Bộ cân bằng thích nghi mù dùng trong truyền sóng đa sóng mang

Mục đích của bộ mã hóa kênh truyền là tạo ra một số bit dư thừa trong chuỗi thông tin nhị phân và nó sẽ được dùng ở máy thu để giúp khắc phục ảnh hưởng của nhiễu và giao thoa trong quá t

Chuyên ngành Kỹ thuật Vô tuyến Điện tử

Mã ngành 2.07.01

Tôi xin bμy tỏ lòng kính trọng vμ biết ơn sâu sắc tới:

TS Hoàng Đỡnh Chiến

Người thầy đã tận tình hướng dẫn, hết lòng giúp đỡ tôi trong quá

trình thực hiện luận văn nμy

Tôi cũng xin cám ơn thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử- Viễn thông, Ban giám hiệu nhμ trường, phòng Đμo tạo sau đại học, các

phòng ban liên quan, gia đình vμ bạn bè đã động viên, hỗ trợ tôi trong

suốt quá trình học tập vμ thực hiện luận văn

Tp Hồ Chớ Minh, tháng 11 năm 2007

Học viên: Trần Viết Tấn

Trong những năm gần đây, bộ cân bằng mù rất được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Bộ cân bằng mù được ứng dụng nhiều trong thông tin số như trong các hệ thống đa điểm Ưu điểm của bộ cân bằng mù là không yêu cầu việc truyền tín hiệu huấn luyện như các bộ cân bằng thích nghi Với các thuật toán “mù ”, các máy thu riêng lẻ có thể tự điều chỉnh mà không cần sự giúp đỡ của máy phát

Cùng với thực tế hiện nay, sự phát triển của kỹ thuật đa sóng mang đã được ứng dụng rất nhiều tại Việt Nam cũng như trên thế giới, ví dụ như ADSL, Wimax, Truyền hình số… Chính vì vậy việc nghiên cứu thuật toán cân bằng thích nghi mù cho hệ thống đa sóng mang là vấn đề cần thiết Trong xu thế phát triển chung đó, chúng tôi tập trung nghiên cứu về các cơ sở toán học, phương pháp mô phỏng Các kết quả thu được sẽ được so sánh và kiểm chứng với kết quả mô phỏng trên môi trường Matlab

Hình 1.1 - TCác thành phần cơ bản của hệ thống thông tin số T4T

Hình 1.2 - THàm tự tương quan và mật độ phổ công suất nhiễu trắng T8T

Hình 1.3 - Can nhiễu kênh cận kề 15T

Hình 1.4 - TNguyên lý hệ thống FDM T24T

Hình 1.5 - TVí dụ về hệ thống FDM với 3 tín hiệu ngõ vào T24T

Hình 1.6 - TSơ đồ khối của máy thu với 3 khối giải điều chế T25T

Hình 1.7 - THệ thống FDM với n ngõ vào 26

Hình 1.8 - Phổ của tín hiệu điều chế baseband 26

Hình 1.9 - Phổ của hệ thống OFDM và FDM 29

Hình 1.10 - Sơ đồ phát tín hiệu OFDM 30

Hình 1.11 - Chọn tần số sóng mang 32

Hình 1.12 - Thu tín hiệu OFDM 33

Hình 1.13 - Trễ khi truyền ký tự 34

Hình 1.14 - Chèn CP 35

Hình 1.15 - Thu tín hiệu khi khối đã chèn CP 37

Hình 1.16 - Sơ đồ khố phát OFDM 38

Hình 2.1 - Sơ đồ hệ thống SISO 47

Hình 2.2 - Hệ thống MIMO 48

Hình 2.3 - Cấu trúc cơ bản của bộ cân bằng MSSE-DFE 56

Hình 2.4 - Các bộ cân bằng đa sóng mang 59

Hình 2.5 - Làm ngắn kênh truyền sử dụng MSSNR 62

Hình 2.6 - Bộ cân bằng dùng phương pháp MSSE 64

Hình 3.1 - Ví dụ về tác động của ICI và ISI 68

Hình 3.2 - Mô hình hệ thống cho thuật toán SAM 73

Hình 4.1 - Sơ đồ hệ thống thông tin số dùng cho mô phỏng 83

Hình 4.4 - Kênh truyền sau bộ TEQ (MERRY) 86

Hình 4.5 - Thuật toán MERRY 86

Hình 4.6 - Tốc độ truyền của thuật toán MERRY 87

Hình 4.7 - Đáp ứng xung của bộ TEQ (MERRY) 87

Hình 4.8 - Đáp ứng kênh truyền của thuật toán SAM 88

Hình 4.9 - Hàm chi phí của thuật toán SAM 88

Hình 4.10 - Tốc đô của thuật toán SAM 89

Hình 4.11 - Tốc độ truyền của thuật toán SAM trên SNR 89

Hình 4.12 - Đáp ứng xung của bộ TEQ (SAM) 90

Bảng 2.1 - Các ký hiệu của tín hiệu 47

Bảng 2.2 - Các ký hiệu bộ lọc 49

Bảng 2.3 - Các ký hiệu về tham số chỉ thị 50

Bảng 2.4 - Bảng ký hiệu ma trận 51

Bảng 2.5 - Bảng thông số về các hệ thống đa sóng mang 55

Chương 0 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

0.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

0.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 2

0.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 3

Chương 1 ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG 4

1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 4

1.1.1 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TT SỐ 4

1.1.2 NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 6

1.1.2.1 Nhiễu trong 7

1.1.2.2 Nhiễu thành phần 7

1.1.2.2.1 Nhiễu nhiệt 10

1.1.2.2.2 Nhiễu nhiệt trên điện trở 11

1.1.2.2.3 Nhiễu phản xạ 11

1.1.2.2.4 Nhiễu chia cắt 11

1.1.2.2.5 Nhiễu nhấp nháy 12

1.1.2.2.6 Cảm ứng điện từ và tĩnh điện 12

1.1.2.2.7 Nhiễu tiếp xúc 12

1.1.2.3 Nhiễu hệ thống và nhiễu thiết bị 13

1.1.3 NHIỄU NGOÀI 13

1.1.3.1 Nhiễu nhân tạo 13

1.1.3.2 Nhiễu khí quyển 13

1.1.3.3 Nhiễu vũ trụ 14

1.1.6 MÉO DẠNG TÍN HIỆU VÀ NHIỄU LIÊN KÝ TỰ 15

1.1.6.1 Méo dạng tín hiệu 15

1.1.6.2 Ảnh hưởng của môi trường truyền và nhiễu lên tín hiệu số 17

1.1.6.3 Nhiễu giao thoa ký tự 17

1.1.7 TÍNH TOÁN NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN 18

1.1.7.1 Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu 18

1.1.7.2 Tỉ số nhiễu 18

1.1.7.3 Ảnh hưởng của trở kháng đối với nhiễu 19

1.1.7.4 Nhiễu của các tầng khuếch đại ghép liên tiếp 20

1.1.7.5 Nhiệt độ nhiễu tương đương 20

1.1.8 NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 21

1.1.8.1 Đánh giá nhiễu đối với tín hiệu BPSK 22

1.1.8.2 Đánh giá nhiễu đối với tín hiệu QBSK 22

1.1.8.3 Đánh giá nhiễu đối với tín hiệu PAM 23

1.1.8.4 Đánh giá nhiễu đối với tín hiệu QAM 23

1.2 ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG 23

1.2.1 FDM 23

1.2.2 OFDM 27

1.2.2.1 Giới thiệu 27

1.2.2.2 Hoạt động của hệ thống OFDM 30

1.2.2.3 Tín hiệu truyền 30

1.2.2.4 Thu tín hiệu OFDM 32

1.2.2.5 Kênh fading đa đường 33

1.2.2.8 Thiết kế bộ thu 36

1.2.2.9 Nhận xét và kết luận 40

1.2.3 KẾT LUẬN 42

1.3 TỔNG KẾT 43

Chương 2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BỘ TEQ MÙ 44

2.1 RÚT NGẮN KÊNH TRUYỀN 44

2.2 SỰ CẦN THIẾT CỦA THUẬT TOÁN THÍCH NGHI 53

2.3 CÁC VÍ DỤ VỀ HỆ THỐNG ĐA SÓNG MANG 55

2.4 CÂN BẰNG KÊNH TRUYỀN 55

2.4.1 Cân bằng đơn sóng mang 56

2.4.2 Bộ cân bằng đa sóng mang 57

2.5 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ CÂN BẰNG 58

2.5.1 Phương thức thiết kế bộ TEQ phổ biến 59

2.5.2 Trường hợp thương số Rayleigh đơn 61

2.6 TỔNG KẾT 65

Chương 3 CƠ SỞ THUẬT TOÁN THÍCH NGHI MÙ 66

3.1 CÁC BỘ CÂN BẰNG THÍCH ỨNG DỰA TRÊN CP 66

3.1.1 MERRY 67

3.1.2 FRODO 70

3.1.3 PHÂN TÍCH HÀM CHI PHÍ 70

3.2 CÁC BỘ TEQ THÍCH ỨNG DỰA TRÊN TƯƠNG QUAN 72

3.2.1 SAM 72

3.2.2 TOLKIEN 80

4.1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG 83

4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 85

4.2.1 SỰ HỘI TỤ CỦA THUẬT TOÁN MERRY 86

4.2.2 SỰ HỘI TỤ CỦA THUẬT TOÁN SAM 88

4.2.3 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 90

4.2.3.1 So sánh SAM, MERRY và các thuật toán khác 90

4.2.3.2 Kết luận 91

4.2.3.3 Hướng phát triển của đề tài 91

Chương 0 ĐẶT VẤN ĐỀ 0.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, hệ thống thông tin số đang được phát triển mạnh trên toàn thế

giới thay thế cho thông tin tương tự do nhiều ưu điểm của hệ thống thông tin số

tạo ra Đó là sự nâng cao về chất lượng, dung lượng, tốc độ … của kênh truyền

Tuy nhiên, bên cạnh đó lại có vấn đề về nhiễu liên ký tự trong thông tin số ISI đã

làm hạn chế phần nào ưu điểm trên Có nhiều phương pháp để khắc phục vấn đề

trên, một trong những phương pháp đó là sử dụng bộ cân bằng

Bộ cân bằng là một bộ lọc có thể cung cấp một nghịch đảo xấp xỉ của đáp

ứng kênh truyền Khi các đặc tính kênh truyền thường là không được biết và thay

đổi theo thời gian, cấu trúc của bộ cân bằng được sử dụng là cấu trúc cân bằng

thích nghi

Các kỹ thuật cân bằng truyền thống sử dụng một khe thời gian để cung cấp

tín hiệu huấn luyện Tín hiệu này đã được biết tại máy thu, dựa vào mối quan hệ

giữa tín hiệu huấn luyện thu được và tín hiệu huấn luyện có ở máy thu Máy thu sẽ

hiệu chỉnh bộ cân bằng để có được chất lượng kênh truyền tối ưu Các thuật toán

LMS, RTS được sử dụng cho bộ cân bằng thích nghi có huấn luyện Tuy nhiên,

việc sử dụng một khe thời gian để huấn luyện sẽ làm lãng phí băng thông Hơn

nữa, trong một số hệ thống việc truyền chuỗi huấn luyện là rất khó khăn nhiều khi

không thực hiện được Để khắc phục điều đó, người ta sẽ sử dụng bộ cân bằng tự

thích nghi (cân bằng mù, không cần sử dụng chuỗi huấn luyện) Trong cân bằng

mù, máy thu không biết chuỗi dữ liệu thực tế ngoại trừ các đặc tính xác suất và

thống kê của bảng mã điều chế Cân bằng mù là vấn đề rất lý thú và đầy thách

thức, trên thế giới người ta đã bắt đầu nghiên cứu từ những năm 70 Trong giai

đoạn này, các hệ thống thông tin chủ yếu là đơn sóng mang nên các thuật toán

cũng chỉ tập trung vào hệ thống đơn sóng mang Cùng với sự phát triển khoa học

kỹ thuật, nhu cầu về thông tin tốc độ cao, dung lượng lớn, hệ thống đơn sóng

mang không thể đáp ứng được đã làm tiền đề cho sự ra đời hệ thống ĐA SÓNG

MANG (Multi Carrier) Cùng với sự ra đời hệ thống này, các thuật toán sử dụng

cho bộ cân bằng thích nghi cũng được hình thành Các thuật toán SAM,

TOLKIEN, MMSE… là các ví dụ

0.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Trên thế giới hiện nay đã có một số công trình nghiên cứu về các thuật toán

cân bằng thích nghi mù (Luận án tiến sĩ của Richard K Martin tại đại học

Cornel tháng 5 năm 2004) Vẫn đang đang có những nỗ lực nghiên cứu để có thể

cải thiện hiệu suất, tăng tốc độ hội tụ, giảm độ phức tạp của thuật toán

Ở nước ta hiện nay, đã có một số công trình nghiên cứu về bộ cân bằng

thích nghi mù dùng cho hệ thống đơn sóng mang

Trên thực tế sự phát triển của kỹ thuật đa sóng mang đã được ứng dụng rất

nhiều tại Việt Nam, ví dụ như ADSL, Wimax, Truyền hình số… Chính vì vậy việc

nghiên cứu thuật toán cân bằng thích nghi mù cho hệ thống đa sóng mang là vấn

đề cần thiết Trong xu thế phát triển chung đó, chúng tôi tập trung nghiên cứu về

các cơ sở toán học, phương pháp mô phỏng Từ đó, có thể giúp cho việc ứng dụng

vào thực tế Việt Nam Đây cũng chính là hướng phát triển của đề tài trong tương

lai

0.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Luận án sẽ bao gồm 4 chương:

- Chương 1: Giới thiệu về hệ thống đa sóng mang

- Chương 2: Giới thiệu tổng quát về bộ cân bằng mù

- Chương 3: Cơ sở toán học thuật toán cân bằng mù và cân bằng có huấn

luyện

- Chương 4: Mô phỏng kênh truyền với nhiều thuật toán khác nhau So

sánh và kết luận dựa trên kết quả mô phỏng

Chương 1 ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG

1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Trong suốt những năm qua, ngành công nghiệp thông tin điện tử đã trải

qua những thay đổi mang tính kỹ thuật đáng ghi nhận Những hệ thống thông tin

điện tử truyền thống sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự một cách qui ước, như là

điều chế biên độ (AM), điều tần (FM), và điều pha (PM), đang dần được thay thế

với những hệ thống thông tin số hiện đại Những hệ thống này mang đến những lợi

điểm vượt trội so với các hệ thống tương tự truyền thống: dễ dàng xử lý, dễ hợp

kênh và chống nhiễu tốt

1.1.1 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Hình 1.1 – Các thành phần cơ bản của hệ thống truyền thông số

Hình (1.1) miêu tả biểu đồ chức năng và các thành phần cơ bản của hệ

thống truyền thông số Ngõ ra nguồn tín hiệu có thể là tín hiệu tương tự như tín

hiệu audio hay video, hoặc là tín hiệu số như ngõ ra của máy điện báo đánh chữ là

rời rạc theo thời gian và có có số hữu hạn ký tự ngõ ra Trong hệ thống truyền

thông số, các thông điệp tạo ra bởi nguồn được chuyển thành chuỗi các số nhị

phân Chúng ta biểu diễn thông điệp bởi các số nhị phân càng ít càng tốt Mặt khác

ta cũng đang tìm kiếm cách biểu diễn của ngõ ra nguồn có ít hoặc không có sự dư

thừa nào Tiến trình chuyển đổi hữu hiệu ngõ ra của nguồn tương tự hoặc số sang

chuỗi bit nhị phân được gọi là mã hóa nguồn hay nén dữ liệu

Chuỗi bit nhị phân từ bộ mã hóa nguồn mà ta thường gọi là chuỗi thông tin,

được chuyển sang bộ mã hóa kênh truyền Mục đích của bộ mã hóa kênh truyền là

tạo ra một số bit dư thừa trong chuỗi thông tin nhị phân và nó sẽ được dùng ở

máy thu để giúp khắc phục ảnh hưởng của nhiễu và giao thoa trong quá trình

truyền tín hiệu qua kênh truyền Vì vậy các bit dư thêm vào này làm tăng độ tin

cậy của dữ liệu thu được Ngoài ra nó còn giúp máy thu giải mã chuỗi thông tin

mong muốn Ví dụ như một cách thông thường để mã hóa chuỗi thông tin nhị

phân là chỉ đơn giản lặp lại mỗi số nhị phân m lần, với m là một số dương Cách

mã hóa phức tạp hơn là lấy k bit và tạo thành chuỗi n bit duy nhất gọi là từ mã Số

bit dư bằng cách mã hóa này được đo bằng tỉ số n/k Nghịch đảo của nó k/n được

gọi là tốc độ mã hóa

Chuỗi bit ngõ ra của bộ mã hóa kênh truyền được chuyển sang bộ điều chế

số Trước khi nói về bộ điều chế số ta hãy bàn luận trước về kênh truyền Kênh

truyền dẫn là đường truyền vật lý được dùng để gởi tín hiệu từ bộ thu đến bộ phát

Kênh truyền có thể là hữu tuyến như cáp đồng trục, cáp xoắn, cáp quang … hoặc

là không gian tự do Cho dù hình thức kênh truyền nào được dùng thì tín hiệu

truyền đi cũng bị tác động bởi một số yếu tố như suy hao trên đường truyền, các

loại nhiễu gây ra bởi các thiết bị điện tử khác hoặc nhiễu tạo ra bởi con người,

nhiễu nhiệt có tính chất cộng được, nhiễu khí quyển, sét trong các cơn bão … có

thể làm hỏng dữ liệu

Bộ điều chế sẽ chuyển đổi chuỗi bit nhị phân sang tín hiệu điện để truyền đi

qua kênh truyền Tùy theo hình thức truyền dẫn là vô tuyến hay hữu tuyến mà ta

truyền các xung điện như dùng điều chế nhị phân hay điều chế M-ary… Còn trong

truyền số vô tuyến thì ta truyền đi các sóng mang tương tự được số hóa giữa hai

hoặc nhiều điểm trong một hệ thống thông tin bằng các phương pháp như ASK,

FSK, PSK

Ở đầu thu của hệ thống truyền thông số, bộ giải điều chế số xử lý sóng phát

đã bị tác động bởi các loại nhiễu khác nhau khi truyền qua kênh truyền và tái tạo

lại dạng sóng thành chuỗi số là ước lượng của các ký tự dữ liệu phát (nhị phân

hoặc M-ary) Chuỗi số này được chuyển sang bộ giải mã kênh truyền để khôi phục

lại chuỗi thông tin nguyên thủy từ các từ mã đã biết được dùng bởi bộ mã hóa

kênh truyền và các bit dư trong dữ liệu nhận được

Một cách để xem bộ giải điều chế và giải mã có tần số lỗi xuất hiện trong

chuỗi bit được giải mã Chính xác hơn là xác suất trung bình của lỗi bit ở ngõ ra

của bộ giải mã được đo bằng hoạt động của kết hợp bộ giải điều chế và bộ giải mã

Tổng quát xác suất lỗi là hàm của đặc tính mã hóa, dạng sóng vật lý để truyền

thông tin qua kênh truyền, công suất máy phát, đặc tính kênh truyền, ví dụ như

nhiễu, bản chất giao thoa, …, và phương pháp giải điều chế, giải mã… Và bước

cuối cùng, bộ giải mã nguồn nhận chuỗi bit ngõ ra từ bộ giải mã kênh truyền và

xây dựng lại tín hiệu nguyên thủy Do lỗi xảy ra trong giải mã kênh truyền và méo

dạng tạo ra bởi bộ giải mã nguồn, tín hiệu ngõ ra bộ giải mã nguồn là một xấp xỉ

của tín hiệu ngõ ra nguồn nguyên thủy Sai khác của hai tín hiệu này là thước đo

sự méo dạng gây ra bởi hệ thống truyền thông

1.1.2 NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Vấn đề thường thấy trong việc truyền tín hiệu qua bất kỳ một kênh truyền

nào, đó là tác động của nhiễu lên tín hiệu Dưới tác động của nhiễu, tín hiệu truyền

đi có thể bị suy giảm, méo pha (méo tần số) và méo biên độ Phổ biến nhất vẫn là

nhiễu cộng, còn gọi là nhiễu trắng Gaussian Trong kênh truyền vô tuyến còn có

thêm nhiễu nhân tạo và nhiễu khí quyển Trong một số kênh thông tin vô tuyến

truyền sóng ngắn tầm xa có thêm nhiễu do truyền đa đường hay fading

Nhìn chung có thể chia nhiễu ra thành hai loại: nhiễu trong và nhiễu ngoài

Cả hai nguồn nhiễu này đều tác động đến hệ thống thông tin Nhiễu trong tác động

đến tín hiệu khi tín hiệu đi qua hệ thống và các mạch điện Nhiễu này không thể

khử được mà chỉ có thể kiểm soát bằng cách chọn lựa cẩn thận các thành phần,

thiết kế và bố trí mạch hợp lý Nhiễu ngoài hay nhiễu đường truyền là nhiễu xen

vào tín hiệu khi tín hiệu được lan truyền trong môi trường truyền Không có cách

gì để người thiết kế có thể kiểm soát loại nhiễu này Thay vào đó, họ phải tính toán

nhiễu này khi thiết kế máy thu

Nhiễu thành phần là kết quả của:

• Chuyển động nhiệt của các electron

• Nhiễu phát xạ (nhiễu shot)

Các loại nhiễu kể trên còn đuợc gọi là nhiễu trắng Nhiễu trắng được định

nghĩa là một quá trình nhiễu không tương quan với công suất bằng nhau ở mọi tần

suất vô hạn vì vậy nhiễu trắng chỉ là tồn tại trên lý thuyết Tuy nhiên một quá trình

nhiễu có băng thông giới hạn với phổ bằng phẳng bao trùm tầm tần số của một hệ

thống thông tin có băng thông giới hạn khi nhìn từ hệ thống thì hầu như là một quá

trình nhiễu trắng

Hình 1.2 - Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất nhiễu trắng

Mật độ phổ công suất của nhiễu trắng được cho bởi công thức

Trong đó hệ số 2 chỉ rằng S n ( f) là mật độ công suất hai biên Hàm tự

tương quan của nhiễu trắng được xác định từ biến đổi Fourier ngược của mật độ

phổ công suất nhiễu như sau:

rõ ràng là 2 mẫu khác nhau thì không tương quan với nhau như trong biểu thức

(1.2) Chúng ta có thể mô tả nhiễu trắng như là quá trình ngẫu nhiên Gaussian có

trung bình bằng không Một quá trình Gaussian, n(t), là một hàm ngẫu nhiên có

giá trị n ở bất kỳ thời điểm nào, và có thể mô tả một cách thống kê bằng hàm mật

độ xác suất Gaussian, p(n):

(

σπ

σ

n Exp

n p

Tương quan giữa nhiễu với tín hiệu được thể hiện qua tỷ số công suất tín

hiệu trên nhiễu:

B

T A N

b

2 2

E : năng lượng bit

A : biên độ tín hiệu phát (baseband)

Chúng ta thường biểu diễn tín hiệu nhiễu là tổng của biến ngẫu nhiên nhiễu

Gausian và tín hiệu điều chế: z = a + n Trong đó z là tín hiệu ngẫu nhiên, a là

thành phần dc, và n là biến ngẫu nhiên nhiễu Gausian

2

( )

22

trong đó σ là variance của n 2

Phân bố Gausian thường được sử dụng để mô hình cho nhiễu hệ thống bởi

vì theo định lý giới hạn trung tâm: “trong các điều kiện tổng quát, phân bố xác

suất của tổng j biến ngẫu nhiên độc lập nhau về mặt thống kê tiến tới phân bố

Gausian khi t → ∞, bất kể các hàm phân bố thành phần” Do đó, cho dù các cơ chế

nhiễu có phân bố không phải là Gausian, nhưng các cơ chế đó đều có xu hướng

tiến về phân bố Gausian

1.1.2.2.1 Nhiễu nhiệt ( nhiễu Johnson )

Nhiễu nhiệt còn được gọi là nhiễu Johnson Sự chuyển động nhiệt không

thể khử hoàn toàn, nhưng có thể làm giảm bằng cách giảm nhiệt độ Ở nhiệt độ lớn

hơn 0°K (-273°C) chuyển động nhiệt gây nên sự chuyển động của các electron

trong vật chất Sự chuyển động này gây ra nhiễu nhiệt

Các chất dẫn điện hoặc bán dẫn đều có một lượng electron tự do không

ngừng chuyển động, chúng va chạm và trao đổi năng lượng Ngay cả trong một

mạch không có dòng chạy qua, sự chuyển động hỗn loạn của các electron tự do

này sản sinh ra 1 điện áp dao động xuyên qua các điểm nút Sự dao động ngẫu

đã chứng minh giá trị của công suất nhiễu nhiệt (P n) được cho bởi công thức:

kTB

với: k =1.38x10-23J/oK là hằng số Boltzmann

T: Nhiệt độ tuyệt đối đo bằng độ Kelvin

B: Băng thông tín hiệu

1.1.2.2.2 Nhiễu nhiệt trên điện trở

Một điện trở thật có thể đặc trưng bởi mạch tương đương Thevenin gồm 1

nguồn nhiễu và 1 điện trở không nhiễu R nối tiếp với một cái khác RL Điều kiện

phối hợp trở kháng là giá trị của RL phải bằng R Nguồn nhiễu, R và RL tạo thành

mạch kín Từ đó, dòng hiệu dụng được xác định bởi:

2

2 o RMS

2

24

2 max= =

1.1.2.2.3 Nhiễu phát xạ (nhiễu shot )

Nhiễu này có nguyên nhân do bản chất dịch chuyển của dòng điện trong

chất bán dẫn Dòng điện chạy qua diode bán dẫn chính là dòng electron đi từ

cathode qua lớp tiếp xúc pn đến anode Số lượng các electron đến anode mỗi lúc là

khác nhau, kết quả là tạo ra 1 dòng xoay chiều rất nhỏ xếp chồng lên dòng điện đi

qua linh kiện Trong các transitor, nhiễu shot là do sự thay đổi lượng electron đến

collector

1.1.2.2.4 Nhiễu chia cắt

Dòng điện đưa vào một transitor chảy từ emitter đến base Sau khi vượt qua

rào thế thì nó bị phân chia, một phần đến base và một phần đến collector Dòng

base cũng chịu thêm các dao động ngẫu nhiên và góp phần vào tạo ra nhiễu toàn

bộ của transitor Do nhiễu được sinh ra tại mối nối base nên còn gọi là nhiễu chia

cắt

1.1.2.2.5 Nhiễu nhấp nháy ( hay nhiễu 1/f )

Sự dao động trong vật liệu dẫn điện và bán dẫn cung cấp một nguồn nhiễu

tỷ lệ nghịch với tần số Loại nhiễu này được biết đến như một dòng nhiễu Nó

thường không đáng kể khi tần số trên 10Khz (đối với một số transitor là 1Khz )

1.1.2.2.6 Cảm ứng điện từ và tĩnh điện

Ảnh hưởng tĩnh điện và điện từ có thể được giảm đáng kể bằng việc cách ly

mạch công suất và mạch cao tần cũng như bố trí các bảng mạch hợp lý Ảnh

hưởng tĩnh điện xảy ra thông qua hiệu ứng điện dung giữa các dây dẫn song song

và các rãnh mạch in, trong khi cảm ứng điện từ xảy ra thông qua hoạt động biến

áp giữa các dây dẫn song song và các rãnh mạch in

1.1.2.2.7 Nhiễu tiếp xúc

Nhiều gián đoạn ngắn trong khi dẫn truyền trong 1 hệ thống là do các relay

kém tương thích và các tiếp xúc ở các công tắc gây ra xung nhiễu Nhiễu này ảnh

hưởng nghiêm trọng lên các dữ liệu của mạch Nếu các tiếp xúc bẩn sẽ làm tăng hệ

số suy giảm tín hiệu của hệ thống Các tiếp xúc bẩn cũng gây ra nhiễu nhiệt

1.1.2.3 Nhiễu hệ thống và nhiễu thiết bị

Một nguồn nhiễu khác là nhiễu điều hợp, có nguyên nhân do đặc tính

không tuyến tính của các thành phần như diode hoặc transitor, cũng như các mạch

điện - chẳng hạn như các bộ điều chế hay các bộ lọc Dạng nhiễu này tạo ra các

tần số ở tín hiệu ngõ ra nhưng chúng lại không có mặt ở ngõ vào Tính chất không

tuyến tính làm cho tín hiệu đầu ra bị méo so với tín hiệu đầu vào

Nhiễu điều hợp phụ thuộc vào biên độ tín hiệu vào và sự không tuyến tính

của linh kiện Các thành phần tần số chính xác sẽ lệ thuộc vào sự phi tuyến của

linh kiện là như thế nào Chẳng hạn các linh kiện như diode, transitor và các mạch

như mạch điều chế là các minh chứng cho sự không tuyến tính và nhiễu điều hợp

1.1.3 NHIỄU NGOÀI

Với việc thiết kế cẩn thận, bố trí đúng các bản mạch, chọn lựa đúng và ngăn

cách các tầng RF/HF, tảng nhiệt hợp lý ảnh hưởng của nhiễu trong trong việc

thu phát là có thể kiểm soát được Tuy nhiên, một khi tín hiệu được truyền đi trong

môi trường thì tín hiệu sẽ chịu ảnh hưởng từ các nguồn nhiễu ngoài, nhiễu này

không thể kiểm soát được

1.1.3.1 Nhiễu nhân tạo

Gây ra bởi các hoạt động của con người chủ yếu là do các cơ chế đánh tia

lửa điện như: động cơ điện, đèn huỳnh quang, công tắc điện… Nhiễu này xuất

hiện ở vùng tần số dưới 500 MHz

1.1.3.2 Nhiễu khí quyển

Là một dạng nhiễu ngẫu nhiên gây bởi sự xáo trộn bầu khí quyển Trái Đất

chủ yếu do sấm chớp Phổ của nó được xem như vô hạn nhưng có mật độ tỷ lệ

nghịch với tần số do đó thường chỉ gây ảnh hưởng trong vùng tần số nhỏ hơn

1.1.3.3 Nhiễu vũ trụ:

Gây ra bởi bức xạ của các thiên thể Chúng có phổ từ 8 MHz đến 1.5 GHz

Thật ra chúng có chứa thành phần tần số thấp hơn 8MHz nhưng các thành phần đó

bị hấp thu bởi tầng điện ly trước khi đến mặt đất

1.1.4 FADING

Fading là sự thay đổi độ lớn của tín hiệu thu được khi tín hiệu được truyền

qua một kênh truyền đa đường Khi một tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy

thu qua kênh truyền, do sự thay đổi đặc tính của kênh truyền (ví dụ khúc xạ) cùng

với việc phản xạ sóng khi gặp các chướng ngại vật (các cao ốc, cây cối, núi đồi )

trên đường truyền sẽ làm cho tín hiệu đến máy thu theo nhiều đường khác nhau,

với độ suy hao và độ trễ khác nhau Kết quả là một tín hiệu gốc được phát đi từ

máy phát khi đến máy thu sẽ trở thành một tín hiệu tổng hợp với các thành phần

có thời gian trễ, độ lệch pha và suy hao khác nhau Do có sự lệch pha mà tín hiệu

nhận được tại máy thu có thể được tăng cường (khi các thành phần đến cùng pha)

hoặc suy giảm (khi có các thành phần ngược pha triệt tiêu nhau) Có hai loại

fading chính:

Hiện tượng fading làm cho tín hiệu thu được tại ngõ vào máy thu bị méo

dạng Nhiều nhà nghiên cứu đã nỗ lực mô tả đặc tính các tín hiệu đa đường thu

được với những thí nghiệm đo lường và mô hình vật lý của kênh truyền Tổng

quát chúng ta mô phỏng biên độ tín hiệu thu được theo phân bố Rayleigh khi

không có tín hiệu trực tiếp hoặc theo phân bố Ricean khi có tín hiệu truyền trực

tiếp, và pha phân bố thống nhất giữa 0 và 2π Khi có nhiều cao ốc chắn đường tín

hiệu, biên độ tín hiệu có phân bố logarit chuẩn Từ đó ta có ba loại phân bố fading

là phân bố fading Rayleigh, phân bố fading Ricean và phân bố fading logarit

chuẩn

1.1.5 CAN NHIỄU

Có 2 loại can nhiễu là can nhiễu kênh kề và can nhiễu đồng kênh

tâm khác nhau nhưng gần nhau bị chồng lấn lên nhau Nguyên nhân của

hiện tượng này là do sự không lý tưởng của các bộ lọc Khi băng tần bảo

vệ của các kênh không đủ lớn, nhiễu kênh kề sẽ xuất hiện

Hình 1.3 - Can nhiễu kênh kề cận

tin như thông tin vệ tinh, thông tin di động .Đó là hiện tượng hai máy

phát cùng sử dụng chung một tần số trung tâm Kết quả là sẽ nảy sinh

xung đột, thông tin của máy này làm nhiễu loạn thông tin của máy kia

1.1.6 MÉO DẠNG TÍN HIỆU VÀ NHIẾU LIÊN KÝ TỰ (ISI)

1.1.6.1 Méo dạng tín hiệu

Bất kỳ một tín hiệu nào khi đi qua một môi trường có băng thông giới hạn

cũng phải chịu 2 hiện tượng

- Méo biên độ

- Méo pha (méo tần số)

Xét tín hiệu vào x(t) có phổ X(f) được truyền qua kênh có hàm truyền H(f)

khi đó tín hiệu y(t) ra khỏi kênh truyền sẽ có phổ là:

( )f H( ) ( )f X f

Việc truyền dẫn được gọi là không méo khi tín hiệu ra khỏi kênh truyền chỉ

bị suy hao và trễ một khoảng thời gian hữu hạn so với tín hiệu vào, nghĩa là

nghĩa là một hệ thống truyền dẫn không méo phải có đáp ứng biên độ hằng số và

độ dịch pha tuyến tính với tần số trong dải tần số mà phổ tín hiệu tập trung vào

Méo biên độ xảy ra khi H( )f không phải là hằng số Khi lan truyền trong

môi trường, thường thì các tần số khác nhau có sự suy giảm khác nhau Thông

thường tần số càng cao thì sự suy giảm càng lớn Do đó, méo biên độ là hiện

tượng không thể tránh khỏi Méo biên độ cũng có nguyên nhân từ băng thông kênh

truyền giới hạn

Méo pha xảy ra khi argH f( )≠ −2πT f m d ± 180o

Méo pha có nguyên nhân

do vận tốc lan truyền của các tần số Trong chân không, tất cả các tần số đều lan

truyền với vận tốc là vận tốc ánh sáng Trong các môi trường khác, mỗi tần số sẽ

có 1 vận tốc khác nhau Ảnh hưởng này được xem như là sự méo tần số và ảnh

hưởng này được cảm giác như là trễ nhóm Sự khác nhau về vận tốc gây ra sự thay

đổi trong quan hệ về pha và tạo ra dạng sóng tổng hợp khác đi so với dạng sóng

tổng hợp tại máy phát

1.1.6.2 Ảnh hưởng của môi trường truyền và nhiễu lên tín hiệu số

Một tín hiệu số có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường truyền và nhiễu Chú ý

rằng ảnh hưởng của sự suy giảm và giới hạn băng thông làm cho môi trường

truyền hoạt động như một bộ lọc thông thấp Lúc đấy nhiễu đường truyền cộng

vào tín hiệu cùng với méo tần số, tín hiệu nhận được sẽ bị méo dạng rất nhiều

1.1.6.3 Nhiễu giao thoa liên ký tự (Interference – Intersymbol)

Như đã được đề cập trong phần trước, khi một tín hiệu được truyền từ máy

phát đến máy thu qua kênh truyền, do sự thay đổi đặc tính của kênh truyền (ví dụ

khúc xạ) cùng với việc phản xạ sóng khi gặp các chướng ngại vật (các cao ốc, cây

cối, núi đồi ) trên đường truyền sẽ làm cho tín hiệu đến máy thu theo nhiều

đường khác nhau, với độ suy hao và độ trễ khác nhau Kết quả là một tín hiệu gốc

được phát đi từ máy phát khi đến máy thu sẽ trở thành một tín hiệu tổng hợp với

các thành phần có thời gian trễ, độ lệch pha và suy hao khác nhau Hiện tượng đa

đường này gây ra trải trễ, tức các xung bị kéo căng ra, làm những ký tự kế cận

nhau sẽ chồng lên nhau gây giao thoa giữa chúng gọi là nhiễu liên ký tự ISI Phụ

thuộc vào ý đồ điều chế được sử dụng mà mỗi xung có thể được đặc trưng bởi một

số bit nhất định,và có thể xem như là một ký tự ISI cũng có thể sinh ra do băng

thông giới hạn của kênh truyền Băng thông cần thiết của một tín hiệu xung vuông

là vô cùng Các môi trường truyền thì chỉ chấp nhận một phạm vi tần số, vì thế,

khi nó được phát đi, chỉ các thành phần tần số nào nằm trong phạm vi tần số của

môi trường mới lan truyền trong đó và đến được máy thu Môi trường truyền

giống như một bộ lọc, kết quả là tín hiệu bị méo pha và méo biên độ, bị trải ra

trong miền thời gian, tạo ra nhiễu lien ký tự - ISI

Nhiễu liên ký tự làm giảm mức ngưỡng chống nhiễu của hệ thống và do đó

làm giảm chất lượng của hệ thống Méo dạng tín hiệu có thể làm giảm hay thậm

chí gián đoạn nghiêm trọng quá trình thông tin Để khắc phục hiện tượng méo

dạng kênh truyền và giảm thiểu ISI, người ta thường sử dụng bộ cân bằng Đây là

vấn đề chính của luận văn

1.1.7 TÍNH TOÁN NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN

1.1.7.1 Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu

Chất lượng thu của hệ thống điện tử thông tin được đánh giá theo tỷ số

công suất tín hiệu trên nhiễu ngõ vào máy thu

Signal Noise

P S SNR

ngưỡng xác định nào đó thì tín hiệu thu không đạt chất lượng và gây sai lệch thông

tin

1.1.7.2 Tỷ số nhiễu

nhưng nó không phải là đại lượng dùng để xác định có bao nhiêu nhiễu được cộng

vào trên đường truyền tín hiệu Hệ số nhiễu (NF: Noise Figure) là đại lượng đặc

trưng cho vấn đề này Và được định nghĩa như sau:

Ni Si dB

P P

P P NR

NF

/

/lg10lg

10

) (

(1.18)

Tỷ số nhiễu (Noise Ratio):

/ /

Si Ni

So No

P P NR

Với bộ khuyếch đại lý tưởng có:

No

So Ni

Si P

P

Trong thực tế, điều này không thể xảy ra Do đó, vấn đề của các nhà chế tạo

là làm cho NF càng nhỏ càng tốt: NF = 3dB là tốt, NF = 1.2dB là rất tốt

1.1.7.3 Ảnh hưởng của trở kháng đối với nhiễu

Theo lý thuyết, trở kháng không gây nhiễu đối với hệ thống Điều này chỉ

đúng với cuộn cảm và tụ điện lý tưởng, thực tế các phần tử kháng này luôn có điện

trở tổn hao mà chính nó sẽ gây ra nhiễu Nhưng nhiễu này có ảnh hưởng không

đáng kể tới hệ thống so với nhiễu nhiệt và nhiễu shot, do đó chúng thường được

bỏ qua

Ảnh hưởng của các mạch có tính kháng RC, LC, RLC, RL là băng thông

nhiễu Giả sử mạch có băng thông –3dB là B thì băng thông tương đương được

dùng để tính nhiễu được tính theo:

Vậy băng thông nhiễu lớn hơn băng thông hệ thống tức là nhiễu vẫn qua hệ

thống ở dưới tầng số cắt –3dB

1.1.7.4 Nhiễu của các tầng khuếch đại ghép liên tiếp

Giả sử có n tầng khuếch đại ghép nối tiếp với tỷ số nhiễu và hệ số khuếch

đại công suất của các tầng là NR i, A p i (i = 1 ÷ n) Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của hệ

thống được tính theo công thức Friss:

1 2 1 2

1

3 1

2 1

1

11

−

−+

+

−+

−+

=

pn p p

n p

p

NR A

A

NR A

NR NR NR

1.1.7.5 Nhiệt độ nhiễu tương đương

Thông thường, NR nằm giữa 1 và 10 Để mở rộng thang đo, biểu diễn tỷ số

tín nhiễu qua nhiệt độ nhiễu tương đương T eq sẽ rất thuận tiện trong việc tính toán

công suất nhiễu trong các thiết bị siêu cao tần, thông tin vệ tinh vv

Nhiệt độ nhiễu tương đương được xác định theo:

)1

=T NR

với T là nhiệt độ tuyệt đối của môi trường

NR nên nó thường được sử dụng

Nhiễu được xem xét nhiều ở tần số viba (4 – 6GHz) do tác động mạnh ở tần

số cao nhiều hơn, trong đó nhiễu nội đóng vai trò quyết định do giới hạn khả năng

(độ nhạy) của các hệ thống thông tin hiện đại

Mức nhiễu trong hệ thống tỷ lệ thuận với nhiệt độ, băng thông, dòng chảy

trong mạch, độ lợi, điện trở Nhiễu thấp khi mạch có độ lợi nhỏ, dòng DC và điện

trở nhỏ, băng thông nhỏ, nhiệt độ thấp

1.1.8 NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Trong các hệ thống thông tin tương tự, tiêu chuẩn đánh giá nhiễu thường

dựa vào tỷ số S/N tại ngõ vào máy thu Trong các hệ thống thông tin số, để đánh

giá chất lượng của hệ thống, người ta thường dùng BER (Bit Error Rate) hay Pe

(Probability of error), chúng thường dùng lẫn nhau, tuy nhiên thực tế chúng hơi

khác nhau về nghĩa

e

P – Tỷ lệ symbol lỗi truyền dự tính về lý thuyết của hệ thống cho trước

BER – Tỷ lệ bit lỗi truyền thực tế của hệ thống

10 lg

N = N

1.1.8.1 Đánh giá nhiễu đối với tín hiệu BPSK

Đối với nhiễu trắng Gaussian và điều chế BPSK thì công thức tính P e là:

với A là biên độ tín hiệu phát (baseband), σ là trị hiệu dụng của nhiễu trắng

1.1.8.2 Đánh giá nhiễu đối với tín hiệu QPSK

Đối với nhiễu trắng Gaussian, và điều chế QPSK thì công thức tính P e là:

N là mật độ công suất nhiễu trắng một phía

Đó là xác suất lỗi symbol của QPSK, còn xác xuất lỗi bit của QPSK bằng

với xác suất lỗi bit của BPSK

1.1.8.3 Đánh giá nhiễu với tín hiệu PAM

Với tín hiệu PAM, do các tín hiệu được truyền đi với các mức biên độ

không giống nhau, người ta chỉ thường dùng xác suất lỗi symbol như sau:

( 2 )

0

31

1

av

e PAM

E M

hiệu PAM, thông thường M là một số chẵn

1.1.8.4 Đánh giá nhiễu với tín hiệu QAM

Gọi M là số điểm trong biểu đồ sao của tín hiệu QAM, ta có được công

thức tính xác suất symbol cực đại của tín hiệu QAM như sau:

0

32

1.2 ĐIỂU CHẾ ĐA SÓNG MANG

Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện nay, kỹ thuật điều chế đa

sóng mang được ứng dụng khá rộng rãi trong cuộc sống Trong chương này sẽ

giới thiệu các khái niệm cơ bản của điều chế FDM, OFDM, so sánh các ưu, nhược

điểm, các ứng dụng phổ biến và cơ sở toán học của FDM và OFDM

1.2.1 FDM (Freqency Dision Multiplexing)

Trước hết ta xét kỹ thuật ghép kênh tương tự theo tần số FDM Nếu tồn tại

một độ rộng băng tần nhất định để xây dựng một hệ thống thông tin, thì tốt nhất là

phân chia dữ liệu vào một số kênh, ví dụ các cuộc đàm thoại qua điện thoại hay

một số lớn dữ liệu số có thể phân chia thành các kênh để phát sóng và ở máy thu

chế tại nhiều tần số khác nhau Vì dữ liệu được truyền liên tục, cho nên tốt nhất là

sử dụng một độ rộng băng tần thích hợp

Tín hiệu chính S(t) được phân thành n symbol trên một chu kỳ thời gian T

riêng (Các symbol này có thể rộng 2, 4, 6,… bit, phụ thuộc vào sơ đồ điều chế sử

dụng.) Sau đó, n kênh dữ liệu song song chứa các symbol này được tái tạo lại ở

phía thu Như vậy là ta đã tạo ra n tín hiệu thay đổi theo thời gian (S1, S2,…,Sn)

từ một tín hịêu gốc S(t) Tiếp theo, từng tín hiệu này được điều chế riêng trên tải

tần riêng Tiếp đến, chúng được cộng với nhau và biến đổi lên tần số sóng phát

Tín hiệu cuối cùng được xem là một tín hiệu nhóm (Group signal) G(t), chứa tất cả

các tần số của tín hiệu Sn (t) ; như vậy là n symbols được truyến song song trong

một chu kỳ thời gian T riêng với các tải tần khác nhau

Hình 1.4. Nguyên lý hệ thống FDM

Hình 1.5. Ví dụ hệ thống FDM với 3 tín hiệu ngõ vào

Tín hiệu theo thời gian G(t) đôi khi được xem giống như dạng sóng như

hình 1.5 Dạng sóng này khá phức tạp, đó là vì tất cả các tần số chồng chất lên

nhau, Máy thu nhận dạng sóng này và xử lý nó qua một mảng gồm n bộ lọc thông

dải Đó là hoạt động chính của hệ thống FDM Tuy nhiên, để thực hiện một hệ

thống như vậy (khi n lớn), các bộ lọc thông dải BPF của máy thu cần có chất

lượng tốt để loại trừ các hiệu ứng nhiễu, mà một máy thu lại cần rất nhiều các

BPF Nghĩa là máy thu cần đến n khối giải điều chế tải Giải pháp cho vấn đề này

là xử lý tín hiệu bằng kỹ thuật số hơn là kỹ thuật tương tự

Hình 1.6 Sơ đồ khối của máy thu với 3 khối giải điều chế

Với hệ thống FDM gồm n sóng mang điều chế cho n tín hiệu ngõ vào ta có sơ đồ

Để có thể truyền tín hiệu yêu cầu đối với hệ thống FDM là tổng băng thông

của các tín hiệu thành phần (B1+B2+…+Bn) phải nhỏ hơn băng thông truyền (B)

Từ cấu trúc của hệ thống như trên ta có được những ưu và nhược điểm của hệ

thống FDM:

- Ưu điểm:

• Hệ thống hoạt động đơn giản

• Có thể hoạt động tốt với tín hiệu vào là tương tự

- Nhược điểm:

• Không sử dụng hiệu quả vấn đề băng thông, nhất là trong trường hợp tín

hiệu phân bố không liên tục trong băng thông truyền

• Hệ thống truyền không năng động

1.2.2 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex)

Để khắc phục được nhược điểm của hệ thống FDM trước đây trông việc sử

dụng không hiệu quả băng thông và giải quyết vấn đề tốc độ truyền yêu cầu càng

ngày càng được nâng cao, hệ thống OFDM (phân chia tần số trực giao ) ra đời

1.2.2.1 Giới thiệu

OFDM là giải pháp truyền tin thông qua lớp vật lý Cách đơn giản nhất để

truyền thông tin là truyền từng bit theo thời gian trên một tần số điều chế riêng,

với phương pháp này chúng ta sẽ truyền bit thứ nhất, sau đó truyền bit thứ 2, thứ

3… đến khi hết bản tin cần truyền, điều chế ASK là một ví dụ Một phương pháp

phức tạp hơn là truyền nhiều bit cùng nhau bằng việc gắn nó vào ký tự, chúng ta

sẽ truyền từng ký tự, QBSK (1 ký tự có 2 bit), 16 QAM (1 ký tự chứa 4 bit) là các

ví dụ điển hình

OFDM là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý, nguyên lý

cơ bản của phương pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng

lớn ký tự tại cùng một thời điểm Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm,

đó là hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc

biệt trong hệ thống không dây), và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị

nhiễu, các tần số lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng) Ngoài ra, tốc độ truyền

Uplink và Downlink có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng

mang sử dụng

Một ưu điểm quan trọng của hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng

mang riêng có thể hoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng

sẽ được kéo dài Ví dụ, nếu muốn truyền với tốc độ là hàng triệu bit trên giây

bằng một kênh đơn, chu kỳ của một bit phải nhỏ hơn 1 micro giây Điều này sẽ

gây ra khó khăn cho việc đồng bộ và loại bỏ giao thoa đa đường Nếu cùng lượng

thông tin trên được trải ra cho N sóng mang, chu kỳ của mỗi bit sẽ được tăng lên

N lần, lúc đó việc xử lý vấn đề định thời, đa đường sẽ đơn giản hơn

Sự khác nhau cơ bản của FDM và OFDM là vấn đề trực giao, với hệ thống

FDM các tần số được trải dọc trên phổ, không có sự chồng lấn, còn đối với hệ

thống OFDM phổ của các tần số riêng không tách biệt, chúng chồng lấn nhau, do

các tín hiệu là trực giao nên hoàn toàn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Xét ví

dụ về hệ có BW=2R, số lượng tần số sóng mang riêng N lần lượt là 1, 2 và 3

Hình 1.9 Phổ của hệ thống OFDM và FDM

Nhờ khả năng có thể xếp các phổ chồng nhau nên hệ thống OFDM rất hiệu

quả trong việc sử dụng phổ

1.2.2.2 Hoạt động của hệ thống OFDM

có N ký tự truyền trên 1 khung Quá trình này sẽ được lặp lại khi hoàn thành quá

trình truyền khung Để phía thu có thể thực hiện việc khôi phục tín hiện, các tần số

fk được sử dụng phải là tần số trực giao

Hình 1.10. Sơ đồ phát tín hiệu OFDM

Các thông số:

• N số các sóng mang phụ

• Ts chu kỳ ký tự, Rs=1/Ts

• Tcp: chu kỳ CP (Cyclic prefix)

• W băng thông của hệ thống OFDM

1.2.2.3 Tín hiệu truyền

Tín hiệu truyền sau bộ lọc thông thấp của hệ thống được viết lại như sau: