Mô phỏng hệ thống vô tuyến mimo luận văn tốt nghiệp đại học

 Báo cáo đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng

Quang


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
--------------------

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN MIMO

Người hướng dẫn

: ThS. Nguyễn Phúc

Ngọc
Sinh viên thực hiện : Đỗ Hồng Quang
Lớp

: 47K- ĐTVT

Vinh 05/2011

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten

4


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng

Quang



MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC...............................................................................................5
1.1. Các đặc điểm của thông tin số........................................................................................................3
1.2. Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống thông tin số..............................................................4
1.3. Hệ thống truyền dẫn số...................................................................................................................5
1.4. Mô hình kênh liên tục truyền tín hiệu số........................................................................................6
1.5. Kênh tạp âm AWGN ......................................................................................................................8

1.5.1. Tạp âm AWGN..............................................................................8
1.5.2. Mô phỏng tạp âm AWGN...........................................................10
1.5.3. Mô phỏng truyền dẫn qua kênh AWGN......................................11
Hình 1.3. Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn BPSK trên kênh AWGN........................................................12
1.6. Kênh fading..................................................................................................................................12

1.6.1. Mô hình toán học của fading.......................................................13
1.6.2. Ảnh hưởng chuyển động của MS................................................14
1.7. Kênh fading Rayleigh...................................................................................................................16

1.8. Fading và fading đa đường chọn lọc tần số..................................................................................17

1.8.1. Fading trong các hệ thống vô tuyến............................................17
1.8.2. fading đa đường chọn lọc theo tần số..........................................23
1.9. Can nhiễu và một số tác động khác của đường truyền.................................................................26

1.9.1. Can nhiễu.....................................................................................26
1.9.2. Một số tác động khác của đường truyền......................................27
1.10. Tóm tắt chương 1..........................................................................30
3.1. Cơ sở lý thuyết..............................................................................................................................78
3.1.1.Truờng hợp kênh MISO 2 x 1.....................................................................................................78
3.1.2. Trường hợp kênh MIMO 2 x 2..................................................................................................82
3.2. Tóm tắt chương 3..........................................................................................................................85

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng

Quang


KẾT LUẬN...........................................................................................86
PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH Mophong21.m.....................................87
PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH Mophong22.m.....................................88

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten

 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng

Quang



Viết tắt
AWGN
BER
BS
BPSK
MS
MRC
MLD
MIMO
MISO
ML
SNR
SIMO
SISO
STTD
STBC
STE
STC
STD
SIR

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
Tiếng Anh
Tiếng Việt
Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng
Bit Error Rate
Tỷ lệ lỗi bit
Base Station
Trạm gốc
Binary Phase Shift Keying
Khoá dịch pha nhị phân
Mobile Station
Trạm di động
Maximal Ratio Combining
Kết hợp độ lợi tối đa
Maximum Likehood Detection Phương pháp tách sóng hợp lệ tối đa
Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra
Multiple Input Single Output
Đa đầu vào đơn đầu ra
Maximum Likehood
Hợp lẽ cực đại
Signal to Noise Ratio
Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm
Single Input Multiple Output
Đơn đầu vào đa đầu ra
Single Input Single Output
Đơn đầu vào đơn đầu ra
Space Time Transmit Diversity Phân tập phát không gian thời gian
Space Time Block Code
Mã khối không gian thời gian
Space Time Encoder

Bộ mã hoá không gian thời gian
Space Time Code
Mã không gian thời gian
Switched Transmit Diversity
Phân tập phát chuyển mạch
Signal to Interference Ratio
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

DANH MỤC CÁC BẢNG
MỤC LỤC...............................................................................................5
1.1. Các đặc điểm của thông tin số........................................................................................................3
1.2. Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống thông tin số..............................................................4
1.3. Hệ thống truyền dẫn số...................................................................................................................5
1.4. Mô hình kênh liên tục truyền tín hiệu số........................................................................................6
1.5. Kênh tạp âm AWGN ......................................................................................................................8
Hình 1.3. Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn BPSK trên kênh AWGN........................................................12

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng

Quang


1.6. Kênh fading..................................................................................................................................12
1.7. Kênh fading Rayleigh...................................................................................................................16
1.8. Fading và fading đa đường chọn lọc tần số..................................................................................17

1.9. Can nhiễu và một số tác động khác của đường truyền.................................................................26
3.1. Cơ sở lý thuyết..............................................................................................................................78
3.1.1.Truờng hợp kênh MISO 2 x 1.....................................................................................................78
3.1.2. Trường hợp kênh MIMO 2 x 2..................................................................................................82
3.2. Tóm tắt chương 3..........................................................................................................................85

KẾT LUẬN...........................................................................................86
PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH Mophong21.m.....................................87
PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH Mophong22.m.....................................88

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng

Quang


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Trong đồ án này chủ yếu đề cập đến mã khối không gian-thời
gian, các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống đa anten, quá trình ước lượng
kênh truyền trong hệ thống MIMO và mô phỏng hệ thống truyền dẫn vô
tuyến số sử dụng đa anten. Đồ án có bố cục gồm 3 chương như sau:
Chương 1: Kênh thông tin vô tuyến
Chương 2: Kỹ thuật đa anten
Chương 3: Mô phỏng hệ thống truyền dẫn đa anten

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten

 Báo cáo đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


LỜI NÓI ĐẦU
Sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di
động nói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công
nghệ truyền thông vô tuyến. Trong đó, phải kể đến các công nghệ mới như
MIMO, anten thông minh, ...
Sự ra đời hệ thống truyền dẫn vô tuyến số sử dụng đa anten (MIMO)
nhằm nâng cao dung lượng cũng như chất lượng truyền thông vô tuyến, đồng
thời thực hiện mô hình hóa và tiến hành mô phỏng xác suất lỗi bít (BER),
xác suât lỗi ký tự (SER) và năng lượng bức xạ của của kỹ thuật phân tập
anten. Ngoài các ảnh hưởng do suy hao, can nhiễu, tín hiệu khi truyền qua
kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, … và gây ra
hiện tượng fading đa đường. Điều đó dẫn đến tín hiệu nhận được tại bộ thu sẽ
xấu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát, làm giảm đáng kể chất lượng
truyền thông.
Những nghiên cứu gần đây cho thấy, ngoài việc sử dụng sự kết hợp
của các phương pháp điều chế vào hệ thống MIMO cho phép cải thiện đáng
kể ảnh hưởng fading từ môi trường truyền, cho phép nâng cao chất lượng và
tốc độ truyền thông, hệ thống MIMO còn sử dụng mã khối không gian – thời
gian (STBC) cho phép cải thiện xác suất lỗi bít (BER) ký tự (SER) và năng
lượng bức xạ của anten.
Kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến số sử dụng đa anten dùng kỹ thuật mã hoá
không gian-thời gian (STC) thích hợp có thể đạt được hệ số tăng ích lớn trong
truyền dẫn đa đường. Alamouti đã đề xuất kỹ thuật phân tập đơn anten kết

hợp với mã hoá, dựa trên kỹ thuật đó, mã hoá không –gian thời gian được
phát triển và ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến. Gần đây, mã
khối không gian-thời gian được chấp nhận trong thông tin di động thế hệ thứ

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten

1


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


ba với mục đích thực hiện truyền thông đa phương tiện. Nó được sử dụng phổ
biến trong các kỹ thuật mã hoá không gian-thời gian khác nhau. Các công
trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng, dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến
được tăng lên đáng kể khi sử dụng nhiều anten thu và phát.
Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập
thời gian, phân tập không gian (phân tập anten). Trong đó, kỹ thuật phân
tập anten hiện đang rất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ
khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian nhằm nâng cao chất
lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh
được hao phí băng thông tần số - một yếu tố rất được quan tâm trong hoàn
cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm.
Đồ án này chủ yếu đề cập đến mã khối không gian-thời gian, quá trình
ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO và mô phỏng hệ thống truyền
dẫn vô tuyến số sử dụng đa anten. Đồ án có bố cục gồm 3 chương như sau:
Chương 1: Kênh thông tin vô tuyến
Chương 2: Kỹ thuật đa anten

Chương 3: Mô phỏng hệ thống truyền dẫn đa anten
Do thời gian, tài liệu và kinh nghiệm làm việc còn hạn chế nên đồ án này
không thể tránh khỏi các thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý
thầy giáo và bạn đọc để đồ án được hoàn thiện hơn.
Nhân đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Nguyễn Phúc
Ngọc đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ trong quá trình thực hiện đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn!
Vinh 05/2011
Sinh viên thực hiện
Đỗ Hồng Quang
Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


CHƯƠNG 1
KÊNH THÔNG TIN VÔ TUYẾN
1.1. Các đặc điểm của thông tin số
Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền đưa tin tức từ nơi này
đến nơi khác. Tin tức được truyền đưa từ nguồn tin (là nơi sinh ra tin tức) tới
bộ nhận tin (là đích mà tin tức cần được chuyển tới) dưới dạng các bản tin.
Bản tin là dạng hình thức chứa đựng một lượng thông tin nào đó. Các bản tin
được tạo ra từ nguồn có thể ở dạng liên tục hay rời rạc, tương ứng chúng ta có
các nguồn tin liên tục hay rời rạc. Đối với nguồn tin liên tục, tập các bản tin là
một tập vô hạn, còn đối với nguồn tin rời rạc tập các bản tin có thể có là một
tập hữu hạn.
Biểu diễn vật lý của một bản tin được gọi là tín hiệu. Có rất nhiều loại tín hiệu

khác nhau tuỳ theo đại lượng vật lý được sử dụng để biểu diễn tín hiệu. Tuỳ
theo dạng của các tín hiệu được sử dụng để truyền tải tin tức trong các hệ
thống truyền tin là các tín hiệu tương tự (analog) hay tín hiệu số (digital) và
tương ứng sẽ có các hệ thống thông tin analog hay hệ thống thông tin số.
Nhược điểm căn bản của các hệ thống thông tin số so với các hệ thống thông
tin tương tự trước đây là phổ chiếm của tín hiệu số khi truyền các bản tin liên
tục tương đối lớn hơn so với phổ của tín hiệu analog. Do các hạn chế về kỹ
thuật hiện nay, phổ chiếm của các tín hiệu số còn tương đối lớn hơn phổ
chiếm của tín hiệu analog khi truyền các bản tin liên tục, tuy nhiên trong
tương lai khi các kỹ thuật số hoá tín hiệu liên tục tiên tiến hơn được áp dụng
thì phổ của tín hiệu số có thể so sánh được với phổ của tín hiệu liên tục .

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


1.2. Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống thông tin số
Các tham số chất lượng chủ yếu đối với các hệ thống thông tin số là độ
chính xác truyền tin và tốc độ truyền tin. Các yêu cầu cơ bản đối với các hệ
thống thông tin số cũng là nhanh chóng và chính xác. Cần nói thêm ở đây
rằng, hai yêu cầu này nói chung luôn mâu thuẫn với nhau. Về nguyên tắc,
muốn truyền tin thật chính xác thì phải chấp nhận giảm tốc độ truyền và
ngược lại, truyền tin càng nhanh thì lỗi truyền tin xảy ra càng dày hơn.
Đối với thông tin số, tham số đo độ chính xác truyền tin thường được
đánh giá qua tỷ lệ lỗi bít (BER: Bit-Error Ratio) thường được hiểu là tỷ lệ
giữa số bít nhận bị lỗi và tổng số bít đã truyền trong một khoảng thời gian

quan sát nào đó. Khi thời gian quan sát tiến đến vô hạn thì tỷ lệ này tiến tới
xác suất lỗi bít. Trong thực tế, thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỷ
lệ lỗi bít chỉ gần bằng với xác suất lỗi bít, tuy nhiên trong nhiều trường hợp
thực tế người ta cũng vẫn thường xem và gọi BER là xác suất lỗi bít. Trong
nhiều trường hợp, ứng với các loại dịch vụ nhất định, các tham số phái sinh
về độ chính xác truyền tin thường được xét đến là các giây bị lỗi trầm trọng
(SES : Severely Errored Seconds), các giây bị lỗi (ES: Errored Seconds), các
phút suy giảm chất lượng (DM: Degraded Minutes)... Trong một số hệ thống
thông tin số sử dụng các biện pháp mã hoá hiệu quả tiếng nói như đối với điện
thoại di động chẳng hạn, thì độ chính xác truyền tin cũng còn được thể hiện
qua tham số chất lượng tiếng nói xét về khía cạnh chất lượng dịch vụ.
Khả năng truyền tin nhanh chóng của một hệ thống thông tin số thường
được đánh giá qua dung lượng tổng cộng B của hệ thống, là tốc độ truyền
thông tin (có đơn vị là b/s) tổng cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đã
cho. Nhìn chung, dung lượng của một hệ thống tuỳ thuộc vào băng tần truyền
dẫn của hệ thống, sơ đồ điều chế số, mức độ tạp nhiễu.
Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


Ngoài các yêu cầu và các tham số có tính nguyên tắc nói trên, các hệ
thống thông tin số còn có thêm các yêu cầu về tính bảo mật và độ tin cậy (khả
năng làm việc của hệ thống với BER không vượt quá giá trị xác định). Các
yếu tố về giá thành và tốc độ thu hồi vốn đầu tư, gọi chung là yêu cầu về tính
kinh tế cũng có một vai trò to lớn.
1.3. Hệ thống truyền dẫn số

Hệ thống truyền dẫn số là tập hợp các phương tiện (bao gồm các thiết
bị phần cứng và các phần mềm) được sử dụng để truyền tín hiệu số từ lối ra
của thiết bị tạo khuôn ở phần phát tới đầu vào thiết bị tái tạo khuôn thông tin
ở phần thu hệ thống thông tin số. Có rất nhiều loại hệ thống truyền dẫn số
khác nhau tuỳ thuộc môi trường truyền dẫn như các hệ thống truyền dẫn số
qua vệ tinh viễn thông, các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số mặt đất, các hệ
thống vô tuyến di động, các hệ thống thông tin dùng cáp đồng trục, cáp xoắn
hay cáp sợi quang học... Kỹ thuật được sử dụng để truyền dẫn số trong các hệ
thống truyền dẫn khác nhau như thế cũng tương đối khác nhau, phản ánh các
tính chất đặc thù của môi trường truyền dẫn, tần số công tác cũng như loại
hình dịch vụ...
Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống truyền dẫn số cũng được
đánh giá thông qua tỷ lệ lỗi bít của hệ thống BER và dung lượng truyền dẫn.
Một tham số liên quan tới dung lượng tổng cộng của hệ thống, thường được
dùng hơn để so sánh các hệ thống truyền dẫn số, là tích số , với L là cự ly
khoảng lặp cần thiết. Trong điều kiện kỹ thuật hiện nay, tham số này là
khoảng vài trăm Mb/s-km đến một vài Gb/s-km đối với các hệ thống vô tuyến
chuyển tiếp số hay cáp đồng trục và có thể lên tới hàng ngàn Gb/s-km hoặc
hơn nữa đối với các hệ thống thông tin quang sợi.

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


Đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện tại, các tín hiệu số nhận giá trị
trong một tập hữu hạn các giá trị có thể có và có thời gian tồn tại hữu hạn.

Khi tập các giá trị có thể có của tín hiệu gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống
được gọi là nhị phân và tín hiệu khi đó được gọi là bít, khi số giá trị có thể có
của tín hiệu khác 2, tổng quát là M thì hệ thống được gọi là hệ thống M mức
và tín hiệu được gọi là ký hiệu (symbol). Gọi giá trị của symbol thứ là và
thời gian tồn tại của nó là (đối với các hệ thống thông thường hiện nay, và là
hằng số với mọi ). Ở đầu thu tín hiệu khôi phục lại là và có độ rộng là , nếu
thì tín hiệu thứ được gọi là bị lỗi, nếu thì tín hiệu thứ được gọi là có jitter.
Các tham số kỹ thuật chung nhất đối với các loại hệ thống truyền dẫn số khác
nhau, thể hiện chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống, là tỷ lệ bít lỗi BER và
jitter (rung pha). Đối với hệ thống nhị phân, xác suất lỗi bít BER (Bit-Error
Ratio) được định nghĩa là:
∧

BER=P{ D k≠ Dk}, với P{.} là xác suất
Khi thì

(1.1)

được gọi là jitter, tính theo phần trăm. (1.2)

Trong trường hợp hệ thống truyền dẫn nhiều mức thì

được gọi là

tỷ lệ lỗi symbol (SER: Symbol-Error Ratio) và có quan hệ chặt chẽ với BER
của hệ thống
1.4. Mô hình kênh liên tục truyền tín hiệu số
Như đã nói ở trên, thực tế khi truyền qua một kênh liên tục các tín hiệu
được phát đi từ phần phát (tương ứng với các tin sản ra từ nguồn tin số) chịu
tác động của cả méo lẫn tạp âm và can nhiễu, do vậy tín hiệu nhận được r(t)

có thể khác rất đáng kể so với tín hiệu đã được phát đi, dẫn đến việc đánh giá
của máy thu về tín hiệu nào đã được phát đi có thể bị sai. Một kênh liên tục

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


chịu các tác động nhiễu loạn như thế có thể mô hình hoá theo sơ đồ khối hình
1.1, thể hiện mọi tác động của kênh tới quá trình truyền dẫn số.
Trên hình 1.1, các nguồn nhiễu có tần số trùng hoặc khác với tần số tín hiệu
hữu ích được mô tả bằng các tín hiệu

với phổ được xác định nhờ các đặc

tính lọc của chính các hệ thống gây nhiễu đó . Các nguồn nhiễu này có thể là
kênh có cùng tần số vô tuyến song khác phân cực trong các hệ thống vô tuyến
có tái dụng tần số, hoặc có thể là các kênh vô tuyến lân cận trên cùng một hệ
thống lớn, hay có thể là các nguồn nhiễu từ các hệ thống vô tuyến khác loại.
Do các tác động lọc nhiễu và triệt xuyên phân cực chéo, các nguồn nhiễu này
được xem như tác động tới kênh truyền chính thông qua các khối tổn hao .
Kênh truyền chính hình thành từ các khối thể hiện các đặc tính tần số phần
phát , phần thu và môi trường truyền . Trong đó đặc tính đường truyền dẫn
có thể có những ảnh hưởng đặc biệt đối với chất lượng truyền dẫn (như fading
chọn lọc tần số trong các hệ thống vi ba số dung lượng ≥70Mb/s chẳng hạn.
T(f)

F(f)

R(f)

Các tín hiệu nhiễu

Hình 1.1. Mô hình kênh liên tục
Các hệ thống truyền dẫn không hạn chế phổ tần là các hệ thống có đặc
tính tần số tổng cộng (đặc tính tiêu hao theo tần số) của hệ thống bằng phẳng
Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


trên suốt trục tần số. Trong thực tế không tồn tại các hệ thống như vậy do các
nguyên nhân sau: a) Các môi trường truyền dẫn đều có đặc tính không bằng
phẳng trên suốt trục tần số (các môi trường truyền dẫn như khoảng không
gian vũ trụ, sợi quang học chỉ được xem là gần như có độ rộng băng truyền
dẫn rất lớn, đến độ có thể nói một cách gần đúng là có băng tần truyền dẫn vô
hạn mà thôi); b) Trong mọi trường hợp người ta đều mong muốn truyền đưa
nhiều luồng tín hiệu số trên cùng một tuyến truyền dẫn và để làm điều này mà
không gây ảnh hưởng lẫn nhau, các luồng truyền dẫn trên thường được phân
biệt với nhau về mặt tần số nhờ các thiết bị có đặc tính chọn lọc tần số. Như
vậy, các hệ thống truyền dẫn số thực tế đều có thể xem như các hệ thống có
băng tần truyền dẫn bị hạn chế (band-limited). Trên hình 1.1, các đặc tính tần
số

và do đó có dạng các đặc tính lọc với tần số trung tâm là tần số sóng

mang

(đối với , ) và (đối với ) .

1.5. Kênh tạp âm AWGN
1.5.1. Tạp âm AWGN
Thuật ngữ tạp âm (noise) mô tả các tín hiệu điện không mong muốn
xuất hiện trong hệ thống. Sự xuất hiện của tạp âm làm giảm khả năng tách
chính xác các tín hiệu phát vì vậy, làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin. Tạp
âm được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng có thể phân loại thành hai
nguồn chính là nhân tạo và tự nhiên. Nguồn tạp âm nhân tạo xuất hiện từ các
nguồn đánh lửa, chuyển mạch hay các phát xạ điện từ. Tạp âm tự nhiên gồm
tạp âm xuất hiện trong các mạch hay linh kiện điện tử, xáo động khí quyển
hay các nguồn thiên hà.
Thiết kế tốt các mạch điện, thiết bị hay hệ thống cho phép loại bỏ hoặc
giảm nhỏ đáng kể ảnh hưởng của các tạp âm bằng cách nối đất, chọn vị trí đặt
Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


thiết bị hay sử dụng các phương pháp lọc. Tuy nhiên, có một nguồn tạp âm tự
nhiên không thể loại bỏ là tạp âm nhiệt. Tạp âm nhiệt xuất hiện do chuyển
động nhiệt của các điện tử ở trong tất cả các linh kiện điện tử như điện trở,
dây dẫn hay các phần tử dẫn điện khác. Sự chuyển động ngẫu nhiên và độc

lập của vô hạn các điện tử tạo nên các đặc tính thống kê Gauss theo định lý
giới hạn trung tâm (central limit theorem). Vì vậy, tạp âm nhiệt có thể mô tả
như một quá trình ngẫu nhiên Gauss có giá trị trung bình bằng không (zero
mean).
Hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) của một quá
trình ngẫu nhiên Gauss n(t) được biểu diễn như sau:

Một đặc tính quan trọng của tạp âm Gauss có giá trị trung bình bằng không là
phương sai

bằng trung bình bình phương của n, tức là, .

Tạp âm trắng: một đặc tính quan trọng của tạp âm nhiệt là mật độ phổ
tần số của nó như nhau tại mọi tần số. Tức là, nó là nguồn tạp âm phát ra một
lượng công suất như nhau trên một đơn vị băng tần tại tất cả các tần số bằng

như mô tả ở Hình vẽ 1.2(a). Hệ số 2 trong công thức trên chỉ thị rằng là một
hàm mật độ phổ công suất 2 phía (two-sided power spectral density function)
còn

thì được gọi là mật độ phổ công suất tạp âm. Tạp âm với công suất có

mật độ phổ đều như vậy được gọi là tạp âm trắng (white noise).

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


(f)

Mật độ phổ công suất tạp âm trắng

b. Hàm tự tương quan

Hình 1.2. Mật độ phổ công suất và hàm tự tương quan của tạp âm trắng
Hàm tự tương quan của tạp âm trắng là phép biến đổi Fourier ngược của mật
độ phổ công suất tạp âm cho bởi

như biểu diễn ở Hình vẽ 1.2(b). Tức là, hàm tự tương quan của tạp âm trắng
là một hàm xung delta tại được phân trọng số với . Để ý rằng với mọi nên
bất kỳ hai mẫu khác nhau nào của tạp âm trắng đều không tương quan với
nhau bất kể chúng gần nhau đến mức nào. Do tạp âm nhiệt được cộng với tín
hiệu nên nó còn được gọi là tạp âm cộng (additive noise). Tổng hợp các đặc
tính của tạp âm nhiệt ở trên chúng ta có thể tóm tắt lại rằng tạp âm nhiệt trong
các hệ thống thông tin là tạp âm Gauss trắng cộng (AWGN: Additive White
Gaussian Noise)
1.5.2. Mô phỏng tạp âm AWGN
Trong MATLAB, chúng ta có thể sử dụng hàm có sẵn randn để mô
phỏng tạp âm AWGN. Hàm randn cho phép tạo ra các biến ngẫu nhiên theo
phân bố chuẩn chính tắc (standard normal distribution) với giá trị trung bình
0, phương sai 1 và độ lệch chuẩn 1. Do phân bố chuẩn chính tắc là một trường
hợp đặc biệt của phân bố Gauss trong đó giá trị trung bình bằng 0 và phương
sai bằng 1 nên để mô phỏng tạp âm AWGN với phương sai bằng N 0 chúng ta
Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten

 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


chỉ việc nhân hàm randn với , tức là độ lệch chuẩn mong muốn. Do tạp âm
mô phỏng là một biến số phức gồm hai thành phần thực và ảo, nên công suất
tạp âm là tổng công suất của từng thành phần. Để tạo được tạp âm phức với
công suất chúng ta cần chuẩn hóa công suất của mỗi thành phần (thực và ảo)
bằng 1/2. Ví dụ, để tạo được 1000 dấu tạp âm phức có công suất

chúng ta

làm như sau
(1.6)
1.5.3. Mô phỏng truyền dẫn qua kênh AWGN
Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn tín hiệu BPSK qua kênh AWGN được mô
tả ở Hình vẽ 1.3. Tại máy phát chuỗi tín hiệu BPSK tạo ra và truyền qua kênh
AWGN. Do ảnh hưởng của AWGN, tín hiệu thu là xếp chồng (cộng) của các
dấu phát

và các dấu tạp âm , tức là
(1.7)

Trong trường hợp đơn giản BPSK, chỉ có phần thực tín hiệu (kênh I)
được phát đi, nên để tách tín hiệu phát ra khỏi tạp âm , máy thu tách lấy phần
thực trước sau đó thực hiện tách tín hiệu sử dụng phương pháp tách sóng hợp
lẽ tối ưu (MLD: Maximum Likelihood Detection). Cụ thể, máy thu thực hiện
phép so sánh và quyết định sau:
(1.8)

(1.9)
Tín hiệu tách được sau đó được so sánh với tín hiệu phát để tính toán phẩm
chất lỗi bít BER của hệ thống.

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


Tx Data

Detector

AWG
N
Error Detector
& BER
Calculation
Hình 1.3. Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn BPSK trên kênh AWGN
Để tìm được BER theo tỉ số trong chương trình mô phỏng truyền BPSK
qua kênh AWGN có hai cách thực hiện:
* Đặt mật độ phổ công suất tạp âm

cố định rồi thay đổi năng lượng bit tín

hiệu tương ứng với tỉ số cho trước.
* Đặt năng lượng bộ tín hiệu cố định và thay đổi mật độ phổ công suất tạp

âm tương ứng với tỉ số cho trước.
Trong thực tế, cách thứ hai được dùng phổ biến hơn. Do năng lượng bit
tín hiệu biết trước ( trong trường hợp này), nên mật độ phổ công suất tập âm
cần thiết để tạo nên tỉ số cho trước.
Để thực tách tín hiệu, chương trình sử dụng hai hàm có sẵn là real để
tách ra phần thực tín hiệu và sign để thực hiện phép so sánh và quyết định.
Kết quả BER thu được từ chương trình mô phỏng được so sánh với giá trị lý
thuyết.

1.6. Kênh fading
Hình vẽ 1.4 mô tả một đường liên lạc giữa anten trạm gốc (BS: Base
Station) và anten trạm di động (MS: Mobile Station). Xung quanh MS có
Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


nhiều vật phản xạ như nhà, cây, đồi núi,... trong khi xung quanh BS lại có rất
ít hoặc không có các vật phản xạ do anen trạm BS được đặt trên cao. Các vật
phản xạ này được gọi chung là vật tán xạ. Liên lạc giữa BS và MS thông qua
nhiều đường (path), mỗi đường chịu một hay nhiều phản xạ, và tín hiệu đến
máy thu là tín hiệu tổng hợp từ tất cả các đường này. Do các đường có biên
độ, pha, và độ trễ khác nhau, nên tín hiệu truyền qua các đường có thể kết hợp
với nhau một cách có lợi hoặc không có lợi, tạo nên một sóng đứng ngẫu
nhiên. Hiện tượng này được gọi là truyền sóng fading đa đường. Kênh truyền
sóng kiểu này được gọi là kênh fading đa đường.

M
S

Hình 1.4. Mô hình truyền sóng đa đường
1.6.1. Mô hình toán học của fading
Tín hiệu vô tuyến luôn là tín hiệu băng thông (bandpass) và có băng tần
hẹp (narrowband). Tín hiệu băng thông phát đi tại tần số sóng mang
đường bao phức

được biểu diễn như sau

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten

với


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang



trong đó

biểu diễn phép toán lấy phần thực.

Đặt độ dài của đường là
truyền sóng từ BS tới MS là

và ký hiệu

là tốc độ ánh sáng thì thời gian

. Giả sử độ suy hao của đường là

, thì tín

hiệu thu được tại MS không tính đến tạp âm là

Thế (1.11) vào (1.12) chúng ta có

Viết lại r(t) ở dạng

trong đó thành phần đường bao tín hiệu thu

được gọi là tín hiệu băng tần gốc tương đương của

, còn

là thời gian trễ của đường truyền thứ
1.6.2. Ảnh hưởng chuyển động của MS
Khi MS chuyển động với tốc độ v độ dài đường truyền sóng thứ l thay
đổi một khoảng là
(1.16)
Nếu góc tới của tia thứ l so với hướng chuyển động là
Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten

chúng ta có

 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


(1.17)
Như vậy, đường bao phức của tín hiệu thu là

Do sự thay đổi độ trễ tín hiệu
tín hiệu điều chế

nên chúng ta có thể bỏ qua chúng. Như vậy, nếu đặt

Chúng ta có thể viết lại

Do

là rất nhỏ so với thang thời gian

ở dạng rút gọn sau

nên chúng ta có

với

là bước sóng sóng mang. Đặt

là tần số Doppler lớn nhất, chúng ta có

Từ công thức này chúng ta có thể thấy rằng vật tán xạ thứ l đã dịch tín hiệu

phát đi

về thời gian và

về tần số

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


1.7. Kênh fading Rayleigh
Chúng ta viết lại được độ lợi kênh trong trường hợp MS chuyển động
như sau

Trong trường hợp không tồn tại tia trực tiếp giữa BS và MS thì hệ số α có thể
coi là các số ngẫu nhiên có giá trị trung bình bằng 0. Như vậy,

là tổng

của các biến số phức ngẫu nhiên có giá trị trung bình bằng 0, và theo định lý
số lớn, thì khi số lượng các tia l lớn,
phức. Tức là, nếu chúng ta biểu diễn

có thể coi là một quá trình Gauss
ở dạng số phức
(1.24)

với

và

đều là các số thực, thì

và

sẽ đều là các quá

trình xác suất độc lập với giá trị trung bình bằng không và phương sai như
nhau
Sử dụng công thức về phân bố Gauss ở (1.3) chúng ta có

Do

và

là các quá trình độc lập nên chúng ta có phân bố

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang



với
(1.28)
Chuyển

Do r và

sang hệ toạ độ cực

chúng ta có pdf kết hợp

là các biến độc lập nên chúng ta có thể viết

Hay

Tức là, pdf của biên độ

là phân bố Rayleigh và fading kiểu này được gọi

là fading Rayleigh
1.8. Fading và fading đa đường chọn lọc tần số
1.8.1. Fading trong các hệ thống vô tuyến
Fading là hiện tượng suy lạc tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra đối
với các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn.

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten


 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


Trong thực tế chỉ có việc truyền lan sóng giữa các vệ tinh hoặc giữa các
vệ tinh với các trạm mặt đất công tác ở các tần số không quá cao, góc ngẩng
anten đủ lớn mới có thể xem như truyền lan sóng trong không gian tự do. Đối
với các hệ thống truyền dẫn thông qua vệ tinh viễn thông như thế, fading chủ
yếu gây bởi sự hấp thụ thay đổi của khí quyển trong những điều kiện đặc biệt
như mưa rào. Với các hệ thống vô tuyến khác, sóng vô tuyến được truyền dẫn
trong môi trường khí quyển gần bề mặt trái đất với rất nhiều yếu tố tác động
tới tín hiệu ở điểm thu. Các yếu tố gây fading đối với các hệ thống vô tuyến
mặt đất bao gồm:
+ Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với các hệ thống sóng ngắn.
+ Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa..., sự hấp thụ này
phụ thuộc vào tần số công tác, đặc biệt là trong giải tần số cao (>10GHz).
+ Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí. Trong
các trường hợp cực đoan hiệu ứng này có thể làm lạc hẳn hướng tia sóng so
với thiết kế, chẳng hạn trong trường hợp có hiệu ứng ống sóng có thể xảy ra
trong những vùng có vĩ độ thấp, có bề mặt nước, nhiệt độ không khí thay đổi
nhanh. Thông thường, sự thay đổi mật độ không khí theo độ cao có xu hướng
làm cong tia sóng lan truyền. Trong trường hợp profile độ khúc xạ thay đổi
lớn thì hiện tượng truyền dẫn đa đường (multipath propagation) có thể xảy ra.
Hiện tượng này gây những fading cực kỳ nghiêm trọng đối với các hệ thống
vô tuyến chuyển tiếp số mặt đất trong tầm nhìn thẳng (LOS: Line-Of-Sight)
công tác trên giải sóng cực ngắn (microwave).
+ Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trong trường hợp có bề
mặt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyển, đây cũng
là một yếu tố dẫn tới sự truyền lan đa đường.

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten

 Đồ án tốt nghiệp

Đỗ Hồng Quang


+ Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền
lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do
tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường.
Hiện tượng này đặc biệt quan trọng trong thông tin di động.
Do các yếu tố kể trên, hệ số suy hao đặc trưng cho quá trình truyền
sóng có thể biểu diễn được dưới dạng:
trong đó a(t,f) là hệ số suy hao sóng vô tuyến trong khí quyển, A(t,f) đặc
trưng cho sự phụ thuộc của suy hao năng lượng sóng điện từ vào các hiện
tượng khí quyển và được gọi là hệ số suy hao do fading, αfs là hệ số suy hao
trong không gian tự do. Nói chung A(t,f) là một quá trình ngẫu nhiên. Xét một
cách chặt chẽ, quá trình này là không dừng. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp
thực tế, để thuận tiện cho việc khảo sát thì người ta thường giả thiết A(t,f) là
quá trình dừng.
Hệ số suy hao fading A(t,f) là hàm của các biến thời gian t và tần số f.
Tuy nhiên trong một số trường hợp, sự phụ thuộc tần số là không đáng kể (tức
là suy hao fading hầu như là hằng số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín
hiệu), khi đó fading được gọi là fading phẳng (flat fading) hay Fading không
chọn lọc theo tần số (nonselective fading). Trong trường hợp ngược lại thì
được gọi là fading chọn lọc theo tần số (selective fading). Fading cũng còn
được phân chia thành fading nhanh và fading chậm tuỳ theo mức độ phụ
thuộc vào thời gian của hệ số suy hao fading so với thời gian của một bít hay
một symbol. Đối với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số mặt đất hiện nay,
do thời gian của một bít (symbol) khá nhỏ nên hầu như fading trong các hệ
thống này đều có thể xem là fading chậm, nhất là đối với các hệ thống có

Mô phỏng các hệ thống vô tuyến số sử dụng đa anten