tìm hiểu về kỹ thuật ofdm

Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbolISI và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia.Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật RF

BẢNG TRA CỨU CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao không

đối xứng

AMPS Advaced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại tiên tiến

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm trắng

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

mã

DAB Digital Audio Broadcasting Truyền thanh số quảng bá

DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier ngược

DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá

DVB-C Digital Video Broadcasting – Cable Truyền hình số quảng bá

cáp

DVB-S Digital Video Broadcasting –

Satellite

Truyền hình số quảng bá vệ tinh

ETSI European Telecommunications

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến

FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh

FIR Finite Impulse Response (digital

filter)

Bộ đáp ứng xung (lọc số)

GPRS Generic Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM Global System for Mobile

communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

HiperLAN/2 High Performance Radio Local Area

Network type 2

Mạng cục bộ máy tính không dây

HDTV High Definition Television Truyền hình phân giải cao

HLR Home Location Rigister Bộ ghi định vị thường trú

ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu liên kênh

IDM Inter-Modulation Distortion Méo điều chế tương hỗ

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Thuật toán biến đổi nhanh

ngược Fourier

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên mẫu tín hiệu

MAC Medium Access Controller Điều khiển truy nhập môi

trường

MS Mobile Station Thiết bị đầu cuối di động

MSC Mobile Switching Centrer Trung tâm chuyển mạch di

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên

công suất trung bình

PCS Personal Communication System Hệ thống thông tin cá nhân

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên vuông góc

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

SIR Signal to Interference Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SISO Single Input Single Output Hệ thống một anten phát/thu

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo

VLSI Very Large Scale Integration Mạch tích hợp mật độ cực

W-CDMA Wide-band Code Division Multiple

Trang

Trong cuộc sống hàng ngày hiện nay, thông tin liên lạc đóng vai trò rất quan trọng không thể thiếu được Chúng quyết định nhiều mặt hoạt động xã hội, giúp con người nhanh chóng nắm bắt các giá trị văn hóa, kinh tế, chính trị, khoa học kỹ thuật…rất đa dạng và phong phú Bằng những bước phát triển thần kỳ, các thành tựu công nghệ Điện Tử - Tin Học – Viễn Thông làm thay đổi cuộc sống con người từng giờ từng phút, tạo ra một trào lưu “Điện Tử - Tin Học – Viễn Thông” trong mọi lĩnh vực ở cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21.

Các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho hệ thống truyền dẫn thông tin Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến lần lược ra đời như FDMA, TDMA … nhằm đáp ứng được nhu cầu về tốc độ và chất lượng truyền Mặc dù các yêu cầu cho các dịch vụ này rất cao song vẫn yêu cầu các giải pháp thích hợp để thực hiện cho từng thế hệ.

Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu năm 1966 Tuy nhiên cho đến thời gian gần đây, kỹ thuật OFDM mới được ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến

bộ trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi sử lý OFDM là kỹ thuật điều chế phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng tốc độ cao cần truyền tải Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao, điều này cho phép chồng phổ giữa các sóng mang Do đó sử dụng dải thông một cách hiệu quả, ngoài ra họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi ích khác

mà các kỹ thuật khác không có Phương pháp này được gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM.

Trong nội dung đồ án tốt nghiệp em xin giới thiệu tổng quát về công nghệ OFDM và các ứng dụng trong thông tin vô tuyến Đồ án gồm các nội dung chính sau:

 Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM

 Chương 2: Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu.

 Chương 3: Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM

Mục đích của đồ án là nêu được nguyên lý chung, cấu trúc và các ưu nhược điểm của công nghệ OFDM Đồng thời nêu ra các ứng dụng trong thông tin vô tuyến và hướng phát triển trong tương lai Vì thời gian có hạn và kiến thức con hạn chế nên đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và bạn bè.

Trong quá trình làm đồ án em nhận được rất nhiều sự giúp đỡ thầy cô, bạn bè, các anh chị lớp trên và gia đình Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm

ơn thầy hướng dẫn đồ án ThS Nguyễn Văn Hào cùng các thầy cô trong Khoa Kỹ

Thuật & Công Nghệ - Trường Đại Học Quy Nhơn Đồng thời, em cũng xin cảm ơn các anh chị lớp trên đã tận tình giúp đỡ em cùng gia đình và bạn bè đã ủng hộ cả vật chất lẫn tinh thần để em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn !

Quy Nhơn, ngày ….tháng….năm 2010

Sinh viên

Đặng Văn Nam

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chương

Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit

và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đâyhơn 30 năm Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao – OFDM (OrthogonalFrequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn

đa sóng mang, tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng

dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền.OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần

số không phẳng, lịch sử của OFDM được bắt đầu từ 1960

Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớncác kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như làkhông đổi trong kênh con Luồng thông tin tổng quát được chia thành nhữngluồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh conkhác nhau Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ởđầu thu Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol(ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia.Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM

có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệuquả sử dụng phổ cao

Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống,

băng tần số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lặp Mỗi kênh con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh

con được ghép kênh tần số với nhau Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổcủa những kênh và giới hạn được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau Tuynhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp Để khắc phục vấn đề hiệu

suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa những năm 60 là sử dụng dữ liệusong song và FDM với các kênh con chồng lấp nhau, trong đó mỗi sóng mang

tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau một khoảng tần b để tránh hiện

tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và nhiễu đa đường, cũng như

sử dụng băng tần một cách có hiệu quả

Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chínhxác giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống Trong hệ thốngghép kênh phân chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau

ra một phần để cho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộgiải điều chế thông thường Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo

vệ được đưa vào giữa những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽlàm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi

Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc(DFT) cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trìnhđiều chế và giải điều chế Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầuphát và đầu thu Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đimột cách đáng kể bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT),đồng thời nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao(VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) đã làm được những chíp FFT tốc

độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho mục đích thương mại và làm giảmchi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đáng kể

Hiện nay, OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL, các hệthống không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16 (WiMAX), phátquảng bá âm thanh số (DAB), và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chấtlượng cao(HDTV)

1.2 Khái niệm OFDM

OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMphân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóngmang Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là cómột số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự.Vì vậy, phổ của mỗi sóng mangbằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống.Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ

Hình 1.1 Sóng mang OFDM (N=8)

1.3 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Ghép kênh theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) rất giống với ghép kênh theo tần số Frequency Division Multiplexing (FDM) truyền thống OFDM sử dụng những nguyên lý của FDM để cho phép nhiều tin tức sẽ được gửi qua một kênh Radio đơn Tuy nhiên, nó cho phép hiệu quả phổ

tốt hơn OFDM khác với FDM nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Với cách truyền OFDM như là DAB hoặc DVB-T, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tấn số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI- Inter Carrier Interference ) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo

vệ cải thiện hiệu quả phổ.

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin Một phạm

vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạng sóng analog hoặc digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: Điều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB), Vestigial Side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khóa dịch biên độ (ASK), khóa dịch tần số (FSK), Khóa dịch pha (PSK) điều chế QAM OFDM còn có tên gọi khác là “ Điều chế đa sóng mang trực giao” (OMCM) dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, truyền trên nhiều sóng mang trực giao nhau Công nghệ này được trung tâm nghiên cứu CCETT (Centre Commun d’Étude en dédiffution et Télécomunication) của Pháp phát minh nghiên cứu từ đầu thập niên 1980.

Phương pháp đa sóng mang dùng công nghệ OFDM sẽ trải dữ liệu cần truyền trên rất nhiều sóng mang, mỗi sóng mang được điều chế riêng biệt với tốc độ bit thấp Trong công nghệ FDM truyền thống những sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm rằng không có chồng phổ, bởi vậy không có hiện tượng giao thoa ký hiệu ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất Với

OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký hiệu thì những tín hiệu có thể được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ.

1.4 Tính trực giao của tín hiệu OFDM

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau.Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multipleinformation signal) được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyềnthông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc mất tínhtrực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin

và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lạiđược hoàn toàn thông tin ban đầu

Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lặp với nhau nhưng tínhiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang

kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao Xét một tập các sóng

mang con: f n (t), n=0, 1, , N −1, t 1 ≤ t ≤ t 2 Tập sóng mang con này sẽ trựcgiao khi:

Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m Và trong OFDM,

tập các sóng mang con được truyền có thể được viết là:

Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (1.1) phải xảy ra,tức biểu thức (1.4) luôn đúng

Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n, m Vì vậy,

nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T, thì chúng sẽ trực giao với nhau trong khoảng t 2 − t 1 là bội số của T OFDM đạt được tính trực

giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vàocác sóng mang con khác nhau Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cáchtổng hợp các sóng sine, tương ứng với một sóng mang con Tần số băng gốccủa mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thờisymbol, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗisymbol

Hình 1.2: Đáp ứng tần số của các subcarrier

(a) Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số rời rạc được nhìn thấy của bộ thu OFDM

(b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier (đường tô đậm).

Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổcủa nó Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại cáctần số sóng mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời giansymbol, =0 tại các vị trí khác) Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc(πfT) Hình dạng của hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên

độ suy hao chậm với các tần số xa trung tâm Mỗi subcarrier có một đỉnh tạitần số trung tâm và bằng không tại tất cả các tần số là bội số của 1/T Hình 1.2

mô tả phổ của một tín hiệu OFDM

Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng vớicác giá trị không của tất cả các subcarrier khác Khi tín hiệu này được táchbằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.2a, mà lànhững mẫu rời rạc Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ.Nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lặp giữa cácsubcarrier không ảnh hưởng tới bộ thu Giá trị đỉnh đo được tương ứng vớigiá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác do đó có tính trực giao giữa cácsubcarrier

1.5 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier)

Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênhtruyền, kích thước khối N (số subcarrier) phải lớn, điều này đòi hỏi một lượnglớn modem sub-channel May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toánhọc rằng việc lấy biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete

Fourier transform) N symbol QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên

tiếp Việc đơn giãn hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thểđạt được nếu các bộ điều chế và giải điều chế cho các kênh con được thựchiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse fast Fourier transform) vàFFT.Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con được điềuchế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc điều chế biên độ

vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Nếu gọi d i là các chuỗi

dữ liệu QAM phức, N S là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời symbol và

f C là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = t scó thể được viết nhưsau:

Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [13]:

Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phầncùng pha và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin

và sin của từng tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệuOFDM sau cùng

Hình 1.3 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM

Hình 1.3: Bộ điều chế OFDM

Khi tín hiệu OFDM s(t) (1.6) ược truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ thành phần tần số cao f c, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với cácliên hiệp phức của các sóng mang con Nếu liên hiệp phức của sóng mang con

thứ l được nhân với s(t), thì sẽ thu được symbol QAM dj+Ns/2 (được nhân với

hệ số T ), còn đối với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không bởi

vì sự sai biệt tần số (i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời

symbol T, cho nên kết quả nhân sẽ bằng không

Tín hiệu OFDM s(t) được miêu tả trong (1.6) thực tế không khác gì hơn

so với biến đổi Fourier ngược của N s symbol QAM ngõ vào Lượng thời gianrời rạc cũng chính là biến đổi ngược Fourier rời rạc, công thức được cho ở

(1.8), với thời gian t được thay thế bởi số mẫu n.

Trong thực tế, biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) này có thể thựchiện nhanh hơn bằng cách thay thế bởi biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT).Điều này cũng tương tự đối với biến đổi Fourier rời rạc (DFT) khi được thay

thế bởi biến đổi Fourier nhanh (FFT) Một biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi tổng cộng có N 2 phép nhân phức, thực sự chỉ là phép quay pha Ngoài ra, cũng cóthêm một số phép cộng, nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộnhân nhiều cho nên ta chỉ so sánh số phép nhân mà thôi Trong khi đó, biến

đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật toán cơ số 2 chỉ cần có (N / 2) log2(N )

phép nhân phức, nếu sử dụng thuật toán cơsố 4 thì chỉ cần ( 3 / 8)log2(N − 2)

phép nhân mà thôi Sở dĩ thuật toán IFFT, FFT có hiệu suất như vậy là dobiến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi IDFT nhỏ hơn cho đếnkhi còn là các biến đổi IDFT một điểm

Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành songsong, được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành phần phổtrong miền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền thời gian,đưa lên tần số cao và truyền đi Ở đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian sẽđược thu, được biến đổi tần số, và đưa đến bộ biến đổi FFT có nhiệm vụ làbiến đổi tín hiệu trong miền thời gian thành tín hiệu trong miền tần số, sau đóđưa luồng dữ liệu đến cho các bộ giải điều chế

1.6 ISI, ICI trong hệ thống OFDM

ISI ( intersymbol interference) là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu ISI xảy

ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lêntín hiệu trước đó

Hình 1.4: Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu.

Chẳng hạn như ở hình 1.4, chúng ta thấy rõ tín hiệu phản xạ (reflection)

đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu còn lại Khoảngthời gian trễ (mức trải trễ) này tính như sau:

τ = ∆s/c khoảng chênh lệch này là khá nhỏ, tuy nhiên so với khoảng thời gianmột mẫu tín hiệu thì nó lại không nhỏ chút nào Trong các hệ thống đơn sóngmang, ISI là một vấn đề khá nan giải Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịchvới khoảng thời gian kí hiệu, do vậy nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệutrong các hệ thống này, tức là giảm khoảng kí hiệu, vô hình chung đã làmtăng mức trải trễ tương đối Lúc này hệ thống rất nhạy với trải trễ Và việcthêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI

Phương án giải quyết được lựa chọn là tạo các đường truyền thẳng Theo

đó, các anten thu phát sẽ được đặt trên cao nhằm lấy đường truyền Tuynhiên, đó cũng không phải là một cách hiệu quả

Nhưng vấn đề về nhiễu ISI đã được giải quyết trong hệ thống OFDM,đây cũng là một lý do quan trọng để chúng ta sử dụng hệ thống OFDM, tức là

nó bị ảnh hưởng ít bởi độ trải trễ đa đường.Đối với một hệ thống băng thôngcho trước, tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với phươngthức truyền dẫn đơn sóng mang Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóngmang, tốc độ symbol tương đương với tốc độ bit truyền dẫn Còn đối với hệ

thống OFDM, băng thông được chia nhỏ cho N s sóng mang con làm cho tốc

độ symbol thấp hơn N s lần so với truyền dẫn đơn sóng mang Tốc độ symbolthấp này làm cho OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra dotruyền đa đường Truyền đa đường gây ra bởi tín hiệu truyền dẫn vô tuyến bịphản xạ bởi những vật cản trong môi trường truyền như tường, nhà cao tầng,núi v.v Nhiều tín hiệu phản xạ này đến đầu thu ở những thời điểm khácnhau do khoảng cách truyền khác nhau Điều này sẽ trải rộng đường bao cácsymbol gây ra sự rò rỉ năng lượng giữa chúng

Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cáchthêmvào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi symbol Khoảng thời bảo vệnày chính là copy lặp lại dạng sóng làm tăng chiều dài của symbol Khoảngthời bảo vệ được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng của kênh, để chocác thành phần đa đường từ một symbol không thể nào gây nhiễu cho symbol

kế cận Mỗi sóng mang con, trong khoảng thời symbol của tín hiệu OFDMkhi không có cộng thêm khoảng thời bảo vệ, (tức là khoảng thời thực hiệnbiến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ có một số nguyên chu kỳ Bởi vì việcsao chép phần cuối của symbol và gắn vào phần đầu cho nên ta sẽ có khoảngthời symbol dài hơn Hình 1.5 minh họa việc chèn thêm khoảng thời bảo vệ

Chiều dài tổng cộng của symbol là T s = T G + T FFT với T s là : chiều dài tổng cộng

của symbol, T G là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và T FFT là khoảng thời thựchiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu OFDM

Hình 1.5: Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổnđịnh trong suốt khoảng thời symbol để cho các sóng mang con luôn trực giaonhau Nếu nó không ổn định có nghĩa là hình dạng phổ của các sóng mang

con sẽ không có dạng hình sinc chính xác nữa, và như vậy các điểm có giá trị

phổ cực tiểu của sóng mang con sẽ không xuất hiện tại các tần số mà nhữngsóng mang con khác có phổ cực đại nữa và gây ra nhiễu xuyên sóng mang(ICI)

Tính chất trực giao của sóng mang có thể được nhìn thấy trên giản đồtrong miền thời gian hoặc trong miền tần số Từ giản đồ miền thời gian, mỗisóng mang có dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT Từ giản đồmiền tần số, điều này tương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần sốtrung tâm của chính nó và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mangkhác Hình 1.6 biểu diễn phổ của bốn sóng mang trong miền tần số chotrường hợp trực giao.

Hình 1.6: Phổ của bốn sóng mang trực giao

Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trịcủa sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác

Từ giản đồ miền thời gian, tương ứng hình sin không dài hơn số nguyên lầnlặp khoảng FFT Hình 1.7 biểu diễn phổ của bốn sóng mang không trực giao.ICI xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM.Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóngmang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tựOFDM trải qua ISI Sự bù tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũnggây ra ICI đến một ký tự OFDM

Hình 1.7: Phổ của bốn sóng mang không trực giao

1.7 Các ảnh hưởng tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM

1.7.1 Ảnh hưởng của bộ lọc băng thông

Trong thời gian symbol OFDM có dạng hình chữ nhật, tương ứng với suygiảm dạng sinc trong miền tần số Nếu dùng bộ lọc băng thông đến tín hiệuOFDM thì tín hiệu sẽ có dạng hình chữ nhật cả trong miền tần số, làm chodạng sóng miền thời gian có suy giảm dạng sinc giữa các symbol Điều nàydẫn đến ISI làm giảm chỉ tiêu kỹ thuật Có thể loại bỏ ISI do việc lọc gây rabằng cách dùng khoảng bảo vệ có độ dài đủ và bằng việc chọn lọc offset thờigian để đồng bộ giữa các khoảng bảo vệ, do vậy hầu hết năng lượng ISI bịloại bỏ Hình 1.8 mô tả chỉ tiêu kỹ thuật mô phỏng của tín hiệu OFDM đượclọc băng thông với các độ rộng quá độ khác nhau cho bộ lọc kênh không cónhiễu kênh Hình vẽ này chỉ ra chỉ tiêu của truyền OFDM khi offset đồng bộthời gian bị thay đổi Khoảng bảo vệ được sử dụng trong mô phỏng này cócùng độ dài như phần IFFT của symbol Khoảng bảo vệ rất dài được sử dụngnày làm cho hệ thống chịu được ảnh hưởng của offset thời gian trong mộtkhoảng rất rộng của SNR hiệu dụng tính bằng cách trung bình hóa SNR hiệudụng trên tất cả các tải phụ Offset thời gian bằng 0 tương ứng với việc máy

thu nhận được FFT ở phần IFFT của tín hiệu phát Offset thời gian âm tươngứng với việc máy thu nhận được FFT ở phần IFFT đúng và mộ phần củakhoảng bảo vệ symbol.

ISI là thấp nhất khi offset thời gian là âm và là một nửa độ dài khoảng bảo

vệ Bộ lọc có đặc tuyến càng dốc bao nhiêu (trong hình vẽ bộ lọc dốc nhấtloại bỏ các búp sóng bên xuống thấp hơn -100dB trong giới hạn hai khoảngcách sóng mang ) ISI càng dài bấy nhiêu Khoảng bảo vệ trong thử nghiệmnày bằng 50% thời gian symbol toàn phần Như vậy độ dài khoảng bảo vệbằng thời gian symbol có ích

Hình 1.8: Ảnh hưởng của bộ lọc đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM

1.7.2 Ảnh hưởng của nhiễu tạp âm trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise) đến OFDM

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống thông tin trên kênh vật lý tương tự,chẳng hạn như kênh radio Các nguồn nhiễu chính là nhiễu nhiệt, nhiễu điệntrong các bộ khuếch đại máy thu và các can nhiễu giữa tế bào thông tin.Ngoài ra nhiễu còn có thể tạo ra bên trong các hệ thống thông tin như là kếtquả của can nhiễu giữa các symbol ISI, can nhiễu giữa các sóng mang ICI vàméo xuyên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion) Các nguồn nhiễu nàylàm giảm tỉ số tín hiệu/nhiễu, giới hạn đáng kể hiệu quả phổ của hệ thống.Trong tất cả các dạng nhiễu là nguyên nhân có hại chính trong hầu hết các hệ

thống thông tin vô tuyến Do vậy việc nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiễuđến tỉ lệ lỗi thông tin và một số biện pháp dung hòa giữa mức nhiễu và hiệuquả phổ hệ thống là rất quan trọng.

Hầu hết các dạng nhiễu trong hệ thống thông tin vô tuyến có thể được môhình hóa chính xác nhờ dùng dữ liệu Gauss trắng cộng AWGN, nhiễu này cómật độ phổ điều (còn gọi là nhiễu trắng) và có phân bố Gauss về biên độ(được xem như phân bố chuẩn hoặc đường cong hình vuông) Nhiễu nhiệt vànhiễu điện do sự khuếch đại, chủ yếu có tính chất của nhiễu Gauss trắng, dovậy có thể mô hình hoá chúng chính xác theo AWGN Hầu hết các nguồnnhiễu khác có tính chất AWGN vì sự truyền là OFDM Các tín hiệu OFDM

có một độ phổ phẳng và phân bố biên độ Gauss vì số tải phụ là lớn, do điềunày can nhiễu giữa các tế bào từ hệ thống OFDM khác cũng có các tínhchấtAWGN Cũng cùng một lý do như vậy ICI, ISI và IMD cũng có các tínhchất AWGN cho các tín hiệu OFDM

1.7.3 Ảnh hưởng của méo tới OFDM

Tín hiệu OFDM có công suất đỉnh cao so với công suất trung bình của nó

và đó là vấn đề phải để ý tới Khi sóng mang RF được điều chế với tín hiệuOFDM thì điều này sẽ dẫn tới sự thay đổi tương tự của đường bao sóng mang

Từ đó dẫn tới yêu cầu là tín hiệu phải được khuyếch đại và truyền đi trongcách tuyến tính Việc duy trì độ tuyến tính cao ở mức công suất cao là rất khókhăn, do vậy hầu hết méo trong truyền vô tuyến thường xảy ra trong bộkhuyếch đại công suất của máy phát Ngoài ra còn có thể có méo bổ sungtrong máy thu nếu có được thiết kế không hợp lý Tuy nhiên nhìn chung việcduy trì mức méo trong máy thu ở mức thấp nhất thì dễ hơn là duy trì nó trongmáy phát Méo trong máy phát gây ra mọi vấn đề trong chuỗi truyền dẫn, vì

nó có thể dẫn đến mở rộng phổ, gây can nhiễu cho các hệ thống bên cạnh tần

số RF Do lý do này chỉ cần xem xét ảnh hưởng của méo trong máy phát Tính phi tuyến trong truyền dẫn dẫn đến hai sản phẩm méo chủ yếu, méođiều chế tương hỗ IMD (Inter- Modulation Distortion) và các hài Các hài làcác thành phần tần số ở X lần tần số sóng mang RF với X là số nguyên Ví dụ

nếu tần số sóng mang RF với X là số nguyên Ví dụ nếu tần số sóng mang là900Mhz thì các hài sẽ xảy ra ở 1800Mhz, 2.7Ghz v.v…Có thể dễ dàng loại bỏcác hài nhờ bộ lọc băng thấp tương đối đơn giản ở đầu ra máy phát IMD gâynhiều vấn đề hơn vì nó dẫn đến các thành phần méo, cả ở trong băng tần vàngoài băng tần nhưng gần với tần số truyền dẫn chính Các thành phần này làkết quả của sự trộn giữa mỗi thành phần hài của hệ thống, và sự trộn kế tiếpgiữa các sản phẩm IMD Các thành phần trong băng tần tạo thành nhiễu cộngvới tín hiệu OFDM ở máy thu, làm giảm SNR của hệ thống, thậm chí ngay cảkhi không có nguồn nhiễu khác Các thành phần ngoài băng trải rộng tín hiệutheo tần số, gây can nhiễu với các tín hiệu thông tin vô tuyến khác trong cácbăng tần bên cạnh Thậm chí nếu tín hiệu được hạn chế băng thông hoàn thiệntrước khi đưa tới bộ khuyếch đại công suất máy phát, mở rộng phổ sẽ xảy ranếu bộ khuyếch đại công suất, tuy nhiên sự giảm này là không nhiều vì các bộlọc băng thông hoạt động ở tần số RF thường có đặt tuyến không thật tốt.

Hình 1.9 : Ảnh hưởng của méo do 2 tín hiệu tone (gồm các hài và IDM)

Để giảm méo phi tuyến phải chọn điểm làm việc phù hợp trong đặc tuyếnvào ra của bộ khuyếch đại công suất back off OBO (Output power back off).Trong truyền dẫn OFDM dùng điều chế QPSK OBO là khoảng 2-3 bB vìQPSK là sơ đồ điều chế rất mạnh khoẻ, chống lại được ảnh hưởng của méo

Các sơ đồ điều chế có hiệu suất băng thông cao hơn (ví dụ 16 QAM, QAM ) nhạy cảm hơn với méo vì chúng yêu cầu SNR hiệu dụng cao hơn Ví

256-dụ 16-QAM OBO là 16 dB, với 64-QAM là khoảng 10dB

1.7.4 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian

OFDM chịu được các lỗi thời gian vì có bảo vệ giữa các khoảng Symbol.Đối với kênh không có multipath, lỗi lệch thời gian có thể bằng độ dài khoảngbảo vệ mà không làm mất tính trực giao, chỉ có sự quay pha trong các tải phụ

Sự quay pha được sửa như một cần bằng kênh do vậy không dẫn đến suygiảm chỉ tiêu kỹ thuật vì một phần của symbol mà biến đổi nhanh của FourierFFT được áp dụng sẽ chứa một phần symbol bên cạnh dẫn đến can nhiễu giữacác symbol

Hình 1-10 mô tả SNR hiệu dụng của OFDM như là hàm của lỗi lệch thờigian Điểm không về thời gian được tính so với phần FFT của symbol Độlệch thời gian dương dẫn đến một phần của symbol tiếp theo nằm trong FFT

Do khoảng bảo vệ là sự mở rộng tuần hoàn của Symbol nên sẽ không có ISI.Trong kênh phân tập độ dài khoảng bảo vệ bị giảm bởi độ trễ của kênh, dẫnđến giảm tương ứng lỗi lệch thời gian cho phép Gốc thời gian tính từ điểmphần đầu FFT của symbol, ngay sau khoảng bảo vệ Lỗi thời gian dương cónghĩa rằng FFT trong máy thu nhận một phần của symbol tiếp theo; lỗi thờigian âm có nghĩa là máy thu nhận được khoảng bảo vệ

Hình 1.10: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi lệch thời gian khi

dùng khoảng bảo vệ là 40 mẫu 1.7.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số

OFDM thì nhạy cảm với sự lệch tần số là ảnh huởng tới chỉ tiêu kỹ thuật.Việc giải điều chế tín hiệu OFDM có lệch tần có thể dẫn tới tỉ lệ lỗi bit cao.Điều này gây ra bởi mất tính trực giao tải phụ dẫn tới can nhiễu giữa các sóngmang ICI (inter-Carrier Interference) và chậm sửa quay pha các vectơ dữ liệuthu được Các lỗi tần số thường xảy ra do hai nguyên nhân chính Đó là cáclỗi của bộ dao động tại chỗ và tần số Doppler Sự sai khác bất kỳ về tần sốcủa bộ dao động nội máy phát và máy thu sẽ dẫn đến độ lệch về tần số, tuynhiên các lỗi tại chỗ làm cho chỉ tiêu kỹ thuật hệ thống giảm Sự dịch chuyểnmáy phát so với máy thu dẫn tới độ dịch Doppler trong tín hiệu Điều nàyxuất hiên như độ lệch tần số cho truyền trong không gian tự do Độ lệch nàynhư một phần của bù bộ dao động tại chỗ Một vấn đề khó khăn hơn là sự mởrộng Doppler do sự dịch chuyển của máy phát hoặc máy thu trong môi trườngmultipath Sự mở rộng Doppler được gây ra bởi tốc độ tương đối khác nhaucủa mỗi một trong các thành phần multipath bị phản xạ, làm cho tín hiệu bịđiều chế theo tần số Sự điều chế FM trên các tải phụ có khuynh hướng ngẫu

nhiên vì một số lớn phản xạ multipath xảy ra trong các môi trường điển hình.Việc bù mở rộng Doppler này là khó, dẫn đến giảm tín hiệu.

Hình 1.11: Mô tả ảnh hưởng của lỗi tần số SNR hiệu dụng của OFDM khi

dùng điều chế QAM kết hợp

Một độ lệch tần số bất kỳ dẫn đến sự quay pha liên tục tất cả các vectơ tảiphụ thu được Độ lệch tần càng lớn thì sự quay pha càng lớn Nếu đặc trưngkênh chỉ được thực hiện ở đầu của mỗi frame thì các lỗi tần số không đượcgiải quyết sẽ dẫn tới giảm chỉ tiêu kỹ thuật theo thời gian Symbol đầu tiênsau khi bù kênh sẽ có SNR hiệu dụng cực đại, SNR hiệu dụng sẽ bị giảm đi ởcuối frame Hình vẽ cũng chỉ ra SNR hiệu dụng của symbol thứ nhất, thứ 4,thứ 16, thứ 64 khi chỉ có bù kênh ở đầu của frame Chỉ tiêu kỹ thuật của điềuchế vi sai sẽ tương tự với SNR của symbol đầu tiên, vì sự quay pha sẽ đượcsửa cho mỗi symbol

Đã có nhiều kỹ thuật được phát triển để đo và theo dõi độ lệch tần số Cáctài liệu cũng nói rằng độ chính xác tần số phải được duy trì trong giới hạn 2-4% để phòng ngừa tổn hao chỉ tiêu đáng kể Trong môi trường di động nhiềungười sử dụng vấn đề còn xấu hơn nữa vì sự truyền từ mỗi người sử dụng cóthể có độ lệch tần số khác nhau Nếu mọi người được đồng bộ tốt với trạmgốc thì vẫn có độ lệch tần số với nhau đáng kể đối với họ do độ lệch Doppler

Độ lệch tần trong kết nối OFDM một người sử dụng không phải là vấn đềquan trọng vì nó có thể được bù với sự gia tăng tối thiểu độ phức tạp của máythu Tuy nhiên trong trường hợp nhiều người sử dụng không có cách dễ dàng

để sửa các lỗi tần số

1.8 Ưu điểm của hệ thống OFDM.

Thông qua việc tìm hiểu các tính chất của hệ thống OFDM như trên,chúng ta có thể tóm tắt những thuận lợi khi sử dụng hệ thống OFDM như sau:

1 OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép chồng lấpnhững sóng mang con

2 Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳngbăng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơnnhững hệ thống sóng mang đơn

3 OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa cácsóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời bảo vệ trước mỗisymbol

4 Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích hợp, hệ thốngOFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọntần số của các kênh

5 Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênhthích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang

6 Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giảiđiều chế làm giảm độ phức tạp của OFDM

7 Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránhyêu cầu bổ sung vào bộ giám sát kênh

8 OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timingoffsets) hơn so với các hệ thống sóng mang đơn.

9 OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp

1.9 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM

Ngoài những thuận lợi trên hệ thống OFDM cũng có những hạn chế cầngiải quyết như sau :

1 Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động rất lớn Vì tất

cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PAPR to-Average Power Ratio) cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếudùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa để khuếch đại tínhiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễuxuyên điều chế Điều này cũng sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từanalog sang digital và từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệucũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoàibăng

(Peak-2 OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệthống đơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phứctạp hơn hệ thống sóng mang đơn Tần số offset của sóng mang gây nhiễu chocác sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt độngcủa các bộ giải điều chế một cách trầm trọng Vì thế, đồng bộ tần số là mộttrong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt được trong bộ thu OFDM

1.10 Kết luận

Với việc giới thiệu về nguyên lý và các đặc tính cơ bản của OFDM trongchương này, chúng ta thấy rằng OFDM thực sự là một phương thức điều chếthuận lợi cho các ứng dụng không dây tốc độ cao

Đi cùng với việc chế tạo các mạch tích hợp tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹthuật xử lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến là việc hạ giá thành của các hệ thốngOFDM Chính nhờ điều này mà các hệ thống OFDM hoạt động dựa trênnguyên tắc tạo các sóng mang con bằng biến đổi IFFT/FFT đã trở nên dễdàng khi chế tạo các ma trận IFFT/FFT kích thước lớn giá thành hạ.

Trong chương sau trình bày về ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyềndẫn tín hiệu, giúp chúng ta có hiểu biết nhất định về kênh vô tuyến trước khiứng dụng OFDM trong DVB_T

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN ĐẾN TRUYỀN

DẪN TÍN HIỆU 2.1 Giới thiệu chương

Khi nghiên cứu hệ thống thông tin, việc tạo ra các mô hình kênh đóngmột vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống.Bản chất biến đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền gây ranhững ảnh hưởng, thiệt hại không thể lường trước làm cho cấu trúc bộ thu, kỹthuật sửa lỗi ngày càng phức tạp Khi nghiên cứu các thuật toán, giải thuật đểhạn chế những ảnh hưởng của kênh truyền, điều cần thiết là phải xây dựngnhững mô hình có thể xấp xỉ môi trường truyền dẫn một cách hợp lý.Chươngnày giới thiệu những đặc tính, ảnh hưởng của kênh truyền đồng thời là cơ sởcho việc nghiên cứu trong truyền hình số quảng bá mặt đất DVB_T

2.2 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)

Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc

xạ, nhiễu xạ, tán xạ, …và do đó gây ra hiện tượng đa đường (multipath).Tínhiệu nhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnhhưởng như :suy hao truyền dẫn trung bình (mean propagation loss), fading đađường (multipath fading) và suy hao đường truyền (path loss)

Mean propagation loss xảy ra do các hiện tượng như:sự mở rộng về mọihướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây…và do phản xạ từmặt đất Mean propagation loss phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rấtchậm ngay cả đối với các mobile di chuyển với tốc độ cao

2.3 Suy hao đường truyền (pass loss and attenuation)

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

(nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu).Khi chúng ta dùng anten địnhhướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng theo dạng hình cầu nhưng

mật độ năng lượng khi đó sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế.Vìthế mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách.Phương trình (2.1) cho ta công suất tín hiệu thu được khi truyền trong khônggian tự do:

Trong đó :

P R là công suất thu được (Watts).

P T là công suất phát (Watts).

G T là độ lợi của anten phát, G R là độ lợi của anten thu.

λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m).

R là khoảng cách truyền dẫn tính bằng met.

Hoặc ta có thể viết lại là :

Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:

Lpt(dB)= P T (dB) - P R (dB)

= -10logGT -10log10GR+20logf+20logR-47.6dB (2.3)

Nói chung truyền trong không gian tự do không phức tạp lắm, chúng ta

có thể xây dựng mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và cáctuyến liên lạc trực tiếp như các tuyến liên lạc viba điểm nối điểm trong phạm

vi ngắn Tuy nhiên, do hầu hết các thông tin trên mặt đất như thông tin diđộng, DVB_T, mạng LAN không dây, môi trường truyền phức tạp hơn nhiều

do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn Ví dụ đối với những kênhtruyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi điều kiện về không gian tự do khôngđược thoả mãn, chúng ta có thể tính suy hao đường truyền theo công thức sau:

Trong đó h BS , h MS << R là độ cao anten trạm phát và anten của MS.

2.4 Fading chậm (slow fading) và fading nhanh (fast fading)

Slow fading gây ra do sự cản trở của các toà nhà và địa hình tự nhiênnhư đồi núi Đối với các trạm thu, phát, hoặc các vật cản di động sẽ thay đổisuy hao đường truyền do khoảng cách truyền bị thay đổi Sự thay đổi trongsuy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (thường từ 10 – 100 lầnbước sóng) và phụ thuộc vào kích thước vật cản gây nên bóng mờ hơn là

bước sóng của tín hiệu RF Vì sự thay đổi này thường xảy ra chậm nên nó còn

được gọi là fading chậm

Fast fading gây ra do sự tán xạ đa đường (multipath scatter) ở vùng xungquanh mobile.Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đườngtruyền này sẽ có thời gian truyền khác nhau Nếu chúng ta truyền một xung

RF qua môi trường đa đường, thì tại đầu thu ta sẽ thu được tín hiệu như hình

2.1 Mỗi xung tương ứng với một đường, cường độ phụ thuộc vào suy haođường của đường đó

Đối với tín hiệu tần số cố định (chẳng hạn sóng sin), trễ đường truyền sẽgây nên sự quay pha của tín hiệu Mỗi một tín hiệu đa đường sẽ có khoảngcách truyền khác nhau và do đó có sự quay pha khác nhau Những tín hiệunày được cộng lại tại bộ thu gây nên nhiễu tăng cường hoặc suy giảm Nhiễusuy giảm là nhiễu khi kết quả cộng tại bộ thu là bé hơn tín hiệu trực tiếp, cònnhiễu tăng cường là khi tất cả các tín hiệu có cùng pha và tăng cường lẫnnhau

Hình 2.1: Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF

2.5 Fading lựa chọn tần số và fading phẳng

Ảnh hưởng đa đường cũng gây nên sự thay đổi fading cùng với tần số, là

do đáp ứng pha của các thành phần đa đường sẽ thay đổi cùng với tần số Phathu được, tùy theo phía phát của một thành phần đa đường tương đương với

số bước sóng của tín hiệu đã truyền đi từ phía phát Bước sóng tỷ lệ nghịchvới tần số và vì thế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần

số Khoảng cách truyền của mỗi thành phần đa đường khác nhau và như vậy

sự thay đổi pha cũng khác nhau Hình 2.2 biểu diễn một ví dụ truyền dẫn haiđường Đường thứ nhất hướng trực tiếp khoảng cách 10m, đường thứ hai là

hướng phản xạ khoảng cách 25m Đối với hình 2.1: Phổ Doppler (f c – f m ) f c (f c

+ f m ) bước sóng 1m, mỗi đường có một số nguyên bước sóng và pha thay đổi

từ phía phát đến phía thu là 00 cho mỗi đường Ở tần số này, hai đường sẽtăng cường lẫn nhau Nếu chúng ta thay đổi tần số để có bước sóng là 0, 9mthì đường một sẽ có 10/0,9 = 11, 111λ hay có pha là 0, 111× 3600 = 400,trong khi đường thứ hai có 25/ 0, 9 = 27, 778λ, hay có pha là 0, 778× 3600 =

2800 Điều này làm hai đường khác pha nhau, sẽ làm suy giảm biên độ tínhiệu ở tần số này

Hình 2.2: Minh hoạ fading lựa chon tần số

Và như thế ta thấy, ở một số tần số nhất định nào đó, hiện tượng tín hiệu

bị triệt tiêu hoàn toàn sẽ xảy ra Đặc tính fading lựa chọn tần số của một kênh

có thể được tóm tắt bởi băng thông Coherent của kênh đó Băng thôngCoherent tỷ lệ nghịch với độ trải trễ của kênh Đường biểu diễn của hai tínhiệu có tần số không kết hợp thay đổi nên được cách nhau một khoảng lớn

hơn độ rộng băng thông Coherent B c của kênh Băng thông Coherent có thể

được tính xấp xỉ từ hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu cách nhau bởi

Δf Hz và Δt giây Hệ số đường bao kết hợp là:

với J 0 là hàm Bessel bậc không, f m là độ dịch Doppler lớn nhất, δ là độ

trải trễ của kênh Bảng 2.1 cho ta một số giá trị phổ biến độ trải trễ của kênhtrong các môi trường khác nhau

Bảng 2.1: Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu

Khi chúng ta xét sự kết hợp chỉ là hàm của khoảng cách tần số và đặt Δt

thành không, băng thông Coherent B c được định nghĩa là độ rộng băng thông

Δf khi hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu bằng phân nữa giá trị lớnnhất của nó

Kết quả băng thông Coherent là:

Đối với các giá trị độ trải trễ cho trong Bảng 2.1, ta sẽ tính được cácbăng thông Coherent tương ứng Nếu độ rộng băng của tín hiệu đã điều chếnhỏ hơn băng thông Coherent của kênh, tất cả các thành phần tần số của tínhiệu đều có cùng fading, và fading này được gọi là fading (tần số) phẳng.Tương tự trong miền thời gian, nếu độ trải trễ của kênh nhỏ hơn khoảng thờisymbol, thì sự ảnh hưởng làm thay đổi hình dạng của xung phát lên kênh đó

là không đáng kể, chỉ có biên độ của xung là bị thay đổi

Mặt khác, nếu băng thông của tín hiệu điều chế lớn hơn nhiều so vớibăng thông Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu

có các đặc tính fading khác nhau, và fading này được gọi là fading lựa chọntần số Các kênh lựa chọn tần số cũng còn được gọi là các kênh phân tán thờigian, bởi vì độ trải trễ dài tương ứng với việc kéo dài khoảng thời gian củasymbol được phát Trong trường hợp này, bên cạnh biên độ thì hình dạng củaxung phát cũng bị thay đổi Cần chú ý rằng bóng mờ (fading chậm) luôn luôn

là fading phẳng, trong khi đó, fading nhanh do ảnh hưởng đa đường thườnggây ra bởi fading lựa chọn tần số Như vậy, ảnh hưởng của bóng mờ độc lậpvới băng thông của tín hiệu còn ảnh hưởng của fading nhanh lại phụ thuộcvào băng thông của tín hiệu

Trong thông tin di động số, ảnh hưởng của đường truyền lên tín hiệu phụthuộc rất nhiều vào tỷ số của khoảng thời symbol trên độ trải trễ của kênh vôtuyến thời gian thay đổi Nếu tốc độ truyền dẫn bit quá cao đến nỗi mỗisymbol dữ liệu bị trải qua các symbol kế cận một cách nghiêm trọng, nhiềuxuyên nhiễu ISI sẽ xuất hiện Nếu ta muốn nhiễu giữa các symbol kế cậnthấp, chúng ta cần có tốc độ symbol phải nhỏ hơn băng thông Coherent Dovậy, khi tốc độ symbol tăng lên, ta cần phải giảm nhiễu ISI bằng các bộ cânbằng để có được một tỷ số BER chấp nhận được Và các khu vực hoạt độngnhỏ hơn không có nghĩa chỉ là khu vực nhỏ của các khu vực hoạt động lớnhơn, chúng còn có các đặc tính đường truyền khác nhau

2.6 Thông số tán xạ thời gian(time dispertin parameter)

Để phân biệt, so sánh tính chất của các kênh truyền dẫn đa đường, người

ta sử dụng các thông số tán xạ thời gian như độ trễ trung bình vượt mức(meanexcess delay), trễ hiệu dụng (rms delay spread) và trễ vượt mức(excess delayspread) Các thông số này có thể được tính từ đặc tính công suất truyền tới bộthu của các thành phần đa đường (power delay profile) Excess delay, τ, làkhoảng thời gian chênh lệch giữa tia sóng đang xét với thành phần đến bộ thuđầu tiên Tính chất tán xạ thời gian(time dispersive) của kênh truyền dẫn đađường dải rộng được thể hiện qua thông số mean excess delay, τ, và rms

delay spread, τ σ τ được định nghĩa là moment cấp một của power delayprofile:

ak, P(τ k): biên độ, công suất thành phần thứ k của tín hiệu đa đường.Rms delay spread (στ) là căn bậc hai moment trung tâm cấp hai của powerdelay profile:

2.7 Phổ Doppler (Doppler spectrum)

Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu ảnh hưởng của doppler

shift vào việc truyền một sóng mang chưa điều chế tần số f c từ BS Một MS di

chuyển theo hướng tạo thành một góc αi với tín hiệu nhận được từ thành phần

thứ I như hình 2.3 MS di chuyển với vận tốc v, sau khoảng thời gian Δt đi được d=v.Δt Khi đó đoạn đường từ BS đến MS của thành phần thứ I của tín hiệu sẽ bị thay đổi một lượng là Δl.

Hình 2.3: Hiệu ứng Doppler