Kỹ thuật phân tập thời gian và thiết kế mã quay

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ








ĐÀO THỊ MƠ

KỸ THUẬT PHÂN TẬP THỜI GIAN VÀ
THIẾT KẾ MÃ QUAY







LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2012



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





ĐÀO THỊ MƠ



KỸ THUẬT PHÂN TẬP THỜI GIAN VÀ
THIẾT KẾ MÃ QUAY


Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 70



LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.Trịnh Anh Vũ



Hà Nội – 2012


iii


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
Chương 1: PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN
1.1 Giới thiệu chương 1
1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến 1
1.3 Đường truyền vô tuyến 2
1.3.1 Giới thi
ệu 2
1.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 5
1.3.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath) 5
1.3.2.2 Hiệu ứng Doppler 6

1.3.2.3 Suy hao trên đường truyền 7
1.3.2.4 Hiệu ứng chắn (Shadowing) 8
1.3.3 Các dạng kênh truyền 8
1.3.3.1 Kênh suy giảm phẳng 9
1.3.3.2 Kênh suy giảm chọn lọc tần số 9
1.3.3.3 Kênh suy giảm nhanh 10
1.3.3.4 Kênh suy giảm chậm 10
1.3.4 Các mô hình kênh cơ
bản 10
1.3.4.1 Kênh theo phân bố Rayleigh 10
1.3.4.2 Phân bố Ricean 11
1.4 Tổng kết chương 14
Chương 2: KỸ THUẬT PHÂN TẬP

iv


2.1 Tín hiệu qua kênh Gauss và fading 15
2.2 Phân tập thời gian………… 16
2.3 Phân tập không gian 16
2.4 Phân tập tần số 17
2.4.1 Khái niệm cơ bản 17
2.4.2 Đơn sóng mang với bộ cân bằng 22
2.4.3 Trải phổ chuỗi trực tiếp 23
2.4.4 Ghép kênh phân chia tần số trực giao 24
Chương 3: PHÂN TẬP THỜI GIAN VÀ MÃ QUAY
3.1 Tách tín hiệu trong kênh fading Rayleigh 27
3.1.1 Tách không đồng bộ 27
3.1.2 Tách đồng b
ộ 28

3.1.3 Từ BPSK đến QPSK: sử dụng bậc tự do 32
3.2 Mã lặp lại 34
3.3 Mã quay 42
Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
4.1 Kịch bản mô phỏng, tiêu chuẩn đánh giá…………………………… 43
4.2 Kết quả mô phỏng tín hiệu qua kênh Gauss và Raleigh 43
4.3 Kết quả mô phỏng tín hiệu QPSK qua kênh Raleigh và Gauss 44
4.4 Kết quả mô phỏng tín hiệu QPSK và QPSK quay qua kênh Rayleigh
và Gauss 45
4.5 Nhận xét kết quả 45
Kết luận 47
Tài liệu tham khảo 48
Phụ lục 49

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AWGN aditive white Gaussian noise
BER bit error rate
BW band width
BPSK binary phase shift keying
CDMA Code division multiple access
DTM Discrete Multi Tone
DFT Discrete Fourier Transform
DSSS Direct sequence Speading spectrum
GSM
Global System for Mobile Communications

FDM
Frequency Division Multiplexing

FHSS Frequency-Hopping Spreading Spectrum

ISI inter-symbol interference
IDFT Inverse Discrete Fourier Transform
LAN
local area network

MAP maximum a posteriori
MIMO multiple input multiple output
MISO

Multiple input single output
ML maximum-likelyhood
OFDM
Orthogonal frequency-division multiplexing

PAM Pulse amplitude Modulation
PN pseudo noise sequence
SIMO Single input multiple output
SNR signal-to-noise ratio
SS Spread spectrum
TDMA Time division multiple access
THSS Time-Hopping Spreading Spectrum

Nhiễu Gauss trắng cộng tính
Tỷ lệ lỗi bít
Độ rộng băng thông

Khóa dịch pha nhị phân
Đa truy nhập phân chia theo mã
Đa hài rời rạc
Biến đổi Furie rời rạc
Trải phổ chuỗi trực tiếp
Hệ thống viễn thông di động
toàn cầu
Ghép kênh theo tần số
Trải phổ nhảy tần
Giao thoa giữa các ký hiệu
Biển đổi Furie rời rạc ngược
Mạng LAN
Xác suất cực đại
Nhiều đầu vào nhiều đầu ra
Nhiều đầu vào một đầu ra
Xác suất có thể
Đa truy nhập phân chia tần số
trực giao
Điều chế biên độ xung
Chuỗi giả ngẫu nhiên
Một đầu vào nhiều đầu ra
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Trải phổ
Đa truy nhập phân chia thời gian
Trải phổ nhảy tần



vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Các bộ phận của một hệ truyền tin
……… ……………………. 1
Hình 1.2: Sóng phát ra từ một nguồn nhưng theo nhiều đường khác nhau.……… 3
Hình 1.3: Phương thức truyền phụ thuộc vào bước sóng………………….……… 3
Hình 1.4: Sóng truyền theo nhiều phương thức khác nhau
………………….…… 4
Hình 1.5: Hiện tượng truyền sóng đa đường
…………… ………………….…… 6
Hình 1.6: Minh họa hiệu ứng Doppler
…………… ………………….………… 7
Hình 1.7: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh
……………….…… 11
Hình 1.8: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean
……………….…………… 12
Hình 2.1: Tín hiệu qua kênh Gauss và fading………………… ……………… 15
Hình 2.2: Từ mã được truyền qua các ký hiệu liên tiếp (trên) và ghép xen … 16
Hình 2.3: Phân tập ăng ten ……………… ……………………………………… 19
Hình 2.4:
(a)Trong 1×2 kênh, không gian tín hiệu một chiều, mở rộng ra bởi h. 20
Hình 2.4: (b)Trong các kênh 2x2, không gian tín hiệu hai chiều, mở rộng ra bởi h
1

và h
2
20
Hình 2.5: So sánh kỹ thuật đa sóng mang trong OFDM và FDM…………………25
Hình 2.6 Phổ của một sóng mang, và phổ của tín hiệu OFDM …………………26
Hình 3.1: Tách tín hiệu không trực giao trên véc tơ y dựa vào hai véc tơ truyền trực

giao x
A
và x
B
và so sánh độ dài giữa chúng………………………… ………… 27
Hình 3.2: Đồ thị so sánh giữa kênh AWGN và Rayleigh đối với tín hiệu BPSK….30
Hình 3.3: QPSK so với 4-PAM……………………………………………………33

Hình 3.4: Hình ảnh điều chế trực giao, Tín hiệu được thực hiện trên một chiều thực,
nhưng hai lần ký hiệu được sử dụng ………………………………………………34
Hình 3.5 : Xác suất lỗi là một hàm của L nhánh phân tập khác nhau 38
Hình 3.6a: So sánh điều chế BPSK với mã lặp lại 39
Hình 3.6b: So sánh điều chế BPSK với mã lặp lại 40

Hình 3.7 Hàm mật độ xác suất của ||h||
2
cho L giá trị khác nhau 40
Hình 3.8: a) Từ mã của mã quay 42
Hình 3.8: b) Từ mã của mã lặp lại 42
Hình 3.9: Băng tần 25Mhz của một hệ thống GSM 46
Hình 3.10: Tóm tắt cấu trúc đan xen………………………………………………47

vii


MỞ ĐẦU
Trong những thập kỷ qua kỹ thuật truyền thông đã có những bước phát triển
mạnh mẽ cả về tốc độ và độ tin cậy. Điều này cho phép tạo ra nhiều loại hình dịch
vụ truyền tin phát triển, song cũng đi kèm theo là các yêu cầu về chất lượng dịch vụ
ngày càng khắt khe hơn. Tác động ngược lại của sự phát triển này lại tiếp tục đòi

hỏi k
ỹ thuật truyền tin phải có những biện pháp hữu hiệu để đảm bảo chất lượng
dịch vụ, đặc biệt khi khách hàng sử dụng kết nối với đường truyền vô tuyến.
Đường truyền vô tuyến với nhiều tạp nhiễu và phading luôn luôn là một
thách thức đối với các kỹ thuật truyền tin tin cậy. Một trong các kỹ thuật then chốt
để vượt qua đường truyền khó khăn này là kỹ
thuật phân tập trong đó đơn giản nhất
là phân tập thời gian.
Tuy nhiên bên cạnh hệ số phân tập một thiết kế mã tinh vi còn nhắm đến cả
hệ số mã tốt nhằm sử dụng hiệu quả tài nguyên trong truyền tin là công suất và băng
tần.
Với mục tiêu đi sâu tìm hiểu về thiết kế mã phân tập thời gian kết hợp độ lợi
mã tốt, nhất luận văn
đã chọn đề tài là: “Kỹ thuật phân tập thời gian và thiết kễ mã
quay”
Sau phần trình bày tổng quan về kỹ thuật phân tập thời gian và mã quay là
những kết quả mô phỏng kèm theo để chứng tỏ truyền tin phân tập theo thời gian
kết hợp mã quay cho kết quả tốt hơn truyền tin chỉ sử dụng kỹ thuật phân tập thời
gian và chỉ rõ góc quay tối ưu phù hợp với tính toán lý thuyết.
Ngoài phầ
n mở đầu và kết luận, luận văn gồm có bốn chương với nội dung như
sau:
Chương 1: Đường truyền vô tuyến
Chương 2: Kỹ thuật phân tập
Chương 3: Phân tập thời gian và thiết kế mã quay
Chương 4: Kết quả mô phỏng và thảo luận

1

CHƯƠNG 1: ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN

1.1 Giới thiệu chương
Các phương tiện thông tin được chia thành hai loại: thông tin vô tuyến và
thông tin hữu tuyến. Môi trường truyền sóng là một bộ phận không thể thiếu của
kênh thông tin vô tuyến, vì vậy bên cạnh việc quan tâm đến tính năng và chất lượng
của thiết bị đầu cuối (phát và thu sóng) ta còn phải lưu ý đến đặc điểm của đường
truyền sóng.
1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến [2]









Ở hình 1.1 là mô hình hệ thống thông tin vô tuyến. Hệ thống này luôn có ba
phần cơ bản đó là: khối phát, kênh truyền và khối thu. Khối phát chuyển tín hiệu tin
tạo ra từ một nguồn tin thành tín hiệu phát dạng thích hợp để truyền trên kênh
truyền. Tín hiệu thu được sau kênh truyền là một phiên bản của tín hiệu phát bị là
méo do kênh truyền. Nhiệm vụ của bộ thu là phải tạo lại tín hiệu gốc (tín hiệu tin)
như bên phát t
ừ phiên bản nhận được này, rồi từ đó tạo lại bản tin nguồn.
Quá trình truyền tin là quá trình truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác
theo yêu cầu: xa, nhanh, tin cậy. Ba yêu cầu bình thường này không phải luôn được
mọi người hiểu chính xác và lịch sử cũng đòi hỏi bao cuộc cách mạng kỹ thuật mời
ngày càng thực hiện tốt hơn những điều này. Chúng ta phác họa chúng như sau:
Khi truyền tin với khoảng cách xa. Ph

ương tiện truyền tin hiện đại đáp ứng
yêu cầu này không là gì khác ngoài trường điện từ. Trường điện từ có thể lan truyền
trong không gian tự do, trong dây dẫn điện hoặc dưới dạng ánh sáng trong sợi
quang với tốc độ hàng trăm triệu m/s.
Khối phát Khối thu
Kênh truyền
Nguồn tin Người dùng tin
Tín hiệu tin
Tín hiệu phát Tín hiệu thu
Ước lượng tín hiệu tin
HỆ TRUYỀN TIN
Hình 1.1: Các bộ phận của một hệ truyền tin

2


Khi truyền tin phải đảm bảo tốc độ. Nhanh ở đây không những chỉ là đạt
được tốc độ càng cao càng tốt, mà còn ở chỗ tốc độ truyền thông tin thỏa mãn thời
gian thực đối với yêu cầu sử dụng. Điều này có liên quan đến băng thông (độ rộng
băng tần) của đường truyền hoặc cách tổ chức một mạng truyền dẫn cho nhiề
u
người dùng.
Kết quả của việc truyền tin phải đáp ứng được độ tin cậy. Trong truyền tin
khái niệm này cũng không được hiểu với nghĩa chính xác tuyệt đối một trăm phần
trăm mà phải hiểu với tỷ lệ sai sót ít nhất, sai sót mà yêu cầu sử dụng có thể chấp
nhận được. Thông thường tỷ lệ này là 10
-6
đến 10
-7
Hạn chế và cản trở ba yêu cầu truyền tin nói trên là các yếu tố công suất, độ

rộng băng tần kênh truyền và can nhiễu (can nhiễu do ồn, can nhiễu đặc thù khác
ảnh hưởng đến truyền tin như can nhiễu do chuyển động, do các hiệu ứng đa đường
truyền ). Công suất phát càng lớn thì truyền tin càng đi xa. Băng tần truyền càng
rộng thì tốc độ truyền tin càng nhanh và cuối cùng càng ít can nhiễu thì càng ít lỗi
xảy ra. Vậy b
ằng cách nào mà người ta có thể khắc phục và vượt qua những cản trở
này? Có nhiều phương án để giải quyết vấn đề này, một trong những phương án đó
được trình bày trong luận văn này.
1.3 Đường truyền vô tuyến [2]
1.3.1 Giới thiệu
Khác với kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh
truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích.
Khi tín hiệu được phát đi, qua kênh truyề
n vô tuyến, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố:
bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các
hiện tượng này được gọi chung là fading. Kéo theo kết quả là tại nơi nhận tin, ta thu
được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng rất nhiều
đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Vì vậy việc n
ắm vững những đặc
tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cần thiết để có thể chọn lựa một cách thích
hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu
của hệ thống.
Sóng có thể truyền theo nhiều phương thức khác nhau như: Sóng đất (truyền
sát mặt đất), sóng trời (phản xạ qua các tầng điện ly), sóng truyền thẳng. Ngoài ra,

3


do sự giao thoa giữa các phương thức truyền, mà tại nơi thu có thể bị nhiễu hoặc
Fading

Hình 1.2 Sóng phát ra từ một nguồn nhưng theo nhiều đường khác nhau.
Môi trường truyền sóng cho tín hiệu vô tuyến có cấu trúc tương đối phức tạp.
Vùng khí quyển truyền sóng có thể chia thành 3 vùng cơ bản :
Bước sóng km Hm Dam m dm cm mm
VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
Sóng đất
Sóng phản xạ tầng điện ly
Sóng khúc xạ tầng đối lưu

Sóng tán xạ tầng đối lưu

Sóng truyền thẳng
Hình 1.3 Phương thức truyền phụ thuộc vào bước sóng
Tầng đối lưu (troposphere) độ cao dưới 15 Km, có nhiều gió, mây. Nhiệt độ và
mật độ không khí giảm nhanh theo độ cao. Nó có tác dụng giống như chiết suất
giảm dần, dẫn đến tác động uốn cong đường truyền sóng điện từ hướng về mặt đất.
Tầng bình lưu (Stratosphere) độ cao từ 15-40 Km, có nhiều hơi nướ
c. Nhiệt
độ tăng theo độ cao rồi ổn định tại một mức.
Hướng truyền thẳng
Hướng không truyền thẳng

4


Tầng điện ly (Ionosphere) độ cao từ 40-500 Km, có nhiều ion, có mật độ thay
đổi theo điều kiện thời tiết, theo mùa và tác động ngoài không gian.
Đây là vùng tán xạ, phản xạ, hấp thụ sóng điện từ Sóng truyền theo nhiều
phương thức khác nhau









Hình 1.4 Sóng truyền theo nhiều phương thức khác nhau
Fading là hiện tượng tại nơi thu nhận được đồng thời 2 hay nhiều sóng cùng
đến 1 lúc, các sóng này xuất phát cùng 1 ngu
ồn nhưng đi theo nhiều đường khác
nhau. Tuỳ thuộc vào hiệu các đường đi mà hiệu pha của chúng cũng khác nhau:
Nếu hiệu pha = 2n.π thì cường độ chúng tăng cường nhau
Nếu hiệu pha = (2n+1).π thì cường độ chúng triệt tiêu nhau
Hiện tượng Fading gây ra sự thu chập chờn, gây gián đoạn thông tin trong một
thời gian ngắn, trong kỹ thuật truyền hình, tạo ra hiện tượng bóng ma.
Để khắc phục Fading, người ta sử dụng k
ỹ thuật phân tập
Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được chia thành hai
loại: Suy giảm kích thước lớn (large-scale fading) và suy giảm kích thước nhỏ

(small-scale fading).
Suy giảm kích thước lớn (large-scale fading) xảy ra do mất đường đi của tín
hiệu và khi xảy ra hiện tượng chắn, che khuất (shadowing) của các tòa nhà, ngọn
đồi, núi, cây cối…với mô hình này cho phép dự đoán được mức tín hiệu thu trung
bình tại một khoảng cách xác định với nguồn phát. Đ
iều này xảy ra khi điện thoại di
động di chuyển thông qua khoảng cách xa giữa các tế bào, thường là tần số độc lập.
Sóng đất
Tầng điện ly
Sóng trời

5


Suy giảm kích thước nhỏ (small-scale fading) xảy ra khi có quá nhiều đường đi
tín hiệu giữa máy phát và máy thu, tín hiệu thu khi được xê dịch vị trí thu một
khoảng nhỏ (vài bước sóng) hoặc trong thời gian nhỏ (cỡ giây), trong trường hợp
này tần số là phụ thuộc.
Công suất thu được (hoặc đối ngược là công suất mất mát) là thông số quan
trọng nhất trong việc dự đoán theo mô hình lan truyền kích thước lớn dựa trên ba cơ
chế vật lý: Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ, suy giảm kích thước nhỏ và hiệu ứng đa
đường cũng có thể được mô tả bởi 3 cơ chế này.
Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ đập vào đối tượng có kích thước lớn so với
bước sóng truyền. Chẳng hạn phản xạ tại bề mặt trái đất, tại các tòa nhà, đồi núi,
cây cổ thụ hay các bức tườ
ng.
Nhiễu xạ xảy ra khi giữa bộ phát và thu bị cản trở bởi bề mặt có cạnh sắc giới
hạn (gờ tường, cạnh tòa nhà). Sóng thứ cấp tạo nên tại nơi cắt của bề mặt này chạy
theo mọi hướng thậm chí vòng vào phía sau vật chắn nên sóng có thể nhận được
ngay cả khi bộ phát không nhìn bộ thu (no line of sight path). Tại tần số cao nhiễu

xạ và phản xạ phụ thuộ
c vào hình học của đối tượng cũng như biên độ, pha, cực
tính của sóng tới tại điểm nhiễu xạ.
Tán xạ xảy ra khi môi trường truyền sóng có những vật cản nhỏ so với bước
sóng và số những vật cản này trên đơn vị thể tích là lớn. Chẳng hạn sóng bị phản xạ
trên bề mặt xù xì, lá cây, cột đèn, cột chỉ đường tạo nên tán xạ sóng trong thông tin
di
động.
1.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền [3]
Có 3 hiệu ứng quan trọng là:
- Sự thay đổi nhanh độ mạnh của tín hiệu trên cự ly nhỏ hay trong khoảng thời gian
ngắn.
- Tín hiệu bị điều tần do độ dịch Doppler trên các đường truyền khác nhau.
- Sự lệch thời gian (tiếng vọng) gây nên bởi trễ đa đường
1.3.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath)
Trong các vùng đô thị
suy giảm xảy ra do chiều cao của ăng ten di động thấp
hơn các công trình xây dựng nên không có đường truyền truyền thẳng từ trạm cơ sở

6


đến máy thu, thậm chí khi tồn tại đường truyền thẳng, đa đường vẫn xảy ra do phản
xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Tín hiệu thu được tại máy di động gồm số
lớn sóng phẳng có phân bố biên độ, pha và góc tới ngẫu nhiên. Thậm chí máy di
động đứng yên, tín hiệu nhận được vẫn có thể suy giảm do sự chuyển động của các
vật cản trong kênh radio.
Khi các vật cản
đứng yên, chỉ có máy di động chuyển động, tín hiệu thu là
một hàm của biến không gian, nếu máy thu chuyển động với tốc độ không đổi thì có

thể coi là hàm của biến thời gian. Do tính giao thoa sóng mà máy có thể di chuyển
qua các điểm cực tiểu hay cực đại của tín hiệu, nghiêm trọng hơn là máy thu có thể
dừng lại tại một vị trí cực tiểu xác định, mặc dù xe cộ đi lại trong vùng của máy thu
làm nhiễu loạ
n trường sóng và giảm thiểu khả năng suy giảm sâu tín hiệu trong thời
gian dài.
1.3.2.2 Hiệu ứng Doppler
Xét máy di động chuyển động với tốc độ v từ X đến Y (XY = d), trong khi
sóng tới từ nguồn xa S hợp với XY góc θ (véc tơ sóng tới và véc tơ vận tốc góc máy
thu có góc là π-θ).
Sai khác đường truyền từ nguồn S đến X, Y là: Δl=dcosθ=vΔcosΔ (1.1)
Che khu
ấ
t
Trạm di động
Tru
y
ề
n th
ẳ
n
g
Khúc x
ạ
Tán x
ạ
Phản x
ạ
Tán x
ạ

Trạm gốc
Hình 1.5: Hiện tượng truyền sóng đa đường

7


trong đó Δt là khoảng thời gian máy di động chuyển động từ X sang Y, do S ở xa
nên góc của sóng tới coi như không đổi, vẫn bằng θ. Sai khác pha do sai khác
đường truyền là:
(1.2)
Do đó sự dịch tần biểu kiến (hay dịch tần Doppler) cho bởi f
d
là:

(1.3)
f
d
sẽ cộng vào (làm tăng) hay trừ đi (làm giảm) tần số sóng tới tạo nên tần số biểu
kiến.

1.3.2.3 Suy hao trên đường truyền
Được mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy
phát đến máy thu. Trong một số trường hợp việc giảm công suất do hiện tượng che
khuất và suy hao có thể khắc phục bằng các phương pháp điều khiể
n công suất.
Suy giảm công suất thu so với công suất phát tại điểm cách nguồn phát khoảng cách
d, của sóng mang có tần số f là:

(1.4)

S
X
Hình 1.6: Minh họa hiệu ứng Doppler
Y
d
Δl
v
θ
θ
22
)
4
()
4
(
c
dfd
L
s





2
)(dfL
s







cos
22 tvl








cos
2
1 v
t
f
d






8


Nhận xét: Suy hao công suất của sóng trong không gian tự do tỷ lệ thuận với
bình phương tần số và khoảng cách lan truyền của sóng.
1.3.2.4 Hiệu ứng chắn (Shadowing)
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao
tầng, các ngọn núi, cây cổ thụ,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Mặc dù vậy,
hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn và tốc
độ biến đổi chậm. Vì
vậy, hiệu ứng này thường được gọi là fading chậm.
1.3.3 Các dạng kênh truyền [3]
Chúng ta đã biết tùy thuộc thông số của tín hiệu lan truyền (dải rộng, chu kỳ
ký hiệu…) và các thông số của kênh (trải trễ rms và độ trải Doppler) mà tín hiệu
chịu sự suy giảm khác nhau. Trong khi trải trễ đa đường gây nên phân tán thời gian
và suy giảm chọn lọc tần số thì độ trải Doppler gây nên phân tán tần số
và suy giảm
chọn lọc thời gian. Hai cơ chế này độc lập với nhau, ta có sơ đồ phân loại sau:
Suy giảm kích thước nhỏ do trễ đa đường
Suy giảm phẳng
1. BW tín hiệu < BW kênh
2. Trải trễ < Chu kỳ tín hiệu
Suy giảm chọn lọc tần số
1. BW tín hiệu > BW kênh
2. Trải trễ > Chu kỳ tín hiệu

Suy giảm kích thước nhỏ do trải Doppler
Suy giảm nhanh
1. Trả
i Doppler cao
2. Thời gian kết hợp <Chu kỳ ký
hiệu
3. Biến đổi kênh nhanh hơn thay đổi
tín hiệu băng cơ sở
Suy giảm nhanh
1. Trải Doppler chậm
2. Thời gian kết hợp >Chu kỳ ký
hiệu
3. Biến đổi kênh chậm hơn thay đổi tín
hiệu băng cơ sở
1.3.3.1 Kênh suy giảm phẳng
Còn gọi là kênh biên độ thay đổi (đôi khi còn gọi là kênh băng hẹp vì dải
rộng tín hiệu là hẹp hơn độ rộng băng của kênh). Thông thường loại kênh này gây
nên suy giảm sâu và cần 20-30dB công suất thêm cho bộ phát để đạt được tốc độ lỗi
bít như kênh không có suy giảm. Phân bố hệ số kênh của suy giảm phẳng là rất

9


quan trọng cho thiết kế ghép nối. Phân bố phổ biến nhất là phân bố Rayleigh. Tóm
lại trong kênh suy giảm phẳng:
B
S
< B
C
T

S
< σ
τ
(1.6)

T
S
là nghịch đảo độ rộng dải B
S
của tín hiệu (chu kỳ tín hiệu). σ
τ
là độ trải trễ
rms và độ rộng băng kết hợp của kênh.
1.3.3.2 Kênh suy giảm chọn lọc tần số
Nếu kênh có hệ số không đổi và pha tuyến tính trong một khoảng tần số nhỏ
hơn dải rộng tín hiệu truyền thi kênh sẽ gây suy giảm chọn lọc tần số. Khi đó trải trế
đa đường lớn hơn nghịch đảo dải rộng tín hiệu, tín hiệu thu
được gồm nhiều phiên
bản cảu dạng sóng phát bị suy giảm và là trễ khác nhau gây nên méo tín hiệu. Suy
giảm chọn lọc tần gây méo ký hiệu truyền còn gọi là giao thoa giữa các ký hiêu
(ISI). Kênh này khó mô hình hơn kênh suy giảm phẳng vì mỗi đường truyền phải
được mô hình và kênh phải được xét như bộ lọc tuyến tính. Do nguyên nhân này
phép dò kênh đa đường dải rộng phải được thực hiện và mô hình được phải triển từ
các phép đo này.
Khi phân tích các hệ thống thông tin di độ
ng, các mô hình đáp ứng xung
thông kê chẳng hạn như mô hình Rayleigh 2 tia (đáp ứng xung là hai xung dạng
hàm delta, suy giảm độc lập và trễ giữa 2 xung đủ để tạo nên suy giảm chọn lọc đối
với tín hiệu được cấp) được máy tính tạo ra hay từ các phép đo nói chung được
đụng để phân tích suy giảm chọn lọc tần số là do trễ đa đường hay vượt quá chu kỳ

ký hiệu truyền, kênh này cũng gọi là kênh băng rộng (vì dải r
ộng tín hiệu lớn hơn
độ rộng kênh). Khi thời gian thay đổi, kênh thay đổi hệ số và pha suốt phổ tín hiệu
gây méo thay đổi theo thời gian.
Tóm lại ở kênh này: B
S
>B
C
T
S
< σ
τ
Một quy tắc chung là: kênh sẽ là chọn lọc tần số nếu σ
τ
>0.1T
S
dẫu rằng điều
này là độc lập với cách điều chế cụ thể.
1.3.3.3 Kênh suy giảm nhanh
Tùy thuộc vào tín hiệu băng cơ sở thay đổi nhanh hay kênh thay đổi nhanh
hơn mà ta có suy giảm chậm hay nhanh. Kênh suy giảm nhanh là kênh có đáp ứng
xung thay đổi nhanh trong khoảng thời gian ký hiệu tức là thời gian kết hợp của

10


kênh là nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu. Điều này gây nên phân tán tần số (còn gọi là suy
giảm chọn lọc thời gian) do sự trải Doppler dẫn đến méo tín hiệu:
T
S

>T
C
hay

B
S
< B
D
(1.7)
Chú ý là kênh suy giảm nhanh hay chậm độc lập với tính chất phẳng hay
chọn lọc tần số của kênh. Ví dụ kênh suy giảm phản và nhanh được mô hình như
đáp ứng xung là hàm Delta, song biện độ của hàm Delta thay đổi nhanh hơn tín hiệu
băng cơ sở. Kênh suy giảm chọn lọc tần, nhanh là biện độ, pha, trễ của các thành
phần đa đường thay đổi nhanh hơn tín hiệu băng cơ sở.
1.3.3.4 Kênh suy giảm chậm

Đáp ứng xung của kênh thay đổi chậm hơn tín hiệu băng cơ sở. Kênh được
coi là tĩnh trên một hay vài lần nghịch đảo dải rộng tín hiệu. trong miền tần số điều
này được hiểu là độ trải Doppler của kênh nhỏ hơn dải rộng của tín hiệu:
T
S
<T
C
hay

B
S
> B
D
(1.8)

1.3.4 Các mô hình kênh cơ bản [3]
1.3.4.1 Kênh theo phân bố Rayleigh
Trong kênh radio di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để mô tả bản
chất thống kê theo thời gian của đường bao tín hiệu suy giảm phẳng ngoài việc dịch
Doppler hay đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ. Chúng ta biết rằng
đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao vuông góc có phân bố
Rayleigh. Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất là:
(1.9)



Ở đó σ là giá trị rms (hiệu dụ
ng) của tín hiệu thế nhận được và σ
2
là công suất
trung bình của tín hiệu thu trước khi tách đường bao.
Xác suất để đường bao của tín hiệu thu được không vượt qua một giá trị R xác
định tương ứng là hàm phân bố tích lũy:
(1.10)

Giá trị trung bình của phân bố Rayleigh r
mean
được tính:
(1.11)


















)0(0
)0(
2
exp
)(
2
2
2
r
r
rr
rp












2
2
0
2
exp1)()()(

R
drrpRrPRP
R
r



2533.1
2
)(][
0



drrrprEr
mean

11

Và phương sai
2
r

(công suất thành phần AC của đường bao tín hiệu):
(1.12)
Giá trị rms của đường bao là

2
(căn bậc hai của giá trị trung bình bình
phương). Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình:
(1.13)









0 Σ 2σ 3σ 4σ 5σ
Hình 1.7: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh
Tức là giá trị trung bình và trung tâm của r chỉ khác nhau 0.55dB trong tín hiệu
suy giảm Rayleigh. Trong thực tế giá trị trung tâm hay được dùng vì thích hợp với
phép đo.
1.3.4.2 Phân bố Ricean
Khi có một thành phần đa đường mạnh vượt trội và dừng, ví d
ụ như đường
LOS, phân bố đường bao suy giảm kích thước nhỏ là phân bố Ricean, các thành

phần đa đường ngẫu nhiên tới bộ thu theo các góc khác nhau sẽ chồng chất thêm
vào tín hiệu dừng này, tại lối ra bộ thu sẽ có hiệu ứng cộng thêm thành phần DC và
đa đường ngẫu nhiên.
Giống như trường hợp tách sóng sin trong ồn nhiệt, sóng nổi trội tới cùng các
tín hiệu đa đường yếu hơn sẽ cho phân bố Ricean. Khi thành phần n
ổi trội yêu đi sẽ
trở lại phân bố Rayleigh. Công thức phân bố như sau:

222
0
222
2
4292.0
2
2
2
)(][
















drrprrErE
r


median
r
median
rdrrp
0
177.1)(
2
1

p(r)
0.6065/σ

12


dB
A
dBk
2
2
2
log10)(



2
2
2

A
k 
Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:

















00
)0,0(
)(
2
0
2

)(
2
2
22
r
rA
Ar
Ie
r
rp
Ar


(1.14)
A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight.
I
0
: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0.
Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số K được định nghĩa như là tỉ
số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các
thành phần đa đường:
(1.15)
Hay viết dưới dạng

dB: (1.16)
k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean.
Thông số K được hiểu như phần tử Ricean, xác định hoàn toàn phân bố Ricean
Khi A →

0, k


0 (  dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân
bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh. Hình 1.8 mô tả hàm mật độ xác suất của
phân bố Ricean.








1.4 Tổng kết chương
Chương 1 đã nêu lên các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng của kênh
truyền, đó là hiệu ứng đa đường, hiệu ứng Doppler, suy hao đường truyền và hiệu
ứng bóng râm, từ đây muốn cải thiện ch
ất lượng kênh truyền thì cần phải khắc phục
các hiện tượng này, do vậy mà nhiều kỹ thuật đã ra đời.
p
(r)
k =


dB
k = 6 dB
Hình 1.8: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean:
k =
 dB (Rayleigh) và k = 6 dB. Với k >>1, giá trị trung bình
của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gauss

13


Chương 1 còn cho ta biết các dạng kênh truyền trong hệ thống thông tin di
động và cho ta biết hai mô hình phân bố kênh, đó là Rayleigh và Gauss. Có thể khắc
phục các hiện tượng trên bằng một số kỹ thuật trong đó có kỹ thuật phân tập, do vậy
chương sau sẽ tìm hiểu về các kỹ thuật này.

14


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT PHÂN TẬP

2.1 Tín hiệu qua kênh Gauss và fading
Ví dụ về chòm sao tín hiệu qua kênh Gauss và fading:
Tín hiệu gốc










Kênh Gauss Kênh fading

Hình 2.1 Tín hiệu qua kênh Gauss và fading
Tín hiệu qua kênh Gauss và fading được biểu diễn cụ thể ở hình 2.1, nếu tín
hiệu qua kênh Gauss chúng sẽ bị thay đổi đi nhưng các điểm đó tập trung tại vị trí
nhất định xung quanh điểm tín hiệu gốc, tại nơi nhận nó có thể được khôi phục l
ại
và ta có thể vẫn nhận ra nó, kết quả này là tin cậy được. Nhưng tín hiệu đó qua kênh
fading thì hoàn toàn khác nếu không dùng các kỹ thuật đặc biệt ra không thể nhận
ra được đâu là tín hiệu gốc, chính vì vậy phân tập đã ra đời.
Phân tập (diversity) là kỹ thuật gửi cùng 1 ký hiệu trên các đường truyền độc
lập, tổng hợp các phiên bản nhận được tại nơi thu sẽ cho kết quả tin cậy hơn.
Đây là

15


phương pháp hiệu quả để chống fading. Có thể thực hiện trong miền thời gian,
không gian hay tần số.
- Trong thời gian, đơn giản nhất là mã lặp lại
- Trong không gian: dùng nhiều anten phân tập cả phát lẫn thu
- Trong tần số, sẽ xem xét 3 trường hợp: Một sóng mang với bộ cân
bằng, trải phổ dãy trực tiếp, hợp kênh các tần số trực giao

Các sơ đồ
phân tâp tinh vi sử dụng tính chất phân tập của kênh và đồng thời
cả bậc tự do của nó. So với mã lặp lại ngoài hệ số phân tập chúng còn cung cấp hệ
số mã
2.2 Phân tập thời gian [4]
Kết quả phân tập thời gian đạt được bằng cách lấy trung bình fading theo
thời gian

















Hình 2.2: Từ mã được truyền qua các ký hiệu liên tiếp (trên) và ghép xen.
Giả sử ghép xen làm cho các ký hiệu x
l
ở xa nhau và có giả sử h
l
là độc lập.

Thông số L được gọi là số nhánh độc lập.
2.3 Phân tập không gian [4]
Để khai thác tính phân tập thời gian, ghép xen và mã hóa là sự kết hợp cần
thiết. Khi có một hạn chế sự trễ nghiêm ngặt hoặc thời gian kết hợp lớn, điều này có
thể không được tốt. Trong trường hợp này, các hình thức khác của phân tập có thể
thu được. Phân tập ăng ten, phân tập không gian, có thể thu được bằng cách đặt
T
ừ m
ã
T
ừ m
ã
T
ừ m
ã
T
ừ m
ã
không ghép xen
ghép xen

16


nhiều ăng-ten tại các máy phát và /hoặc thu, nếu các ăng-ten được đặt đủ xa nhau.
Việc tách ăng ten yêu cầu phụ thuộc vào tán xạ môi trường địa phương cũng như
trên các tần số sóng mang. Đối với một điện thoại di động gần mặt đất với phân bố
xung quanh, kênh tương quan trên ngắn hơn khoảng cách không gian, và tách ăng-
ten đặc trưng của một nửa một b
ước sóng. Đối với các trạm cơ sở đặt trên các tháp

cao, khoảng cách giữa các ăng ten phải đảm bảo lớn hơn 10 lần bước sóng. Ta nhận
được cả sự phân tập khi sử dụng nhiều ăng-ten nhận (đơn đầu vào, đa đầu ra kênh
SIMO), và truyền tải đa dạng, sử dụng nhiều angten truyền (đa đầu vào, đơn đầu ra,
kênh MISO). Khi sử dụng mã không gian thời gian đối với kênh nhiều
ăng ten phát
và ăng ten nhận (nhiều đầu vào nhiều đầu ra hoặc kênh MIMO) rất có tiềm năng.
Ngoài việc cung cấp bậc độ phân tập, kênh MIMO cũng cung cấp thêm bậc tự do.
2.3.3 Phân tập ăng ten nhận
Kênh fading phẳng với L anten thu:
Llmwmxmhmy
lll
, 2,1],[][].[][

 (2.1)
So với mã lặp lại (L khe thời gian→L anten đồng thời). Công thức lỗi biểu diễn
ở đây nhiễu
),0(][
0
NCNmw
l
 và độc lập với các ăng ten, việc tách x[1] dựa trên
y
1
[1],… y
L
[1]. Đây chính là việc tách tín hiệu tương tự trong việc sử dụng một mã
lặp lại và ghép xen theo thời gian, với L nhánh phân tập trong không gian thay vì
theo thời gian. Nếu các ăng-ten được đặt cách nhau đủ xa, chúng ta có thể giả định
rằng độ lợi ích h[1] là độc lập Rayleigh, và chúng ta có được độ lợi phân tập của L.
Đối với phân tập nhận, thực sự có hai loại độ lợi khi chúng ta tăng L. Điều

này có thể được nhìn thấy bằng cách nhìn vào biểu thức cho xác suất lỗi với kênh
điều kiện BPSK như sau:






SNRhQ
2
2

(2.2)

Chúng ta có thể phá vỡ điều kiện SNR tổng các kênh nhận trên độ lợi kênh được
tạo ra bởi hai thành phần.

||||
1
.||||
2
h
L
LSNRSNRh  (2.3)
Thành phần 1 là hệ số công suất (độ lợi mảng), bằng cách nhận được nhiều
anten và kết hợp ở nơi nhận, hiệu quả tổng công suất tín hiệu nhận được tăng tuyến
tính với L: tăng gấp đôi L đạt được độ lợi công suất 3dB. Về mặt toán học với cùng
điều kiện, trong trường hợp mã lặp lại phân tập thời gian, sự gia tă
ng SNR nhận
được đến từ tăng tổng năng lượng phát yêu cầu để gửi một bit, vì thế nó không thích

hợp để gọi là độ lợi công suất. Thành phần 2 là hệ số phân tập: bằng cách lấy trung

17


L
e
SNR
L
L
p
)4(
1
12










||||
1
.||||
2
h
L

LSNRSNRh 


L
l
h
L
h
L
1
2
|]1[|
1
||||
1
bình trên nhiều đường truyền độc lập, xác suất tăng của độ lợi có thể giảm nhẹ. Độ
lợi phân tập L được thể hiện trong công thức:

(2.4)
Độ lợi công suất ảnh hưởng đến hằng số trước 1/4SNR
L
. Nhớ rằng độ lợi kênh
h
l
[1]

hoàn toàn tương quan ở tất cả các nhánh. Chỉ tăng độ lợi công suất mà không
tăng độ phân tập, chúng ta sẽ tăng L. Mặt khác ngay cả khi tất cả các h
l
là độc lập,

là quay về biên giảm dần L tăng: do luật số lớn, thành phần thứ hai trong công thức:

(2.5)
(2.6)
Hội tụ tới 1 tăng L (giả định mỗi lợi kênh chuẩn hóa để có phương sai đơn vị).
Việc đạt được độ lợi công suất, mặt khác, từ không có giới hạn như: tăng 3-dB thu
được khi tăng gấp đôi số ăng-ten.
Tính chất phân tập thu:
Hệ số
phân tập cho hàm lỗi nghịch đảo với lũy thừa với hệ số này của SNR còn
hệ số công suất là hằng số đứng trước 1/SNR
L

Chú ý khi các kênh tương quan với nhau chỉ còn hệ số công suất, còn khi tất cả
độc lập thì dù tăng L, theo luật số lớn hệ số phân tập bị giới hạn đến 1, còn hệ số
công suất không chịu giới hạn này
2.3.2 Phân tập phát (mã không gian - thời gian)
Bây giờ chúng ta quan tâm đến trường hợp L ăng ten phát và một ăng ten
nhận, kênh MISO: hình 2.3b. Điều này là phổ biến trong đường xuống của một hệ
thống di
động, để có nhiều ăng-ten trạm cơ sở hơn là có nhiều ăng-ten tại tất cả các
thiết bị cầm tay, cách này sẽ có giá rẻ hơn. Dễ dàng nhận được độ lợi phân tập với
L: chỉ đơn giản là truyền tải cùng một ký hiệu trên L ăng-ten khác nhau trong L lần
ký hiệu. Tại một thời điểm, chỉ có một ăng-ten được bật và các ăng ten còn lại thì
không.
Đây đơn giản là mã lặp lại, như chúng ta đã nói trong phần trước: mã lặp lại
lãng phí bậc tự do. Nói chung, bất kỳ mã phân tập thời gian với chiều dài khối L có
thể được sử dụng trên hệ thống phân tập phát: chỉ cần sử dụng một ăng-ten tại một
thời điểm và truyền tải các ký hiệu được mã hóa của mã phân tập thời gian liên tiếp
trên các ăng-ten khác nhau. Điề

u này cung cấp độ lợi mã hơn là mã lặp lại. Cũng có
thể thiết kế các mã đặc biệt cho hệ thống phân tập phát. Đã có rất nhiều nghiên cứu
trong lĩnh vực này đánh giá của mã không gian thời gian và ở đây ta xét mã không
gian thời gian phổ biến nhất: Sơ đồ Alamouti

18


Xem xét sơ đồ Alamouti như là một thay thế cho những khuyết điểm của sơ
đồ lặp lại. Ở đây, hai ký hiệu dữ liệu được truyền đi trong mỗi khối có độ dài 2.
Sơ đồ Alamouti: 2 phát, 1 thu, kênh phẳng và không đổi trong 2 thời gian ký
hiệu (khả năng phát 4 ký hiệu/2 khe thời gian)
]]2[]1[[][]]2[]1[[
*
12
*
21
21
ww
uu
uu
hhyy 









(2.7)
Để tách u
1
,u
2
ta viết lại:




























*
2
1
*
1
*
2
21
*
]2[
]1[
]2[
]1[
w
w
u
u
hh
hh
y
y
(2.8)
Cột của ma trận vuông là độc lập nên việc tách đưa về 2 phép toán độc lập, tỷ lệ
bằng cách chiếu y lên 2 cột
, 2,1,  iwuhr
iii
(2.9)

Như vậy hệ số phân tập là 2 khi tách mỗi ký hiệu, so với mã lặp lại 2 ký hiệu
được phát trên 1 khoảng thời gian (chứ không phải 1 ký hiệu trên khoảng thời gian)
song với ½ công suất








Sơ đồ Alamouti: Làm việc với bất kỳ chòm sao nào, trường hợp theo BPSK
cho 2 bit/2 thời gian ký hiệu = 4PAM trong mã lặp (về tốc độ) song để đạt
khoảng cách tối thiểu tương đương cần 5 lần công suất/ký hiệu=2,5 lần/bit=4dB.
Nguyên nhân là:
Mã lặp lại chỉ dùng 1 chiều là véc tơ [h
1
,h
2
]t, còn sơ đồ Alamouti dùng 2
chiều với 2 vecto độc lập là:[h1,h2*]t,[h2,-h1*]t.



Hình 2.3 a: phân tập ăng ten phát
b: phân tập ăng ten nhận
c: phân tập ăng ten phát và ăng ten nhận