đồng bộ trong hệ thống ofdm và ofdma. xây dựng chương trình c truyền dữ liệu giữa hai máy tính bằng kỹ thuật ofdm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
Đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA.
Xây dựng chương trình C truyền dữ liệu giữa hai
máy tính bằng kỹ thuật OFDM
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN ĐĂNG QUANG
Lớp ĐT5 – K50
Giảng viên hướng dẫn: THS. NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG
Hà Nội, 5-2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:.…………….………….…… Số hiệu sinh viên: ………………
Khoá:…………………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………………
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 ):
……………………………………………………………………………………………………………………… ….
………………………………………………………………………………………………………………………… ……….
………………………………………………………………………………………………………….
5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……………………………………………………… ……………………
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
7. Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………………… ………
Ngày tháng năm
Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:
Ngành: Khoá:
Giảng viên hướng dẫn:
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 )
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày càng tăng, đặc biệt là hệ thống
thông tin di động do tính linh hoạt, mềm dẻo, di động và tiện lợi của nó. Các hệ thống
thông tin vô tuyến hiện tại và tương lai ngày càng đòi hỏi có dung lượng cao hơn, độ
tin cậy tốt hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ
thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn khả năng
đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống tương lai. Phổ tần là một tài nguyên vô cùng
quan trọng trong thông tin vô tuyến. Sử dụng triệt để phổ tần là vấn đề cấp thiết. Một
giải pháp được đưa ra là việc sử dụng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao
OFDM cùng kỹ thuật đa truy nhập các sóng mang trực giao OFDMA vào truyền thông
vô tuyến, góp phần tạo nên hệ thống thông tin vô tuyến hoàn thiện hơn. OFDM là giải
pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ
thống thông tin di động trước đây. OFDM sử dụng kỹ thuật tạo ra các sóng mang con
trực giao để truyền dữ liệu, giúp cho việc sử dụng băng tần kênh tối ưu.
Trong đồ án này, chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật OFDM, kỹ thuật đa truy nhập
OFDMA và ứng dụng các kỹ thuật đó cho việc tạo ra hệ thống thông tin vô tuyến có
nhiều ưu điểm hơn so với các hệ thống cũ.
Với kiến thức cơ bản tiếp thu được trong quá trình học tập tại trường đại học Bách
Khoa Hà Nội cùng với sự định hướng, giúp đỡ của thầy giáo Ths. Nguyễn Quốc
Khương, em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao

OFDM và kỹ thuật đa truy nhập OFDMA - vấn đề đồng bộ trong hai kỹ thuật
này”.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã
dạy dỗ, chỉ bảo em trong quá trình học tập ở trường. Đặc biệt em xin chân thành cảm
ơn thầy giáo Ths. Nguyễn Quốc Khương đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo trong quá
trình thực hiện đồ án này.
Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên đồ án không tránh khỏi tồn tại nhiều
thiếu sót. Em mong sẽ nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô và các bạn. Mong rằng
đề tài này sẽ được hoàn thiện hơn nữa.
4
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Trong đồ án này, chúng ta sẽ tìm hiểu về hệ thống thông tin vô tuyến nói chung
và hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM, kỹ thuật đa truy
nhập sử dụng đa sóng mang trực giao là OFDMA nói riêng. Ta sẽ tìm hiểu về mô hình
hệ thống OFDM, tạo và thu tín hiệu OFDM, phân tích ảnh hưởng của nhiễu lên hệ
thống vô tuyến, hiệu quả của việc sử dụng phổ tần trong hệ thống OFDM, đặc biệt là
vấn đề đồng bộ trong hệ thống … Qua đó xây dựng mô hình truyền OFDMA qua card
âm thanh của máy tính. Cụ thể đồ án được chia làm 5 chương như sau:
Chương 1: Những vấn đề chung.
Chương 2: Nguyên lý cơ bản kỹ thuật OFDM.
Chương 3: Kỹ thuật đồng bộ trong OFDM.
Chương 4: Kỹ thuật đồng bộ trong OFDMA.
Chương 5: Xây dựng mô hình truyền OFDM qua card âm thanh của máy
tính và kết quả.
Abstract
In this thesis, we will consider about wireless information system and wireless
system which uses Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and
Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) in particular. We will
go into details for OFDM system model, creating and receiving OFDM signal for

transmit and receiver it, analyzing the effect of noise to wireless system, the efficiency
of spectrum using in OFDM system, especially the synchronization problem in
OFDM, OFDMA … Thereby, we’ll build a model of OFDMA system with the
computer's sound card. Project is divided into 5 chapters as follows:
Chapter 1: The general knowledge.
Chapter 2: The basic characteristic of OFDM.
Chapter 3: The synchronization in OFDM.
Chapter 4: The synchronization in OFDMA.
Chapter 5: Building a model of transmission and receiving data through
the computer’s sound card with OFDM and results.
5
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 4
TÓM TẮT ĐỒ ÁN 5
MỤC LỤC 6
Chương 1. Những vấn đề chung 15
1.1.Giới thiệu về mạng thông tin vô tuyến 15
1.2.Các hệ thống thông tin vô tuyến 17
1.3.Các hiện tượng điển hình trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến 17
1.4.Suy hao đường truyền vô tuyến 20
1.4.1.Suy hao truyền dẫn 20
1.4.2.Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading) 21
Chương 2. Nguyên lý cơ bản kỹ thuật OFDM 27
2.1.Tổng quan về OFDM 27
2.1.1.Kỹ thuật điều chế đơn sóng mang 27
2.1.2.Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM 27
2.1.3.Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 28
2.2.Sự trực giao trong OFDM (ORTHOGONAL) 31
2.2.1.Sự trực giao trong miền thời gian của tín hiệu OFDM 32

2.2.2.Sự trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM 34
2.3.Mô hình hệ thống OFDM 35
2.4.Các nhân tố ảnh hưởng lên hệ thống và cách khắc phục 37
2.4.1.Nhiễu ISI và cách khắc phục 37
2.4.2.Nhiễu ICI và cách khắc phục 40
2.4.3.Cải thiện hiệu năng hệ thống trên cơ sở sử dụng mã Gray 41
2.4.4.Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần 43
6
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
Chương 3. Kỹ thuật đồng bộ trong OFDM 47
3.1.Mở đầu 47
3.2.Tổng quan về đồng bộ trong OFDM 47
3.2.1.Nhận biết khung 49
3.2.2.Ước lượng và bù khoảng dịch tần số FOE 51
3.2.3.Bám đuổi lỗi thặng dư 53
3.3.Đồng bộ kí tự 55
3.3.1.Lỗi thời gian và thực hiện đồng bộ 55
3.4.Đồng bộ tần số 65
3.4.1.Đồng bộ tần số lấy mẫu 67
3.4.2.Đồng bộ tần số sóng mang 68
3.5.Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ tới chỉ tiêu chất lượng hệ thống 74
3.6.Kết luận 76
Chương 4. Kỹ thuật đồng bộ trong OFDMA 77
4.1.Mở đầu 77
4.2.Cơ bản về kỹ thuật OFDMA 77
4.2.1.Các giao thức OFDMA 78
4.2.2.Cấu trúc kí hiệu OFDMA và phân kênh con 80
4.2.3.Đặc điểm 83
4.2.4.Phương pháp ghép (Duplexing) 88
4.3.Phân tích khung Downlink và phương thức đồng bộ OFDMA 89

Chương 5. Xây dựng mô hình truyền OFDM qua card âm thanh của máy tính và kết
quả 94
5.1.Mở đầu 94
Xây dựng mô hình 95
5.2.Chương trình truyền OFDM và OFDMA 96
7
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
5.3.Hướng phát triển hệ thống 102
Kết quả đạt được 104
5.4.Kết luận 105
KẾT LUẬN CHUNG 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO 107
8
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
DANH SÁCH HÌNH VẼ
DANH SÁCH HÌNH VẼ 9
Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin 15
Hình 1.2 Sơ đồ khối vòng khóa pha PLL 19
20
Hình 1.2 Hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến 23
Hình 1.3 Đáp ứng của kênh fading lựa chọn tần số 26
Hình 1.4 Ảnh hưởng của kênh fading lựa chọn tần số 26
Hình 2.1 Phổ tín hiệu OFDM và FDM 29
Hình 2.3 Sự trực giao tín hiệu trong miền tần số 35
Hình 2.4 Mô hình hệ thống OFDM 36
Hình 2.5 Hiện tượng đa đường gây nên nhiễu ISI 38
Hinh 2.6 Chèn khoảng bảo vệ cho mỗi kí hiệu OFDM 39
Hình 2.7 Sơ đồ chòm sao 16-QAM 42
Hình 2.9 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser 𝛃=3.4 46
Hình 3.2 Nhận biết khung truyền 49

Hình 3.3 Tương quan theo chuỗi PN 50
Hình 3.4 Cấu trúc khung OFDM thực hiện đồng bộ 56
Hình 3.5 Đặc điểm luồng dữ liệu 57
Hình 3.6 Tín hiệu nhân tương quan 59
Hình 3.7 Hình dạng dữ liệu thực tế 60
Hình 3.8 Cấu trúc khung OFDM sử dụng khung đồng bộ FSC 62
Hình 3.9 Đồng bộ khung kí tự dùng FSC 63
Hình 3.10 Quan hệ giữa ngưỡng tối ưu Th1 và SNR 64
Hình 3.11 Sai lệch tần số tín hiệu gây mất đồng bộ 66
9
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
Hình 3.12 Sự sai lệch tần số sóng mang gây ra sự mất đồng bộ 67
Hình 3.13 Sự sai lệch tần số sóng mang gây nên sự mất đồng bộ 69
Hình 3.14 Sơ đồ khối đồng bộ sóng mang sử dụng bộ dao động VCO 70
Hình 3.15 Vị trí tiền tố lặp CP 71
Hình 3.16 Khung OFDM 74
Hình 4.1 OFDM 78
Hình 4.2 OFDMA 78
Hình 4.3 Cấu trúc sóng mang con OFDMA 80
Hình 4.4 Kênh con phân tập tần số DL 81
Hinh 4.5 mo hinh AMC 82
Hình 4.6 Cấu trúc tile cho UL PUSC 82
Hình 4.7 Thí dụ về OFDMA 86
Hình 4.8 ODFM và OFDMA 87
Hình 4.9 Mô tả về FDD và TDD 89
Hình 5.1 Mô hình truyền dẫn OFDM 95
Hình 5.2 Giao diện chương trình phía truyền 97
Hình 5.3 Giao diện chương trình phía nhận 99
Hình 5.4 Giao diện phía truyền khi chạy thật 100
Hình 5.5 Giao diện chương trình phía nhận khi chạy thật 101

Hình 5.6 Điều chế thích nghi AOFDM 103
Hình 5.7 Ảnh file text truyền thử nghiệm 104
Hình 5.8 Ảnh file text thu khi thực hiện 105
DANH SÁCH BẢNG
10
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
DANH SÁCH BẢNG 10
Bảng 1.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu 25
Bảng 2.1. Bảng chuyển đổi mã Gray 41
Bảng 3.1 Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ 74
Bảng 5.1 Các thông số của mô hình 96
CÁC TỪ VIẾT TẮT
11
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
A
AOFDM Adaptive Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Ghép kênh đa sóng mang trực
giao thích nghi
AMC Adaptive Modulation and Codding Mã hóa và điều chế thích ứng
AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng (nhiễu cộng)
A/D Analog/Digital Chuyển đổi Tương tự/Số
B
BER Bit Error Ratio Tỷ lệ bit lỗi
BLER Block Error Ratio Tỷ lệ lỗi theo khối
BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc
C
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp
D

DL Downlink Đường xuống
DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số
DPLL Digital Phase Losked Loop Vòng khóa pha số
DSP Digital Signaling Process Bộ xử lý tín hiệu số
DVB-T Digital Video Broadcasting –
Terrestrial
Truyền hình số mặt đất
D/A Digital/Analog Bộ chyển đổi Số/Tương tự
F
FCH Frame control header Khung tiêu đề điều khiển
FDD Frequency Division Deplex Song công phân chia theo tần số
FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số
FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Furier nhanh
I
IEEE Institute of Electrical and Electronic
Engineers
Học viện của các kỹ sư điện và
điện tử
ISI Inter-Symbol Interface Nhiễu liên kí tự
ICI Inter-Channel Interface Nhiễu liên kênh
IQ Inphase-Quaderature
M
MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập
MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống nhiều đầu vào nhiều
đầu ra
MMSE Minimum Mean Square Error Bộ lọc trung bình bình phương tối
thiểu
O
OFDM Orthoganal Frequency Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
OFDMA Orthoganal Frequency Division
Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo tần
số trực giao
12
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
P
PC Personal Computer Máy tính cá nhân
PLL Phase Losked Loop Vòng khóa pha
Q
QAM Quaderate Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc
R
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
S
SNIR Signal Noise – Interference Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm + nhiễu
SNR Signal Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm
T
TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời
gian
TDMA Time Division Multiple Access Ghép kênh phân chia theo thời
gian
W
WiMax Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Khả năng khai thác liên mạng
trên toàn cầu đối với truy cập vi
ba
Z

ZF Zero Forcing Bộ lọc ép không
13
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
14
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
Chương 1. Những vấn đề chung
1.1. Giới thiệu về mạng thông tin vô tuyến
Hình 1.1 thể hiện mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến. Nguồn
tin trước hết được mã hóa nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã hóa
kênh để chống lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế
để có thể truyền đi được xa. Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh
truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải
qua các bước ngược lại so với bên phát để thu được tín hiệu gốc. Chất lượng tín hiệu
thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền, các phương pháp điều chế và mã hóa khác
nhau.
Chúng ta sẽ tìm hiểu những khái niệm cơ bản trong thông tin vô tuyến.
• Kênh truyền
15
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
(Mô hình kênh)
Nguồn tin Mã hóa nguồn
(source coding)
Mã hóa kênh
(channel coding)
Điều chế
(modulation)
Kênh vô tuyến
(channel)
Giải điều chế
(Demodulation)

Giải mã kênh
(Channel
Decoding)
Giải mã nguồn
(source
decoding)
Tín hiệu
đích
(Destination)
Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin
Kênh truyền là môi trường truyền dẫn cho phép truyền lan sóng vô tuyến. Môi
trường truyền dẫn có thể là trong nhà, ngoài trời hoặc phản xạ trên các tầng điện ly.
Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn mà kênh truyền có các tính chất khác nhau.
• Truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông
Truyền dẫn vô tuyến thông thường được thực hiện ở băng thông, nghĩa là tín
hiệu phải được điều chế bằng một sóng mang cao tần trước khi phát đi.
Truyền dẫn ở băng tần cơ sở là việc truyền dẫn không qua sóng mang. Tín hiệu
không qua sóng mang không có khả năng truyền được đi xa do suy hao lớn.
• Sóng mang
Sóng mang là sóng có tần số cao, được nhân với tín hiệu có ích trước khi gửi ra
anten phát. Sóng mang bản thân nó không mang tín hiệu có ích. Tuy nhiên, nhờ sóng
mang có tần số cao nên khi truyền trong môi trường vô tuyến thì tín hiệu có ích được
điều chế vào đó sẽ ít bị suy hao và có thể truyền được đi xa. Ở bên thu có thể khôi
phục lại tín hiệu có ích bằng việc tách ra từ sóng mang đó. Tùy thuộc vào môi trường
truyền dẫn và băng tần cho phép mà người ta lựa chọn giá trị tần số sóng mang. Thông
thường thì sóng mang là sóng trung tâm của giải băng tần cho phép của hệ thống thông
tin.
• Quản lý tài nguyên vô tuyến
Tài nguyên vô tuyến là bề rộng phổ cho phép để truyền tin. Bề rộng phổ cho
phép là có giới hạn. Trong khi đó, bất kỳ hệ thống truyền dẫn nào đều cần có một chất

lượng tối thiểu và nhu cầu về tốc độ ngày càng cao để đáp ứng các dịch vụ phức tạp.
Vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến là làm sao với một dải băng tần cố định cho trước
hệ thống hoạt động với một chất lượng tốt nhất và với tốc độ truyền dữ liệu cao nhất.
Với chất lượng càng cao và tốc độ truyền tin tức cao, người ta nói hệ thống có hiệu
suất sử dụng phổ cao. Nhiệm vụ của quản lý tài nguyên vô tuyến còn là phân chia bề
rộng phổ sẵn có cho các hệ thống thông tin khác nhau sao cho các hệ thống có hiệu
suất sử dụng phổ cao nhất. Đối với các hệ thống nhiều người sử dụng thì quản lý tài
nguyên vô tuyến là sự phân chia bề rộng băng tần và điều khiển đa truy nhập sao cho
hệ thống được tối ưu về chất lượng và phổ tín hiệu.
16
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
1.2. Các hệ thống thông tin vô tuyến
Các hệ thống thông tin vô tuyến có thể phân loại theo sự cung cấp dịch vụ: hệ
thống phát thanh và truyền hình. Dịch vụ của 2 hệ thống là thoại và hình ảnh.
Có thể phân loại hệ thống thông tin vô tuyến theo phương thức truyền dẫn như
hệ thống truyền song công (di động) hay bán song công (bộ đàm).
Có thể phân loại theo môi trường truyền dẫn như thông tin viba (yêu cầu truyền
dẫn trong tầm nhìn thẳng) và thông tin mạng máy tính không dây (phản xạ đa đường
và ở khoảng cách ngắn).
1.3. Các hiện tượng điển hình trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến
• Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler là một hiệu ứng vật lý, trong đó tần số và bước sóng của các
sóng âm, sóng điện từ hay các sóng nói chung bị thay đổi khi mà nguồn phát sóng
chuyển động tương đối với người quan sát.
Đối với sóng chuyển động trong một môi trường, như sóng âm, nguồn sóng và
người quan sát đều có thể chuyển động tương đối so với môi trường. Hiệu ứng
Doppler lúc đó là sự tổng hợp của hai hiệu ứng riêng rẽ gây ra bởi hai chuyển động
này.
Cụ thể, nếu nguồn di động trong môi trường phát ra sóng với tần số tại nguồn là
f

0
, một người quan sát đứng yên trong môi trường sẽ nhận được tần số f:
0
1
1 /
f f
v c
 
=
 ÷
+
 
Với c tốc độ lan truyền của sóng trong môi trường, v là thành phần vận tốc
chuyển động của nguồn so với môi trường theo phương chỉ đến người quan sát (âm
nếu đi về phía người quan sát, dương nếu ngược lại).
Tương tự, khi nguồn đứng im còn người quan sát chuyển động:
17
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
0
1
v
f f
c
 
= +
 ÷
 
Tức, khi nguồn sóng và máy thu chuyển động với nhau, tần số thu được sẽ khác
tần số phát ra.
• Cơ bản về nhiễu trắng AWGN

Nhiễu trắng AWGN (Additive white Gaussian noise) 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 và có phân bố Gauss. Tín hiệu này có tên là nhiễu trắng
vì nó có tính chất tương tự với ánh sáng trắng. Tức là nhiễu này có mức độ ảnh hưởng
như nhau đối với mọi tần số.
Đối với mọi hệ thống thông tin vô tuyến thì đều phải chịu ảnh hưởng của nhiễu
trắng.
• Cơ bản về vòng khóa pha số PLL
Vòng khóa pha PLL là một hệ thống vòng kín hồi tiếp, trong đó tín hiệu hồi tiếp
dùng để khóa tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số và pha tín hiệu vào.Tín hiệu vào
có thể có dạng sin tương tự hoặc dạng số.
Kỹ thuật PLL được sử dụng rộng rãi trong các mạch lọc, tổng hợp tần số, điều
chế và giải điều chế, điều khiển tự động …
Nguyên tắc hoạt động: hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mà đại
lượng vào và đại lượng ra là tần số và chúng so sánh được với nhau về pha. Vòng điều
khiển pha có nhiệm vụ phát hiện và điều chỉnh những sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệu
vào và tín hiệu ra. Nghĩa là PLL làm cho tần số f
0
của tín hiệu ra VCO bám theo tần số
f
o
của tín hiệu vào.
18
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
Khi không có tín hiệu v
i
ở ngõ vào, điện áp ngõ ra bộ khuếch đại v
dc
(t)=0, bộ
dao động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên f

N
. Khi có điện áp vào, các khối sẽ hoạt
động theo chức năng và cho phép ta điều khiển tần số VCO bám theo tần số tín hiệu
vào. Đến khi tần số f
VCO
bằng với tần số tín hiệu vào f
i
, ta nói bộ VCO đã bắt kịp tín
hiệu vào. Lúc này sự sai lệch giữa 2 tín hiệu chỉ là sự sai lệch về pha, bộ tách sóng pha
sẽ tiếp tục so sánh pha giữa 2 tín hiệu để điều khiển cho VCO hoạt động sao cho sự
lệch pha giữa chúng đạt đến giá trị nhỏ nhất.
• Cơ bản về chuỗi giả ngẫu nhiên Pseudo Noise PN
Có nhiều loại chuỗi PN, được tạo ra từ các thanh ghi dịch có hồi tiếp. Loại PN
hay được sử dụng có thể là chuỗi có độ dài (chu kỳ chuỗi) cực đại hay còn gọi là m-
sequence (m-dãy hay chuỗi m). Chuỗi m được tạo ra bằng một bộ ghi dịch hồi tiếp có
cấu hình Fibonacci hay Galois (hai cấu hình này về mặt toán học thì tương đương
nhau), được hình thành theo một đa thức sinh quy định các đầu ra các khâu nhớ của
thanh ghi tham gia hay không vào mạch hồi tiếp. Đa thức sinh là một đa thức nguyên
thủy (primitive polynomial), khi đó chuỗi chip lối ra sẽ là một chuỗi PN có chu kỳ lặp
lại lớn nhất, là N = 2^m - 1, trong đó m là số khâu nhớ của thanh ghi.
Một đặc điểm cơ bản của chuỗi m là có hàm tự tương quan dạng thumb-nail,
một chu kỳ của nó có hai phần chính:
19
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
v
dc
v
i
f
0

Tách sóng pha
Lọc thông
thấp
Khuếch đại
một chiều
VCO
Hình 1.2 Sơ đồ khối vòng khóa pha PLL
a) Trị của hàm tự tương quan chuẩn hóa giảm tuyến tính từ 1 xuống còn -1/N
khi biến tau (tau trễ truyền dẫn trên các tuyến) tăng từ 0 tới Tc (Tc là độ rộng một
chip);
b) Trị của hàm tự tương quan là -1/N (không đổi) khi biến tau tăng từ Tc tới
(N-1).Tc.
Nếu N rất lớn (nhờ sử dụng thanh ghi dịch có m lớn, trong các hệ thống CDMA
như IS-95 thì m = 42 với chuỗi mã dài dùng để phân biệt người sử dụng và bằng 15
đối với mã ngắn dùng để phân biệt trạm BS) thì trong đoạn sau, hàm tự tương quan có
thể xem là bằng 0.
1.4. Suy hao đường truyền vô tuyến
Chúng ta sẽ tìm hiểu những vấn đề chính của truyền sóng vô tuyến và những
khó khăn mà chúng gây ra trong hệ thống truyền dẫn thông tin số. Các tín hiệu khi
truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ … và do đó
gây ra hiện tượng đa đường. Những ảnh hưởng của truyền sóng vô tuyến như suy hao
đường truyền, fading phẳng, fading chọn lọc tần số, hiệu ứng Doppler, trải trễ đa
đường, … đều làm giới hạn hiệu quả của truyền thông vô tuyến.
1.4.1. Suy hao truyền dẫn
Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở rộng về
mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây … và do phản xạ từ mặt
đất. Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm
ngay cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc độ cao. Tại anten phát, các sóng vô
tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu).
Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở

rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một
vùng nào đó do ta thiết kế. Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích
mặt cầu. Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách.
Phương trình tính công suất thu được sau khi truyền qua một khoảng cách R
20
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
4
R T T R
P P G G
R
λ
π
=

_
R
P
: Công suất tín hiệu thu được (W)
_

T
P
: Công suất phát (W)
_

R
G
: Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng)
_
T

G
: Độ lợi anten phát
_

λ
: bước sóng của sóng mang
_ R: bán kính truyền sóng vô tuyến
Gọi L
pt
là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:
( ) ( ) ( ) 10lg( ) 10lg( ) 20lg( ) 20lg( ) 47,6( )
pt T R T R
L db P db P db G G f R db
= − = − − + + −
Nói chung chúng ta có thể xây dựng được một mô hình khá chính xác cho các
tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản ) như các tuyến
liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên do hầu hết các tuyến thông
tin trên mặt đất như thông tin di động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn
phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn. Ví dụ đối với
nhưng kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi đó điều kiện về không gian tự do
không được thoả mãn, chúng ta có công thức suy hao đường truyền như sau:
( ) 10lg( ) 10lg( ) 20lg( ) 20lg( ) 40lg( )
pt T R BS MS
L db G G h h R
= − − − − −
Với _
BS
h
, _
MS

h
<< R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm di
động MS (Mobile Station).
1.4.2. Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading)
Đường truyền vô tuyến từ phía phát đến phía thu luôn có chướng ngại vật nên
sẽ gây ra hiệu ứng fading. Khi đó, tín hiệu sẽ đến nơi thu từ nhiều đường khác nhau và
21
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
có độ trải trễ khác nhau và độ lợi cũng khác nhau, mỗi đường là bản sao của tín hiệu
gốc.
Có 3 trường hợp có thể xảy ra trên đường truyền vô tuyến: hiện tượng phản xạ,
tán xạ và nhiễu xạ.
22
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50

Phản xạ: khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng.
Tán xạ: khi sóng đập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có
chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng.
Nhiễu xạ: khi sóng chạm tới các vật thể có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài
bước sóng.
Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản
sao này sẽ tới máy thu. Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác
nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên:
- Thời điểm các bản sao này tới máy thu sẽ khác nhau, tức là độ trễ pha giữa
các phần này khác nhau.
- Các bản sao này sẽ có công suất tới máy thu khác nhau do suy hao khác
nhau, hay biên độ của các thành phần là khác nhau.
Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và
pha của các thành phần mà ta sẽ thu được
23

Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
Thu
Phát
Nhiễu xạ
Tán xạ
Phản xạ
LOS
Hình 1.2 Hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến
- Tín hiệu thu được tăng cường khi các bản sao đồng pha. Tăng cường ở đây
không phải là tín hiệu mạnh và tốt hơn mà là tín hiệu bị méo dạng nhiều
hơn.
- Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay suy giảm so với tín hiệu gốc khi các thành phần
ngược pha
• Fading nhanh và fading chậm
Ta xem xét 2 loại fading xem xét về mặt thời gian
- Fading nhanh: gây ra do sự tán xạ đa đường ở vùng xung quanh thiết bị thu.
Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền sẽ có
thời gian truyền khác nhau. Cường độ phụ thuộc vào suy hao của đường đó.
Đối với tín hiệu tần số cố định, trễ đường truyền sẽ gây nên hiện tượng quay
pha tín hiệu. Mỗi tín hiệu sẽ bị quay pha khác nhau. Những tín hiệu này
được cộng lại ở bộ thu gây nên nhiễu tăng cường hay suy giảm tùy theo pha
của các tín hiệu là cùng pha hay ngược pha.
- Fading chậm: gây ra do sự cản trở của các tòa nhà, địa hình tự nhiên. Sự
thay đổi suy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (gấp 10-100
lần bước sóng) và phụ thuộc kích thước vật cản gây nên. Sự thay đổi này
xảy ra chậm nên được gọi là fading chậm.
• Fading lựa chọn tần số và Fading phẳng
Đây là 2 loại fading xem xét về mặt tần số. Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số và
vì thế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số. Khoảng cách
truyền của mỗi thành phần đa đường là khác nhau nên sự thay đổi pha cũng sẽ

khác nhau.
Định nghĩa: Băng thông Coherent B
C
là độ rộng băng thông ∆f khi hệ số đường
bao kết hợp giữa 2 tín hiệu bằng một nửa giá trị lớn nhất của nó.
2 2
1
( , ) 0.5
1 (2 ) .
c
c
B
B
ρ δ
π δ
= =
+
Trong đó: δ: độ trải trễ tùy theo môi trường truyền vô tuyến.
Băng thông Coherent:
1 1
2 6
c
B
πδ δ
= ≈
24
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50
Một số giá trị phổ biến đột trải trễ của kênh trong các môi trường khác nhau.
Bảng 1.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu.
Môi trường Độ trải trễ

Bên trong các tòa nhà < 0.1μs
Ngoài trời < 0.2μs
Ngoại ô 0.5μs
Thành thị 3 μs
Đối với mỗi môi trường có độ trải trễ khác nhau ta sẽ tính được băng thông
Coherent tương ứng.
- Fading lựa chọn tần số: nếu băng thông của tín hiệu đã điều chế lớn hơn
nhiều so với băng thông Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau
của tín hiệu có các đặc tính fading khác nhau. Các kênh lựa chọn tần số được
gọi là kênh phân tán thời gian. Bên cạnh biên độ thì hình dạng của xung cũng bị
thay đổi. Tức tín hiệu truyền qua kênh này sẽ bị méo nghiêm trọng.
- Fading phẳng: độ rộng băng thông của tín hiệu đã điều chế nhỏ hơn băng
thông Coherent của kênh, tất cả các thành phần tần số của tín hiệu đều có đặc
tính fading như nhau. Với fading phẳng thì chỉ có biên độ của xung thay đổi.
Mọi kênh truyền vô tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải
tần số vô tuyến. Tuy nhiên, kênh truyền có thể được xem là bằng phẳng trong
một khoảng nhỏ tần số nào đó.
Hình 1.3 là một ví dụ về đáp ứng của kênh lựa chọn tần số. Qua đó ta thấy ở các
tần số khác nhau thì tín hiệu sẽ chịu ảnh hưởng cả về biên độ và pha khác nhau và vì
thế sẽ khó có thể khôi phục dữ liệu một cách chính xác như ban đầu.
Vấn đề fading lựa chọn tần số sẽ là vấn đề gây khó khăn trong việc dự đoán
đường truyền khi truyền thông vô tuyến. Nó gây ra méo tuyến tính. Tuy nhiên, với kỹ
thuật OFDM, bằng việc chia nhỏ tín hiệu thành nhiều sóng mang con để truyền, mỗi
sóng mang con chỉ chiếm một dải tần hẹp đủ để thỏa mãn không còn bị fading chọn
lọc tần số mà chỉ bị fading phẳng nên đã giải quyết được vấn đề này một cách dễ dàng.
25
Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50