các kỹ thuật phân tập thu ở trong ofdm

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất
cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Nếu vi phạm tôi xin chịu mọi hình thức kỷ
luật của Khoa.


Sinh viên thực hiện
Bùi Kim Vũ
1
MỤC LỤC
2
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
A/D Analog to Digital
ASK Amplitude Shift Keying
AWGN Additive White Gaussion Noise
BER Bit Error Rate
CDMA Code Division Multiple Access
CP Cyclic Prefix
CSI Channel State Information
D/A Digital to Analog
EGC Equal Gain Combining
FDM Frequency Division Multiplexing
FEC Forward Error Corection
FFT Fast Fourier Transform
IFFT Inverse Fast Fourier Transform
ISI Inter Symbol Interference
HPA High Power Amplifier
LPF Low Pass Filter
LTE Long Term Evolution
MC Multicarrier communication
MIMO Multiple Input Multiple Output

M-QAM M-state Quadrature Amplitude Modulation
MRC Maximal Ratio Combining
NRZ NonReturn to Zero
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access
PAPR Peak-to-Average Power Ratio
PDP Power Delay Profile
PSK Phase Shift Keying
RF Radio Frequency
3
SC Selection Combining
SNR Signal-to-Noise Ratio
SSC Switch and Stay Combining
TC Threshold Combining
4
LỜI MỞ ĐẦU
Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu năm 1966. Tuy nhiên cho đến
thời gian gần đây, kỹ thuật OFDM mới được ứng dụng trong thực tế nhờ có những
tiến bộ trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý. OFDM là kỹ thuật điều
chế phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác
nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp.
Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng tốc độ cao cần truyền
tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực
giao, điều này cho phép chồng phổ giữa các sóng mang. Do đó sử dụng dải thông
một cách hiệu quả, ngoài ra họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi ích khác
mà các kỹ thuật khác không có. Phương pháp này được gọi chung là ghép kênh theo
tần số trực giao OFDM.
Để đạt được ứng dụng như ngày hôm nay, OFDM đã phải trải qua thời gian dài
khắc phục các hạn chế nhược điểm. Một trong những phương pháp đó là kỹ thuật
“phân tập thu”. Tôi lựa chọn đề tài Các kỹ thuật phân tập thu ở trong OFDM

gồm 4 chương sau:
Chương 1 : Kỹ thuật OFDM
Chương nói về nguyên lý kỹ thuật của OFDM. Ưu điểm, nhược điểm và chức
năng các khối trong OFDM
Chương 2 :
Hệ thống thông tin trên kênh truyền block-fading
Hệ thống thông tin trên kênh truyền block-fading
Chương này làm rõ các vấn đề về kênh truyền block-fading, xây dựng các biểu
thức toán học, nền tảng cơ sở cho việc mô phỏng tính toán trong các chương sau.
Chương 3 : Các kỹ thuật phân tập thu trên nền OFDM
Có bốn kỹ thuật phân tập thu được trình bày ở chương này trên cơ sở lý thuyết
các đặt tính phương pháp phân tích tổng hợp tín hiệu của mỗi kỹ thuật sẽ được làm
rõ ở đây. Qua đó dự đoán, đánh giá hiệu quả của mỗi kỹ thuật. Công thích tính toán
của mỗi kỹ thuật cũng được đưa ra.
Chương 4 : Lưu đồ thuật toán và các kết quả mô phỏng.
5
Lưu đồ thuật toán tổng quát cho toàn hệ thống sẽ được trình bày đầu tiên.
Dựa trên cấu trúc thuật toán đó,có ba script của Matlab được xây dựng. Trong mỗi
phần chúng giá trị BER và mối tương quan với SNR sẽ được đưa ra bằng đồ thị, từ
đó đánh giá kết luận vấn đề.
Lời cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn chân thành đến khoa Điện tử Viễn
thông đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt đồ án này, thầy Nguyễn Lê Hùng
người đã truyền dạy rất nhiều kiến thức bổ ích trong môn thông tin di động và đặt
biệt là sự hướng dẫn trực tiếp, tận tình của thầy Phạm Vĩnh Minh.
6
Chương 1 KỸ THUẬT OFDM
Chương 1 KỸ THUẬT OFDM
1.1 Giới thiệu chương
Kỹ thuật Othorgonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) đã ra đời
cách đây ba thập kỷ, bên cạnh những ưu điểm hơn hẳn với các hệ thống cũ chúng

cũng có những tồn tại lớn. Do vậy tới nay, khi người ta dần dần hạn chế được các
khuyết điểm nó mới được phát triển thành hệ thống thông tin thông dụng, ứng dụng
rộng rãi trong các hệ thống thông tin tốc độ cao. Chương chủ yếu trình bày về sự
phát triển phát triển, ưu- nhược điểm và nguyên lý kỹ thuật OFDM .
1.2 Sự hình thành và phát triển của OFDM
1.2.1 Kỹ thuật ghép kênh FDM
Mỗi kênh được chuyển vào một băng tần xác định và chúng cách li nhau bởi
một khoảng tần số. Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division
Multiplexing) đã được sử dụng một thời gian dài nhằm ghép nhiều kênh tín hiệu để
truyền qua một đường truyền.
Dải tần số bảo vệ nhằm tránh sự tương tác giữa các kênh với nhau. Nhưng
đây là nguyên nhân dẫn tới việc sử dụng không hiệu quả băng thông, một tài nguyên
đang ngày càng trở nên quý hiếm.
1.2.2 Kỹ thuật ghép kênh OFDM
Trước tiên chúng ta cần hiểu truyền dẫn đa sóng mang MC (Multicarrier
Communication) là gì? Bởi vì nó là tiền đề của OFDM.
Là FDM nhưng được dùng cho một luồng dữ liệu phát và một luồng dữ liệu
thu tương ứng. MC không được dùng để ghép kênh các tín hiệu khác nhau như
FDM, mà dùng để chia nhỏ luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệu song song. Dạng
MC đơn giản nhất chia luồng dữ liệu vào thành N luồng tín hiệu nhỏ để truyền qua
N kênh truyền con. Sau đó, N luồng này điều chế tại N tần số sóng mang khác nhau
rồi được ghép kênh rồi đưa lên kênh truyền. Ở phía thu thì làm ngược lại phân kênh,
giải điều chế và ghép các luồng dữ liệu song song thành một luồng duy nhất như
ban đầu.
7
Chương 1 KỸ THUẬT OFDM
MC là cơ sở của OFDM, điểm khác biệt đó là OFDM sử dụng tập các sóng
mang trực giao nhau. Tính trực giao có nghĩa là các tín hiệu được điều chế sẽ hoàn
toàn độc lập với nhau. Tính trực giao nhau đạt được do các sóng mang được đặt
chính xác tại các vị trí null của các phổ tín hiệu đã điều chế, điều này cho phép phổ

của các tín hiệu có thể chồng lấn lên nhau tức là hoàn toàn không cần dải bảo vệ,
nên tiết kiệm băng thông đáng kể so với FDM truyền thống. Hình 1.1 cho thấy ưu
thế của OFDM trong việc sử dụng hiệu quả băng thông.

Hình 1.1 Băng thông được sử dụng hiệu quả trong OFDM
1.3 Ưu điểm và nhược điểm của OFDM
1.3.1 Ưu điểm
Kỹ thuật OFDM có nhiều ưu điểm mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có
được. OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chon
lọc tần số thành các kênh truyền con chỉ chịu fading phẳng. Nhờ việc sử dụng tần số
sóng mang trực giao nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể loại bỏ, do các
sóng mang phụ trực giao nên các sóng mang này có thể chồng lấn lên nhau mà phía
thu vẫn có thể tách ra được dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông hệ thống rất hiệu
quả.
Dùng cycle prefix lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì
hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn. IFFT và FFT giúp giảm
thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống
giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều
chế đơn giản, hiệu quả nhờ vào IFFT và FFT.
8
Chương 1 KỸ THUẬT OFDM
1.3.2 Nhược điểm
OFDM là một kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhược điểm chính của kỹ
thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR ( Peak- to-Average
Power Ratio) lớn. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên
khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn. Điều
này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuyếch đại công suất lớn HPA
( High-Power Amplifier). Một nhược điểm khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần
số, khi hiệu ứng Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ
FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế

các symbol.
1.4 Nguyên lý kỹ thuật OFDM
1.4.1 Sóng mang trực giao
Các sóng mang con
)(ts
i
,
)(ts
j
với i, j = 1, 2, , N sóng mang con trực giao
trong khoảng thời gian T thỏa mãn:




≠
=
=
∫
ji
jik
dttsts
j
T
i
,0
,
)()(
*
0

(1.1)
Chúng ta sử dụng N sóng mang con trực giao thỏa mãn tính công thức (1.1).
Nhờ tính trực giao của các sóng mang trong khoảng thời gian T mà phía thu có thể
tách các tín hiệu tương ứng với mỗi sóng mang này dễ dàng. Việc giải điều được
thực hiện bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu với một sóng
mang nhận được trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó phép tích
phân được thực hiện, tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mang có
cùng tần số với sóng mang do máy thu tạo ra. Toàn bộ quá trình này được lặp lại
khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải
điều chế. Khi đó các sóng mang chồng lấn này sẽ được tách ra.
9
Chương 1 KỸ THUẬT OFDM
1.4.2 Mô hình hệ thống OFDM
Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM.
1.4.2.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song và song song - nối tiếp
Bộ nối tiếp-song song chuyển dữ liệu nối tiếp thành dữ liệu song song và từ
đó làm tăng dung lượng kênh truyền.
Ta chia luồng dữ liệu vào thành N luồng. N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu
song song có tốc độ đủ thấp, để băng thông tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền
trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng. Bằng cách sử dụng bộ nối tiếp-
song song ta đã chuyển kênh truyền fading chọn lọc tần số thành kênh truyền fading
phẳng.
Ngược lại phía phát, phía thu sẽ dùng bộ song song - nối tiếp để ghép N
luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất. Hình 1.5 cho
thấy tác dụng chuyển đổi của bộ chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và ngược lại
từ song song sang nối tiếp.
10
Chương 1 KỸ THUẬT OFDM
1.4.2.2 Bộ mapper và Demapper
Hình 1.3 Bộ mapper và Demapper.

Từng symbol b bit sẽ được đưa vào bộ mapper, ấn định vị trí của symbol b bít
đó trong giản đồ chòm sao (constellation). Một symbol b bit sẽ tương ứng một trong
M = 2
b
trang thái hay một vị trí trong giản đồ chòm sao. Số trạng thái tăng lên, sai
số BER cũng tăng lên.
1.4.2.3 Bộ IFFT và FFT

Hình 1.4 Bộ IFFT và FFT.
Phép biến đổi IFFT ( Inverse Fast Fourier Transform) cho phép ta tạo tín hiệu
OFDM dễ dàng, tức là điều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trực giao
một cách chính xác và đơn giản. Phép biến đổi FFT (Fast Fourier Transform) cho
phép ta giải điều chế lấy lại thông tin từ tín hiệu OFDM.
Phía phát symbol
[ ]
110
, ,,
−
N
XXX
từ bộ mapper sẽ đi vào bộ IFFT, tạo symbol






−
110
, ,,

N
xxx
:
10,.
1
1
0
2
−÷==
∑
−
=
NneX
N
x
N
k
kn
N
j
kn
π
(1.2)
11
Chương 1 KỸ THUẬT OFDM
X
k
= A
k
+ j B

k






−
~
1
~
1
~
0
, ,,
N
xxx
chính là các mẫu rời rạc của tín hiệu OFDM x(t) trong miền thời
gian. Phía thu làm ngược lại so với phía phát, phép biến đổi FFT được áp dụng cho
symbol






−
~
1
~

1
~
0
, ,,
N
xxx
để thu lại symbol






−
~
1
~
1
~
0
, ,,
N
XXX
10.
2
1
0
~~
−÷==
−

−
=
∑
NkexX
kn
N
j
N
n
nk
π
(1.3)
Lý tưởng thì dữ liệu phía thu sẽ giống dữ liệu phía phát :
k
k
XX =
~
1.4.2.4 Khối chèn CP và loại bỏ CP
Hình 1.5 Khối Chèn CP và Loại bỏ CP.
Nguồn nhiễu giao thoa thường thấy trong các hệ thống vô tuyến số, cũng như
trong hệ thống OFDM là ISI.
ISI ( Inter symbol Interference) : nhiễu liên ký tự, được định nghĩa là xuyên
nhiễu giữa các symbol trong khoảng thời gian T
symbol
của các frame FFT liên tiếp
(trong miền thời gian).
12
Chương 1 KỸ THUẬT OFDM
Nhiễu ISI sẽ gần như được loại bỏ hoàn toàn nếu ta sử dụng số lượng sóng
mang N đủ lớn, khi đó băng thông của mỗi kênh đủ nhỏ so với coherence bandwith,

tức là độ rộng một symbol t
s
sẽ lớn hơn trãi trễ của kênh truyền. Tuy nhiên do độ
phức tạp của phép biến đổi FFT tăng khi N tăng, nên N phải được chọn tối ưu, khối
chèn CP (hình 1.5) được sử dụng nhằm kéo dài độ rộng symbol t
s
mà vẫn giữa
nguyên số sóng mang. khối chèn CP sẽ chèn thêm một khoảng bảo vệ
G
∆
(Guard
Interal) có tính chất cyclic prefix vào mỗi symbol, khi này độ rộng một symbol sẽ là
:
T
s
=
G
∆
+ t
s
(1.4)
Bên thu loại bỏ CP bằng khối loại bỏ CP.
1.4.2.5 Bộ biến đổi D/A và A/D
Chuỗi symbol x
n
sau khi được chèn khoảng bảo vệ
G
∆
cho chuỗi s
n

,sẽ được
đưa vào bộ biến đổi từ số sang tương tự D/A và bộ lọc thông thấp tạo ra tín hiệu
liên tục s(t) để đưa ra kênh truyền vô tuyến.
Ở phía thu, bộ A/D làm động tác ngược lại bộ D/A, bộ A/D sẽ lấy mẫu tín hiệu
OFDM thu được r(t), cho ra tín hiệu số rời rạc r
n
, sau đó r
n
sẽ được cho qua bộ
Guard Interval Removal để loại bỏ khoảng bảo vệ
G
∆
Hình 1.6 Bộ A/D và D/A
13
Chương 1 KỸ THUẬT OFDM
1.4.2.6 Bộ Up-Converter và Down-Converter
Các bộ Up-Converter và Down-Converter chính là các bộ đổi tần số. Sau
khi qua bộ biến đổi D/A và lọc thông thấp, tín hiệu s(t) lên tần số cao tạo thành tín
hiệu s
RF
(t) để anten phát có thể dễ dàng bức xạ tín hiệu ra không gian. Ở phía thu,
tín hiệu r
RF
(t) thu được từ anten phát sẽ được đổi tần xuống thành tín hiệu r(t) nhờ
bộ Down-Converter.
Hình 1.7 Bộ Up-Converter và Down-Converter
1.4.2.7 Bộ Equalizer
Do các kênh sóng mang phụ có băng thông hẹp chỉ chịu fading phẳng, nên
một bộ Equalizer đơn giản được sử dụng nhằm tối ưu tín hiệu rời rạc trước khi cho
qua bộ giải điều chế số demoulation hay de-mapper, để giảm bớt tỉ số bit lỗi BER

của hệ thống
Ngoài ra để cải thiện BER người ta còn sử dụng thêm các khối FEC
(Forward Error Correction) để sửa lỗi đơn, sử dụng thêm khối Interleavers để hoán
đổi vị trí biến các bit lỗi dạng chùm thành các bit đơn để FEC có thể sửa được.
1.5 Kết luận
Chương đã trình bày các khái niệm, nguyên lí cơ bản của OFDM. Ưu điểm
vượt trội khiến nó được lựa chọn khi các vấn đề tồn tại được giải quyết.
14
Chương 1 KỸ THUẬT OFDM
Việc trình bày nguyên lý kỹ thuật OFDM cũng như tổng quan mô hình hệ
thống OFDM, các thành phần trong đó là cơ sở để xây dựng nền tảng cho việc tạo ra
mô hình hệ thống với kênh truyền block-fading trên nền OFDM.
15
Chương 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN BLOCK-FADING
Ch
Ch
ương 2
ương 2


HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN
HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN
BLOCK-FADING
BLOCK-FADING
2.1 Giới thiệu chương
Có nhiều mô hình để thể hiện đặc tính kênh truyền trong OFDM,chúng ta sẽ
dùng kênh truyền block-fading để khảo sát hệ thống.
Chương này nói về vấn đề fading, multipath tạo tiền đề để mô tả kênh truyền block-
fading. Và xây dựng một hệ thống thông tin di động bằng toán học thực hiện với
kênh truyền này. Nội dung chính:

 Fading và multipath
 Power delay profile (PDP)
 Điều chế biên độ cầu phương M-QAM
 Kênh truyền block-fading trên nền OFDM
2.2 Fading và multipath
2.2.1 Fading
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi
mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền
hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền trong thông tin di động là
hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích.
Hiện tương cường độ tín hiệu sóng mang cao tần thay đổi tại ngõ vào máy thu
gọi là fading. Hiện tượng pha đinh khiến tín hiệu bị thay đổi thất thường và rất
nhanh chóng gây ra sự suy giảm về chất lượng. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng
của hệ thống thông tin di động. Người ta dùng kỹ thuật phân tập không gian để khắc
phục fading là.Trong thông tin di dộng tốc độ cao, sự phân tập khắc phục khá tốt
ảnh hưởng của fading.
Fading có thể phân loại ra hai loại fading phẳng (flat fading), fading lựa chọn
tấn số (selective fading).
 Fading phẳng làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số,
xảy ra khi băng thông của kênh truyền lớn hơn băng tần của tín hiệu
16
Chương 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN BLOCK-FADING
 Fading lựa chọn tần số làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi phụ
thuộc vào tần số, xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh
truyền
2.2.2 Hiện tượng đa đường (multipath)
Trong một hệ thống thông tin không dây, tín hiệu được truyền phát trên nhiều
đường khác nhau bởi vì trong môi trường truyền có rất nhiều chướng ngại vật,tín
hiệu đi trên những đường khác nhau có đặc tính khác nhau. Do vậy, sóng nhận được
chính là sự tổng hợp của các sóng đến từ nhiều hướng khác .Đây gọi là hiện tượng

đa đường (multipath).
Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu
phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc
vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc
bị hư hỏng hoàn toàn.
Che khuất
Trạm di động
Truyền thẳng
Khúc xạ
Tán xạ
Phản xạ
Tán xạ
Trạm gốc
Hình 2.1 Hiện tượng multipath thông tin di động

17
Chương 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN BLOCK-FADING
Một trong những hệ quả của hiện tượng multipath mà chúng ta không mong
muốn là các tín hiệu sóng tới từ những hướng khác nhau khi tới bộ thu sẽ có sự trễ
pha và vì vậy khi bộ thu tổng hợp các sóng tới này sẽ không có sự phối hợp về pha.
Điều này sẽ ảnh hưởng đến biên độ tín hiệu, biên độ tín hiệu sẽ tăng khi các tín hiệu
sóng tới cùng pha và sẽ giảm khi các tín hiệu này ngược pha. Trường hợp đặc biệt
nếu hai tín hiệu ngược pha
0
180
thì tín hiệu sẽ bị triệt tiêu. Một hệ quả nữa của hiện
tượng multipath là “trải trễ” tức là khi bị phản xạ thành nhiều tín hiệu khác nhau thì
các tín hiệu sẽ đến bộ thu ở những thời điểm khác nhau gây ra hiện tượng giao thoa
liên ký tự.
2.3 Power delay profile (PDP)

Các kênh truyền di động thì luôn là ngẫu nhiên và phức tạp. Tuy nhiên ta có
thể đặc trưng nó bằng việc sử dụng đáp ứng xung gần đúng ( đáp ứng kênh truyền )
h(t). Đáp ứng kênh truyền cung cấp một đặc tính băng rộng của kênh truyền và chứa
tất cả thông tin cần thiết để mô phỏng và phân tích bất cứ một kiểu của truyền dẫn
di động nào.
Multipath là nguyên nhân sinh ra sự phân tán của tín hiệu phát. Các tín hiệu
này vào không gian sẽ đi theo nhiều đường, nhiều hướng. Rồi sẽ tạo ra nhiều đường
truyền tới bên thu, sự kết hợp các tín hiệu là multipath fading. Để đặc trưng và mô
phỏng, phân tích cho một kênh truyền multipath fading ta sử dụng mô tả của PDP.
PDP tiêu biểu cho công suất trung bình với trễ multipath. Nó cung cấp một
chỉ định của việc phân tán và phân bố công suất phát trên các resolvable multipaths
khác nhau trong trễ truyền multipath. PDP của kênh thì được lấy giá trị trung bình
trong khoảng không gian theo các vị trí khác nhau.
Nói tóm lại PDP đặc trưng cho sự phân bố công suất, nhờ nó ta có thể mô tả
được đáp ứng kênh truyền trong thông tin di động. Trên một kênh multipath với L
resolvable multipaths thì mô tả của PDP được cho bởi hàm p(l) :
18
Chương 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN BLOCK-FADING
∑
−
=
−
−
=
1
0
4/
4/
)(
L

l
l
l
e
e
lp
(2.1)
Trong đó : l = {0, 1, 2, , L-1}.
2.4 Điều chế biên độ cầu phương M-QAM
2.4.1 Mã hóa gray
Hiện tượng xảy ra bội lỗi đối với các hệ thống sử dụng điều chế số nhiều
mức. Trong các hệ thống điều chế nhiều mức, các khối m-bít được biến thành các
symbol M=
m
2
mức và được biến thành tín hiệu dạng sóng để truyền đi. Dưới tác
động của đường truyền, máy thu có thể quyết định sai các symbol. Một symbol
được quyết định sai khi đó có thể dẫn tới tối đa m bít lỗi.
Hiện tượng bội lỗi như trên có thể được hạn chế nhờ áp dụng mã hóa Gray.
Tác động của nhiễu trên kênh hầu như chỉ dẫn đến việc quyết định sai các symbol đi
một giá trị. Thường thì áp dụng mã Gray sẽ cho kết quả là việc quyết định sai một
symbol ở phía thu hầu như chỉ dẫn đến một bít lỗi.
Ta có bảng mã hóa Gray cho 4 bít:
Giá trị symbol
dạng thấp phân
Mã hóa Gray
0 0000
1 0001
2 0011
3 0010

4 0110
5 0111
6 0101
7 0100
8 1100
9 1101
10 1111
11 1110
12 1010
13 1011
14 1001
15 1000
19
Chương 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN BLOCK-FADING

Bảng 2.1 Bảng mã hóa Gray cho 4 bit
2.4.2 Điều chế và giải điều chế M-QAM
Điều chế biên độ cầu phương M trạng thái (M-QAM) là phương pháp điều
chế kết hợp giữa điều chế biên độ và điều chế pha. Các bít mang thông tin thì được
mã trong cả biên độ và pha của tín hiệu phát.
Nhờ có biên độ thay đổi mà các trạng thái pha của sóng mang đã cách xa
nhau, do vậy khả năng mắc lỗi sẽ giảm.
Giả sử ta xét điều chế M-QAM với hai sóng mang. Tín hiệu điều chế M-QAM có
dạng:

tftbTEtftaTEts
ss 00
2sin).(./22cos).(./2)(
ππ
−=

(2.2)
trong đó
1, ,5,3,1)(),(
−±±±=
Mtbta
; trong đó M=4, 16, 64,
Các hàm trực giao cơ sở có dạng :

tfTEtp
s 01
2cos./2)(
π
=
và
tfTEtp
s 02
2sin./2)(
π
=
(2.3)
Hình 2.2 Sơ đồ khố bộ điều chế M-QAM
Sơ đồ điều chế M-QAM được vẽ như hình trên. Bộ biến đổi nối tiếp/song song biến
đổi từng cụm
Mk
2
log
=
bít lối vào bộ điều chế thành hai cụm tín hiệu NRZ, mỗi
cụm gồm k/2 xung. Khối 2/L biến cụm NRZ nhị phân thành tín hiệu có
ML

=

biên độ khác nhau. Sau đó tín hiệu với L mức biên độ khác nhau đi tới bộ lọc thông
thấp LPF
Giải điều chế bên thu có sơ đồ khối như hình vẽ dưới đây:
20
Chương 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN BLOCK-FADING
Hình 2.3 Sơ đồ khối bộ giải điều chế M-QAM
Giả sử tín hiệu M-QAM lối vào có dạng như biểu thức (2.2). Trong trường
hợp lý tưởng, các sóng mang giải điều chế có dạng
ttV
01
cos.2)(
ω
=
và
ttV
02
sin.2)(
ω
−=
(2.4)
Sau khi thực hiện nhân và loại bỏ thành phần bậc hai, tín hiệu giải điều chế có
dạng :

)()(
1
tatV
d
=

và
)()(
2
tbtV
d
=
(2.5)
a(t) và b(t) có thể có
ML
=
giá trị biên độ. Tín hiệu với L giá trị biên độ được
biến đổi tại bộ biến đổi A./D thành tín hiệu nhị phân có k/2 bít. Hai nhánh tín hiệu
nhị phân này được đưa tới bộ biến đổi song song/nối tiếp để trả thành cụm k bít lối
ra.Ví dụ về giản đồ chòm sao 16-QAM

Hình 2.4 Hình ảnh minh họa giản đồ chòm sao điều chế 16-QAM
21
Chương 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN BLOCK-FADING
2.5 Kênh truyền block-fading trên nền OFDM
2.5.1 Tín hiệu phát và thu OFDM
Giả sử điều chế M-QAM với M mức . Mã hóa dòng bits sẽ được một chuỗi
của Q bits dữ liệu
}{
,mk
d
trong đó
MQ
2
log
=

và
T
Qmkmkmkmk
dddd ], ,,[
1,,1,,0,,,
−
=
Chuỗi bít đó được ánh xạ tới symbol phức
mk
X
,
. Trong đó m, k tương ứng là ký
hiệu của OFDM symbol thứ m và sóng mang con thứ k.
Hình 2.5 Mô tả chi tiết symbol OFDM
Mỗi OFDM symbol bao gồm N sóng mang con mang thông tin
mk
X
,
, k = 0,
1, 2, , N-1, trong đó N là kích thước của hàm truyền Fourier nhanh (FFT) và biến
đổi ngược FFT (IFFT) được sử dụng trong truyền dẫn đa sóng mang con. Ở bên
phát sau khi thực hiện IFFT và chèn cyclic prefix (CP), tín hiệu phát của OFDM
symbol thứ m có thể được viết như sau :

Nknj
N
k
mkmn
eX
N

x
/2
1
0
,,

1
π
∑
−
=
=
(2.6)
Trong đó n = 0, 1, 2, , N-1
Tại bên thu, sau khi thực hiện loại bỏ CP và FFT, các mẫu (samples) nhận được
trong miền tần số có thể được xác định như sau :

mk
Y
,
=
N
1
.
∑
−
=
1
0
,

N
n
mn
y
.
Nknj
e
/2
π
−
(2.7)
Trong đó :

mln
L
l
mnlmn
xhy
,
1
0
,,,
.
−
−
=
∑
=
+
mn

z
,
(2.8)
22
Chương 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN BLOCK-FADING
là các mẫu nhận được trong miền thời gian,
mn
z
,
là tạp âm nhiễu trắng Gaussian
cộng sinh (AWGN) với biên độ nhiễu No.
2.5.2 Kênh truyền block-fading
Xét một hệ thống cơ bản của một hệ thống số. Tín hiệu số sau khi mã hóa, điều
chế là S. Như vậy ở bên phát (Tx) , sẽ phát đi S. Vấn đề của chúng ta ở bên thu là
khôi phục lại S ở bên thu.
Hình 2.6 Mô tả điều chế số ở bên phát và bên thu
Ở bên thu, ta thu được tín hiệu r. Mặt khác, ta xem tất cả nhiễu trong quá
trình truyền là n. Một cách logic ta sẽ có được :

nhSr
+=
.
(2.9)
Trong đó h đáp ứng xung của kênh truyền (đáp ứng kênh truyền). Bên thu sẽ biết
được r, giả sử vấn đề nhiễu cũng sẽ được xử lý. Do vậy muốn khôi phục lại S thì cần
phải biết được h. Giải quyết vấn đề này ta phải mô hình hóa thông số h. Với hệ
thống thông tin trên kênh truyền block-fading thì ta sẽ mô hình hóa h như sau
Giả sử phát đi một tín hiệu, khi đó ở phía thu ta sẽ nhận được nhiều bản sao
của một tín hiệu. Mỗi bản sao tín hiệu đó tới ăn ten thu chúng ta có thể biểu diễn
bằng một tia (

i
α
-physical path ) . Nhóm các physical path có công suất xấp xỉ giống
nhau ta được một một resolvable multipath (
l
). Ta giả sử có L resolvable
23
Chương 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN BLOCK-FADING
multipaths, như vậy l = [0, 1, , L-1]. Mặt khác ứng với mỗi resolvable multipaths
sẽ ứng với một đáp ứng kênh truyền
l
h
ta sẽ có ứng với một OFDM symbol :

l
h
=
], ,,[
110
−
L
hhh
(2.10)
m là symbol OFDM đang được truyền đi.
Từ biểu thức (2.1) ta có
)(lp
:

)(lp
=

∑
−
=
−
−
1
0
4/
4/0
[
L
l
l
e
e
,
∑
−
=
−
−
1
0
4/
4/1
L
l
l
e
e

, ,
]
1
0
4/
4/)1(
∑
−
=
−
−−
L
l
l
L
e
e
(2.11)
Thông số
l
h
sẽ được tạo theo sự phân bố của
l
p
.
Chuyển qua miền tần số tham số kênh truyền h đối với symbol m trở thành H, ta
có :
H=
], ,,[
110

−
L
HHH
(2.12)
Kênh truyền của chúng ta là block-fading nên tại sóng mang con thứ k, ở một
nhánh của ăng ten thu thì với bất cứ một symbol OFDM nào trong đều cho thông số
H như nhau.
Tiếp theo chúng ta sẽ nghiên xem xét tín hiệu thu được của các OFDM
symbol khi truyền trên hệ thống đó truyền trên kênh truyền block-fading. Thông số
kênh truyền H tại sóng mang con thứ k của symbol m là :

Nnkj
L
l
lmk
eh
N
H
/ 2
1
0
,

1
π
−
−
=
∑
=

(2.13)
Các mẫu tín hiệu nhận được trong miền thời gian sau khi loại bỏ CP và FFT là:

mln
L
l
mnlmn
xhy
,
1
0
,,,
.
−
−
=
∑
=
+
mn
z
,
(2.14)
Lúc đó mẫu tín hiệu thu được trong miền tần số
mk
Y
,
:

mk

Y
,
=
Nnkj
N
n
mn
ey
N
/ 2.
1
0
,

1
π
−
−
=
∑
=
mkmkmk
ZXH
,,,
. +
(2.15)
trong đó
24
Chương 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN BLOCK-FADING

Nkj
N
n
mnmk
ez
N
Z
/ 2.
1
0
,,

1
π
−
−
=
∑
=
(2.16)
là nhiễu trong miền tấn số .

2.6 Kết luận
Quá trình phát thu tín hiều trên kênh truyền block- fading đã được trình bày
trong chương này, điều chế và giải điều chế, mô tả toán học cho kênh truyền, các tín
hiệu thu phát trên hệ thống. Chương này làm tiền đề cho việc thực hiên các biểu
thức toán học, mô phỏng trong chương tiếp theo.

25