Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện phục vụ chiếu sáng gia đình

MLD Maximum Likelihood Detection Tách sóng hợp lẽ tối ưuMODEM Modulation Demodulation Điều chế - Giải điều chếOFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần số

Trờng đại học vinh khoa điện tử viễn thông

Người hướng dõ̃n : ThS Phạm mạnh toàn

Sinh viờn thực hiợ̀n : lê nhân toàn

Mó số sinh viờn : 0851080311

nghệ an - 01/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lê Nhân Toàn Mã số sinh viên: 0851080311 Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 49

1 Đầu đề đồ án:

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

4 Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ):

Họ tên giảng viên hướng dẫn: ThS Phạm Mạnh Toàn 1 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ./ /20

2 Ngày hoàn thành đồ án: ./ /20

Ngày tháng. năm 2013

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2013

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

-BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Lê Nhân Toàn Mã số sinh viên: 0851080311 Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 49 Giảng viên hướng dẫn: ThS Phạm Mạnh Toàn Cán bộ phản biện: 1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

(Ký, ghi rõ họ và tên)

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU i

TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1

1.1.Giới thiệu chương 1

1.2.Khái niệm 1

1.3 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin vô tuyến 2

1.4 Khái niệm kênh truyền vô tuyến 3

1.5 Các đặc tính của kênh vô tuyến 4

1.6 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông 6

1.7 Mộ số kỹ thuật xử lý tín hiệu 6

1.8 Điều chế 10

1.8.1 Khái niệm điều chế số 10

1.8.2 Tại sao phải dùng điều chế số 11

1.8.3 Điều chế tín hiệu nhiều mức nhằm nâng cao hiệu quả phổ 11

1.8.4 Lựa chọn tối ưu tập tín hiệu 13

1.9 Sự phân chia tài nguyên vô tuyến 14

1.10 Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến 16

1.11 Kết luận chương 18

CHƯƠNG II TRUYỀN DẪN TRÊN KÊNH VÔ TUYẾN SỐ 19

2.1 Giới thiệu chương 19

2.2 Lý thuyết về kênh vô tuyến 19

2.2.1 Truyền dẫn phân tập đa đường 19

2.2.2 Kênh không phụ thuộc thời gian 19

2.2.3 Hiệu ứng Doppler và kênh phụ thuộc thời gian 20

2.2.4 Bề rộng độ ổng định về thời gian của kênh 22

2.2.5 Các mô hình kênh cơ bản 22

2.3 Nhiễu trong thông tin vô tuyến số 22

2.3.1 Tạp âm cộng trắng chuẩn 22

2.3.2 Nhiễu xuyên kênh 23

2.3.3 Nhiễu đồng kênh 23

2.3.4 Nhiễu đa truy nhập 24

2.4 Méo tuyến tính 25

2.4.1 Khái niệm 25

2.4.2 Các biện pháp khắc phục 26

2.5 Méo phi tuyến 28

2.5.1 Khái niệm 28

2.5.2 Các biện pháp khắc phục 29

2.6 Fading 31

2.6.1 Khái niệm 31

2.6.2 Phân loại fading 31

2.6.3 Mô hình toán học của fading 32

2.6.4 Sự ảnh hưởng của chuyển động MS 33

2.6.5 Hậu quả của truyền sóng fading đa đường 35

2.6.6 Các loại kênh fading 37

2.6.7 Các biện pháp khắc phục ảnh hưởng của fading 40

2.7 Hiện tượng xuyên nhiễu giữa các kí hiệu (ISI: Inter Synbol Interference) 44 2.7.1 Khái niệm 44

2.7.2 Ảnh hưởng 44

2.7.3 Điều kiện truyền không có ISI 44

2.7.4 Giảm nhiễu ISI sử dụng phương pháp lọc 45

2.8 Kết luận chương 52

CHƯƠNG III MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB 53

3.1 Giới thiệu chương 53

3.2 Sơ lược phần mềm Matlab 53

3.3 Vai trò của mô phỏng 54

3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến bằng mô phỏng 55

3.5 Kênh truyền AWGN 56

3.5.1 BPSK qua kênh truyền AWGN 57

3.5.2 QPSK qua kênh AWGN 60

3.6 Kênh Fading 65

3.6.1 M-PSK qua kênh fading Rayleigh 66

3.6.2 QAM qua kênh fading Rayleigh 71

3.6.3 Mô phỏng so sánh giữa AWGN với Fading Rayleigh của các kỹ thuật điều chế 74

3.7 Kết luận chương 78

KẾT LUẬN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHẦN PHỤ LỤC 81

LỜI NÓI ĐẦU

So với các lĩnh vực truyền thông khác, thông tin vô tuyến có sự tăng trưởngnhanh chóng trong những năm gần đây Kênh truyền vô tuyến chịu nhiều tácđộng phức tạp như: AWGN, fading, hiện tượng Doppler, ISI, méo Nên việcphân tích, tính toán, đánh giá chất lượng hệ thống trở nên khó khăn hơn so với

kênh truyền hữu tuyến Đề tài “Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vô

tuyến sử dụng phần mềm Matlab” là phương tiện biểu đạt mới, sử dụng mô

phỏng thay thế hệ thống thực, cho phép người học có cái nhìn trực quan sâu sắchơn về những vấn đề kỹ thuật phức tạp Nội dung đồ án được chia thành 3chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vô tuyến

Chương 2: Truyền dẫn trên kênh vô tuyến số

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến

sử dụng phần mềm matlab

Xin trân trọng cảm ơn ThS Phạm Mạnh Toàn đã giới thiệu, cung cấp tài liệu,

tận tình hướng dẫn về nội dung và phương pháp, giúp tôi hoàn thành đồ án này.Xin chân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử Viễn thông -trường Đại học Vinh đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và hoàn thànhchương trình đào tạo

Sinh viên

Lê Nhân Toàn

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án tìm hiểu, lich sử phát triển, cấu trúc, đặc tính kênh truyền của hệthống thông tin vô tuyến Phân tích các tác động của kênh truyền vô tuyến đốivới chất lượng hệ thống Để đơn giản quá trình tính toán thiết kế hệ thống Cácgiả định lý tưởng được đặt ra: Băng tần truyền dẫn là vô hạn, kênh truyền làtuyến tính và chiệu tác động của tạp âm cộng trắng chuẩn và các tác động phứctạp khác như fading, ISI, hiệu ứng Doppler, méo tín hiệu được phân tích xemxét, từ đó bổ xung các thiết bị, phương pháp khắc phục ảnh hưởng của các hiệntượng đó Đồ án sử dụng phần mềm Matlab mô phỏng và đánh giá chất lượng hệthống trong trường hợp kênh chỉ chiệu tác động của AWGN và kênh chiệu tácđộng của fading Rayleigh

ABSTRACT

The project explores the history of development, structure, channelcharacteristics of wireless communication system Analysis of the impact ofradio channels for system quality To simplify the calculation process of systemdesign Ideal assumptions set out: Transmission band is infinite, channel is linearand is affected by parasitic noise plus standard white and other complex effectssuch as fading, ISI, Doppler effect, distortion is analyzed to consider, from thereadditional devices, methods to overcome the effects of the phenomenon that Theproject uses simulation Matlab software and assess the quality of the system incase only channel affected by AWGN and channels affected by Rayleigh fading

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống thông tin vô tuyến 1

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin vô tuyến số 6

Hình 2.1 Hàm truyền đạt của kênh 21

Hình 2.2 Sự lan truyền của đường l tới một trạm MS 33

Hình 2.3 Đáp ứng xung của một bộ lọc xung có chiều dài hữu hạn 36

Hình 2.4 Hàm phân bố Rayleigh với 2 1   38

Hình 2.5 Hàm phân bố Rice cho các giá trị khác nhau của K với Ap = 1 39

Hình 2.6 Phân tập không gian sử dụng 4 anten 42

Hình 2.7 Phân tập không gian và tần số sử dụng 3 anten 43

Hình 2.8 Chuyển mạch bảo vệ bằng kênh dự phòng 43

Hình 2.9 Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung đơn vị 46

Hình 2.10 Dạng xung khi qua bộ lọc lý tưởng 47

Hình 2.11 Hàm truyền bộ lọc tổng cộng 48

Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn trên kênh AWGN 57

Hình 3.2 Giao diện bắt đầu vào mô phỏng các kỹ thuật điều chế 59

Hình 3.3 Giao diện chương trình ‘chuongtrinh’ 59

Hình 3.4 Mô phỏng BER của điều chế BPSK qua kênh AWGN 60

Hình 3.5 Mô phỏng BER của điều chế QPSK qua kênh AWGN 62

Hình 3.6 Mô phỏng BER của điều chế 4-QAM qua kênh AWGN 64

Hình 3.7 Mô phỏng BER của điều chế 16-QAM qua kênh AWGN 65

Hình 3.8 Mô hình truyền sóng đa đường 66

Hình 3.9 Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn MPSK qua kênh fading sử dụng tách tín hiệu đồng bộ (coherent detection) 66

Hình 3.10 Sơ đồ phân bố tín hiệu (signai constellation) của tín hiệu 67

Hình 3.11 Mô phỏng BER của điều chế BPSK qua kênh Fading 69

Hình 3.12 Mô phỏng BER của điều chế QPSK qua kênh Fading 70

Hình 3.13 Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn MQAM qua kênh fading sử dụng tách tín hiệu đồng bộ (coherent detection) 71

Hình 3.14 Mô phỏng BER của điều chế 4-QAM qua kênh Fading 73

Hình 3.15 Mô phỏng BER của điều chế 16-QAM qua kênh Fading 74

Hình 3.17 Mô phỏng BER của điều chế BPSK 75

Hình 3.18 Mô phỏng BER của điều chế QPSK 76

Hình 3.19 Mô phỏng BER của điều chế 4-QAM 76

Hình 3.20 Mô phỏng BER của điều chế 16-QAM 77

Hình 3.21 Mô phỏng BER điều chế của các kỹ thuật điều chế qua kênh AWGN 77

Hình 3.22 Mô phỏng BER điều chế của các kỹ thuật điều chế qua kênh Fading 78

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ASK Amplitude Shift Keying Điều chế khóa chuyển

biênATDE Adaptive Time Domain Equalizer Thích nghi miền thời gianAWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CCIR Committee Consultative International

de Radio

Uỷ ban tư vấn vô tuyến điện quốc tế

CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh theo mã

CDMA Code Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia

theo mãDMS Discrete Memoryless Source Gián đoạn không không

ELF Extremely Low Frequencies Tần số cực kì thấpFDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo

tần sốFDMA Frequence Division Multiplexing

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

FIR Finite Impulse Response Chiều dài hữu hạn

FSK Frequency Shift Keying Điều chế khóa chuyển tầnGSM Global System for Mobile

Cpommunication

Mạng thông tin di động toàn cầu

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giao thoa giữa các

ký hiệuITU International Telecommunication

Union

Tổ chức viễn thông quốc tế

MAI Multiple Access Interference Giao diện đa truy nhập

MLD Maximum Likelihood Detection Tách sóng hợp lẽ tối ưuMODEM Modulation Demodulation Điều chế - Giải điều chế

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplex

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên xung

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

công suất trung bình

QAM Quadrature Amplitude Modualtion Điều chế biên độ cầu

phươngQPSK Quadrature Phase-Shift Keying Khóa dịch biên độ cầu

phương

tuyến

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âmSNRD Signal to Noise Ratio Degradation Suy thoái tỷ số tín hiệu

trên tạp âmTDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gianTDMA Time Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia

theo thời gian

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.1 Giới thiệu chương

Chương 1 tìm hiểu lịch sử phát triển, cấu trúc hệ thống, đặc tính kênhtruyền và sự phân chia phổ tài nguyên vô tuyến

1.2 Khái niệm

Thông tin vô tuyến là hệ thống thông tin sử dụng khoảng không gian

tự do làm môi trường truyền dẫn Phương pháp thông tin là phía phát bức xạcác tín hiệu thông tin bằng sóng điện từ, phía thu nhận sóng điện từ và tách lấytín hiệu gốc

Mặc dù không gian tự do hàm ý là chân không, nhưng sự truyền sóngqua khí quyển trái đất vẫn thường được coi là truyền sóng trong không gian

tự do Sự khác nhau chủ yếu là ở chỗ khí quyển trái đất gây nên các tổn thất đốivới tín hiệu, còn trong chân không thì không có tổn thất Không thể lý giải đầy

đủ sóng vô tuyến theo lý thuyết, bởi vì nó không chỉ bị ảnh hưởng bởi tầng đốilưu và tầng điện ly mà còn bởi các thiên thể, kể cả mặt trời Do vậy việc dự báođường truyền sóng vô tuyến cũng như khả năng liên lạc dựa trên nhiều dữ liệutrong quá khứ là hết sức quan trọng [3]

Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống thông tin vô tuyếnNguồn tin trước hết được mã hóa nguồn để giảm bớt các thông tin dư thừa,sau đó mã kênh để chống lại các lỗi do kênh truyền gây ra Tiếp tục, để truyền đi

xa tín hiệu phải được điều chế, các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện củakênh truyền Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máythu sẽ trải qua các thuật toán ngược lại với máy phát Kết quả tín hược được giải

mã và thu được ở máy thu [3]

Nguồn tin Mã nguồn

tin

Mã kênh Điều chế

Đích nhận tin

Giải mã nguồn tin

Giải mã kênh

Giải điều chế Kênh vô tuyến

Chất lượng tín hiệu thu được phụ thuộc phương pháp mã kênh, điều kiệnkênh truyền và băng thông tín hiệu.

1.3 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin vô tuyến

Về lịch sử của thông tin vô tuyến, vào đầu thế kỷ 19 Marconi thành côngtrong việc liên lạc vô tuyến qua Đại Tây dương, Kenelly và Heaviside phát hiệnmột yếu tố là tầng điện ly hiện diện ở tầng phía trên của khí quyển có thể dùnglàm vật phản xạ sóng điện từ Những yếu tố đó đã mở ra một kỷ nguyên thôngtinvô tuyến cao tần đại qui mô Gần 40 nǎm sau Marconi, thông tin vô tuyến caotần là phương thức thông tin vô tuyến duy nhất sử dụng phản xạ của tầng đối lưu,nhưng nó hầu như không đáp ứng nổi nhu cầu thông tin ngày càng gia tǎng [3].Chiến tranh thế giới lần thứ hai là một bước ngoặt trong thông tin vôtuyến Thông tin tầm nhìn thẳng - lĩnh vực thông tin sử dụng bǎng tần số cực cao

(VHF: Very High Frequences) và đã được nghiên cứu liên tục sau chiến tranh thế

giới - đã trở thành hiện thực nhờ sự phát triển các linh kiện điện tử dùng cho (HF:

High Frequences) và (UHF: Ultra High Frequences), chủ yếu là để phát triển

ngành rađa Với sự gia tǎng không ngừng của lưu lượng truyền thông, tần số của

thông tin vô tuyến đã vươn tới các bǎng tần siêu cao (SHF: Super High

Frequences) và cực kỳ cao (EHF: Extremely High Frequences) Vào những nǎm

1960, phương pháp chuyển tiếp qua vệ tinh đã được thực hiện và phương phápchuyển tiếp bằng tán xạ qua tầng đối lưu của khí quyển đã xuất hiện Donhững đặc tính ưu việt của mình, chẳng hạn như dung lượng lớn, phạm vi thurộng, hiệu quả kinh tế cao, thông tin vô tuyến được sử dụng rất rộng rãi trong phátthanh truyền hình quảng bá, vô tuyến hàng hải, hàng không, quân sự, quan sát khítượng, liên lạc sóng ngắn nghiệp dư, thông tin vệ tinh - vũ trụ v.v [3]

Tuy nhiên, can nhiễu với lĩnh vực thông tin khác là điều không tránh khỏi,bởi vì thông tin vô tuyến sử dụng chung phần không gian làm môi trường truyềndẫn Để đối phó với vấn đề này, một loạt các cuộc Hội nghị vô tuyến Quốc tế đãđược tổ chức từ nǎm 1906 Tần số vô tuyến hiện nay đã được ấn định theo qui định

thông tin vô tuyến (RR: Radio Regulations) tại hội nghị (ITU: International

Telecommunication Union) ở Geneva nǎm 1959 Sau đó lần lượt là Hội nghị về

phân bố lại dải tần số sóng ngắn để sử dụng vào nǎm 1967, Hội nghị về bổ sung qui

chế tần số vô tuyến cho thông tin vũ trụ vào nǎm 1971, và Hội nghị về phân bố lạitần số vô tuyến của thông tin di động hàng hải cho mục đích kinh doanh vào nǎm

1974 Tại Hội nghị của ITU nǎm 1979, dải tần số vô tuyến phân bố đã được mởrộng từ 9 kHz đến 400 GHz và đã xem xét lại và bổ sung cho Qui chế thông tin vô400 GHz và đã xem xét lại và bổ sung cho Qui chế thông tin vôtuyến điện (RR) Để giảm bớt can nhiễu của thông tin vô tuyến, ITU tiếp tục nghiêncứu những vấn đề sau đây để bổ sung vào sự sắp xếp chính xác khoảng cách giữacác sóng mang trong

Qui chế thông tin vô tuyến:

- Dùng cách che chắn thích hợp trong khi lựa chọn trạm

- Cải thiện hướng tính của anten; nhận dạng bằng sóng phân cực chéo

- Tǎng cường độ ghép kênh

- Chấp nhận sử dụng phương pháp điều chế chống lại can nhiễu

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin khác nhưthông tin di động, vi ba số, cáp quang, thông tin vệ tinh v.v, thông tin vô tuyến vẫntiếp tục đóng vai trò quan trọng và được phát triển ngày càng hoàn thiện vớinhững công nghệ cao đáp ứng được những đòi hỏi không những về mặt kết cấu mà

cả về mặt truyền dẫn, xử lý tín hiệu, bảo mật thông tin

1.4 Khái niệm kênh truyền vô tuyến

Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền lan sóng vô tuyến Nó là phần tử cơbản nhất quyết định đến chất lượng hệ thống viễn thông Không giống như kênhtruyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàntoàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi,qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ,tán xạ, nhiễu xạ [3]

- Phản xạ xẩy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kíchthước rất lớn so với bước sóng tín hiệu của tần số vô tuyến

- Nhiễu xạ xẩy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởimột nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng

- Tán xạ xẩy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làmcho năng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng

- Kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu

phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến.

Do vậy, trước khi thiết kế hệ thống việc nghiên cứu các đặc tính kênh truyền lànhiệm vụ quan trọng Dựa trên kết quả đó người ta mới lựa chọn các kỹ thuật mãhóa kênh, kỹ thuật điều chế tín hiệu cũng như các phương pháp cân bằng kênh, lọcnhiễu và các kỹ thuật khác

1.5 Các đặc tính của kênh vô tuyến

a Kênh thông tin vô tuyến có độ suy hao rất lớn, thường đạt tới 140 đến

160 dB

Công suất tín hiệu ở lối vào phần thu của kênh thường có giá trị nằm trongkhoảng 10-10 đến 10-14 W trong khi đó lại cần công suất hàng W hoặc lớn hơn ởlối ra để thiết bị cuối làm việc tin cậy Nghĩa là thiết bị thu của kênh phải có hệ sốkhuếch đại theo công suất ít nhất là 1010 đến 1014 hay 105 đến 107 lần theo điện

áp Vấn đề khuếch đại tín hiệu không chỉ khó ở chỗ hệ số khuếch đại phải cao màcòn khó ở chỗ mức tín hiệu ở lối vào thiết bị thu so sánh được với tạp âmthăng giáng Tạp âm thăng giáng lẫn vào tín hiệu và không thể tách riêng được [3]

b Độ suy hao của kênh vô tuyến thay đổi trong phạm vi rộng

Cường độ trường điện từ tại điểm thu tỉ lệ nghịch với bình phương của quãngđường mà sóng đi qua, vì vậy sự thay đổi mức tín hiệu ở lối vào phần thu của kênhtrong dải cự ly thông tin cần thiết đạt tới 100 - 120 dB Có nghĩa là việc bảo đảmmức tín hiệu ra không đổi (để thiết bị cuối hoạt động bình thường) gặp nhiều khókhăn [3]

Độ suy hao thay đổi của kênh còn gây khó khăn cho việc thành lập các hệthống thông tin duplex (song công), tương tự như hệ thống thông tin dây dẫn với lối

ra hai dây, nếu tham số mang tin của tín hiệu cao tần là biên độ vì khó tránh khỏi sựmất ổn định tức là tăng khả năng tự kích) Độ suy hao kênh thay đổi lớn khi tiếnhành thông tin giữa các đối tượng cơ động nếu sử dụng các sóng cực ngắn vì sóngcực ngắn lan truyền phụ thuộc vào địa hình Điều kiện tiến hành thông tin trở nênkhông thuận lợi khi trên đường truyền gặp phải các đối tượng phản xạ sóng vôtuyến, vì sẽ gây nên hiện tượng fading giao thoa [3]

c Độ suy giảm của kênh thông tin vô tuyến biến đổi còn do sự thay đổi của các tham số khí quyển quả đất

Sự thay đổi này thấy rõ hơn ở dải sóng ngắn, khi tiến hành thông tin bằng cácsóng phản xạ từ tầng ion Trước hết do những thay đổi chậm theo ngày đêm củamức độ ion hoá các miền khác nhau của tầng khí quyển mà xuất hiện các dao độngtheo ngày đêm của mức tín hiệu Ngoài ra việc thu các sóng phản xạ từ tầng ion kèmtheo những fading thường xuyên và khá nhanh của tín hiệu do sự giao thoa của cáctia đến được điểm thu bằng những con đường khác nhau [3]

d Kênh thông tin, nếu hạn chế chỉ là môi trường truyền sóng, thì về mặt vật lý là chung cho tất cả các phương tiện thông tin vô tuyến đang tồn tại, các đài phát thanh, dẫn đường vô tuyến

Khả năng phát đồng thời một số lượng lớn các tin trên vô tuyến dựa trên cơ sởphân tách tín hiệu theo tần số Tuy nhiên, vì việc sử dụng một cách có tổ chức dảitần mà cự ly truyền sóng không bị giới hạn như song ngắn, là cực kỳ khó khăn,trong khi nhu cầu ở một số đoạn tần lại vượt quá dung lượng vật lý của chúng thì dễdàng rút ra kết luận về khả năng và sự không tránh khỏi của việc gây nhiễu lẫn nhaukhi phát tin, dẫn tới sự mật mát nào đó của tin tức [3]

Tình hình lại càng tồi tệ hơn do sự không hoàn thiện về mặt kỹ thuật của thiết

bị, thể hiện ở chỗ việc phát tín hiệu thường kèm theo các bức xạ phụ, còn việc thuthì lại tiếp nhận cả các nhiễu từ miền tần số lớn hơn nhiều dải tần chiếm bởi tín hiệucần nhận, nhất là khi nguồn nhiễu ở gần ngay nơi thu [3]

Ngoài ra các nguồn nhiễu còn là các quá trình tự nhiên, như sự phóng điện cơngiông trong khí quyển, bức xạ vô tuyến của mặt trời và thiên hà Nguồnnhiễu còn là các thiết bị điện trong công nghiệp và sinh hoạt Đa số các nhiễu cónguồn gốc tự nhiên và công nghiệp là các nhiễu dải rộng, bao trùm hầu hết toàn bộdải tần [3]

e Kênh vô tuyến gây méo tín hiệu phát đi do sự hạn chế phổ tần của nó

Người ta hạn chế phổ rộng vô hạn của tín hiệu có độ rộng hữu hạn trong tất cảcác hệ thống thông tin, vì năng lượng cơ bản của các tín hiệu chỉ tập trung trong dảitương đối hẹp Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, sự cần thiết phải hạn chế phổcòn do dung lượng không đủ của dải tần và giảm xác suất nhiễu lạ lọt vào dải thôngcủa kênh [3]

Tóm lại: Khác với kênh hữu tuyến, kênh vô tuyến được đặc trưng bởi dải rộngcủa những thay đổi nhanh và chậm của độ suy hao và bởi sự tác động số lượng lớncác nhiễu từ nguồn ngoài.

1.6 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông

Tín hiệu băng cơ sở là tín hiệu mà phổ tần của nó với năng lượng tập trung ởvùng tần số thấp quanh gốc tọa độ, coi gần đúng là tín hiệu có tần số từ 0 đếnFmax nào đó Ví dụ tín hiệu băng tần thoại tập trung năng lượng trong dải tần từ0.3÷ 3.4 Khz

Tín hiệu băng cơ sở hay băng gốc được tạo ra bởi các nguồn thông tin khácnhau, không phù hợp kênh truyền và không thể truyền đi xa được Để dễ dàngtruyền đi tín hiệu cần phải trải qua quá trình điều chế Trong quá trình này tín hiệubăng gốc dùng để làm biến đổi một vài thông số của tín hiệu sóng mang cao tần Kếtquả tín hiệu băng cơ sở thành tín hiệu băng thông mà phổ tần của nó với năng lượngtập trung quanh tần số sóng mang fc [3]

1.7 Một số kỹ thuật xử lý tín hiệu

Các chức năng xử lý tín hiệu như thế được mô tả bởi các khối trong sơ đồ khốicủa hệ thống Mỗi một khối mô tả một thuật toán xử lý tín hiệu Sơ đồ khối tiêubiểu của một hệ thống thông tin số được mô tả trên hình 1.2, trong đó thể hiện tất cảcác chức năng xử lý tín hiệu chính nhất có thể có của các hệ thống thông tin số hiệnnay [3]

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin vô tuyến số

Mã hóa mật

Mã hóa kênh

Ghép kênh

Điều chế

Trải phổ

Đa truy nhập

Máy phát

Giải

mã mật

Giải

mã kênh

Phân kênh

Giải điều chế

Giải trải phổ

Đa truy nhập

Máy thu

dạng

Trong sơ đồ khối hình 1.2 thực chất là sơ đồ mô tả lưu đồ xử lý tín hiệu, cácthuật toán cơ bản xử lý tín hiệu (song không phải trong hệ thống thông tin số nàocũng nhất thiết phải thực hiện đầy đủ các thuật toán cơ bản này) bao gồm [3]:

- Định dạng hẩu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số (tiếng nói, hìnhảnh, âm thanh ) là tín hiệu tương tự nên ta cần có khối định dạng để chuyển đổitín hiệu từ tương tự sang dãy từ mã số Các từ mã này được biểu diễn bằng các bitnhị phân, rồi tùy ứng dụng cụ thể mà biễu diễn các bit hay nhóm bit ở dạng thứcthích hợp

- Giải định dạng có nhiệm vụ là chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự Việc

số hóa tín hiệu tương tự làm tăng băng thông truyền dẫn của tín hiệu nhưng chophép bộ thu hoạt động ở tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp hơn

- Mã hoá nguồn và giải mã nguồn tín hiệu, thực hiện nén và giải nén tin nhằmgiảm tốc độ bít để giảm phổ chiếm của tín hiệu số cụ thể là trong một đơn vị thờigian khối mã hóa nén bớt một số bít mà không làm mất thông tin

- Mã và giải mã mật, thực hiện mã và giải mã chuỗi bít theo một khoá xácđịnh nhằm bảo mật tin tức Tuy nhiên yêu cầu đi kèm với bảo mật là bảo toàn tốc độbít Vì vậy người ta thường dung phương pháp xáo trộn vị trí ký hiệu trong bản tintheo nguyên tắc thống nhất giữa phần phát và phần thu

- Mã và giải mã kênh có hai loại là mã khối và mã chập, nhiệm vụ là kiểmsoát lỗi và các tác động xấu khác trên đường truyền, sửa lỗi để đảm bảo truyền dẫnthông tin số tin cậy ở trên kênh thực tế cụ thể người ta chèn thêm vào chuỗi tin ởphía phát một lượng bít dư thường để kiểm soát lỗi nhờ vậy phía thu có thể thựchiện hai nhiệm vụ là phát hiện lỗi và sửa lỗi

- Ghép-phân kênh, nhằm thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khácnhau tới các đích nhận tin khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn trong kĩthuật truyền dẫn tín hiệu, có ba phương pháp ghép kênh cơ bản là ghép kênh theo

tần số (FDM: Frequency Division Multiplexing) và ghép kênh theo thời gian (TDM:

TimeDivision Multiplexing) và ghép kênh theo mã (CDM: Code Division Multiplexing) Các tín hiệu tương tự có phổ tương đối hạn chế, việc hạn phổ không

gây ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng liên lạc Mặt khác việc chuyển phổ của tínhiệu tương tự lên băng tần đường dây và sắp xếp chúng phân biệt nhau về mặt giải

tần được thực hiện khá dễ dàng Vì vậy trong các hệ thông truyền dẫn tương tự việcghép kênh thường được thực hiện theo phương pháp ghép kênh theo tần số dù vềnguyên tắc phương pháp ghép kênh theo thời gian cũng có thể áp dụng được với cáctín hiệu tương tự Đối với tín hiệu số vì các xung tín hiệu có thời gian tồn tại hữuhạn, thời gian tồn tại phụ thuộc vào độ rộng xung có thể tạo ra và xử lý được.Khoảng cách giữa các phần tử kế tiếp nhau của cùng một nguồn tin là một đại lượng

cố định gọi là độ dài của khung tín hiệu Khi độ rộng xung tín hiệu khá nhỏ hơn độdài khung tín hiệu vào cùng một khung tín hiệu tín hiệu từ mỗi nguồn tin như vậyđược truyền đi trên khe thời gian riêng biệt Với hệ thống truyền dẫn số, thực hiệnghép kênh khá thuận lợi Khi cần phát một luồn số trên kênh vô tuyến, cần phải điềuchế luồng số này ở một song mang có độ rộng băng tần hữu hạn dành cho một kênh

Luồng số này có thể là tín hiệu ban đầu của máy tính hay luồng số (PCM: Pluse

Code Mudulation) được tạo ra từ tiếng nói hay hình ảnh đã số hóa

- Điều chế và giải điều chế số, thường gọi tắt là (MODEM: Modulation

Denodulation) Là khối giao diện thực hiện hai chức năng:

 Ghép k bít thành một symbol để nâng cao hiệu quả sử dụng đường truyền

 Ánh xạ tập symbol thành tập dạng sóng để truyền tín hiệu đi xa

- Trải và giải trải phổ, nhằm chống nhiễu (thường do kẻ địch cố ý gây ra đểphá liên lạc) và bảo mật tin tức Thực hiện bằng cách mở rộng phổ chiếm của tínhiệu lên giấp nhiều lần ở khối trải phổ và nén lại ở khối giải trải phổ Các hệ thốngthông tin thì trải phổ và giải trải phổ được phát triển ứng dung trong thông tin quân

sự để cung cấp khả năng chống lại việc gây nhiễu của địch, che dấu tín hiệu bằngcách phát ở công suất thấp nhằm giảm khả năng bị phát hiện Dùng cho tín hiệu

truyền tin có hai loại trải phổ cơ bản là trải phổ chuổi trực tiếp (DS: Direct

Sequence) và trải phổ nhảy tần (FH: Frequence hopped) Có hai loại điều chế liên

quan đến trải phổ đó là khóa dịch pha (PSK: Phase Shift Keying) và khóa dịch tần

số (FSK: Frequency Shift Keying) sẽ được làm rõ ở chương hai

- Đa truy nhập, cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập mạng thông tin để

sử dụng hệ thống truyền dẫn theo nhu cầu Nhằm khôi phục chính xác tín hiệu thucần thiết biết thông tin về thời gian tồn tại của một symbol là TS của tín hiệu số vàtrong các hệ thống truyền dẫn kết hợp thì còn phải biết chính xác thông tin về pha

của tín hiệu sóng mang sử dụng trong điều chế số Để làm được điều này thì bênphát phải thông báo cho bên thu biết các thong tin đó và hệ thống thực hiện chứcnăng này gọi là hệ thống đồng bộ

- Đồng bộ, bao gồm đồng bộ nhịp đồng hồ, đồng bộ bít, đồng bộ symbol,đồng bộ khung, đồng bộ mạng và đồng bộ pha sóng mang đối với các hệ thốngthông tin liên kết

- Máy phát thực hiện trộn tần, khuếch đại tần số và lọc tần số Cụ thể là trộntần tín hiệu từ tần số trung tâm lên tần số vô tuyến

- Kênh truyền vô tuyến là môi trường giữa điểm phát và điểm thu Kênhtruyền là môi trường vô tuyến Mọi kênh truyền đều gây ra độ suy hao hay là độ tổnthất truyền dẫn Vì thế cường độ tín hiệu bị suy giảm dẫn theo khoảng cách truyền

Có rất nhiểu ảnh hưởng không mong muốn xuất hiện trong quá trình truyền dẫn tínhiệu Suy hao là một ảnh hưởng không mong muốn do nó gây ra suy giảm cường độtín hiệu tại máy thu Các hiệu ứng khác như méo nhiễu tạp âm làm cho dạng tínhiệu bị thay đổi do đó có ảnh hưởng nghiêm trọng hơn Méo là là hiện tượng ảnhhưởng đến dạng sóng tín hiệu gây ra bởi đáp ứng không lý tưởng của hệ thống nhưmong muốn Không giống như nhiễu và can nhiễu, khi không có tín hiệu thì không

có méo Nếu kênh truyền là tuyến tính nhưng đáp ứng có méo thì méo này có thểđược sửa, hoặc có thể giảm thiểu bằng bộ lọc đặc biệt gọi là bộ cân bằng Can nhiễu

là những tín hiệu tác động từ những nguồn tín hiệu khác vào tín hiệu cần truyền nhưcác máy phát khác, đường dây điện Can nhiễu thường xuất hiện trong các hệ thống

vô tuyến do những anten thường thu nhiều loại tín hiệu đồng thời các bộ lọc thườngđược sử dụng để loại bỏ can nhiễu có tẫn số ngoài dải tẫn của tín hiệu truyền dẫnmong muốn Nhiễu hay là các tín hiệu điện ngẫu nhiên sinh ra bởi các quá tình vật

lý trong hệ thống và cả từ bên ngoài Khi nhiễu tác động vào tín hiệu truyền có thểlàm giảm chất lượng của tín hiệu hay có thể làm hỏng đường truyền Bộ lọc dùng

để giảm nhiễu một phẫn nhưng nhiễu không thể loại bỏ hoàn toàn Nhiễu là mộtthành phẫn cơ bản tạo ra những giới hạn trong hệ thống truyền thông

- Lọc (được thực hiện tại máy thu phát đầu cuối), bao gồm lọc cố định nhằmhạn chế phổ tần, chống tạp nhiễu và lọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gây bởiđường truyền

Trên sơ đồ hình 1.2 các khối nhánh bên dưới (phần thu) thực hiện các thuậttoán xử lý ngược với các khối tương ứng ở nhánh trên (phần phát).

Trong số các chức năng nói trên thì các chức năng tạo khuôn tín hiệu số, điềuchế và giải điều chế số là không thể thiếu đối với mọi loại hệ thống thông tin số Vềmặt thuật toán mà nói, khối điều chế số là một khối giao diện, thực hiện biến đổi tínhiệu số thành các tín hiệu liên tục phù hợp với việc truyền đưa tín hiệu đi xa Máyphát đầu cuối chỉ thực hiện các thuật toán trộn tần nhằm đưa tín hiệu lên tới tần sốthích hợp, khuếch đại, lọc và phát xạ tín hiệu vào môi trường truyền dẫn (bằng hệthống ăng-ten và phi-đơ trong các hệ thống vô tuyến chẳng hạn) Đối với một hệthống thông tin số thì MODEM đóng vai trò như bộ não còn máy thu phát thì chỉnhư cơ bắp mà thôi Các khối chức năng còn lại không phải là bắt buộc đối với tất

cả mọi hệ thống thông tin số mà chỉ có mặt trong từng loại hệ thống cụ thể và dovậy trên hình 1.2 chúng được diễn tả bằng các khối đứt nét

Các thuật toán xử lý tín hiệu trong sơ đồ khối hình 1.2 có thể phân thành hainhóm chính:

- Các thuật toán xử lý tín hiệu băng gốc bao gồm các thuật toán từ tạo khuôntới điều chế số (và các khối có chức năng ngược lại ở phần thu)

- Các thuật toán xử lý tín hiệu tần số cao hay tín hiệu thông giải bao gồm các thuật toán liên quan tới đa truy nhập, trải phổ và thuật toán trộn tần nhằm

đưa tín hiệu lên tần số cao

Trong phân tích, đánh giá và thiết kế hệ thống, các hệ thống hoàn toàn có thểxem xét được ở dạng băng gốc tương đương, trong đó:

- Mọi tín hiệu đều là tín hiệu băng gốc hoặc tín hiệu băng gốc tương đươngnhờ sử dụng tín hiệu đường bao phức hay còn gọi là tín hiệu thông thấp tươngđương của tín hiệu cao tần

- Mọi khối đều là các mạch thông thấp hay thông thấp tương đương

1.8 Điều chế

1.8.1 Khái niệm điều chế số

Điều chế là quá trình gửi thông tin vào các tham số của sóng mang vô tuyếnvới độ rộng băng tần cần thiết để truyền kênh vô tuyến Hay nói cách khác, điều chếđược xem như là quá trình mà trong đó một đặc tính nào đó của sóng mang được

thay đổi theo một sóng điều chế [4].

Ngoài ra để tăng dung lượng đường truyền dẫn số khi băng tần của kênh vôtuyến có hạn người ta sử dụng điều chế khóa pha và khóa biên kết hợp và phương

pháp này được gọi là điều chế cầu phương vuông góc (QAM: Quadrature Ampliud

Modulation) [4].

1.8.2 Tại sao phải dùng điều chế số

Vì năng lượng của tín hiệu phát ra ở máy phát không đủ để có thể truyền tínhiệu ở khoảng cách xa, do đó cần phải sử dụng điều chế để nhờ năng lượng củasóng điều chế mang tín hiệu truyền đi trên đường truyền

Điều chế số đã dần dần thay thế điều chế tương tự bởi một số lợi thế riêng của

nó như: khi chuyển sang điều chế số thì dung lượng thông tin mang đi sẽ nhiều hơn,tương thích với các dịch vụ dữ liệu số, bảo mật cao hơn, chất lượng kết nối hệ thốngtốt hơn, và tính sẵn sàng của hệ thống nhanh hơn

Phổ vô tuyến được chia sẽ, và hằng ngày có thêm nhiều người dùng mới sửdụng phổ này để dùng các dịch vụ, do đó quy hoạch về tài nguyên vô tuyến là điềuhết sức cần thiết Khi sử dụng điều chế số thì dung lượng mang tin sẽ lớn hơn là sửdụng điều chế tương tự, nên sẽ giải quyết một phần nào đó vấn đề này [4]

1.8.3 Điều chế tín hiệu nhiều mức nhằm nâng cao hiệu quả phổ

Trong thực tế, hầu hết các nguồn tin số đều tạo ra tín hiệu nhị phân Để đạtđược hiệu quả phổ cao, các tín hiệu số nhị phân thường được mã thành các tín hiệunhiều mức (chức năng thứ nhất của bộ điều chế nhiều mức) Tức là chấp nhận tăngcông suất của tín hiệu nhằm giảm bề rộng phổ mà tín hiệu chiếm

Bề rộng phổ tín hiệu số phụ thuộc vào số chiều của tín hiệu Trước tiên chúng

ta sẽ xem xét độ rộng phổ đối với một tín hiệu đơn lẻ của tập tín hiệu Về lý thuyết,phổ của một tín hiệu số trải từ  tới , điều này nhận được thông qua biến đổiFourrier Tuy nhiên trong thực tế bề rộng phổ chiếm của một tín hiệu số là giải đượcxét như sau Độ rộng băng tạp âm của bộ lọc phối hợp, theo lý thuyết thông tin,bằng 1/TS (TS là độ dài của một symbol) Như vậy, độ rộng băng tần của một tínhiệu số tối thiểu sẽ là 1/TS Trong thực tế độ rộng băng tín hiệu số thường lớn hơngiá trị này một vài chục phần trăm [3]

Nếu các tín hiệu cơ sở trực giao của không gian tín hiệu đều có chung một tần

số, đây là trường hợp đối với các tín hiệu một hay hai chiều (thí dụ BPSK: Binary

Phase Shift Keying, M-PSK, M-QAM ), thì các tín hiệu số được tạo thành là các tổ

hợp tuyến tính của các tín hiệu cơ sở cũng sẽ có chung tần số và do vậy cho phépviệc thu chúng sử dụng chung một loại mạch lọc Kết quả là tập tín hiệu tổng cộngcũng chiếm giải tần như của một tín hiệu đơn (là 1/TS chưa kể vài chục phần trăm

mở rộng đã nói ở trên đây) [3]

Đối với trường hợp các tín hiệu cơ sở trực giao của không gian tín hiệu có cáctần số khác nhau (trường hợp điều chế tần số số FSK, MSK ) thì khoảng cách tần

số giữa các tần số đó phải không nhỏ hơn 1/TS Phổ của cả tập tín hiệu sẽ chiếm tớiM/TS và vì số chiều của tín hiệu trong trường hợp này D = M nên có thể thấy đượcngay rằng khi số chiều tín hiệu tăng thì bề rộng phổ chiếm của cả tập tín hiệu cũng

sẽ tăng một cách tỷ lệ [3]

Hiệu quả phổ của tín hiệu được đánh giá bằng tốc độ truyền tin cho phép trênmột đơn vị bề rộng phổ tần số (có đơn vị là b/s/Hz) Việc điều chế M mức sẽ làmtăng TS lên log2M lần so với độ rộng một bít, cho phép giảm mạnh phổ chiếm củatín hiệu, do vậy tăng được hiệu quả phổ so với trường hợp nhị phân [3]

Các loại điều chế tần số, mặc dù việc thực hiện là rất đơn giản và có những ưuđiểm nhất định do là tín hiệu có đường bao không đổi nên ít nhạy cảm với các méophi tuyến trên kênh, song không cho hiệu quả phổ tốt (không nâng được hiệu quả sửdụng phổ so với trường hợp nhị phân) Vì thế, trong thực tế chúng chỉ được sử dụngvới M khá nhỏ (thường không quá 4) và thường chỉ áp dụng trong những trườnghợp khi hiệu quả phổ không phải là yêu cầu tối thượng trong khi đó các yêu cầu vềkhả năng chịu méo phi tuyến, mức độ đơn giản thiết bị lại là những yêu cầu hàngđầu Đối với các hệ thống đòi hỏi hiệu quả phổ lớn như các hệ thống dung lượnglớn và vừa chẳng hạn, các loại điều chế thường được sử dụng là M-PSK hay M-QAM vì đối với các loại tín hiệu này hiệu quả phổ tăng log2M lần so với tín hiệunhị phân [3]

Trả giá đối với việc nâng cao được hiệu quả phổ là phải tăng công suất tínhiệu Chúng ta sẽ xét làm thí dụ đối với tín hiệu M-PSK Với cùng một công suất tínhiệu như nhau (các véc-tơ tín hiệu có độ dài như nhau), thì khoảng cách từ điểm tínhiệu tới biên quyết định đối với trường hợp M-PSK (M>2) nhỏ hơn trong trường

hợp điều chế pha nhị phân (BPSK), do đó xác suất thu lỗi đối với M-PSK sẽ lớnhơn đối với BPSK Để bảo đảm duy trì xác suất thu lỗi như của trường hợp BPSK,cần phải tăng khoảng cách từ điểm tín hiệu tới biên quyết định cho trường hợp M-PSK Điều này dẫn đến phải tăng công suất của tín hiệu Tỷ lệ tăng công suất đốivới điều chế pha số M-PSK dễ dàng xác định được là [3]:

2

2 2

2 ) 2 / ( sin

1 /



n P

P M B  n  n (1.1)trong đó PM và PB lần lượt là công suất cần thiết đối với M-PSK và BPSK để

có được cùng một xác suất thu lỗi như nhau, n = log2M [3]

1.8.4 Lựa chọn tối ưu tập tín hiệu

Việc lựa chọn tập tín hiệu (lựa chọn phương pháp điều chế) nhằm đạt đượcmột hiệu quả sử dụng phổ theo yêu cầu với công suất tín hiệu nhỏ nhất mà vẫn bảođảm được xác suất thu lỗi đã cho Chẳng hạn chúng ta có bài toán: Hệ thống truyềndẫn cần có dung lượng B [b/s], hãy xác định loại tín hiệu (loại điều chế) cần sửdụng để truyền với một xác suất lỗi xác định nào đó trên một kênh có bề rộng băngtần W [Hz], W<B Cách giải quyết như sau Do W<B, điều chế nhị phân không thể

sử dụng được nên chúng ta nhất thiết phải sử dụng điều chế nhiều mức Do điều chếFSK không tăng được hiệu quả sử dụng phổ so với trường hợp nhị phân nên chúng

ta sẽ không xét tới Các loại điều chế thông thường có hiệu quả sử dụng phổ cao làPSK và QAM do đó ở đây ta sẽ thực hiện so sánh hai loại điều chế này Với cùngmột giá trị M, hiệu quả sử dụng phổ của cả hai cách điều chế này đều tăng như nhau

là log2M lần so với của trường hợp nhị phân Vấn đề là loại điều chế nào đòi hỏicông suất tín hiệu nhỏ hơn Như đã trình bày ở phần trước, xác suất thu lỗi của hệthống truyền dẫn số không phụ thuộc vào dạng sóng cụ thể của tín hiệu mà chỉ phụthuộc vào constellation của tín hiệu, cụ thể là phụ thuộc vào khoảng cách từ điểmtín hiệu tới biên quyết định Do đó ta sẽ so sánh M-PSK và M-QAM bằngconstellation của chúng Để có được xác suất thu lỗi như nhau, ta phải có dP=dQ,trong đó dP, dQ lần lượt là khoảng cách từ điểm tín hiệu tới biên quyết định đối vớiM-PSK và M-QAM [3]

M E

d p  p sin  (1.2a)

và

) 1 (

2

1





M E

d Q Q (1.2b)trong đó EP, EQ lần lượt là năng lượng của tín hiệu PSK và QAM

Cho dP=dQ, ta thu được:

M M

E

E Q / p  2 (  1 ) 2 sin 2  (1.3)Như vậy, với M>8, EQ sẽ nhỏ hơn EP cần thiết để đạt được cùng một BER đãcho (với M = 16, điều chế QAM sẽ lợi 1.64 dB về công suất hơn so với PSK, vớiM=64 độ lợi này sẽ đạt tới 6,27 dB) Cần phải nói thêm rằng, EQ được sử dụngtrong các biểu thức (1.2a, b) và (1.3) là năng lượng của tín hiệu QAM có nănglượng lớn nhất Năng lượng trung bình của tín hiệu M-QAM còn nhỏ hơn nữa, tức

là giá trị độ lợi về công suất trên đây sẽ còn lớn hơn nữa nếu tính theo công suấttrung bình) Có nghĩa là nếu M>8, sơ đồ điều chế M-QAM sẽ lợi hơn M-PSK vềcông suất Khi 4<M8, điều chế M-PSK lợi hơn M-QAM Với M = 4, vế phải của(1.3) bằng 1, tức là 4-QAM tương đương với 4-PSK [3]

Như vậy, với các hệ thống dung lượng lớn (có tốc độ bít lớn), để tiết kiệm phổtần người ta thường sử dụng các sơ đồ điều chế với M cao và do hệ thống M-QAM

là hệ thống lợi hơn về công suất nên thường được sử dụng trong thực tế Khi dunglượng hệ thống vừa hoặc nhỏ, số mức điều chế M không cần lớn thì người tathường sử dụng điều chế PSK vừa lợi về công suất, vừa ít nhạy cảm với méo phituyến gây bởi bộ khuếch đại công suất phát [3]

Trong thực tế, M-PSK thường có số mức điều chế M = 2, 4, 8, còn các hệthống M-QAM truyền thống thì M = 4, 16, 64 Điều chế 4-QAM hoàn toàn tươngđương với 4-PSK do constellation của chúng hoàn toàn giống nhau [3]

1.9 Sự phân chia tài nguyên vô tuyến

Ta biết rằng thông tin vô tuyến đảm bảo việc phát thông tin đi xa nhờ các sóngđiện từ Môi trường truyền sóng (khí quyển trên mặt đất, vũ trụ, nước, đôi khi là cáclớp địa chất của mặt đất) là chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến Việc phânkênh chủ yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số Phổ tần vô tuyến kéo dài từ các tần số dưới

âm thanh đến các tia vũ trụ (1012Hz)

Các tần số cực kì thấp (ELF: Extremely Low Frequencies) Có giá trị nằm

từ xa tần thấp.

Các tần số tiếng nói (VF: Voice Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi

300 Hz ÷3kHz, chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn

Các tần số rất thấp (VLF: Very Low Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm

vi 3÷30kHz, chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói Dùng cho các hệthống an ninh, quân sự và chuyên dụng của chính phủ như là thông tin dưới nước(giữa các tàu ngầm)

Các tần số thấp (LF: Low Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷

300kHz (thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không

Các tần số trung bình (MF: Medium Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm

vi 300kHz ÷ 3MHz (thường gọi là sóng trung), chủ yếu dùng cho phát thanh thươngmại sóng trung (535 đến 1605 kHz) Ngoài ra cũng sử dụng cho dẫn đường hàng hải

và hàng không

Các tần số cao (HF: High Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷

30MHz (thường gọi là sóng ngắn) Phần lớn các thông tin vô tuyến 2 chiều sử dụngdải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàngkhông, nghiệp dư, phát thanh quảng bá v.v

Các tần số rất cao (VHF: Very High Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm

vi 30 ÷ 300MHz (còn gọi là sóng mét), thường dùng cho vô tuyến di động, thông tinhàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến 108MHz), truyền hìnhthương mại kênh 2 đến 12 với tần số từ 54MHz đến 216MHz)

Các tần số cực cao (UHF: Ultra High Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm

vi 300MHz ÷ 3GHz (còn gọi là sóng đề xi mét), dùng cho các kênh truyềnhình thương mại, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các hệ thống điện thoại tếbào, một số hệ thống rada và dẫn đường, các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh

Các tần số siêu cao (SHF: SuperHigh Frequencies) Có giá trị nằm trong

phạm vi 3÷30GHz (còn gọi là sóng cen ti mét), chủ yếu dùng cho vi ba và thôngtin vệ tinh

Các tần số cực kì cao (EHF: Extremely High Frequencies) Có giá trị nằm trong

phạm vi 30÷300GHz (còn gọi là sóng mi li mét), ít sử dụng cho thông tin vô tuyến

Các tần số hồng ngoại Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3THz ÷ 300THz, nói

chung không gọi là sóng vô tuyến Sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìm nhiệt,

chụp ảnh điện tử và thiên văn học.

Các ánh sáng nhìn thấy Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3PHz÷3PHz, dùngtrong hệ thống sợi quang

Các tia cực tím, tia X, tia gamma và tia vũ trụ Rất ít sử dụng cho thông tin.Ngoài ra người ta còn dùng các chữ cái để đánh số các băng tần như trình bàytrong bảng 1.1

Bảng 1.1 Các băng sóng sử dụng trong thông tin vô tuyến

1.10 Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến

Một cách tương đối, dải tần vô tuyến có thể phân chia thành thông tin cao tần

và thông tin siêu cao tần

a Thông tin cao tần

Dải sóng 3MHz đến 30MHz gọi là thông tin cao tần, ở dải sóng này:

- Sóng điện từ bị khúc xạ, nhiễu xạ, chịu ảnh hưởng của tạp âm công nghiệp

và tạp âm khí quyển

- Tuy băng tần hẹp nhưng dải sóng này có khá nhiều thiết bị làm việc

- Do dải tần chung hẹp, mỗi thiết bị chỉ được phân một dải tần nhỏ Vì vậy,yêu cầu thiết bị có tần số làm việc ổn định nhưng khả năng làm việc trong toàn bộdải tần để ở điều kiện nào cũng tìm được tần số làm việc tốt nhất

- Thích hợp truyền tín hiệu thoại đơn kênh, tổ chức thông tin đơn công, truyền

số liệu tốc độ thấp mà không tổ chức tách ghép kênh

b Thông tin siêu cao tần

Dải 30MHz đến 30GHz gọi chung là thông tin siêu cao tần Do dải rộng, nên

nó có khá nhiều ưu điểm:

- Khả năng truyền tín hiệu có dải rộng như thoại nhiều kênh, tín hiệu truyềnhình, truyền số liệu tốc độ cao

- Tổ chức thông tin song công

- Sử dụng được điều chế tần số, điều pha khắc phục được ảnh hưởng của điềubiên kí sinh

- Anten kích thước nhỏ, thuận lợi cho việc lắp đặt, tiết kiệm công suất và tăng

độ bảo mật

- Ít chịu ảnh hưởng của tạp âm công nghiệp và tạp âm khí quyển

Nhược điểm của dải sóng siêu cao tần là sóng bị suy giảm nhanh trongquá trình truyền Tín hiệu đến anten thu rất nhỏ, yêu cầu máy thu phải có độnhạy cao

Sóng siêu cao tần sử dụng phương thức truyền lan sóng trực tiếp, sóng phản xạ

từ đất và phản xạ từ tầng đối lưu Với phương thức truyền lan sóng trực tiếp từ antenphát đến anten thu theo đường thẳng để đảm bảo thông tin thì giữa hai an ten phảikhông có vật chắn Sóng siêu cao tần truyền thẳng gọi là ‘Vô tuyến trong tầm nhìnthẳng’ hay ‘ Vô tuyến trực thị’ Nhưng bề mặt quả đất cong, địa hình phức tạp,khoảng cách nhìn thấy trực tiếp bị hạn chế (nhỏ hơn 50Km) Để thiết kế các tuyếnthông tin cần thiết phải tổ chức các trạm trung gian làm nhiệm vụ thu phát, chuyểntiếp tín hiệu, nên gọi là vô tuyến chuyển tiếp hay vô tuyến tiếp sức Hiện nay gọi làthông tin viba

Tóm lại, thông tin viba bao gồm:

- Thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp, các trạm

chuyển tiếp được đặt trên vệ tinh ngoài Trái đất.

- Thông tin di động là hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp số, trong giaodiện vô tuyến giữa máy di động MS và trạm thu phát gốc BTS

- Thông tin viba mặt đất là hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp, trạmchuyển tiếp đặt trên mặt đất

1.11 Kết luận chương

Hệ thống thông tin đã và đang phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây.Việc nghiên cứu sâu về cấu trúc hệ thống, các kỹ thuật Xử lý số tín hiệu, sự phânchia tài nguyên vô tuyến thực sự cần thiết đối với kỹ sư điện tử viễn thông Chương

2 sẽ phân tích các tác động của kênh truyền đến chất lượng hệ thống

CHƯƠNG II TRUYỀN DẪN TRÊN KÊNH VÔ TUYẾN SỐ

1.1 Giới thiệu chương

So với kênh truyền hữu tuyến thì kênh truyền vô tuyến chịu khá nhiều nhữngtác động phức tạp như tạp âm cộng trắng chuẩn AWGN, fading, Doppler, méo tínhiệu dẫn tới sự phụ thuộc vào thời gian và tần số của kênh, suy giảm cường độ tínhiệu nhận được của máy thu so với phía phát Chương 2 đi sâu vào phân tích các tácđộng nói trên cũng như các biện pháp khắc phục ảnh hưởng nhằm nâng cao chấtlượng hệ thống

2.2 Lý thuyết về kênh vô tuyến

2.2.1 Truyền dẫn phân tập đa đường

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường khôngbao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát vànơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhậnđược chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ,khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi

là sự truyền sóng đa đường

Kênh truyền dẫn phân tập đa đường gây nên hiệu ứng fading ở miền tần số gọi

là kênh phụ thuộc tần số Thực chất của hiện tượng kênh phụ thuộc tần số là hàmtruyền đạt của kênh phụ thuộc vào giá trị của tần số tín hiệu phát Bản chất của hiệntượng này sẽ được giải thích ở các mục tiếp theo [3]

2.2.2 Kênh không phụ thuộc thời gian

a Khái niệm

Kênh không phụ thuộc thời gian là kênh truyền dẫn trong trường hợp không

có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát

Bản chất của hiện tượng này là cả đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênhkhông phụ thuộc thời gian

b Đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian

Đáp ứng xung là dãy xung thu được ở máy thu khi máy phát phát đi một dãyxung cực ngắn gọi là xung Dirac

0 )

1 )

Đáp ứng của kênh không phụ thuộc thời gian được định nghĩa:

)(

)(

1

k N

K k

Np là số tuyến truyền dẫn

h(  ) là đáp ứng xung của kênh

 là trễ truyền dẫn

ak là hệ số suy hao tương ứng với tuyến k

Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian:

Như vậy, cả đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh trong trường hợp nàyđều không phụ thuộc thời gian

Dựa vào hàm truyền đạt của kênh ta có thể biết được miền tần số nào tín hiệu

bị suy hao lớn, miền tần số nào tín hiệu bị suy hao bé

c Bề rộng và độ ổn định về tần số của kênh

Bề rộng độ ổn định về tần số được xác định theo công thức:

max

1 ) (





f c (2.5) với  max là trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

Gọi Bk là băng tần của kênh Nếu ∆fc lớn hơn rất nhiều so với Bk thì kênhđược gọi là không phụ thuộc tần số Ngược lại (∆fc<< Bk) thì kênh được gọi là phụthuộc tần số

2.2.3 Hiệu ứng Doppler và kênh phụ thuộc thời gian

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máythu như trình bày ở hình 2.1 Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thuđược bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler

Hình 2.1 Hàm truyền đạt của kênhKhoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệchuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng Độ dịchDoppler có thể được tính theo công thức:

c f

f   o

 (2.6)Trong đó: f là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu

 là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát

f olà tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng

Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống, ví dụ hệ

thống (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplex) và gây sự phụ thuộc vào

thời gian của kênh

Đáp ứng xung

))((

),

1

t e

a t

Trong trường hợp này hàm truyền đạt của kênh thực chấp là quá trình xác suấtphụ thuộc cả về thời gian và tần số Hay fading có cả ở miền thời gian và miền tần

số Cụ thể hơn tín hiệu thu được ở tần số này cao nhưng có thể ở tần số khác lạithấp Tương tự như vậy có những thời điểm tín hiệu lại cao, còn những thời điểmkhác lại thấp

Phương trình trên có thêm thành phần biến thời gian tuyệt đối t và thành phầntần số Doppler fDk Cần phân biệt rõ ràng khái niệm thời gian tuyệt đối và trễtruyền dẫn của kênh Thời gian trễ truyền dẫn liên quan đến độ dài tuyến truyền dẫn

và vận tốc ánh sáng, là hiệu số giữa thời điểm nhận được tín hiệu và thời điểm phát

tín hiệu; còn thời gian tuyệt đối liên quan đến thời gian quan sát kênh Trong trườnghợp kênh truyền dẫn là quá trình dừng thì thời điểm quan sát kênh không đóng vaitrò quan trọng [3]

2.2.4 Bề rộng độ ổng định về thời gian của kênh

Để đánh giá sự phụ thuộc vào thời gian của kênh, Proakis đã đưa ra định nghĩa

về bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh Đại lượng này được định nghĩa như sau:

max

2

1 )

(

D c

f

t 

 (2.8)Tùy thuộc vào sự so sánh giữa bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh với

độ dài mẫu tín hiệu sẽ cho ra kết quả liệu kênh vô tuyến được gọi là kênh phụ thuộcvào thời gian hay không

Nếu bề rộng sự ổn định về thời gian của kênh lớn hơn nhiều so với độ dài củamột mẫu tín hiệu của hệ thống hay (∆t) >> Ts thì kênh truyền dẫn của hệ thống đóđược coi là không phụ thuộc thời gian Ngược lại, nghĩa là (∆t) << Ts thì kênhtruyền dẫn của hệ thống được coi là phụ thuộc thời gian [3]

2.2.5 Các mô hình kênh cơ bản

a Kênh theo phân bố Rayleigh

Hàm truyền của kênh thực chất là quá trình xác suất phụ thuộc cả thời gian vàtần số Biên độ của hàm truyền đạt của kênh tại tần số nhất định sẽ tuân theo phân

bố Rayleigh nếu các điều kiện dưới đây của môi trường truyền dẫn được thõa mãn:

- Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thẳng, nghĩa là không

có tuyến có công suất vượt trội,

- Tín hiệu ở máy thu nhận được từ vô số các hướng phản xạ và nhiễu xạkhác nhau

b Kênh theo phân bố Rice

Trong trường hợp môi trường truyền dẫn có tuyến truyền dẫn trong tầm nhìnthẳng thì công suất tín hiệu từ tuyến này vượt trội so với tuyến khác Xác suất củabiên độ hàm truyền đạt của kênh sẽ tuân theo phân bố Rice

2.3 Nhiễu trong thông tin vô tuyến số

2.3.1 Tạp âm cộng trắng chuẩn

Nhiễu trắng là một tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phân bố công suất phẳng

nghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn khoảng băng thông Tínhiệu này có tên là nhiễu trắng vì nó có tính chất tương tự với ánh sáng trắng Chúng

ta không thể tạo ra nhiễu trắng theo đúng lý thuyết vì theo định nghĩa của nó nhiễutrắng có mật độ phổ công suất phân bố trong khoảng tần vô hạn và do vậy nó cũngphải có công suất vô hạn Tuy nhiên, trong thực tế do không có hệ thống nào cóbăng tần vô hạn, do vậy chúng ta chỉ cần tạo ra nhiễu trắng trong khoảng băng tầncủa hệ thống chúng ta đang xem xét

Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra như do thời tiết, do bộkhuếch đại ở máy thu, do nhiệt độ…

Sự can thiệp của nhiễu trắng đến kênh truyền dẫn, cụ thể hơn là tỷ số côngsuất tín hiệu trên tạp âm, ảnh hưởng trực tiếp đến thông lượng kênh và chất lượngtín hiệu thu [3]

2.3.2 Nhiễu xuyên kênh

Nhiễu xuyên kênh gây ra do các thiết bị phát trên các kênh liền nhau Nhiễuxuyên kênh thường xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bị dịch tần gây cannhiễu sang các kênh kề nó Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người ta phải có khoảngbảo vệ giữa các dải tần [3]

2.3.3 Nhiễu đồng kênh

Nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát phát trên cùng một tần số hoặctrên cùng một kênh Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai tín hiệu vớicường độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát Nhiễu đồng kênhthường gặp trong hệ thống thông tin số cellular, trong đó để tăng hiệu suất sử dụngphổ người ta sử dụng lại tần số Như vậy có thể coi nhiễu đồng kênh trong hệ thốngcellular là nhiễu gây nên do các cell sử dụng cùng 1 kênh tần số Nhiễu đồng kênh

liên quan tới việc sử dụng tần số Có thể ví dụ trong mạng (GSM: Global System

for Mobile Communication) thì mỗi trạm BTS được cấp phát một nhóm tần số vô

tuyến Các trạm thu phát gốc (BTS: Base Transceiver Station) lân cận được cấp

phát các nhóm kênh vô tuyến không trùng với các kênh của BTS liền kề Đặc trưngcho loại nhiễu này là tỉ số sóng mang trên nhiễu Tỉ số này được định nghĩa làcường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu sau lọc cao tần và nó thểhiện mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu mong muốn so với nhiễu đồng kênh từ các

2.3.4 Nhiễu đa truy nhập

Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các user giao thoa với nhau, làyếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ thống [3]

a Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiplexing

Access): Trong TDMA là sự giao thoa của các tín hiệu ở khe thời gian này với khe

thời gian khác do sự không hoàn toàn đồng bộ gây ra Người ta phải có khoảng bảo

vệ để giảm xác suất người dùng bị giao thoa nhưng cũng đồng thời làm giảm hiệusuất sử dụng phổ

b Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA: Frequence Division

Multiplexing Access): Các hiệu ứng Doppler làm dịch phổ tần số dẫn đến có sự giao

thoa giữa các dải tần con Sử dụng khoảng bảo vệ về băng tần để giảm xác xuấtgiao thoa giữa các kênh kề nhau đồng nghĩa với việc giảm hiệu suất sử dụng phổ

c Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiplexing

Access): Trong CDMA người ta sử dụng tính trực giao của mã nên hầu như không

có nhiễu giữa các user

d Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp (DS CDMA: Direct

Sequence Code Division Multiplexing Access): Theo những nghiên cứu gần đây,

phương thức đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp DS-CDMA dựa vàoviệc trải phổ dòng dữ liệu bằng cách sử dụng một mã trải phổ được ấn định cho mỗingười sử dụng trong miền thời gian Khả năng giảm thiểu nhiễu đa truy nhập MAIdựa vào tính tương quan chéo của mã trải phổ Trong trường hợp truyền đa đường,khả năng phân biệt một tín hiệu thành phần từ nhiều thành phần khác trong tín hiệu

thu tổng hợp được cung cấp bởi tính tự tương quan của mã trải phổ Máy thu RAKE

có chứa nhiều bộ tương quan, mỗi bộ tương quan được nối với một dường dẫn cókhả năng phân giảỉ khác nhau Vì vậy hoạt động của hệ thống DS-CDMA sẽ phụthuộc nhiều vào số lượng người sử dụng thực tế, đặc trưng của kênh và số lượng cácnhánh được dùng trong máy thu RAKE Cũng vì lý do này mà dung lượng của hệ

thống sẽ bị hạn chế do nhiễu nội và (MAI: Multiple Access Interference) mà nguyên

nhân là sự chưa hoàn chỉnh của tính tự tương quan cũng như tính tương quan chéocủa mã trải phổ Điều này gây ra khó khăn cho hệ thống DS-CDMA trong việc sửdụng đầy đủ năng lượng tín hiệu thu bị phân tán trong miền thời gian

2.4 Méo tuyến tính

2.4.1 Khái niệm

Méo tuyến tính có đặc tính không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu được truyền

và được đánh giá qua thông số sai lệch giữa đặc tính biên độ- tần số và/ hoặc đặctính tần pha (hay đặc tính giữ chậm) của hàm truyền tổng cộng của hệ thống so vớiđặc tính được thiết kế nhằm triệt tiêu ISI trong qua trình truyền dẫn tín hiệu số

Nguyên nhân gây ra méo tuyến tính:

- Chế tạo các mạch lọc không hoàn hảo

- Đặc tính tần số của môi trường truyền không bằng phẳng trên suốt độ rộngbăng tín hiệu do các hiện tượng như:

 Fading đường chọn lọc theo tần số trong các hệ thống vô tuyến số băngrộng

 Tiêu hao phụ thuộc tần số khí quyển do sự hấp thu của không khí và hơinước đối với các hệ thống vô tuyến

 Tiêu hao phụ thuộc tần số của đường dây…

Hàm truyền tổng cộng của hệ thống có méo tuyến tính có dạng:

tố trên.

Đặc trưng của méo tuyến tính:

- Khi phát một điểm tín hiệu thì ở đầu thu thu được một cụm điểm tín hiệu

- Khi thay đổi biên độ tín hiệu thì diện tích cụm điểm không đổi

2.4.2 Các biện pháp khắc phục

a Mạch san bằng

Như đã thấy trong các mục trước, một trong những ảnh hưởng cơ bản của

kênh liên tục tới chất lượng truyền dẫn số là việc gây ra (ISI: Inter Symbol

Interference) do đặc tính tổng cộng của hệ thống, bao gồm cả môi trường truyền,

không thoả mãn tiêu chuẩn truyền dẫn không có ISI Các kênh tiêu biểu như vậy làcác kênh vô tuyến, bao gồm cả kênh vô tuyến chuyển tiếp lẫn các kênh thông tin diđộng Một trong những đặc điểm hết sức quan trọng của các kênh vô tuyến là sựbiến đổi theo thời gian một cách ngẫu nhiên Điều này dẫn đến máy thu được thiết

kế nhằm chống các tác động của tạp âm và ISI phải có đặc tính tự thích nghi, tức làphải có các tham số được tự động điều chỉnh một cách tối ưu bám theo các biếnđộng của kênh truyền Một trong các giải pháp nhằm hạn chế đến mức rất thấp cácméo tuyến tính gây bởi đường truyền không lý tưởng biến đổi ngẫu nhiên theo thờigian là sử dụng các mạch san bằng [3]

Hàm truyền tổng cộng của hệ thống không có san bằng có thể viết đượcdưới dạng

T(,t)=C().H(,t) (2.9)trong đó C() là hàm truyền thoả mãn tính chất truyền không có ISI cònH(,t) thể hiện các tác động không mong muốn của kênh liên tục Một cách tổngquát thì đó là một hàm phụ thuộc cả biến thời gian

bản chất, bộ san bằng là một mạch điện được mắc thêm vào lối ra mạch lọcthu nhằm bù đắp các sai lệch của hàm truyền tổng cộng của hệ thống so với hàmtruyền cho phép truyền không có ISI Tại một thời điểm t nào đó, nhìn chung H(,t)

có dạng không bằng phẳng về biên độ, không tuyến tính về pha Mạch san bằng cótác dụng “là phẳng” đặc tính biên độ-tần số của H() cũng như bù đắp nhằm duy trìđặc tính pha-tần tuyến tính của đặc tính tổng cộng toàn hệ thống Một cách tổngquát, hàm truyền của mạch san bằng E() cần phải được thiết kế có dạng bằng1/H() Khi đó, hàm truyền tổng cộng của cả hệ thống có kể đến mạch san bằng sẽ

có dạng

TE()=C().H().E()=C(), (2.10)bảo đảm truyền dẫn tín hiệu số không có ISI

Trong các hệ thống truyền dẫn dùng dây trần, cáp xoắn hay cáp đồng trục các bộ san bằng cũng thường được áp dụng và được thực hiện trên miền tần số dướidạng các mạch điều chỉnh cosine hay các mạng cân bằng cáp Do đường dây thôngtin có đặc tính truyền dẫn biến đổi rất chậm theo thời gian nên các bộ san bằng nàyđược thiết kế hầu như cố định, việc điều chỉnh chúng thường được thực hiện bằngtay dựa trên các phép đo định kỳ đường dây Cần phải nói thêm ở đây rằng, thực tếcác mạch san bằng như vậy chỉ cho phép sửa được những sai lệch tương đối lớn và

do vậy tốc độ số liệu truyền trên các kênh thoại có san bằng cố định như vậy rất hạnchế (vào khoảng 1200 ÷ 2400 b/s) Với các tốc độ số liệu lớn hơn nữa thì các mạchsan bằng cố định nói trên trở nên không thích hợp [3]

Trong các hệ thống vô tuyến số tốc độ lớn, do các kênh vô tuyến có đặc tínhbiến đổi khá rõ rệt theo thời gian nên tại các thời điểm khác nhau H(,t) có thể códạng khác nhau, do vậy các mạch san bằng còn cần phải hoạt động theo một thuậttoán cho phép điều chỉnh E(,t) bám theo được các thay đổi của H(,t) Tức là cácmạch san bằng phải có đặc tính thích nghi Máy thu với các bộ san bằng thích nghiđược gọi là máy thu thích nghi Như vậy, mạch san bằng thích nghi là một mạchtuyến tính biến đổi theo thời gian và có thể mô tả đầy đủ được bởi hàm truyềnE(,t) hay phản ứng xung e(t,) Do là một mạch biến đổi theo thời gian nên việcbiểu diễn, phân tích và thiết kế mạch san bằng sẽ thuận lợi hơn trên miền thời gian.Các mạch san bằng thích nghi đối với các hệ thống truyền dẫn số như thế có tên gọichung là mạch san bằng thích nghi miền thời gian(ATDE)

b Thu phân tập

Các biện pháp phân tập có thể được áp dụng trong các hệ thống vô tuyến sốnhằm hạn chế méo tuyến tính gây ra bởi fading đa đường bao gồm phân tập theokhông gian, phân tập theo tần số và phân tập theo góc [3]

c Truyền đa sóng mang

Đối với các hệ thống có phổ tín hiệu quá rộng dẫn đến rất khó bảo đảm độbằng phẳng của đặc tính đường truyền, biện pháp có thể được áp dụng là truyền dẫn

nhiều sóng mang Luồng bít cần truyền được biến đổi thành nhiều luồng con songsong và mỗi một luồng con được điều chế bằng một sóng mang riêng biệt Nhờ vậy,băng tín hiệu rất rộng được tách thành nhiều băng con, trong đó đặc tính tần số của

hệ thống dễ bảo đảm bằng phẳng hơn Trả giá của phương pháp này là tính kinh tế

do phải sử dụng mỗi một hệ thống con cho mỗi một luồng con Thêm vào đó, phổchiếm của tín hiệu tổng cộng trong trường hợp này lớn hơn một chút so với trườnghợp truyền dẫn một sóng mang do các mạch lọc phân cách các băng con không thểchế tạo với các biên hàm truyền hoàn toàn dốc đứng được Chính vì vậy, biện phápnày chỉ áp dụng trong những trường hợp nhất định, chẳng hạn trong những trườnghợp băng tín hiệu quá rộng hay trong một số hệ thống mà tuyến truyền dẫn đi quakhu vực có bề mặt nước (rất hay xảy ra pha-đing đa đường mạnh) [3]

d Mã chống nhiễu

Các lỗi bít gây nên do san bằng và phân tập không triệt tiêu được hoàn toànISI còn có thể được sửa tiếp bằng các mã chống nhiễu Về bản chất, mã hoá chốngnhiễu là việc biến đổi tập các từ mã cần truyền thành một tập các từ mã chống nhiễuvới các phần tử dư dùng để phát hiện và sửa các bít lỗi Trả giá của phương phápnày là việc tăng tốc độ bít truyền dẫn và do đó mở rộng phổ chiếm của tín hiệu.Nhìn chung, mã hoá chống nhiễu được sử dụng tương đối hoạ hoằn như một biệnpháp khắc phục tác động của fading đa đường trong các hệ thống vô tuyến số dunglượng cao do các khó khăn về công nghệ: các bộ mã hoá và giải mã tốc độ rất caothực hiện khá khó khăn ngay cả với các linh kiện và thiết bị hiện đại Trong nhữngtrường hợp cần thiết, một số mã chập với độ dư không lớn lắm có thể áp dụng đượctrong điều kiện công nghệ hiện tại [3]

2.5 Méo phi tuyến

- Làm thay đổi tỉ lệ lỗi

- Thay đổi (mở rộng) phổ tín hiệu