưu điểm của wavelet để có thể thay thế FFT/IFFT trong hệ thống OFDM

3 Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được: Nghiên cứu, khảo sát và kế thừa các kỹ thuật điều chế, điều khiển trong di động Tìm hiểu WIMAX, OFDM, Wavelet, đồng thời mô phỏng Wavelet trong OFDM tương ứng môi trường nhiễu Gause và fading

4 Điểm bình quân môn học: Điểm bảo vệ luận văn:

MỤC LỤC

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC……….……….i

MỤC LỤC……… ……… ii

LỜI NÓI ĐẦU ……….……….………v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT……… viii

DANH MỤC CÁC HÌNH… ……….ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……… ……….xii

CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM VÀ CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG WIMAX BĂNG RỘNG 1

1.1 Giới thiệu 1

1.1.1 Các kỹ thuật đa truy cập 1

1.1.2 Nhược điểm của những hệ thống vô tuyến trước OFDM 3

1.2 Tổng quan về kỹ thuật OFDM……… 5

1.2.1 Lịch sử PFDM ………5

1.2.2 Sự thúc đẩy và phát triển PFDM 7

1.2.3 Ứng dụng của OFDM 8

1.2.4 Thuật toán OFDM 8

1.2.5 Ưu khuyết điểm của hệ thống OFDM ………… ……… 20

1.3 Tìm hiểu cơ bản về suy hao 21

1.3.1 Các yếu tố làm suy hao đường truyền 21

1.3.2 Hiện tượng multipath 23

1.3.3 Hiện tượng Doppler 24

1.3.4 Hiện tượng Fading 25

1.3.5 Nhiễu liên ký tự ISI và nhiễu liên song song ICI ………33

1.4 Kết luận chương 1.……….……… …….34

CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT WAVELET 35

2.1 Giới thiệu chung 35

2.1.1 Lịch sử wavelet 35

2.1.2 Phân tích Fourier 37

2.1.3 Ứng dụng wavelet 51

………54

2.2.1 Wavetlet liên tục ………55

2.2.2 Biến đổi wavelet rời rạc 57

2.2.3 So sánh wavelet va fourier ………64

2.3 Hệ thống wavelet OFDM (WOFDM) 66

2.3.1 Ứng dụng wavelet vào hệ thống OFDM 66

2.3.2 Hệ thống WOFDM 67

2.4 Kết luận chương 2 ……….………75

CHƯƠNG 3 - ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 76

3.1 Các giải pháp c l 76

3.2 L 79

3.2.1 Mẫu ngẫu nhiên 79

3.2.2 Thuật toán Gram-Schmidt ………80

…….……… ……….80

……….…82

3.3.2 Sắp xếp pilot dạng lược 85

3.4 Cân bằng thích nghi LMS (Least Mean Square) ………91

3.5 Kết luận chương 3.……….94

CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 95

95

4.1.1 Giới thiệu 95

4.1.2 Thông số hệ thống 97

4.1.3 Mô hình hệ thống 98

g 99

4.2.1 Mô hình truyền dữ liệu không có nhiễu .99

4.2.2 Ứng dụng de-noise với wavelet 101

4.3 Kết luận chương 4.……… 104

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ……….……105

LỜI CAM ĐOAN 106

PHỤ LỤC 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… ………112

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, băng thông trong thông tin di động là vấn đề nổi trội, bên cạnh đó trễ

và nhiễu đa đường cũng là vấn đề cấp thiết truyền tín hiệu Những kỹ thuật thế hệ thứ hai ra đời TDM, FDM không giải quyết được hiệu quả như mong muốn Kỹ thuật OFDM ra đời đã giải quyết được nhu cầu băng thông, ngoài ra biến đổi kênh truyền fading, chọn lọc tần số theo kênh Tuy nhiên, OFDM sử dụng bộ biến đổi Fourier truyền thống lại có những khuyết điểm sau:

+ Hiệu suất đường truyền giảm vì sử dụng chuỗi bảo vệ

+ Do yêu cầu về điều kiện trực giao của các sóng mang phụ mà hệ thống OFDM rất nhạy với offset tần số, Doppler và nhiễu pha

Vì vậy, chúng ta phải tìm cách cải tiến bộ IFFT/FFT truyền thống để nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM Biến đổi Wavelet có những điểm tương đồng và những ưu điểm hơn so với phương pháp biến đổi Fourier truyền thống cho một hệ thống mới WOFDM tiết kiệm băng thông, kháng nhiễu cao nhưng vẫn phải đòi hỏi đồng bộ cao; và wavelet sẽ hứa hẹn là một triển vọng giải quyết tốt vấn đề này

Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài : “Giải pháp ước lượng kênh truyền kết hợp kỹ thuật

wavelet trong hệ thống OFDM băng rộng” với mục đích tìm hiểu những ưu điểm

của giải pháp Tôi hy vọng sẽ tìm hiểu được ứng dụng cũng như tham gia phục vụ

xu thế phát triển của ngành viễn thông

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là :

- Tìm hiểu kỹ thuật wavelet và FFT/IFFT trong hệ thống OFDM

- Xác định cụ thể những ưu điểm của wavelet để có thể thay thế FFT/IFFT trong hệ thống OFDM

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là :

- Lý thuyết kỹ thuật Wavelet, hệ thống OFDM băng rộng

- Tìm hiểu phần mềm Matlab, mô phỏng quá trình kết hợp kỹ thuật wavelet vào

hệ thống OFDM, trên nền nhiễu Gause, môi trưởng fading

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là :

- Quá trình kết hợp kỹ thuật wavelet vào hệ thống OFDM trên nền nhiễu Gause

- Quá trình kết hợp kỹ thuật wavelet vào hệ thống OFDM, thay thế FFT/IFFT trên nền fading, kết hợp ước lượng kênh truyền

Phương pháp nghiên cứu dựa trên :

- Tham khảo các đề tài, các công trình khoa học về hệ thống viễn thông đã có, các kỹ thuật điều khiển, điều chế trong di động, mạng lõi để rút kinh nghiệm và làm

cơ sở phát triển đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết về Wavelet, OFDM và sử dụng Matlab để mô phỏng dự đoán, tính toán quá trình

Phương pháp thực nghiệm dựa trên :

- Mô phỏng wavelet trong OFDM thay cho FFT/IFFT trên môi trường Gause

- Mô phỏng wavelet trong OFDM kết hợp ước lượng kênh truyền trên môi trường fading

Kết cấu của luận văn gồm 4 chương:

CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM VÀ CÁC KỸ THUẬT

SỬ DỤNG TRONG WIMAX BĂNG RỘNG

CHƯƠNG 2- TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT WAVELET

CHƯƠNG 3- GIẢI PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN KẾT HỢP KỸ

THUẬT WAVELET TRONG HỆ THỐNG OFDM

CHƯƠNG 4- MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

TP HCM, Ngày 22/05/2014

HVTH: Nguyễn Phú Trịnh

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ADC Analog Digital Converter

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

AWGN Additive White Gaussian Noise

CDMA CODE Division Multiple Access

CWT Continuous Wavelet Transform

DFT Discrete Wavelet Transform

FDMA Frequency Division Multiple Access

FFT Fast Fourier Transform

IDWT Inverse Discrete Wavelet Transform

MMSE Minimum Mean Square Error

MRA MultiResolution Analysis

OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing

PSAM Pilot Symbol Assisted Modulation

STFT Short Time Fourier Transform

TDMA Time Division Multiple Access

WFT the Windowed Fourier transform

WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

Hình 1.7 Tín hiệu OFDM với Cyclic Extension 19

Hình 2.10 Dấu vân tay của ngón tay cái bên trái và hình bên

phải là dấu vân tay được phục hồi khi được nén bằng kĩ thuật wavelet với mức nén là 26 lần

Hình 2.15 Minh họa shifting (dịch) của wavelet 56

Hình 2.17 Sơ đồ biến đổi DWT 1tầng có bộ lấy mẫu xuống 59 Hình 2.18 Phân tích đa mức và tín hiệu thực tế minh họa 60

Hình 2.25 Biểu diễn wavelet trong miền thời gian-tần số 65

Hình 2.27 Hê thống OFDM (bên trái) và WOFDM (bên

Hình 2.30 Quan hệ giữa không gian Vn và Wn 71

Hình 2.32 a/ Cấu trúc bộ lọc tổng hợp bên phía phát b/ Sơ

đồ tương đương của 1phép biến đổi IDWT 75

Hình 3.2 Sự sắp xếp mẫu tin dẫn đường và mẫu tin có ích

Hình 3.4 Kiểu chèn pilot dạng lược 85

Hình 3.7 Sơ đồ mô hình bộ cân bằng thích nghi 92 Hình 3.8 Cấu trúc bộ cân bằng thích nghi 93 Hình 4.1 Giao diện giới thiệu chương trình mô phỏng 95 Hình 4.2 Giao diện nhập thông số và mô phỏng chương

Hình 4.6 So sánh BER FOURIER no DENOISE có nhiễu

trắng và không có nhiễu trắng ,với ước lượng LS 100 Hình 4.7 So sánh Wavelets har và Fourier de-noise (SNR=

Hình 4.8 So sánh Wavelets har và Fourier de-noise (SNR=

Hình 4.9 So sánh Fourier, Wavelets har, wavelet

Hình 4.10 So sánh BER FOURIER và wavelet Har môi

trường FADING, V=2km/h, có AWGN (SNR=20 DB)

103

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM VÀ CÁC KỸ THUẬT

SỬ DỤNG TRONG WIMAX BĂNG RỘNG

Trong chương một này giới thiệu chung về lịch sử cũng như sự thúc đẩy

phát triển và ứng dụng của các kỷ thuật ứng dụng trong băng rộng WIMAX, sơ

lược kiến thức cơ bản và tổng quan về kỹ thuật OFDM trong WIMAX Ngoài ra

trong chương này sẽ đi sâu biến đổi FFT/IFFT để hiểu rõ cấu tạo và mô hình

biến đổi toán học

1.1 Giới thiệu

1.1.1 Các kỹ thuật đa truy cập

Kỹ thuật đa truy cập cho phép mọi người sử dụng kênh truyền một cách

độc lập và góp phần tăng hiệu suất trong nhiều loại hình cài đặt Các kỹ thuật đa

truy cập cho phép sử dụng phổ tần một cách hiệu quả, tăng khả năng xử lý được

nhiều cuộc gọi Các kỹ thuật thông dụng nhất: FDMA, TDMA và CDMA [1]

1.1.1.1 Đa truy cập phân chia theo tần số FMDA

Đây là phương pháp truy cập lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi nhất,

FDMA gán cho mỗi người sử dụng một tần số nhất định khác nhau, mỗi kênh

truyền là một tần số, mỗi người sử dụng được cấp phát một băng tần hay một

kênh duy nhất Những kênh này được ấn định theo yêu cầu của những người sử

dụng dịch vụ làm cho việc sử dụng phổ tần kém hiệu quả nhất Bởi vì trong suốt

tiến trình xảy ra cuộc gọi, không có người nào khác có thể sử dụng băng tần đó

* Đặc điểm của FDMA

Kênh FDMA chỉ mang một kênh thoại tại một thời điểm

Khi một kênh FDMA không được sử dụng nó sẽ ở tình trạng rỗi nhưng những người sử dụng khác không thể sử dụng Điều này gây ra sự

1.1.1.2 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

TDMA được sử dụng bởi D-AMPS (Digital– Advance Mobile Phone

Service – Dịch vụ điện thoại di động số tiên tiến) và GSM (Global System for

Mobile – Hệ thống di động toàn cầu)

TDMA chia thời gian thành các khe thời gian (time slot) và chia sẻ kênh

truyền giữa những người sử dụng bằng cách ấn định cho họ các khe thời gian

khác nhau Trong mỗi khe thời gian đó, mỗi người sẽ được cho phép truyền

hoặc nhận Như vậy TDMA chia sẻ một tần số cho nhiều người sử dụng, trong

đó mỗi người sử dụng các khe thời gian không chồng lấn nhau

* Đặc điểm của TDMA

TDMA chia sẽ một tần số cho nhiều người sử dụng, trong đó mỗi người sử dụng các khe thời gian khác nhau Số lượng các khe thời gian

phụ thuộc vào những yếu tố như kỹ thuật điều chế số, bặng thông …

Việc truyền dữ liệu trong TDMA thì không liên tục mà chia thành từng cụm, không thể đáp ứng nhu cầu thời gian thực

Việc đồng bộ ban đầu trong các hệ thống TDMA đòi hỏi rất cao

Do dữ liệu được truyền theo từng khe, nên đòi hỏi nơi thu phải đồng bộ

cho mỗi cụm dữ liệu Ngoài ra khoảng thời gian bảo vệ giữa các khe cần

phải được bảo đảm để ngăn cách giữa những người sử dụng khác nhau

TDMA có ưu điểm là có thể chỉ định số lượng khe thời gian khác nhau cho những người khác nhau Do đó, băng tần có thể được cấp phát

theo yêu cầu cho những người sử dụng các loại hình dịch vụ

1.1.1.3 Đa truy cập phân chia theo mã CMDA

Dữ liệu gốc được mã hóa bằng cách XOR với mã trải phổ giả ngẫu nhiên,

mỗi người sử dụng có một từ mã giả ngẫu nhiên và từ mã này gần như trực giao

với tất cả các từ mã khác Khi đó các từ mã khác được xem là nhiễu Để tách

được tín hiệu thông tin thì máy thu phải biết được từ mã đã sử dụng ở bên phát

* Đặc điểm

Chuyển giao mềm Đối với điện thoại di động, để đảm bảo tính di động,

các trạm phát phải được đặt rải rác, mỗi trạm sẽ phủ sóng một vùng nhất định

và chịu trách nhiệm với các thuê bao trong vùng đó Với CDMA, ở vùng chuyển

giao, thuê bao có thể liên lạc với 2 hoặc 3 trạm thu phát cùng lúc, do đó cuộc gọi

không bị ngắt quãng, làm giảm đánh kể xác suất rớt cuộc gọi

Hiệu suất tái sử dụng tần số trải phổ cao nên cho phép quản lý số lượng

thuê bao cao gấp 5-20 lần so với công nghệ GSM

Chống lại ảnh hưởng của fading hiệu quả hơn FDMA và TDMA

1.1.2 Nhược điểm của những hệ thống vô tuyến trước OFDM

1.1.2.1 Ảnh hưởng của lan truyền sóng nhiễu đường

Khó khăn lớn trong việc thu tín hiệu vô tuyến là fading do sóng vô tuyến

truyền trong khí quyển là theo nhiều đường khác nhau từ máy phát đến máy

thu Điều này làm chất lượng truyền dẫn suy giảm, thay đổi và gây nhiều khó

khăn khác như hạn chế băng thông…

Do việc lan truyền nhiều đường, các tín hiệu tới máy thu với các thời

điểm khác nhau với độ trễ khác nhau và tạo thành nhiễu xuyên ký tự - ISI

Bối cảnh đô thị hóa phát triển cao, các trở ngại như: tòa nhà cao tầng và

các chướng ngại vật khác, điều kiện truyền sóng thay đổi theo thời gian, theo vị

trí, fading nhiều dường xảy ra thường xuyên… gây khó khăn trong việc cung

cấp dịch vụ chất lượng cao nhất là trong các hệ thống broadcast

1.1.2.2 Hiệu quả sử dụng băng tầng thấp

Như ta đã biết, băng thông vô tuyến không phải là vô tận và không tốn

tiền mua, đó là tài sản quốc gia Tất cả dải tần đều được định chuẩn quốc tế,

quốc nội qui định chặt chẽ cho từng ứng dụng cụ thể Trước nhu cầu băng thông

ngày càng tăng cao, đặc biệt trong thời gian hiện nay và tương lai gần, các băng

tần vô tuyến trở nên chật chội cho các ứng dụng tiêu tốn nhiều băng thông, đây

quả là vấn đề cho các giải pháp kỹ thuật khác nhau Trong khi các giải pháp

trước đây, các ứng dụng truyền thông tin trên các sóng mang định sẵn sẽ độc

chiếm một băng thông, một dải tần số, một vùng khai thác dành riêng

1.1.2.3 Nhu cầu dịch vụ về vấn đề băng thông và chất lƣợng dịch vụ

Ngày nay các chương trình phát thanh truyền hình phát triển với tốc độ

cao, trong khi đó vấn đề tương thích với các hệ thống phát sóng cũ vẫn phải đặt

ra Chỉ có với phương pháp điều chế số mới có thể nâng cao hiệu suất sử dụng

băng thông ngày càng chật chội

Ưu điểm của phương pháp điều chế số so với diều chế tương tự

Trước hết, tín hiệu số đảm bảo chất lượng dịch vụ cao hơn trong môi

trường có nhiễu mạnh, tuy rằng phải trả giá là tăng băng thông kênh truyền lên

Các thiết bị số có giá thành thấp hơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn, nhẹ và gọn

hơn Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng băng tần cao

hơn

Hệ thống số chống nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh kế cận hiệu quả hơn,

góp phần làm tăng dung lượng hệ thống

1.2 Tổng quan về kỹ thuật OFDM

1.2.1 Lịch sử OFDM

Kỹ thuật điều chế đa tần số trực giao hay gọi tắt là OFDM là một trong

những kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) truyền tín hiệu thông qua bộ

sóng mang Những sóng mang phụ này sẽ trực giao với nhau Kỹ thuật OFDM

này được ứng dụng cho cả thông tin hữu tuyến lẫn thông tin vô tuyến, ví dụ như

đường dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL), được biết đến với tên đa tần

(DMT) và ngoài tiêu chuẩn IEEE 802.11

Vào năm 1966, Chang đưa ra định lý OFDM trong bài báo cáo tổng hợp

các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con,

nhưng mãi đến năm 1970 mới được công nhận bằng sáng chế Sau đó, Saltzberg

đã phân tích mô hình OFDM và quan sát thấy rằng sự ảnh hường của tín hiệu

này lên tín hiệu khác là vấn đề cần quan tâm trong hệ thống OFDM Mặc dù mỗi

sóng mang phụ chồng lên sóng mang phụ kế cận nó, sự trực giao vẫn được duy

trì thông qua điều chế QAM so le (SQAM) Tuy nhiên khó đáp ứng nếu lượng

sóng mang phụ là lớn Vài ứng dụng lúc bấy giờ của OFDM thì số lượng sóng

mang chỉ khoảng 34 sóng mang mà thôi Và 34 sóng mang sẽ được bổ sung

thêm khoảng bảo vệ để tránh hiện tượng nhiễu lien ký tự ISI

Tuy nhiên, cần số lượng sóng mang phụ lớn hơn vì thế đòi hỏi kỹ thuật

điều chế, sự đồng bộ và giải điều chế đồng bộ làm cho OFDM càng phức tạp và

tăng chi phí cho phần cứng của hệ thống Năm 1971, Weinstein và Ebert đã đưa

ra OFDM cải tiến dùng chuỗi Fourier rời rạc, mô hình phức tạp hơn sử dụng

điều chế IDFT và bộ ADC (chuyển tín hiệu analog sang tín hiệu số) Đầu phát sẽ

dùng điều chế IDFT và bộ thu sẽ dùng giải điều chế DFT Hơn nữa, các sóng

mang vẫn chồng chập lên nhau và IFDT sẽ đảm bảo tính trực giao của các tín

hiệu như hình 1.1[4]:

Hình 1.1: Phổ tín hiệu OFDM

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu khai thác triệt để tránh ISI và ICI, đồng

bộ…; và những phát minh đã cho ra hệ thống OFDM hiện đại với chi phí thấp

Năm 1980, Cyclic prefix (CP) được đưa ra đầu tiên bởi Peled and Ruiz, và nhờ

CP nên tránh được ISI đảm bảo tính trực giao của các tín hiệu Với hiệu suất

truyền năng lượng tín hiệu tương đối, mô hình còn giảm bớt nhiễu ICI và được

xếp vào tiêu chuẩn của IEEE

Đến năm 1980, Hirosaki đưa ra thuật toán bộ cân bằng triệt cả ISI lẫn ICI,

và có tác dụng cho cả nhiễu kệnh truyền, lỗi đồng bộ, hay lỗi pha Hirosaki còn

sử dụng điều chế QAM, tín hiệu pilot, và kĩ thuật mã trellis trong hệ thống

OFDM tốc độ cao hoạt động ở phổ tần voice

Tiếp đó vào năm 1985, Cimini đưa ra định lý dựa trên tín hiệu pilot để

giảm sự giao thoa bắt nguồn từ nhiễu đa đường và kênh chung Năm 1989, Kalet

đưa ra mô hình định vị chọn lọc sóng mang phụ Kalet định vị được nhiều dữ

liệu hơn thông qua truyền những sóng mang “tốt” gần trung tâm của chuỗi tần

số truyền; những sóng mang phụ này ít chịu ảnh hưởng nhiễu kênh truyền

Những năm 1990, hệ thống OFDM được khai thác cho thông tin truyền

tốc độ cao.Trong tiêu chuẩn của IEEE 802.11 tần số sóng mang có thể lên tới

2.5Ghz hay 5Ghz Những nghiên cứu có khuynh hướng về OFDM ngay cả tần

số cao hơn nữa, ví dụ tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho tầm tần số cao hơn từ 10Ghz

đến 60Ghz

1.2.2 Sự thúc đẩy và phát triển OFDM

Nhu cầu của thông tin tốc độ cao luôn là động lực thúc đẩy các nhà

nghiên cứu OFDM rõ ràng là hệ thống song song mang được nhiều thông tin

hơn hê thống cascade, nó đơn giản vì nó sử dụng những chuỗi band khác nhau

Tuy nhiên thuận lợi quan trọng là nó thuận tiện trong kênh truyền chọn lọc tần

số (kết quả của nhiễu đa đường và nhiễu bởi mạng khác) Vấn đề nhiễu là đặc

biệt khắc khe của hệ thống trong tầm tần số hoạt động Unlicensed National

Information Infrastructure (U-NII), ví dụ như tiêu chuẩn IEEE 802.11a Dưới

mỗi điều kiện này, kênh truyền có độ lợi không đồng đều, cũng như pha không

tuyến tính Một ví dụ đưa ra ở hình 1.2 [1]:

Hình 1.2: Đáp tuyến tần số truyền dẫn của một kênh truyền nhiễu

Với mục đích triệt tiêu nhiễu chọn lọc tần số, tín hiệu OFDM được chia

thành nhiều kênh phụ mà các kênh phụ này coi như là một tần số phẳng nếu xấp

xỉ số lượng N kênh phụ đủ lớn Ở đây tín hiệu OFDM chịu nhiễu kênh truyền ít

hơn tín hiệu được điều chế theo tiêu chuẩn

Qua điều chế OFDM, chu kì tín hiệu lớn hơn N lần Ví dụ tốc độ chuỗi dữ

liệu đầu vào là 20Mbps, chu kì ký tự là 50ns; tuy nhiên trong 1hệ thống OFDM

với 128 sóng mang phụ, chu kì tín hiệu chỉ còn 6.4ns Nếu 2 loại kí tự được điều

chế và truyền qua kênh truyền với giá trị rms (rms=60ns) thì rõ ràng hệ thống

với chu kì ký tự lớn hơn sẽ tốt hơn Thực tế, tiêu chuẩn DVB-T sử dụng 2048

sóng mang hay 8192 sóng mang Trong trường hợp này chu kì tín hiệu có thể

được tăng lên vài ngàn lần

1.2.3 Ứng dụng của OFDM

Kỹ thuật OFDM được ứng dụng cho ANDEFT và KINEPLEX từ thập kỉ

60 Sau đó kỹ thuật IFFT/FFT được đưa ra và sự thực thi của hệ thống OFDM

trở nên thuận tiện hơn OFDM được ứng dụng trong kỹ thuật hữu tuyến và vô

tuyến Trong hệ thống hữu tuyến như ADSL và tốc độ cao DSL, điều chế

OFDM cũng được đề cập như Điều chế đa âm rời rạc Hơn nữa ứng dụng

OFDM được thấy ở rất nhiều tiêu chuẩn IEEE 802.11 và hiperLAN OFDM

cũng ứng dụng cho sự phát triển DVB (Digital Video Broadcasting) Trong tiêu

chuẩn DVB, số lượng sóng mang phụ hơn 8000 và tốc độ dữ liệu có thể lên tới

15Mbps Hiện tại, nhiều nghiên cứu để sửa đổi OFDM theo tiêu chuẩn 802.16

và cũng là kết quả của việc tốc độ thậm chí có thể lên cao hơn 100Mbps

1.2.4 Thuật toán OFDM

Đặc tính cơ bản của kỹ thuật OFDM là việc tách luồng dữ liệu trước khi

phát ở tốc độ cao thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát

mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang con

này trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách

tần số giữa chúng một cách hợp lý Nhiễu giữa các ký tự đơn này sẽ được loại

trừ hoàn toàn bằng cách sử dụng khoảng thời gian bảo vệ (guard time) Tại

khoảng thời gian này, tín hiệu OFDM được nới rộng ra một cách đều đặn để

tránh nhiễu xuyên ký tự[8]

OFDM sử dụng dải tần rất hiệu quả do phép chồng lấn phổ giữa các sóng

mang con Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đường bằng

cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương

ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau

Trên thực tế quá trình điều chế và giải điều chế trong OFDM được đảm

bảo nhờ sử dụng phép biến đổi FFT và IFFT (Hình 1.3)

Hình 1.3: Nguyên lý tạo một tín hiệu OFDM

Các sóng mang n( )t là các sóng hình sin có thể được biểu diễn dưới dạng

lũy thừa như sau:

21

0,( )

W

j nt N n

(1.1)

Trong đó W là độ rộng dải tần, tần số sóng mang hơn kém nhau một

khoảng W/N Hz Mỗi sóng mang được nhân với một giá trị phức xm,n lấy từ dữ

liệu đầu vào, n tương ứng với sóng mang thứ n, m tương ứng với khung OFDM

thứ m Mỗi tín hiệu sm(t) tương ứng là một điểm trong không gian Euclide - N

chiều và được biểu diễn bởi một tập các giá trị tương ứng ( xm,0, xm,1, …, xm,N-1 )

gọi là không gian tín hiệu Một tập hợp M điểm trong không gian N chiều này

được gọi là chùm tín hiệu Các điểm nằm trong chùm tín hiệu này có thể là đầu

ra sau khi thực hiện phép điều chế M- trị bất kỳ Trong trường hợp việc truyền

là liên tục, m là số nguyên và m , Các kết quả có được sau khi thực

hiện phép nhân sẽ được cộng lại và tín hiệu cuối cùng sẽ là dạng sóng ( theo

thời gian ) được truyền đi qua kênh truyền:

1

, 0

0,

m m N

Do фn(t) là một xung vuông được điều chế tại tần số sóng mang nW/N

(Hz) nên kỹ thuật OFDM thường được coi như là có N sóng mang, trên mỗi

sóng mang tín hiệu được truyền đi với tốc độ thấp hơn ROFDM = RS / N, với tốc

độ của mỗi kênh con là tốc độ truyền các ký hiệu (hoặc các khung) OFDM

Trong việc thiết kế hệ thống OFDM, thì các thông số cần được quan tâm

đến bao gồm: số lượng các sóng mang con, khoảng thời gian bảo vệ (guard

time), thời hiệu của tín hiệu, khoảng cách giữa các sóng mang con, loại điều

chế trên mỗi sóng mang con và cách hiệu chỉnh lỗi

Dấu * chỉ lượng liên hiệp phức Như vậy từ định nghĩa trên, ta có nhận

xét sau: Để cho tập hàm cosn t0 ,sinm t0 trực giao với nhau từng đôi một trên

0 , 0

t t t thì tích phân sau phải bằng 0

0 0

0 0 0

Ý nghĩa trực giao của OFDM:

Trong hệ thống FDM thông thường, những sóng mang phụ cách quãng

nhau thế nào để các tín hiệu thu về có thể nhận lại được bằng cách sử dụng các

bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy thu như vậy, các

khoảng bảo vệ cần phải được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và

việc đưa vào các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông của hệ

thống

Tuy nhiên để có thể sắp xếp các sóng mang trong tín hiệu OFDM với các

dải biên của các sóng mang chồng lên nhau mà tín hiệu thu được không có

nhiễu của các sóng mang kế cận, để làm được như vậy thì các các sóng mang

phải trực giao về mặt toán học Máy thu chỉ cần lấy tích phân trên một chu kỳ

tín hiệu để khôi phục lại tín hiệu ban đầu

1.2.4.2 Biểu diễn toán học tín hiệu OFDM

Về mặt toán học, mỗi sóng mang phụ có thể biểu diễn như là một “ sóng

phức “ :

(1.6)

Trong đó Ac(t) và φc(t) là biên độ và pha tương ứng của sóng mang và

thay đổi từ ký tự này sang ký tự khác Trong hệ thống OFDM, có nhiều sóng

mang, vì thế Sc(t) có thể biểu diễn bởi công thức:

(1.7)

Trong đó: n 0 n , nếu các dạng sóng của mỗi thành phần tín hiệu

trên một ký tự được khảo sát thì các biến Ac(t) và φc(t) sẽ lấy một giá trị cố định

tùy thuộc vào tần số của sóng mang cụ thể đó Và vì thế có thể viết lại như sau:

(1.8)

Nếu tín hiệu được lấy mẫu f s 1

T thì ta được tín hiệu lấy mẫu như sau:

(1.9)

Giả sử một chu kỳ tín hiệu τ cho N mẫu được phân tích, ta có mối liên

hệ: τ = N.T Nếu ta cho w0 = 0 thì biểu thức trên trở thành:

)(

N

n

N

k j

e NT

n G N kT

g (1.11)

Hai phương trình trên là tương đương nếu: f 1 1

NT Điều kiện này giống như yêu cầu về tính trực giao Như vậy để duy trì tính trực giao, tín hiệu

OFDM được định nghĩa bằng cách sử dụng phép biến đổi Fourier DFT

1.2.4.3 Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế cho OFDM

Tín hiệu đầu vào là một chuỗi bit nối tiếp tốc độ cao được đưa vào bộ

biến đổi nối tiếp / song song tạo thành những chuỗi bit song song ở tốc độ thấp

hơn Chuỗi bit song song đầu ra được điều chế bằng các bộ điều chế QPSK hay

MQAM Dữ liệu số sau khi điều chế vào các song mang được đưa vào bộ thực

hiện biến đổi Fourier ngược để tao sự trực giao giữa các sóng mang Ở đây

người ta sử dụng bộ biến đổi Fourier nhanh – IFFT trong bước này, FFT là một

dạng biến đổi Fourier rời rạc nhưng cho hiệu quả tính toán nhanh nên được dùng

trong các hệ thống thực tế Sau khi tạo sự trực giao giữa các sóng mang, các

sóng mang này được chuyển về miền thời gian bằng IFFT để truyền đi Lúc này

tín hiệu OFDM đã được tạo ra gồm một nhóm các sóng mang trực giao với nhau

trong miền thời gian, sau đó tín hiệu OFDM phải được chuyển lên tần số được

lựa chọn để phát đi (Hình 1.4)

Hình 1.4: Sơ đồ khối xử lý tín hiệu OFDM

Khối thu thực hiện quá trình ngược lại với khối phát Tín hiệu OFDM thu

được sẽ được chuyển về băng tần để xử lý Tín hiệu này sau đó được qua FFT

để phân tích tín hiệu trong miền tần số Pha và biên độ của các sóng mang được

tách ra để chuyển thành dữ liệu số cần thu

1.2.4.4 Tính toán bằng bộ FFT cơ số 2

FFT là các thuật toán để tính nhanh DFT và IDFT Vì có nhiều thuật toán

FFT nên có nhiều tên gọi khác nhau, ở đây ta xét trường hợp độ dài biến đổi N

là luỹ thừa nguyên của 2, ví dụ 23

= 8 , 210 =1024 … Tính toán DFT: Xét biến đổi DFT và IDFT[1]

2 1

0

N n

X k x n e k = 0 , 1 , 2 , … (N-1) ( DFT ) (1.12)

2 1

x n X k e

N n = 0 , 1 , 2 , … (N-1) ( IDFT ) (1.13)

Việc tính toán 2 biểu thức rất giống nhau nên ta chỉ cần xét biểu thức DFT

Nếu tín hiệu x (n) là số thực ta viết lại công thức DFT dưới dạng sau :

n R

n I n

( )

I R

Như vậy về hình thức tính toán thì DFT và IDFT không có gì khó khăn

Vấn đề đặt ra là thời gian tính toán

DFT là một công cụ hữu ích cho việc xử lý tín hiệu số nên người ta đã

phát triển các thuật toán để có thể tính toán DFT một cách có hiệu quả Một

phép nhân phức đòi hỏi bốn phép nhân thực và hai phép cộng thực, còn phép

cộng phức đòi hỏi hai phép cộng thực Tuy nhiên ta có thể bỏ qua phép cộng vì

thời gian tính toán của phép cộng khá nhỏ so với phép nhân, suy ra một phép

nhân phức bằng 4 phép nhân thực Như vậy, mỗi hệ số DFT cần thực hiện N

phép nhân phức trong đó có N hệ số nên DFT đầy đủ sẽ phải cần đến N2

phép nhân phức (4N2

phép nhân thực), còn đối với x (n) thực thì sẽ chỉ cần N2/2 phép nhân phức (2N2

phép nhân thực)

Giả sử với DFT 1024 điểm, số phép nhân phức cần tính là 10242, nếu máy

tính tính một phép toán nhân phức là 1μs thì thời gian tính toán là:

10242 10-6 = 1,05s

Thời gian trên chỉ mang tính tham khảo vì đã bỏ qua các phép tính cộng

thực Rõ ràng là biểu thức DFT và IDFT không đòi hỏi gì ngoài phép nhân và

phép cộng nhưng vì có quá nhiều phép toán nên đã tốn nhiều thời gian của máy

tính , thời gian làm ảnh hưởng đến chất lượng trong việc xử lý thời gian thực Vì

vậy việc đặt ra là giảm thời gian tính toán để đáp ứng cho nhu cầu thời gian

thực, đó là thách thức trong việc phát triển các thuật toán và phần cứng phần

mềm Điều thuận lợi là biểu thức DFT và IDFT có rất nhiều trùng lắp trong phép

tính, để hiểu rõ hơn ta xét DFT 4 điểm từ các dữ liệu vào là x (0), x (1), x (2), x

Ở dạng này ta đã rút gọn lại số phép tính toán từ 16 phép nhân và 12 phép

cộng còn 5 phép nhân và 8 phép cộng , khiến thời gian tính toán giảm xuống

Nhận xét: Sự sắp xếp tương tự cũng có thể áp dụng cho bất cứ DFT nào

có số điểm là luỹ thừa chẵn của 2 (2, 4 , 8 …) Cách tổ chức này gọi là FFT cơ

số 2 (radix-2 FFT)

Xem lại các phương trình ta thấy các mẫu chẵn x(0), x(2) của tín hiệu vào

xuất hiện ở số hạng x(0) x(2) và

2 2 4 (0) (2) j

x x e và các mẫu lẻ x(1), x(3) của tín

hiệu vào xuất hiện ở số hạngx(1) x(3)và

2 2 4 (1) (3) j

x x e Đây là các hệ số DFT 2 điểm, như vậy, FFT 4 điểm được bắt đầu với tính toán hai DFT 2 điểm, một cho

hai mẫu chẵn và một cho hai mẫu lẻ, rồi hai kết quả được nhập lại như ở các

Thuật toán FFT cơ số: trước tiên để được thuận tiện , ta viết DFT và

IDFT lại dưới dạng:

x n X k W

N n = 0, 1, 2, … (N-1) ( IDFT ) (1.26)

Trong đó thừa số kn j2 kn

N N

W e , vì số điểm (hay mẫu) là cơ số của 2 nên ta có thể chia hai liên tiếp nếu cần cho đến khi thương số cuối cùng là 1 Khi chuỗi

x(n) được tách làm 2 chuỗi phụ, mỗi chuỗi dài N/2 điểm thì hai DFT N/2 điểm

cần 2(N/2)2

= N2/2 phép nhân phức, tức là số phép tính chỉ còn phân nữa Khi

tiếp tục sự chia đôi như vậy, số phép tính thực hiện sẽ càng giảm Đây là yếu tố

cơ bản của thuật toán FFT

1.2.4.5 Khoảng thời gian bảo vệ Cyclic Prefix

Điểm mấu chốt nhằm có được hiệu quả sử dụng phổ tần cao là tính trực

giao của các sóng mang Trong các hệ thống ghép kênh FDM thông thường, các

sóng mang được phân tách bởi một dải bảo vệ nhằm cho phép thu và giải điều

chế các sóng mang đó bằng các thao tác lọc thông thường Tuy nhiên, các dải

bảo vệ này đã làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông Nếu các sóng mang là

trực giao với nhau, thì chúng có thể được sắp xếp sao cho các dải băng chồng

lên nhau mà vẫn có thể thu tốt tránh được hiện tượng giao thoa với các sóng

mang lân cận Tuy nhiên, các dải bảo vệ là cần thiết trong kỹ thuật OFDM,

nhưng cách hoạt động của các dải bảo vệ này khác hẳn với FDM thông thường

max

Chiều dài của dải bảo

vệ (GI – guard interval ) bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần, tuy

nhiên, nó phải dài hơn đáp ứng xung của kênh nhằm duy trì tính trực giao giữa

các sóng mang phụ và loại bỏ được các loại giao thoa ICI và ISI[8]:

T g max (1.27)

Vậy câu hỏi đặt ra là trong khoảng bảo vệ ta đặt cái gì vào? Đối với

khoảng bảo vệ ta có hai phương án:

Phương án một: Không chèn cái gì vào cả, tức là để trống một khoảng có độ dài Tg trước mẫu tín hiệu OFDM Khi đó chúng ta đã loại

bỏ được nhiễu liên ký tự (ISI) Thế nhưng, với mỗi sự thay đổi điện áp đột

ngột của dạng sóng sẽ chứa đựng những thành phần phổ cao, từ đó gây ra

nhiễu giữa các sóng mang phụ, khi đó tín hiệu nhận được sẽ không tốt

Phương án hai: Chèn vào khoảng bảo vệ một chuỗi có giá trị chính

là một phần đuôi của mẫu tín hiệu OFDM (gọi là Cyclic Prefix) Khi đó

chúng ta vừa loại bỏ được nhiễu liên ký tự ISI vừa không làm thay đổi

dạng sóng hình sin của tín hiệu cho nên sẽ không có nhiễu giữa các sóng

mang phụ với nhau( cụ thể trong hình 1.7)

Hình 1.7: Tín hiệu OFDM với Cyclic Extension

Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải

tần, tuy nhiên, nó phải dài hơn đáp ứng xung của kênh nhằm duy trì tính trực

giao giữa các sóng mang con và loại bỏ được các giao thoa ICI và ISI Những

lợi ích đạt được nhờ chèn thêm dải bảo vệ này thường có giá trị hơn những suy

giảm trong hiệu suất sử dụng dải tần và trong tỷ số SNR Để minh họa cho ví dụ

này, chúng ta có thể thấy rằng năng lượng phát sẽ tăng khi tăng chiều dài Tg của

dải bảo vệ, trong khi đó thì năng lượng thu và lấy mẫu vẫn giữ nguyên Năng

lượng phát trên 1 sóng mang con là :

' 2

T (1.29) Như vậy, CP có chiều dài càng lớn thì suy giảm SNR càng nhiều Thông

thường, chiều dài tương đối của CP sẽ được giữ ở mức nhỏ, còn suy giảm SNR

chủ yếu là do yêu cầu loại bỏ giao thoa ICI và ISI (nhỏ hơn 1dB với Tg/TS‟ <

0.2) Hình 1.8 minh họa cụ thể:

Hình 1.8: Chèn khoảng dự trữ vào OFDM

1.2.5 Ƣu và khuyết điểm của hệ thống OFDM

Sóng mang trong OFDM là trực giao với nhau nên mặc dù phổ của chúng

chồng lên nhau nhưng không gây ra hiện tượng xuyên nhiễu giữa các sóng

mang

OFDM có khả năng giảm thiểu hiện tượng đa đường, tức là hạn chế ISI

giữa các ký hiệu Mỗi sóng mang sẽ chỉ mang một lượng thông tin rất nhỏ,

chính vì thế mà tốc độ thấp Tốc độ thấp đồng nghĩa với trễ tương đối giảm, vì

vậy sẽ làm tăng khả năng chống lại hiệu ứng đa đường trong truyền dẫn Tuy

nhiên, tốc độ chung của hệ thống vẫn đảm bảo

OFDM chia toàn băng tần sử dụng ra nhiều băng tần nhỏ, cho phép thông

tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp

Chính vì thế mà khả năng chống nhiễu noise của nó lớn hơn nhiều so với các hệ

thống FDM truyền thống Các kênh con có thể coi là các kênh fading không lựa

chọn tần số nên có thể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận

thông tin

Độ phức tạp giảm nhờ thực hiện FFT và IFFT trên luồng dữ liệu nhị phân

thay cho bộ điều chế sóng mang phụ

* Khuyết điểm của hệ thống OFDM

OFDM đòi hỏi khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch nào về tần số, ảnh

hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần

số mà kết quả là phá bỏ tính trực giao giữa các tần số sóng mang và làm tăng tỉ số bit

lỗi ( BER )

1.3 Tìm hiểu cơ bản về suy hao

1.3.1 Các yếu tố làm suy hao đường truyền

Trong các môi trường truyền dẫn, suy hao trung bình xảy ra do các hiện

tượng như: sự nở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước,

lá cây… và do phản xạ từ mặt đất Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào

khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc

độ cao Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng

(nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu) Ngay cả khi chúng ta dùng anten

định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu

nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta

thiết kế Vì thế mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu Hay

nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách

Phương trình (1.30) tính công suất thu được sau khi truyền qua một khoảng cách

R

2

4 R

G G P

: bước sóng của sóng mang

Hoặc có thể viết lại là:

R T R

T R

T

G G f R c G

G

R P

f G

G T 10 log R 20 log 20 log 47 6 log

Nói chung chúng ta có thể xây dựng được một mô hình khá chính xác cho

các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản ) như

các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn Tuy nhiên do hầu hết

các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di động, mạng LAN không dây,

môi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng

khó khăn hơn Ví dụ đối với nhưng kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi

đó điều kiện về không gian tự do không được thoả mãn, chúng ta có công thức

suy hao đường truyền như sau:

L pt 10 log10G T 10 log10G R 20 log10h BS 20 log10h MS 40 log10R (1.33)

Với h BS, h MS<< R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của

trạm di động MS (Mobile Station)

1.3.2 Hiện tƣợng multipath

Tín hiệu qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian, va chạm

vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công

viên, sông,… gây ra các hiên tượng sau đây Hình 1.9 là ví dụ điển hình:

a)Hiện tượng phản xạ b) Hiện tượng tán xạ c) Hiên tượng nhiễu xạ

Hình 1.9: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng

Phản xạ (reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng (hình 1.9a)

Tán xạ (scattering): khi sóng đập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và

các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng (hình 1.9b)

Nhiễu xạ (diffraction): khi sóng chạm với các vật thể có kích thước lớn

hơn nhiều chiều dài bước sóng (hình 1.9c)

Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số

bản sao này sẽ tới máy thu Các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật

khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau

Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha

giữa các thành phần này khác nhau Các bản sao này suy hao khác nhau, tức là

biên độ giữa các thành phần này là khác nhau Tín hiệu tại máy thu là tổng của

tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và pha của các bản sao Tín hiệu

thu được tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao đồng pha Tín hiệu thu bị

triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha

Tùy theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn

lọc tần số (frequency selective fading channel) hay kênh truyền phẳng

(frequency nonselective fading channel), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading

channel) hay biến đổi chậm (slow fading channel) Tùy theo đường bao của tín

hiệu sau khi qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh

hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Rice

1.3.3 Hiện tƣợng Doppler

Là hiện tượng xảy ra khi có sự dịch chuyển tương đối giữa máy phát và

máy thu, khi đó tần số sóng mang tại máy thu sẽ thay đổi 1 lượng đáng kể Giả

thuyết góc tới của tuyến k so với hướng chuyển động của máy thu là k, khi đó

tần số Doppler tương ứng của tuyến này là:

f D k, v f0cos( )k

c (1.34) Dưới đây (Hình 1.10) miêu tả chi tiết

Hình 1.10: Hiệu ứng Doppler

Trong đó, f 0 , v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc

chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng

Nếu k = 0 thì tần số Doppler sẽ cực đại:

,max f0

c

v

f D (1.35)

Thời gian nhất quán Tc chính là đối ngẫu trong miền thời gian (time

domain dual) của trải Doppler, dùng để mô tả sự tán xạ tần số và bản chất thay

đổi theo thời gian của kênh truyền Trải Doppler và thời gian nhất quán tỉ lệ

nghịch với nhau:

T c 1/ f D,max (1.36)

Thời gian nhất quán là khoảng thời gian mà đáp ứng xung của kênh

truyền không thay đổi Nói cách khác, thời gian nhất quán là khoảng thời gian

mà 2 tín hiệu có sự tương quan với nhau về biên độ Nếu nghịch đảo của độ rộng

phổ của tín hiệu lớn hơn nhiều so với thời gian nhất quán của kênh truyền thì khi

đó kênh truyền sẽ thay đổi trong suốt thời gian truyền tín hiệu và do đó gây méo

ở bộ thu Thời gian nhất quán được định nghĩa là khoảng thời gian mà hàm

tương quan lớn hơn 0.5, khi đó:

,max

9 16

1.3.4.1 Kênh truyền nhiễm chọc lọc tần số và nhiễu phẳng

Một kênh truyền có bị xem là chọn lọc tần số hay không còn tùy thuộc

vào băng thông của tín hiệu truyền đi Nếu trong toàn khoảng băng thông của tín

hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói kênh truyền phẳng (flat fading

channel); ngược lại nếu đáp ứng tần số của kênh truyền không phẳng, không

giống nhau trong băng thông tín hiệu, ta nói kênh truyền là kênh truyền chọn lọc

tần số (frequency selective fading channel) Mọi kênh truyền vô tuyến đều

không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dãi tần vô tuyến, tuy nhiên kênh

truyền có thể xem là phẳng trong khoảng nhỏ tần số nào đó (Hình 1.11)

Hình 1.11 cho thấy kênh truyền sẽ la chọn lọc tần số đối với tín hiệu truyền

có băng thông lớn nằm từ 32 MHz đến 96 MHz, tuy nhiên nếu tín hiệu có băng

thông nhỏ khoảng 2 MHz thì kênh truyền sẽ là kênh truyền fading phẳng

Trên đây chúng ta đã mô tả định tính kênh truyền, bây giờ ta sẽ xác định

lượng thông số của kênh truyền( Hình 1.12)

Hình 1.12: Tín hiệu phía thu tới bằng L đường

Tín hiệu tại máy thu là tổng các thành phần tín hiệu đến từ L đường như

y

1

)(

i thời gian trễ có giá trị thực

Tổng quát tín hiệu tơi máy thu có dạng sau:

) , (

* ) ( )

, ( ).

( )

1

)()

()

,( (1.40)

Từ (1.7) ta có đáp ứng hàm truyền thay đổi theo thời gian

H(t, f) h(t, )e j 2 f d (1.41)

Mỗi kênh truyền đều có đáp ứng xung, do đó mỗi kênh truyền có thể đặc

trưng bằng hàm tự tương quan ACF (AutoCorreclation Function)

(1.42)

(1.43)

Hàm tự tương quan quá phức tạp (theo 4 biến t1,t2, 1, 2) nên để đơn

giản trong tích phân ta giả sử các thành phần phản xạ là dừng theo nghĩa rộng và

không tương quan WSSUS (Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter)