cải thiện chất lượng hệ thống 4g sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền

Đặc biệt là kỹ thuật phân tập anten ứng dụng trên nền công nghệ OFDM đang được sử dụng rộng rải cho hệ thống 4G nhằm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy tín hiệu t

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Lớp :

Là sinh viên khoa Điện Tử -Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng

Đề tài tốt nghiệp của em là “ Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4G sử

dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền” Nội dung đồ án được

tham khảo rút ra từ các tài liệu tham khảo đã liệt kê ở cuối đồ án Em xin cam đoan nội dung này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Trang 1

LỜI MỞ ĐẦU

Sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến Trong đó, phải kể đến các công nghệ mới như MIMO – OFDM, anten thông minh… giúp nâng cao hơn nữa chất lượng hệ thống Đặc biệt là kỹ thuật phân tập anten ứng dụng trên nền công nghệ OFDM đang được sử dụng rộng rải cho hệ thống 4G nhằm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy tín hiệu truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông

Các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, phân tập tần

số và phân tập không gian Trong đó phân tập không gian được sử dụng phổ biển Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten ở nơi phát hoặc nơi thu mà người ta chia phân tập không gian làm 3 loại: phân tập anten phát, phân tập anten thu, phân tập kết hợp cả thu và phát Cùng với kỹ thuật phân tập nhiều kỹ thuật ước lượng kênh truyền cũng được sử dụng để bên thu

có thể xác định được thông tin truyền đi từ bên phát

Trong quá trình tìm hiểu, em đã chọn đề tài “ Cải thiện chất lượng hệ thống

4G sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền” Đây là giải pháp

kết hợp nhiều kỹ thuật giúp cải thiện chất lượng hệ thống vô tuyến, đồng thời thực hiện mô hình hóa và tiến hành mô phỏng xác suất lỗi bit (BER)

Nội dung đồ án gồm 4 chương, trong đó 3 chương lý thuyết và một chương thực hiện mô phỏng chất lượng hệ thống bằng phần mềm Matlab

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Hệ thống 4G được xem là một nền tảng của sự hội tụ, cung cấp các ưu điểm

rõ ràng về vùng phủ sóng, độ rộng băng tần, tốc độ truyền dẫn và công suất tiêu thụ Với việc sử dụng các công nghệ tiên tiến trong đó có công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM đã giúp cho hệ thống 4G đạt được những tính năng ưu việt trên Nội dung chương 1 sẽ phân tích mô hình hệ thống OFDM cũng như các ưu điểm, nhược điểm… của công nghệ này mang lại cho hệ thống 4G

Trang 2

Chương 2 : Đặc tính truyền dẫn tín hiệu OFDM

Đặc tính kênh truyền vô tuyến có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn Nội dung chương trình bày về đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM, các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu đặc biệt là hiện tượng fading đa đường và nhiễu trắng AWGN Bên cạnh đó còn trình bày kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood nhằm giảm sự sai khác của hàm truyền giữa kênh phát so với kênh thu

Chương 3 : Các kỹ thuật phân tập

Để nâng cao độ tin cậy cho tín hiệu truyền dẫn, các kỹ thuật phân tập được

sử dụng trong hệ thống 4G Phân tập thu gồm các kỹ thuật MRC, EGC, SC, TC giúp bên thu chọn lọc hoặc kết hợp các tín hiệu trên các anten thu nhằm tái tạo tín hiệu phát tốt nhất Ngoài ra, chương này còn trình bày về các kỹ thuật phân tập phát

mã hóa không gian-thời gian với mô hình Alamouti, nhờ nó mà chất lượng hệ thống được cải thiện, mang lại hiệu quả kinh tế cao, dễ áp dụng cho cell phone

Chương 4 : Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống 4G

Bằng cách sử dụng phần mềm Matlab, thực hiện mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống 4G thông qua việc truyền và nhận tín hiệu vô tuyến trên cơ sở sử dụng công nghệ OFDM kết hợp các kỹ thuật phân tập và ước lượng kênh truyền Qua đó, đánh giá kết quả mô phỏng và đối chiếu với lý thuyết đã trình bày

Tuy nhiên, đây là một đề tài khá phức tạp, điều kiện thời gian cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên phần trình bày đồ án này của em không thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận được sự góp ý của thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện Tử - Viễn Thông đã giảng dạy

em trong suốt thời gian qua và đặc biệt cảm ơn ThS Dư Quang Bình đã tận tình hướng dẫn cho em hoàn thành đề tài này

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Trang 3

CÁC TỪ VIẾT TẮT

A

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng

B

BER Bit Error Rate Tốc độ bit lỗi

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha 2 mức

C

CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp

D

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

ICI Inter-carrier interference Nhiễu liên sóng mang

ISI Inter-symbol interference Nhiễu giữa các biểu tượng

IMD Inter Modulation Distortion Nhiễu liên điều chế

M

MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ số cực đại

O

Trang 4

P

P/S Parallel to Serial C/đ song song sang nối tiếp

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình

S/P Serial to Parallel C/Đ nối tiếp sang song song

SNR Signal noise to ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CÁC TỪ VIẾT TẮT 3

MỤC LỤC 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM 8

1.1 Giới thiệu chương 8

1.2 Tổng quan hệ thống 4G 8

1.3 Công nghệ OFDM 9

1.3.1 Tính trực giao trong OFDM 10

1.3.2 Tạo tín hiệu OFDM 13

1.3.3 Mô hình hệ thống OFDM 14

1.3.4 Chuyển đổi Serial/ Parallel và Parallel/ Serial 14

1.3.5 Điều chế sóng mang con 15

1.3.6 Bộ IFFT và FFT 16

1.3.7 Chèn khoảng bảo vệ 18

1.3.8 Bộ biến đổi D/A và A/D 22

1.3.9 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM 22

1.3.9.1 Ưu điểm 22

1.3.9.2 Nhược điểm 22

1.3.10 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM ở Việt Nam 23

1.4 Kết luận chương 23

CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU OFDM 24

2.1 Giới thiệu chương 24

2.2 Đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM 24

2.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền dẫn 25

2.3.1 Hiện tượng Multipath Fading 25

2.3.2 Hiệu ứng Doppler 28

2.3.3 Nhiễu trắng AWGN 29

2.3.4 Nhiễu ISI 31

Trang 6

2.3.5 Nhiễu ICI 33

2.4 Kỹ thuật uớc lượng kênh truyền 34

2.4.1 Mục đích ước lượng kênh truyền 34

2.4.2 Kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood 34

2.5 Kết luận chương 37

CHƯƠNG 3 : CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP 38

3.1 Giới thiệu chương 38

3.2 Kỹ thuật phân tập thu 38

3.2.1 Khái niệm kỹ thuật phân tập thu 38

3.2.2 Các kỹ thuật phân tập thu 39

3.2.2.1 Kỹ thuật phân tập thu MRC 39

3.2.2.2 Kỹ thuật phân tập thu EGC 40

3.2.2.3 Kỹ thuật phân tập thu SC 41

3.2.2.4 Kỹ thuật phân tập thu TC 42

3.3 Kỹ thuật phân tập phát 43

3.3.1 Khái niệm kỹ thuật phân tập phát 43

3.3.2 Một số đặc điểm của kỹ thuật phân tập phát 43

3.3.3 Phân tập phát sử dụng kỹ thuật mã hóa không gian- thời gian 44

3.3.3.1 Hệ thống mã hóa không gian- thời gian 44

3.3.3.2 Mô hình hệ thống Alamouti 46

3.3.3.3 Mô hình hệ thống Alamouti mở rộng 2 anten phát và 2 anten thu 52

3.3.3.4 Mô hình Alamouti mở rộng có 2 anten phát và M anten thu 55

3.4 Kết luận chương 58

CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4G 59

4.1 Giới thiệu chương 59

4.2 Mô phỏng các thuật toán kỹ thuật phân tập thu anten 59

4.2.1 Thuật toán Threshold Combining 59

4.2.1.1 Lưu đồ thuật toán 59

4.2.1.2 Kết quả mô phỏng 60

4.2.2 Thuật toán Selection Combining 62

Trang 7

4.2.2.1 Lưu đồ thuật toán 62

4.2.2.2 Kết quả mô phỏng 63

4.2.3 Thuật toán Equal Gain Combining 64

4.2.3.1 Lưu đồ thuật toán 64

4.2.3.2 Kết quả mô phỏng 65

4.2.4 Thuật toán Maximal Ratio Combining 66

4.2.4.1 Lưu đồ thuật toán 66

4.2.4.2 Kết quả mô phỏng 67

4.2.5 Mô phỏng so sánh chất lượng hệ thống 68

4.3 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC 70

4.3.1 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC với đáp ứng kênh truyền hoàn hảo 70

4.3.1.1 Lưu đồ thuật toán 70

4.3.1.2 Kết quả mô phỏng 71

4.3.2 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC có kết hợp kỹ thuật ước lượng kênh truyền ML ( Maximum Likelihood) 72

4.3.2.1 Lưu đồ thuật toán 72

4.3.2.2 Kết quả mô phỏng 73

4.3.3 Mô phỏng hệ thống STBC khi thay đổi bậc điều chế MQAM 75

4.4 Mô phỏng so sánh chất lượng hệ thống khi sử dụng phương pháp phân tập thu và phương pháp phân tập phát 76

4.5 Kết luận chương 77

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHẦN PHỤ LỤC

Trang 8

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM

1.1 Giới thiệu chương

Mặc dù các mạng 3G có đủ các tham số cần thiết nhằm cung cấp các dịch vụ tiên tiến nhưng công nghệ không dây tương lai đã đặt nên móng cho một thế hệ mới, mà hiện nay gọi là thế hệ thứ 4 (4G) 4G được định nghĩa là một nền tảng của

sự hội tụ, cung cấp các ưu điểm rõ ràng về vùng phủ sóng, độ rộng băng tần,tốc độ truyền dẫn và công suất tiêu thụ

Để hiểu rõ hơn, chương này sẽ trình bày lý do thúc đẩy sự ra đời cũng như các tính năng đặc biệt của hệ thống 4G Bên cạnh đó, nội dung của chương còn đi sâu phân tích về công nghệ OFDM sử dụng trong hệ thống Đây là một công nghệ tiên tiến thực hiện ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Nó cho phép đảm bảo tính an toàn ở mức cao, tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu và sử dụng hiệu quả hơn dải tần được cấp phát Nhờ các tính năng ưu việt này mà công nghệ OFDM trở thành một trong những công nghệ hàng đầu được sử dụng trong hệ thống 4G

1.2 Tổng quan hệ thống 4G

Các nhà cung cấp dịch vụ và người dùng đều mong muốn và hướng tới các công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch vụ hơn với tính năng và chất lượng cao hơn Với cách nhìn nhận này, Liên minh Viễn thông quốc tế ( ITU) đã làm việc để hướng đến một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ

tư 4G Công nghệ này sẽ cho phép thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương tiện tương tác, internet không dây, có độ rộng băng tần lớn hơn, và rõ ràng có vận tốc truyền cũng như tính di động toàn cầu cao hơn Các tính năng này không có ở hệ thống 3G hiện nay

Ngoài ra, vấn đề về phổ tần cũng là sự thúc đẩy chính đối với các nghiên cứu 4G trên thế giới Vì phổ tần là nguồn tài nguyên vô tuyến cơ bản nhưng giới hạn cho các công nghệ không dây Các công nghệ mới hứa hẹn về một sự cải thiện gấp

10 lần hiệu quả sử dụng phổ tần so với các giải pháp đang tồn tại

Phân tích đã cho thấy hệ thống 4G sẽ cho giá cả rẻ hơn so với 3G vì nó đuợc xây dựng trên cơ sở mạng hiện có và không mất chi phí khi chuyển đổi thiết bị

Trang 9

v Các tham số cơ bản của hệ thống 4G

· Hệ thống 4G đảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu lên đến 100 Mbps

· Mạng lõi hoàn toàn ứng dụng trên nền IP, khác với các thế hệ trước là nó hoàn toàn sử dụng phương thức chuyển mạch gói

· Vận tốc di chuyển lớn nhất 200 km/ giờ

· Để đáp ứng các yêu cầu mới đưa ra cần các hệ thống băng rộng với độ rộng băng tần lớn hơn đáng kể so với hệ thống 3G Băng tần cho hệ thống 4G sẽ là 2 GHz đến 8 GHz với độ rộng băng tần từ 5MHz đến 8 Mhz

Các tham số này đến thời điểm hoàn thiện hệ thống 4G có thể thay đổi, nhưng nó minh họa rõ sự khác biệt giữa hệ thống 3G và 4G

Tốc độ truyền số liệu, yêu cầu cho hệ thống 4G có thể đạt được nhờ việc sử dụng sơ đồ W- OFDM Sơ đồ mạng nội vùng với ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Wi- Lan’s Wideband Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đây

là sơ đồ cho phép truyền đồng thời các dòng số liệu tốc độ lớn được mã hóa ở các tần số cao Điều này cho phép đảm bảo tính an toàn ở mức cao, tăng tốc độ truyền

dữ liệu và sử dụng hiệu quả hơn dải tần được cấp phát

1.3 Công nghệ OFDM

Công nghệ OFDM là một trong những công nghệ chính được sử dụng trong

hệ thống 4G Nó được R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ

Công nghệ OFDM là công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh OFDM là một dạng của điều chế đa sóng mang làm việc theo nguyên tắc phân chia dòng bit truyền tại dải thông B thành nhiều dòng bit song song N Các sóng mang con trực giao N điều chế dòng bit song song, sau đó được tổng hợp lại trước khi truyền dẫn Một bộ phát OFDM chấp nhận dữ liệu từ mạng IP, biến đổi và

mã hóa dữ liệu trước khi điều chế Một bộ IFFT ( Inverse Fast Fourier Transform) biến đổi tín hiệu OFDM thành tín hiệu tương tự và được gửi đến bộ thu RF Mạch thu khôi phục lại dữ liệu bằng cách đảo chiều chu trình này Với các sóng mang con trực giao, bộ thu có thể tách biệt và xử lý mỗi sóng mang con mà không có nhiễu từ

Trang 10

các sóng mang con khác OFDM cung cấp liên kết và chất lượng thông tốt hơn các công nghệ truyền dẫn khác

1.3.1 Tính trực giao trong công nghệ OFDM

Đây là tính chất rất quan trọng của tín hiệu OFDM, cho thấy được sự tiết kiệm phổ tần khi sử dụng công nghệ OFDM

Hình vẽ dưới đây so sánh mức chiếm phổ của kỹ thuật OFDM và FDM

Hình 1.1 Hình vẽ biểu diễn sự so sánh mức chiếm phổ tần của tín hiệu OFDM và FDM

Với kỹ thuật FDM thì giữa hai kênh cần phải tách ra một khoảng bảo vệ giữa hai sóng mang Kỹ thuật OFDM cho phép mỗi kênh có thể có một hoặc nhiều sóng mang trong khi kỹ thuật FDM thì mỗi kênh thì chỉ có một sóng mang con Như vậy, nhờ tính trực giao này mà tín hiệu OFDM giúp tiết kiệm được phổ tần

Xét tín hiệu có dạng chữ nhật trong miền thời gian thì sẽ có đáp ứng tần số là sinc trong miền tần số Hình dạng sinc có một búp chính hẹp, với nhiều búp cạnh

Trang 11

suy giảm chậm với biên độ của tần số khác nhau từ trung tâm Mỗi sóng mang con

có đỉnh tại tần số trung tâm và khoảng cách rỗng với lỗ hổng tần số bằng khoảng cách sóng mang Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh sóng mang con và đáp ứng rỗng với các sóng mang con còn lại Khi tín hiệu được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ không phải liên tục như hình 1.2(a) mà gồm các mẫu rời rạc, điểm lấy mẫu được ký hiệu “o” như trong hình Nếu DFT được đồng bộ thời gian, tần số lấy mẫu của DFT tương ứng đúng với đỉnh của sóng mang con, vì vậy

sự chồng lấp trong miền tần số giữa các sóng mang con không ảnh hưởng đến bộ thu Giá trị đỉnh của các sóng mang còn lại tương ứng với đáp ứng rỗng, dẫn đến sự trực giao giữa các sóng mang con

Hình 1.2 Đồ thị đáp ứng tần số sóng mang con trong tín hiệu OFDM 5 tone

(a) Đồ thị phổ của mỗi sóng mang con, và mẫu tần số rời rạc xem xét bởi bộ thu

(b) Đồ thị sự kết hợp toàn bộ đáp ứng 5 sóng mang con ( đường đen dày)

Trang 12

v Dạng biểu diễn toán học của sự trực giao

Hai hàm thực qi( )t và qj( )t được gọi là trực giao (orthogonal) với nhau trên đoạn { 0, T }nếu:

4

C C

Với f CT » 1 thì biểu thức (1.5) có giá trị là 1

· Thay ( 1.3 ) và ( 1.4 ) vào ( 1.2 ) ta được:

os 4 2

4

C C

Trang 13

1.3.2 Tạo tín hiệu OFDM

Những chòm sao phức cho mỗi sóng mang và cho bước điều chế được cung cấp bởi bộ tiền xử lý LCA (Logic Cell Array) để tạo các sóng mang điều chế Các symbol điều chế được xác định theo phần thực và phần ảo (tổ hợp của phần thực và

ảo này chính là symbol điều chế theo mã Gray) Các sóng mang được tập hợp trong thanh ghi ngõ vào của chip IFFT, khi có đủ N sóng mang thì IFFT hoạt động, biến đổi các sóng mang từ miền tần số sang miền thời gian Các tín hiệu I/Q qua bộ biến đổi D/A, theo sau đó là bộ điều chế I/Q đưa tín hiệu OFDM vào băng thông kênh truyền

Bộ điều chế I/Q gồm có hai bộ điều chế Double-Sideband AM (DSB AM) với sóng mang dịch pha 900, các tín hiệu ngõ ra được tổ hợp tạo ra tín hiệu OFDM

ở dạng analog, bộ điều chế I/Q chỉ tạo ra một phổ duy nhất mặc dù sử dụng hai bộ điều chế DSB Bộ phát OFDM tạo ra N dòng phổ trong băng tần hẹp, mỗi dòng phổ tương ứng được xác định trong thời gian từng chu kỳ symbol, nhằm tạo ra tín hiệu OFDM có N sóng mang với điều chế đã lựa chọn

Trong suốt chu kỳ symbol, quan hệ biên độ và pha là cố định Nhờ công nghệ

xử lý tín hiệu số thực hiện phép biến đổi Fourier nhanh IFFT, tính toán các mẫu tín hiệu thời gian là thành phần thực và ảo, sau đó cung cấp lại dạng nhị phân tại ngõ ra Các hệ số Fourier phức được thiết lập bằng giá trị phức của các sóng mang phụ điều chế, chỉ có một số của N giá trị ngõ vào tương ứng với số sóng mang OFDM được sử dụng, vì thế có thể sử dụng các bộ lọc thông thấp có độ dốc giới hạn phía sau bộ biến đổi D/A

Hình 1.3 Sơ đồ khối bộ điều chế tín hiệu OFDM

Trang 14

1.3.3 Mô hình hệ thống OFDM

1.3.4 Chuyển đổi Serial/Parallel và Parallel/Serial

Hình 1.5 Đồ thị biểu diễn sự phân chia luồng dữ liệu

(a) Đồ thị biểu diễn luồng dữ liệu tốc độ cao trong hệ thống đơn sóng mang

(b) Đồ thị biểu diễn sự chia nhỏ luồng dữ liệu tốc độ cao trong hệ thống OFDM với Δf = 1/3TB

Theo Shanon tốc độ dữ liệu cao nhất cho một kênh truyền chỉ có nhiễu trắng

Trang 15

AWGN (không có fading) là:

Cmax = B log2( 1 + S

B là băng thông của kênh truyền [Hz]

S/N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền

Vì vậy muốn truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn Cmax ta phải chia nhỏ luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn Cmax bằng cách sử dụng bộ Serial/Parallel (nối tiếp sang song song)

Tức là chia luồng dữ liệu vào thành từng frame nhỏ có chiều dài k x b bit k <=

N, với b là số bit trong mô hình điều chế số, N số sóng mang k, N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp, để băng thông tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng Bằng cách sử dụng bộ S/P ta đã chuyển kênh truyền từ frequency selective fading thành kênh truyền flat fading

Ngược lại với phía phát, phía thu sẽ dùng bộ Parallel/Serial để ghép N luồng

dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất

1.3.5 Điều chế sóng mang con:

Hình 1.6 Mô hình biểu thị quan hệ giữa tốc độ symbol và tốc độ bit phụ thuộc vào số bit trong một symbol

Trang 16

Mỗi một symbol b bit trong một frame sẽ được đưa vào bộ mapping, mục đích là để nâng cao dung lượng kênh truyền Một symbol b bit sẽ tương ứng một trong M=2b trạng thái hay một vị trí trong constellation (giản đồ chòm sao)

BPSK sử dụng 1 symbol có 1 bit 0 hoặc 1 sẽ xác định trạng thái pha 0

0 hoặc 0

180 , tốc độ Baud hay tốc độ symbol sẽ bằng tốc độ bit R symbol =Rb

QPSK sử dụng 1 symbol 2 bit (Dibit) R symbol =Rb/ 2

Số bit được truyền trong một symbol tăng lên (M tăng lên), thì hiệu quả băng thông:

tăng lên Tuy nhiên sai số BER cũng tăng lên

Nyquist đã đưa ra công thức dung lượng kênh tối đa trong môi trường truyền không nhiễu C=2Blog M2 trong đó B là băng thông của kênh truyền Do đó

ta không thể tăng M lên tùy ý được,công thức trên cho phép ta xác định M lớn nhất,

số bit lớn nhất có thể truyền trong một symbol

Một số phương thức điều chế thường dùng trong bộ mapping:

* M-PSK (Phase Shift Keying)

* M-DPSK (Differential Phase Shift Keying)

* M-QAM (Quarature Amplitude Modulation)

1.3.6 Bộ IFFT và FFT

Phép biến đổi IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) cho phép ta tạo tín hiệu OFDM dễ dàng, tức là điều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trực giao một cách chính xác và đơn giản Phép biến đổi DFT (Discrete Fourier Transform) cho phép ta giải điều chế lấy lại thông tin từ tín hiệu OFDM Nhờ sử dụng phép biến đổi IDFT và DFT mà ta tinh giản được bộ tổng hợp tần số phức tạp ở phía phát và phía thu Nếu không sử dụng IDFT và DFT bộ tổng hợp tần số phải tạo

ra một tập tần số cách đều nhau chính xác và đồng pha, nhằm tạo ra tập tần số trực giao hoàn hảo, điều này không hề đơn giản chút nào

Biến đổi DFT phức có thể được xem như là cách xác định biên độ và pha

m T

R

B

kn/N biểu thị tần số của sóng sin/cosin ứng với kÎ[0,N-1], n thay đổi giữa 0 và tổng

số mẫu miền thời gian Thông số k định nghĩa số chu kỳ sóng sin/cosin hoàn chỉnh xảy ra qua N điểm tín hiệu miền thời gian được lưu trữ trong mảng x[n] Thông số n biểu thị cho số mẫu miền thời gian thu được

Điều cuối cùng cần chú ý đối với DFT là khoảng cách tần số giữa mỗi mẫu trong miền tần số (thường gọi là độ phân giải - the resolution) phụ thuộc vào tần số lấy mẫu fs và chiều dài N của bộ biến đổi FFT:

(1.10)

v Phép biến đổi ngược Fourier rời rạc IDFT:

Phép biến đổi Fourier rời rạc DFT sẽ phân tích tín hiệu thành những thành phần sóng sin có khoảng cách đều nhau trong khoảng tần số

Ngược lại phép biến đổi ngược Fourier rời rạc IDFT sẽ tổng hợp tất cả các sóng sin và cos có biên độ lưu trữ trong mảng X[k] để tái tạo trở lại tín hiệu phát miền thời gian:

(1.11)

(1.12) Thay (1.11) vào (1.10):

Cộng tất cả các tín hiệu sin đó lại với nhau sẽ tái tạo lại được tín hiệu phát

v Phép biến đổi Fourier nhanh

Việc tính toán DFT một cách trực tiếp trong trường hợp N lớn sẽ tiêu tốn rất

nhiều thời gian Thời gian tính toán cần thiết tăng theo N2 Tuy nhiên nếu ta sử dụng số sóng mang N là lũy thừa của 2 thì có cách tính hiệu quả hơn nhiều là FFT

1.3.7 Chèn khoảng bảo vệ

Giả thiết một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là TS Chuỗi bảo vệ là một chuỗi tín hiệu có độ dài là TG ở phía sau sao chép lên phần phía trước của tín hiệu này Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu ISI gây ra bởi hiệu ứng đa đường

Nguyên tắc này được giải thích như sau:

Giả thiết máy phát phát đi 1 khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài là TS Sau khi chèn

Trang 19

chuỗi bảo vệ tín hiệu này có chu kỳ là T=TS + TG Do hiệu ứng đa đường tín hiệu này sẽ đến máy thu qua nhiều tuyến đường truyền với trễ truyền dẫn khác nhau Để đơn giản cho việc giải thích nguyên lý này, hình 1.7 chỉ mô tả tín hiệu thu được từ hai tuyến truyền dẫn, trong đó một tuyến truyền dẫn không có trễ, tuyến còn lại trễ so với tuyến đầu tiên là t max Ở tuyến đầu tiên ta nhận thấy mẫu tín hiệu thứ (k-1) không chồng lấn lên mẫu tín hiệu thứ k Điều này là do ta giả sử rằng tuyến đầu tiên không

có trễ truyền dẫn Tuy nhiên ở tuyến 2, mẫu tín hiệu thứ (k-1) bị dịch sang mẫu tín hiệu thứ k một khoảng là t max do trễ truyền dẫn Tương tự như vậy mẫu tín hiệu thứ k bị dịch sang tín hiệu thứ (k+1) một khoảng cũng là t max Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ

là tổng của tín hiệu tất cả các tuyến Sự dịch tín hiệu do trễ truyền dẫn trong các phương pháp điều chế thông thường sẽ gây ra nhiễu ISI Tuy nhiên trong hệ thống OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ loại bỏ được nhiễu này Trong trường hợp TG ³ t max như mô tả ở hình 1.7 , thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI chỉ nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ Khoảng tín hiệu có ích có độ dài TS không bị chồng lấn bởi các mẫu tín hiệu khác Ở phía thu, chuỗi bảo vệ sẽ bị gạt bỏ trước khi gửi đến bộ giải điều chế OFDM Điều kiện quyết định để đảm bảo hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là: TG ³ t max

Hình 1.7 Mô hình biễu diễn tín hiệu khi thực hiện chèn chuỗi bảo vệ nhằm chống nhiễu ISI

Việc sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ đảm bảo được tính trực giao của các sóng mang phụ, do vậy đơn giản hóa cấu trúc bộ ước lượng kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở phía máy thu Tuy nhiên chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu

Hình 1.8 Mô hình biểu diễn tín hiệu khi có trải trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ

thì không gây ra ISI và ICI

Hình 1.9 Mô hình biểu diễn việc chèn khoảng bảo vệ cho ký tự OFDM

khi truyền qua kênh truyền multipath

(a) Mô hình ký tự OFDM với kênh truyền multipath không có khoảng bảo vệ (b) Mô hình ký tự OFDM với kênh truyền multipath khi có khoảng bảo vệ

Trang 21

Hình 1.10 Mô hình các kí tự OFDM thu được sau khi truyền qua kênh truyền multipath

(a) Các ký tự OFDM thu được khi không chèn khoảng bảo vệ

(b) Các ký tự OFDM thu được khi chèn khoảng bảo vệ

Hình 1.9 minh họa khái niệm chèn khoảng thời gian bảo vệ trong hệ thống OFDM và hình 1.10 minh họa ý tưởng dùng khoảng bảo vệ để loại bỏ khoảng ISI giữa những ký tự OFDM, ở hình 1.10 (a) thì ký tự OFDM thu được bị can nhiễu bởi

ký tự OFDM trước nó, ở hình 1.10 (b) thì ký tự OFDM thu được không còn bị ảnh hưởng của ký tự OFDM trước đó

Trong khoảng thời gian bảo vệ, máy thu bỏ qua tất cả các tín hiệu, như vậy có nghĩa là khoảng bảo vệ là khoảng vô ích, nó không mang dữ liệu có ích Lựa chọn khoảng bảo vệ liên quan đến thời gian trễ của echo, đồng thời cũng liên quan mật thiết đến số lượng sóng mang Trong thực tế khoảng thời gian bảo vệ được tạo ra bằng cách lặp lại một tỷ lệ của dòng bit tích cực trong chu kỳ trước đó, khoảng bảo

vệ được chọn dựa vào khoảng thời gian tích cực của symbol, có thể là 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 thời gian symbol tích cực

Trang 22

1.3.8 Bộ biến đổi D/A và A/D

Chuỗi symbol rời rạc s[n] sau khi được chèn khoảng bảo vệ D G, sẽ được đưa vào bộ biến đổi từ số sang tương tự D/A và bộ lọc thông thấp (low pass filter) tạo ra tín hiệu liên tục s(t) để có thể đưa ra kênh truyền vô tuyến

Ở phía thu, bộ A/D làm động tác ngược lại bộ D/A, bộ A/D sẽ lấy mẫu tín hiệu OFDM thu được s'(t), lượng tử và mã hóa cho ra tín hiệu số rời rạc, sau đó tín hiệu rời rạc này sẽ đi qua bộ Guard Interval Removal để loại bỏ khoảng bảo vệ

1.3.9 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM

1.3.9.1 Ưu điểm

- OFDM là giải pháp phân tập tần số OFDM chia nhỏ băng tần kênh và tiến

hành truyền dữ liệu độc lập trên các băng tần kênh con này

- OFDM đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần cao do tính trực giao của các thành phần sóng mang con

- OFDM là ứng cử viên hứa hẹn cho truyền dẫn tốc độ cao trong môi trường

di động Sở dĩ OFDM làm được như vậy bởi vì chu kỳ tín hiệu tăng cho nên dung sai trễ của hệ thống tăng và hiệu quả sử dụng phổ tần cao của công nghệ OFDM

- OFDM cho phép giảm được ảnh hưởng của trễ đa đường và kênh fading chọn lọc tần số chuyển thành kênh fading phẳng Vì vậy OFDM là giải pháp đối với tính chọn lọc tần số của kênh fading Thuận lợi này của OFDM cho phép cân bằng kênh dễ dàng

- Do trải rộng fading tần số trên nhiều ký hiệu , nên làm ngẫu nhiên hóa lỗi cụm (do fading Rayleigh gây ra) , nên thay vì một số ký hiệu cạnh nhau bị méo hoàn toàn là một số ký hiệu cạnh nhau bị méo

- Tính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để công nghệ xử lý tín hiệu

số và công nghệ vi mạch VLSI

1.3.9.2 Nhược điểm

OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang nên nhươc điểm chính của

kỹ thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR Average Power Ratio) lớn Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn

1.3.10 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM ở Việt Nam

Có thể nói mạng internet băng rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) rất quen thuộc ở Việt Nam, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với các mạng cung cấp dịch vụ internet thông thường

Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ ADSL hiện đang được sử dụng rất rộng rãi

ở Việt Nam hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt đất DVB- T cũng đang được khai thác sử dụng Các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong một tương lai không xa Các mạng về thông tin máy tính không dây như HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam

Trang 25

CHƯƠNG 2 ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU OFDM 2.1 Giới thiệu chương

Trong thông tin vô tuyến, các đặc tính kênh truyền vô tuyến di động có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn

Quá trình truyền sóng vô tuyến xảy ra rất phức tạp Quá trình này có thể chỉ

có một đường truyền thẳng LOS ( line of sight ), hay nhiều đường mà không có LOS hoặc cả hai Ngoài các hiện tượng này, sóng vô tuyến còn bị suy hao mức công suất tín hiệu do quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác cũng như chịu sự tác động của nhiễu trắng AWGN, nhiễu ISI, ICI… Tất cả đều làm tăng sự sai lệch giữa tín hiệu thu so với tín hiệu đã phát Do đó trong chương này, ngoài việc tìm hiểu các đặc tính kênh truyền tín hiệu và việc sử dụng kỹ thuật OFDM nhằm giảm các tác nhân ảnh hưởng xấu đền chất lượng tín hiệu thì nội dung chương này còn đề cập đến phương pháp ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood nhằm giảm sự sai khác của hàm truyền giữa kênh phát so với kênh thu

2.2 Đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát và máy thu

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền nhận tín hiệu OFDM

Đặc tính kênh truyền vô tuyến có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng Trong các hệ thống vô tuyến thông thường, các tính chất thống kê dài hạn của kênh được đo và đánh giá trước khi thiết kế hệ thống Nhưng trong các hệ thống điều chế thích ứng, vấn đề này phức tạp hơn Để đảm bảo hoạt động thích ứng đúng, cần phải liên tục nhận được thông tin về các tính chất thống kê ngắn hạn thậm chí tức thời của kênh

ü Che tối: các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm tín hiệu

ü Nhiễu : các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay khác tần số lân cận khác nhau gây ra nhiễu cho tín hiệu mong muốn

Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài (external noise) và nhiễu giao thoa là rất lớn Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường (multipath environment) và chịu ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số

Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng thông gốc thành rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của Fading lựa chon tần số, các kênh con có thể được coi là các kênh Fading không lựa chọn tần số Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của Fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự

và đồng bộ sóng mang

2.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền dẫn

2.3.1 Hiện tượng Multipath Fading

Multipath-Fading là một hiện tượng rất phổ biến trong truyền thông không dây gây ra do hiện tượng đa đường (Multipath) dẫn tới suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu (fading) không giống nhau tại các thời điểm hoặc/và tại các tần số khác nhau

Trang 27

Tín hiệu RF truyền 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, núi, biển… gây ra các hiện tượng sau đây:

ü Phản xạ ( Reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng

ü Tán xạ ( Scaterring) : khi sóng đập vào các vật có bề mặt không bằng phẳng

và các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng

ü Nhiễu xạ (Diffraction) : khi sóng va chạm với các vật có kích thướt lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng

(c) Hiện tượng nhiễu xạ

Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới được máy thu

Trang 28

Hình 2.3 Mô hình đường đi của tín hiệu qua môi trường truyền dẫn không dây

Hình vẽ cho thấy tín hiệu tới phía thu theo L đường

Do các bản sao này phản xạ, tán xạ, nhiều xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên:

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

- Các bản sao sẽ 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 ( constructive addition) khi các bản sao đồng pha

- Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực ( destructive addition) khi các bản sao ngược pha

Trong trường hợp này, fdlà tần số Doppler cực đại quan hệ với tốc độ máy di động v, tốc độ ánh sáng co và tần số sóng mang fo theo công thức sau:

fd = o

độ của sóng mang thành phần thu được

Trang 30

2.3.3 Nhiễu trắng AWGN

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu

là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuêchs đại bên thu và nhiễu liên ô Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên ký tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD ( Inter Modulation Distortion) Nhiễu này làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống

Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều nhất trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng

Nhiễu nhiệt sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng

Hình 2.5 Mô hình kênh truyền có tác động của nhiễu trắng

Tín hiệu thu do vậy được viết lại như sau:

) ( ) (

* ) ( ) (t x t h n t

Với n(t) là nhiễu trắng

Trang 31

Về mặt toán học, nguồn nhiễu trắng n(t) có thể mô hình bằng một biến xác suất x tuân theo phân bố xác suất Gauss với giá trị kỳ vọng m (giá trị trung bình xác suất) bằng không và độ lệch chuẩn s2

2 2

22

1)

sp

Hình 2.6 Biểu đồ phân bố Gaussian

Ở phân bố Gauss, thông số m xác định điểm giữa của phân bố và thông số 2

s xác định độ rộng của hàm phân bố

Trang 32

2.3.4 Nhiễu ISI

Trong hệ thống đa sóng mang (FDM), vấn đề về đa đường và fading lựa tần

đc giả quyết Tín hiệu đc chia thành N dòng song song và truyền trên N sóng mang con với tốc độ nhỏ hơn Để tiết kiệm băng thông, người ta đưa vào hệ thống OFDM, trong đó các sóng mang con là trực giao lẫn nhau, tức là cho phép các sóng mang con này chồng phổ, như vậy tăng đc hiệu quả sử dụng phổ

Hình 2.7 Mô hình truyền tín hiệu đa sóng mang

(a) Mô hình truyền tín hiệu với kỹ thuật đa sóng mang thông thường (b) Mô hình truyền tín hiệu với kỹ thuật điều chế OFDM

Tín hiệu có biểu diễn càng trải dài trong miền thời gian thì có phổ càng hẹp trong miền tần số và ngược lại, tín hiệu có phổ trong miền tần số càng rộng thì biểu diễn trong miền thời gian càng hẹp

Tín hiệu cần truyền qua kênh có biểu diễn trong miền thời gian là hẹp ( vì chỉ trong thời gian t rất ngắn) vì thế nó có phổ tần số rất rộng Trong khi đó kênh truyền tin thì có băng thông có hạn nên khi phát tín hiệu qua kênh phổ tần của tín hiệu bị băng tần cho phép của kênh cắt ngắn Do đó tín hiệu thu đc có phổ tần hẹp Khi chuyển qua miền thời gian thì nó lại là kéo dài nên 2 tín hiệu gần nhau có phần kéo dài chồng lấn lên nhau gây ra nhiễu ISI Tóm lại, nhiễu ISI gây ra

do trải trễ đa đường Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu Nhưng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh Do đó giải pháp này là không thể thực hiện được Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được ứng dụng thực tế

là chén tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM

Trang 34

2.3.5 Nhiễu ICI

ICI là hiện tượng phổ biến trong các hệ thống đa sóng mang Trong hệ thống OFDM, ICI còn được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóng mang con, là hiện tượng năng lượng phổ của các sóng mang con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao của các sóng mang con

ICI xảy ra do tính chọn lọc tần số của kênh fading, nguyên nhân chính là hiện tượng dịch Doppler do tính di động của máy thu Hậu quả là sẽ không phân biệt được ranh giới giữa các ký hiệu truyền trên các sóng mang con, dẫn đến phía thu sẽ quyết định sai ký hiệu mất tính trực giao

Hình 2.9 Hình vẽ biểu diễn lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM

Nhiễu ICI được hạn chế bằng cách chèn khoảng bảo vệ một cách tuần hoàn

và dùng bộ cân bằng kênh giúp việc ước tính, cân bằng được thực hiện để bù

Trang 35

2.4 Kỹ thuật uớc lượng kênh truyền

2.4.1 Mục đích ước lượng kênh truyền

Có rất nhiều vấn đề ảnh hưởng nghiêm trọng đến kênh truyền mà cần được giải quyết, đặc biệt là tác động của nhiễu fading lựa chọn tần số và nhiễu trắng gây nên Hệ thống OFDM có thể loại bỏ được nhiễu ISI nhưng không thể tránh khỏi nhiễu ICI do hiệu ứng Doppler gây ra Với các loại nhiễu này tác động vào hệ thống thì việc giải điều chế tại đầu thu là rất khó khăn Vấn đề đặt ra ở đây là phải ước lượng được kênh truyền, ước lượng được độ dịch tần số CFO để có thể xác định

được tín hiệu phát chính xác

Trong đồ án này ước lượng kênh truyền sử dụng các mô hình kênh cơ sở mở rộng BEM ( Basic expansion models) để giảm các thông số cần ước lượng

2.4.2 Kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood

Kỹ thuật ước lượng Maximum Likelihood thực hiện ước lượng tham số theo hướng tiếp cận Fisher, tức là bên thu không cần biết quy luật biến đổi kênh truyền

Ưu điểm của phương pháp này là thực thi đơn giản, dễ thực hiện

Thuật toán của phương pháp ước lượng này dựa trên nguyên lý Maximum Likelihood

Giả sử rằng tín hiệu thu được có dạng sau:

Hàm đáp ứng kênh truyền được ước lượng với kỹ thuật ML:

Trang 36

Mục đích cần maximize L(h) thì ta thực hiện maximize hàm logarit của L(h)

là lnL(h) Vì hàm logarit của L(h) tăng cùng với L(h)

Tổng này phụ thuộc vào D chứ không vào h nên một số trường hợp nó có thể

bỏ qua các giá trị ứng với giả định tốt của h

Từ phương trình (2.7) suy ra: zi= yi - h xw i (2.11)

Do đó,

2 w

1 2 2 1

1( w )

2

i i

y h x m

1 2 2 1

i

ps

-

ln

22

2

m

i i i

; ; ;

T n

Trang 38

2.5 Kết luận chương:

Trên cơ sở các phần đã trình bày ở trên, chương này đã phân tích làm rõ được các đặc trưng về kênh truyền cũng như đã nêu được phương pháp xác định đáp ứng kênh truyền bằng kỹ thuật ước lượng Maximum Likelihood Tuy nhiên, ngoài việc cần biết được đáp ứng kênh truyền thì hệ thống còn cần thêm một số các

kỹ thuật hiện đại khác để nâng cao chất lượng truyền dẫn Trong chương tiếp theo

sẽ trình bày chi tiết về các kỹ thuật phân tập thu và phân tập phát tín hiệu nhằm nâng cao chất lượng hệ thống mà không cần phải tăng công suất phát tại trạm

Trang 37

CHƯƠNG 3 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP 3.1 Giới thiệu chương

Để đáp ứng yêu cầu về sử dụng băng tần hiệu quả, tốc độ truy cập nhanh, chất lượng dịch vụ cao thì hệ thống 4G ngoài việc phải được triển khai trên nền công nghệ tiên tiến như OFDM thì còn cần thêm các giải pháp kỹ thuật khác Một trong những giải pháp kỹ thuật đó là phân tập tín hiệu Kỹ thuật phân tập dựa trên các mô hình mà ở đó tại bộ thu sẽ nhận được các bản sao chép của tín hiệu phát, tất

cả các sóng mang có cùng thông tin nhưng sự tương quan về fading thống kê là nhỏ nhất Ý tưởng cơ bản của phân tập là ở chỗ, nếu hai hoặc nhiều mẫu độc lập của tín hiệu được đưa đến và các mẫu đó bị ảnh hưởng của fading độc lập với nhau, có nghĩa là trong số chúng, có những tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều, trong khi các mẫu khác bị ảnh hưởng ít hơn Từ đó, bằng cách kết hợp một cách thích hợp các mẫu khác nhau sẽ dẫn đến giảm ảnh hưởng của fading, tăng độ tin cậy của việc phát tín hiệu Như vậy, không chỉ tốc độ truyền dữ liệu cao hơn mà tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu thu cũng được tăng lên khi sử dụng kỹ thuật phân tập mà không cần phải tăng công suất phát,hoặc mở rộng băng thông, không cần thiết kế lại hệ thống, đây

là đặc điểm mà các kỹ thuật khác không thể có được

Với những lý do đó, nội dung chương này sẽ trình bày cụ thể về các giải pháp

kỹ thuật phân tập thu MRC, EGC, SC, TC, và các kỹ thuật phân tập phát Alamouti

và Space-time Block Coding

3.2 Kỹ thuật phân tập thu

3.2.1 Khái niệm kỹ thuật phân tập thu

Phân tập thu là một phương pháp dùng trong viễn thông dùng để nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để các anten tại đầu thu có thể chọn trong số những tín hiệu thu được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất Việc này nhằm chống lại fading và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu fading và nhiễu khác nhau