phân tích các đặc tính của kênh truyền vô tuyến

CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
2.1 Giới thiệu chương
Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường
truyền sóng giữa máy phát và máy thu. Trong
kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận
được bên thu được truyền theo tầm nhìn
thẳng. Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền
tín hiệu vô tuyến bị thay đổi. Việc nghiên
cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan
trọng vì chất lượng của hệ thống truyền vô
tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này.
2.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ
thống OFDM
2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation)
Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức
công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ
điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là
do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng
và hiệu ứng đa đường. Hình 2.1 cho thấy một
số nguyên nhân làm suy giảm tín hiệu. Bất kì
một vật cản nào trên đường truyền đều có thể
làm suy giảm tín hiệu.
Hình 2.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến
2.2.2 Hiệu ứng đa đường
• Rayleigh fading
Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF
từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản
như đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường
tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng đa đường) dẫn
đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu
làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm.

Hình 2.2 chỉ ra một số trường hợp mà tín
hiệu đa đường có thể xảy ra.
Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu
phản xạ có thể là nguyên nhân gây ra nhiễu
có cấu trúc hay không có cấu trúc. Điều này
được tính trên các khoảng cách rất ngắn
(thông thường là một nửa khoảng cách sóng
mang), vì vậy ở đây gọi là fading nhanh. Mức
thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi trong
khoảng từ 10-30dB trên một khoảng cách ngắn.







Hình 2.3 mô tả các mức suy giảm khác nhau có
thể xảy ra do fading.
Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả
thời gian thống kê của công suất tín hiệu
thu. Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu
được do fading. Bảng 2.1 chỉ ra xác suất của
mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh.
 
!"#$%
&'()*+, / #0123455!6%
Bảng 2.1 sự phân bố tích lũy đối với phân bố
Rayleigh
• Fading lựa chọn tần số

Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào,
đáp ứng phổ không bằng phẳng do có sóng phản
xạ đến đầu vào máy thu. Sự phản xạ có thể
dẫn đến tín hiệu đa đường của công suất tín
hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy
giảm công suất tín hiệu thu do nhiễu.Toàn bộ
tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền
băng hẹp nếu không có đáp ứng tần số xảy ra
!"
#$%
7289:"
;<=.
>#?%
@5 44
5 A5
B@5 A
B5 5A
B&5 55A
trên kênh truyền.Có thể khắc phục bằng hai
cách :
- Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử
dụng phương pháp trải phổ như CDMA
nhằm giảm bớt suy hao.
- Phân toàn bộ băng tần thành nhiều
kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng
mang, mỗi sóng mang này trực giao với
các sóng mang khác (tín hiệu OFDM).
Tín hiệu ban đầu được trải trên băng
thông rộng, không có phổ xảy ra tại
tất cả tần số sóng mang. Kết quả là

chỉ có một vài tần số sóng mang bị
mất. Thông tin trong các sóng mang bị
mất có thể khôi phục bằng cách sử dụng
các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC .
• Trải trễ (Delay Spread)
Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát
bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản
xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi…
Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với
tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn
hơn. Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu
đi thằng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến
đầu vào máy thu.
Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn
đến nhiễu liên ký tự ISI. Điều này do tín
hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu
theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm
trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc
biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo
thời gian TDMA
=C,
=D
E
FG== 
Hình 2.4 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ
gây ra nhiễu liên kí tự. Khi tốc độ bit
truyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI
cũng tăng lên một cách đáng kể. Ảnh hưởng
thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn
khoảng 50% chu kỳ bit (bit time).

Bảng 2.2 đưa ra các giá trị trải trễ
thông dụng đối với các môi trường khác nhau.
Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp
xỉ là 20μs, do đó nhiễu liên kí tự có thể
xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps.
Nhiễu ISI có thể được tối thiểu hóa bằng
nhiều cách:
• Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ
dữ liệu cho mỗi kênh (như chia băng
$H=.==DIJ
!I===DHK)LM)N89=OF52P
552@:PQ5:$KO@R2P5R2&55:PQ+:
thông ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng
FDM hay OFDM).
• Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu
ISI như trong CDMA.
2.2.3 Dịch Doppler
Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển
động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu
không giống bên phía phát. Khi chúng di
chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì tần số
nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và
ngược lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì
tần số tín hiệu thu được là giảm xuống. Đây
gọi là hiệu ứng Doppler.
Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng
Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển
động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc
độ truyền sóng.
Độ dịch Doppler có thể được tính theo công

thức:
c
ff
o
ν
±≈∆

(2.1)

Trong đó
f
∆
là khoảng thay đổi tần số của tần số tín
hiệu tại máy thu.

ν
là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số
tín hiệu và máy phát.
o
f
là tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng.
Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải
nếu như kỹ thuật truyền sóng lại nhiễu với
dịch tần số sóng mang (như OFDM chẳng hạn)
hoặc là tốc độ tương đối giữa thu và phát
cao như trong trường hợp vệ tinh quay quanh
trái đất quỹ đạo thấp.
2.2.4 Nhiễu AWGN
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống
truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu

nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại
bên thu, và nhiễu liên ô (inter-cellular
interference). Các loại nhiễu này có thể gây
ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng
mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-
Modulation Distortion). Nhiễu này làm giảm
tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả
phổ của hệ thống. Và thực tế là tùy thuộc
vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu
quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn.
Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ
thống có thể được mô phỏng một cách chính
xác bằng nhiễu trắng cộng. Hay nói cách khác
tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến
nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu
này có mật độ phổ công suất là đồng đều
trong cả băng thông và biên độ tuân theo
phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động
thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vậy dạng
kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác
động của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động
nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là loại
nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng
cộng tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt,
trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là
rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu
khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian
trắng cộng tác động trên từng kênh con vì
xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm

của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều
kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI
Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu
thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênh truyền
ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng. Như đã giới
thiệu ở trên, ISI gây ra do trải trễ đa
đường. Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm
tốc độ dữ liệu. Nhưng với nhu cầu hiện nay
là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh. Do
đó giải pháp này là không thể thực hiện
được. Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được
đưa vào ứng dụng thực tế là chèn tiền tố lặp
CP vào mỗi ký tự OFDM. Ngoài nhiễu ISI,
nhiễu ICI cũng tác động không nhỏ đến chất
lượng tín hiệu thu được, do đó việc tìm hiểu
nó cũng rất quan trọng để nâng cao chất
lượng của hệ thống OFDM.
Trong môi trường đa đường, ký tự phát
đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian
khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau.
Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng
lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó
và kết quả là có nhiễu liên ký tự (ISI).
Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của
một ký tự OFDM với ký tự trước đó.Trong hệ
thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương
pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào
tiền tố lặp CP.
2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI

Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng
lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác.
Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của
phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang
khác bằng không. Máy thu lấy mẫu các ký tự
dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm
cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các
sóng mang khác. Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu
trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu
xuyên kênh (ICI) như ở hình 2.5.
ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi
trên thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler trên
mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số
trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực
giao giữa chúng. ICI cũng xảy ra khi một ký
tự OFDM bị nhiễu ISI. Sự lệch tần số sóng
mang của máy phát và máy thu cũng gây ra
nhiễu ICI trong hệ thống OFDM.
H 2S : J
TU=CTN
H 2S : J 
.123V=D
)K2S:WHW
AXY.123VDWHW=3Z'[!
2.2.7 Tiền tố lặp CP
Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý
tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức
thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự
(ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) đến tín hiệu
OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của

các sóng mang phụ . Để thực hiện kỹ thuật
này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM
được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở
phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như
là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký
tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng
bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (T
s
) lúc
này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (T
g
) và
thời gian truyền thông tin có ích T
FFT
(cũng
chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát
đi một ký tự).

=D
=D3\
]CZ'[!^
]CZ'[!+:0=/T_

''
=C,
Q!I`3)a


Ta có: T
s

= T
g
+ T
FFT
(2.2)
Ký tự OFDM lúc này có dạng:



−=
−+−−=+
=
@bb@b5%#
@bb@b%#
%#
Nnnx
nNnx
nx
T
νν
(2.3)
Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời
khoảng ký tự hữu ích T
FFT
bị hạn chế nhằm đảm
bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ
thuộc vào từng loại hình ứng dụng khác nhau.
Nếu tỉ lệ đó lớn tức là Tg tăng làm giảm
hiệu suất hệ thống. Tuy nhiên, nó phải bằng
hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại τ

max
(the maximum delay spread) nhằm duy trì tính
trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại
bỏ được các xuyên nhiễu ICI, ISI. Ở đây, giá
trị trải trễ cực đại là một thông số xuất
hiện khi tín hiệu truyền trong không gian
chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường
(multipath effect), tức là tín hiệu thu được
tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp
mà còn đến từ các đường phản xạ khác nhau,
và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời
điểm khác nhau. Giá trị trải trễ cực đại
được xác định là khoảng thời gian chênh lệch
lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua
đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu
được qua đường phản xạ.
Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ
nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả
năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số
sóng mang) trong hệ thống OFDM.
Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP còn có
khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix. Hậu tố
cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt
đầu của tín hiệu lấy IFFT được sao chép và
đưa ra phía sau của tín hiệu. Thêm vào hậu
tố cũng có thể chống được nhiễu ISI và ICI
nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được
vì nó làm giảm hiệu suất băng thông. Nếu chỉ
sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó
phải lớn hơn trải trễ lớn nhất. Còn nếu sử

dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổng chiều
dài của chúng phải lớn hơn độ trải trễ lớn
nhất của kênh truyền.
2.3 Khoảng bảo vệ
Thành phần ISI của việc truyền tín hiệu
OFDM có thể bị sai do điều kiện của quá
trình xử lý tín hiệu, bởi vì máy thu không
thu nhận được thông tin của symbol được
truyền tiếp theo. Điều này có nghĩa là máy
thu cần một khoảng thời gian có độ dài xác
định bằng thời gian symbol có ích để có thể
xác định được symbol OFDM. Khoảng thời gian
này gọi là Orthogonality Interval.
Một trong những lý do quan trọng nhất để
sử dụng kỹ thuật OFDM là kỹ thuật này có khả
năng giải quyết một cách hiệu quả vấn đề
trải trễ đa đường (multipath delay spread).
Bằng cách chia luồng dữ liệu thành N
s
luồng
song song điều chế sóng mang phụ, chu kỳ một
symbol được tăng lên N
s
lần, do đó sẽ làm
giảm tỉ lệ giữa trải trễ đa đường với chu kỳ
symbol xuống N
s
lần. Để loại bỏ ISI một cách
gần như triệt để, khoảng thời gian bảo vệ
được thêm vào cho mỗi symbol OFDM. Khoảng

thời gian được chọn sao cho lớn hơn trải trễ
để các thành phần trễ (do multipath) từ một
symbol không thể gây nhiễu lên symbol kế
cận. Khoảng thời gian có thể không chứa một
tín hiệu nào cả. Tuy nhiên, trong trường hợp
đó thì ICI xuất hiện gây nhiễu giữa các
sóng mang phụ làm các sóng mang phụ không
còn trực giao nữa.
Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề
gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền
thông tín hiệu. Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo
hơn CDMA khi giải quyết vấn đề này. OFDM có
thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín
hiệu dẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng
với dòng tín hiệu thông tin. Ngoài ra, đối
với các kênh phụ suy giảm nghiêm trọng về
tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để
giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bit
mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại
kênh tần số đó.
Để có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn
đề đồng bộ trong hệ thống OFDM sử dụng
khoảng bảo vệ (GI). Sử dụng chuỗi bảo vệ GI,
cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích
hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với
việc làm giảm hiệu quả sử dụng tần số. Ngoài
ra, OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung. Tức
là một xung tín hiệu nhiễu có thể tác động
xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số ký
tự như trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ

lỗi bit của OFDM so với CDMA.
Đối với một băng thông hệ thống đã cho
tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn
nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng
mang đơn. Ví dụ đối với tín hiệu điều chế
đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng
với tốc độ bit. Tuy nhiên, đối với OFDM băng
thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ, tạo
thành tốc độ symbol nhỏ hơn Nc lần so với
truyền sóng mang đơn. Tốc độ symbol thấp này
làm cho OFDM chịu đựng được tốt các can
nhiễu giữa can nhiễu ISI gây ra bởi truyền
lan nhiều đường.
Hình 2.7: OFDM có khoảng bảo vệ và không có
khoảng bảo vệ.
Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới OFDM bằng
cách thêm vào khoảng bảo vệ ở trước của mỗi
symbol. Khoảng bảo vệ này là bản sao tuần
hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của
dạng sóng symbol. Symbol của OFDM chưa có bổ
sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằn kích
thước IFFT (được sử dụng tạo tín hiệu) có
một số nguyên lần các chu kỳ. Việc đưa vào
các bản sao của symbol nối đuôi nhau tạo
thành một tín hiệu liên tục, không có sự
gián đoạn ở chỗ nối. Như vậy việc sao chép
đầu cuối của symbol và đặt nó để đầu vào tạo
ra một khoảng thời gian dài hơn.
2.4 Giới hạn băng thông của OFDM
Trong miền thời gian, OFDM là tương

đương với tổng các sóng mang hình sine điều
chế. Mỗi symbol nằm trong thời gian xác định
với hàm cửa sổ hình chữ nhật. Cửa sổ này xác
định biên của mỗi symbol OFDM và xác định
đáp tuyến được tạo ra. Thời gian truyền OFDM
khi dùng khóa dịch pha PSK, biên độ tải phụ
là cố định và pha thay đổi từ symbol này
sang symbol khác để truyền dữ liệu. Pha tải
phụ thì không đổi đối với toàn bộ symbol,
dẫn đến nhảy bậc pha giữa các symbol. Những
thay đổi đột biến giữa các symbol dẫn đến sự
mở rộng trong miền tần số.
Hình 2.8: Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải
phụ không có hạn chế băng thông
2.4.1 Lọc băng thông
Lọc băng thông được sử dụng khi tín hiệu
được biến đổi từ miền tần số thành dạng sóng
tương tự và ngược lại để ngăn ngừa sự chồng
phổ (aliasing). Trong OFDM, lọc băng thông
để loại bỏ hiệu quả một số búp sóng trên
OFDM. Giá trị loại bỏ búp sóng bên phụ thuộc
vào dạng bộ lọc được sử dụng. Nhìn chung bộ
lọc số cung cấp độ linh hoạt, độ chính xác