Kỹ thuật ofdm và một vài ứng dụng trong thông tin vô tuyến luận văn tốt nghiệp đại học

MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................
Chương 4 : Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh trong thông tin vô
tuyến................................................................................................................
DANH MỤC HÌNH VẼ..................................................................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU.............................................................................
Hình 1.2. Cấu trúc kênh con OFDM..................................................................................
1.2. Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành.......................................................................
 Kỹ thuật đơn sóng mang................................................................................................
1.3. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM.....................................................

1.4.2. Miền không gian.......................................................................................
1.4.3. Miền tần số...............................................................................................
1.4.3.1. Điều chế tần số............................................................................................23
1.4.3.2. Chọn lọc tần số............................................................................................23
1.5. Miền thời gian.............................................................................................................

1.5.1. Trễ trội trung bình quân phương...............................................................
1.5.2. Trễ trội cực đại..........................................................................................
1.5.3. Thời gian nhất quán..................................................................................
1.6. Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau................................................

1.6.1. Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương.........................
1.6.2. Thời gian nhất quán và trải Doppler..........................................................
1.7. Các loại pha đinh phạm vi hẹp....................................................................................
1.8. Phân bố Rayleigh và Rice...........................................................................................

1.8.1. Phân bố pha đinh Rayleigh.......................................................................
1.8.2. Phân bố Pha đinh Rice..............................................................................

Chương 2.......................................................................................................
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA OFDM.................................................
2.1. Mở đầu........................................................................................................................
2.2. Tính trực giao..............................................................................................................
2.3. Hệ thống truyền dẫn OFDM........................................................................................

1


3.3.1. Mô tả toán học tín hiệu OFDM.................................................................
2.3.2. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM............................................................
2.3.2.1. Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song....................................................40
2.3.2.2. Tầng điều chế sóng mang con.....................................................................42
2.3.2.4. Tầng điều chế sóng mang RF......................................................................43
2.4. Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM..........................

2.4.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM...........................................................................
2.4.2. Các thông số trong miền thời gian TD......................................................
2.4.4. Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số................
2.4.5. Dung lượng của hệ thống OFDM..............................................................
2.5. Các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống truyền dẫn
OFDM và các giải pháp khắc phục....................................................................................

2.5.1. ISI và giải khắc phục.................................................................................
2.5.2 Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục...............................................
2.5.3.1. Phương pháp dùng bộ lọc băng thông.........................................................59

Chương 4.......................................................................................................
ƯỚC TÍNH CHẤT LƯỢNG KÊNH VÀ CÂN BẰNG KÊNH TRONG
THÔNG TIN VÔ TUYẾN............................................................................

4.1. Giới thiệu.....................................................................................................................
4.2. Ước tính kênh bằng PSAM.........................................................................................

4.2.1. Nội suy Gauss...........................................................................................
4.2.2 Nội suy FFT...............................................................................................
4.2.3. Nội suy Wienner.......................................................................................
4.3. Kỹ thuật cân bằng đáp ứng kênh.................................................................................
4.4. Kết luận.......................................................................................................................

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................

LỜI NÓI ĐẦU
2


Hiện nay, trong xã hội thông tin, nổi bật nhất là thông tin vô tuyến đặc
biệt là thông tin di động do tính linh hoạt, di động, tiện lợi của nó. Và nhu cầu
về sử dụng hệ thống thông tin di động ngày càng gia tăng điều này đồng nghĩa
với nhu cầu chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng nhiều, hay nói cách
khác tồn tại mâu thuẫn lớn giữa nhu cầu chiếm dụng tài nguyên và tài nguyên
vốn có của thông tin vô tuyến. Nhưng do đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là
tài nguyên hạn chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào môi trường: địa hình, thời
tiết... dẫn đến làm hạn chế triển khai đáp ứng nhu cầu của xã hội của các nhà
công nghiệp và dịch vụ viễn thông
Khi nói đến vấn đề tài nguyên vô tuyến, lịch sử phát triển đã cho thấy
chúng được giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA,
TDMA, SDMA, CDMA, sự kết hợp giữa chúng ở đó đã tìm mọi cách để khai
thác triệt để tài nguyên ở dạng thời gian, tần số, không gian, mã. Tuy nhiên
chưa tìm thấy ở các hệ thống di động trước đây một phương pháp sử dụng tối
ưu phổ tần, một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến.

Vì thế sử dụng hiệu quả phổ tần triệt để cho hệ thống truyền thông vô
tuyến là cực kỳ quan trọng. Trong bối cảnh như vậy OFDM được xem là giải
pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của
các hệ thống di động trước đây. Chu kỳ tín hiệu lớn cho phép công nghệ
OFDM có thể truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến. Mặt khác OFDM
sử dụng các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, điều này tạo cho
OFDM sử dụng băng tần kênh tối ưu.
Trên đây là những nét cơ bản về chuyên ngành Điện tử-Viễn thông mà
bản thân quan tâm, lĩnh hội được trong quá trình học tập tại trường Đại học
Vinh. Với các kiến thức cơ bản về chuyên môn học hỏi được cùng với sự định
hướng của cô giáo Th.S Nguyễn Thị Minh, đồ án đã chọn chủ đề là : "Kỹ
thuật OFDM và một vài ứng dụng trong thông tin vô tuyến. Theo đó đồ án
được tổ chức thành 4 chương như dưới đây:
Chương 1: Tổng quan OFDM
3


Giới thiệu các hệ thống di động hiện hành, phân tích các ưu nhược điểm
của chúng và giải thích tại sao xu thế tất yếu sử dụng công nghệ OFDM.
Đề cập một số khái niệm cơ bản đặc trưng cho truyền lan sóng vô tuyến,
phân tích các ảnh hưởng và các thông số đặc trưng của đường truyền vô
tuyến, các yêu cầu đối với mô hình kênh, kênh và phân loại chúng, các thông
số đặc trưng này làm cơ sở để xây dựng các thuật toán thích ứng .
Chương 2: Nguyên lý hoạt động của OFDM
Trình bày những nguyên lý chung nhất về OFDM, trình bày mô hình hệ
thống OFDM, phân tích các thông số đặc trưng của OFDM, phân tích các
nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng của hệ thống truyền dẫn
OFDM và giải pháp khắc phục. Trình bày khả năng tiết kiệm phổ tần của bộ
lọc băng thông.
Chương 3: Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB - T

Thấy rõ, để tối ưu các máy thu cần phải xác định được chất lượng kênh.
Từ đó xây dựng các giải pháp đối phó phù hợp chẳng hạn như bộ lọc thích
ứng. Theo đó chương này trình bầy một số phương pháp đối phó với những
bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động như sử dụng bộ cân bằng: ZF,
LMSE, đồng thời phân tích vai trò của việc ước tính kênh chính xác. Qua đó,
đưa ra giải pháp ước tính kênh bằng PSAM.
Chương 4 : Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh trong thông
tin vô tuyến
Ước tính và cân bằng kênh luôn là một kỹ thuật vô cùng quan trọng
trong các hệ thống truyền dẫn vô tuyến trước đây. Thực hiện ước tính kênh
chính xác sẽ xác định được trạng thái kênh hiện thời và điều này sẽ quyết định
thành công của các giải pháp cân bằng kênh và các công nghệ điều chế thích
ứng.
Trong chương này đã trình bày phương pháp ước tính kênh bằng PSAM
và giải thuật ước tính kênh FFT, nội suy Gauss và nội suy Wienner đồng thời
giới thiệu bộ cân bằng: cân bằng cưỡng bức '0'.
4


Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các Thầy, các Cô trong khoa
ĐTVT đã dạy bảo em nhiệt tình trong suốt quá trình học tập, đặc biệt là Cô
giáo Th.S Nguyễn Thị Minh đã hướng dẫn và chỉ bảo cho em để em hoàn
thành đồ án này.
Vinh, tháng 5/2011
Sinh viên
Trần văn Hùng

DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang

5


Hình 1.1. Cấu trúc OFDM trong miền tần số.......................................................
16
Hình 1.2. Cấu trúc kênh con OFDM....................................................................
17
Hình 1.3. Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời
gian.......................................................................................................................
21
Hình 1.4. Phân bố xác suất Rayleigh trong không gian.......................................
30
Hình 1.5. Phân bố xác suất Gauss hai biến..........................................................
31
Hình 1.6. Phân bố xác suất Rice với các giá trị K khác nhau ............................
32
Hình 2.1. Dạng sóng của một tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần
số..........................................................................................................................
37
Hình 2.2. Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang,
hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM...........................................................
37
Hình 2.3. Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng
mang con .............................................................................................................
38
Hình 2.4. Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM...............................................
41
Hình 2.5. Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hoá Gray, và tín hiệu16QAM truyền qua kênh vô tuyến, SNR = 18 ®Æc biÖt...........................................
42
Hình 2.6. Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM............................................................

42
6


Hình 2.7. Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ
thuật tương tự.......................................................................................................
43
Hình 2.8. Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ
thuật số.................................................................................................................
44
Hình 2.9. Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian ................................
44
Hình2.10. Tín hiệu OFDM dịch DC, W là băng tần tín hiệu, foff tần số dịch
từ DC, fc là tần số trung tâm (sóng mang)............................................................
45
Hình 2.11. Cấu trúc tín hiệu OFDM....................................................................
47
Hình 2.12. Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con.......
51
Hình 2.13. Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM.................................
52
Hình 2.14. Cấu trúc tín hiệu OFDM trong miền thời gian...................................
53
Hình 2.15. Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI.........................................
54
Hình 2.16. Hiệu quả của khoảng bảo vệ để loại bỏ ISI........................................
55
Hình 2.17. Nhiễu nền do ICI đối với số sóng mang con khác nhau ...................
56
Hình 2.18. Ảnh hưởng của ICI tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu...............................

57
Hình 2.19. Công suất ICI chuẩn hoá đối với tín hiệu OFDM.............................
59
7


Hình 2.20. Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser.................................................
60
Hình 2.21. Phổ của tín hiệu OFDM 52 sóng mang (a) và 1536 sóng mang
con (b), không dùng bộ lọc..................................................................................
60
Hình 2.22. Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang không dùng bộ lọc (a) và
dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser với β = 10 (b)........................................................
61
Hình 4.1. khuân dạng một khung truyền dẫn OFDM có gắn kí hiệu hoa tiêu ........
71

DANH MỤC BẢNG BIỂU

8


Trang
Bảng 1.1. Các loại pha đinh phạm vi hẹp.........................................................27
Bảng 1.2. Các đặc tính kênh trong ba miền..................................................33
Bảng 2.1. Mối quan hệ giữa các tham số OFDM.........................................48
Bảng 3.1.Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB_T..................66

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt
9


AC

Alternating Current

Dòng xoay chiều (tần số khác ‘0’)

AM

Thích ứng lược đồ đa truy nhập

BER

Adapting Multi-access
scheam
Adaptive Orthogonal
Frequency Division MultiAccess
Additive White Gaussian
Noise
Bit Error Rate

BPS

Bit per symbol

Số bit trên một ký hiệu

CCI

Co-channel interference

Nhiễu đồng kênh

CF

Crest Factor

Tham số Crest

CINR

Carrier to interference plus Tỷ số sóng mang trên nhiễu và tạp âm
Noise ratio
Channel impulse response Đáp ứng xung kim kênh

AOFDM

AWGN

CIR

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực
giao thích ứng
Tạp âm Gauss trắng cộng

Tỷ số bit lỗi

COFDM

Coding Orthogonal
Frequency
Divistion Multiplex

Mã hoá ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao

DAB

Hệ thống phát thanh số

DAC

Digital Audio Broadcast
system
Digital Analog Converter

DC

Direct Current

Dòng một chiều (tần số bằng ‘0’)

DFT

Discreat Fourier

Transformation
Direct Digital Synthesis

Biến đổi Fourier rời rạc

Phản hồi quyết định

DMT

Decision Feed back
Equalizer
Discete Multi-Tone

DSP

Digital Signal Process

Xử lý tín hiệu số

DS

Delay Spread

Trải trễ

DVB

Digital Video Broadcast

Truyền hình số

FEC

Forward Error Correction

Sửa lỗi trước

FFT

Fast Fourier
Transformation

Biến đổi Fourier nhanh

DDS
DFE

Bộ chuyển đổi số sang tương tự

Đồng bộ số trực tiếp

Đa tần rời rạc

10


FIR

Finite Impulse Response

Đáp ứng xung kim hữu hạn

HDTV

Hight Difinition Television Truyền hình độ nét cao

HiperLAN2 High Performance Radio Chuẩn WLAN của Châu Âu cho
Local Area Network,
OFDM với tốc độ dữ liệu tối đa là 54
WLAN standard based on Mbps
OFDM, with maximum
data rate of 54 Mbps
ICI

Inter-Carrier Interference

Nhiễu giao thoa giữa các sóng mang

IEEE802.11a WLAN standard (U.S)
Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM với tốc
based on
dộ dữ liệu tối đa là 54 Mbps
OFDM, with a maximum
data rate of 54 Mbps.
IEEE802.11bWLAN standard (U.S)
Tiêu chuẩn WLAN dựa trên DSSS với
based on
tốc độ dữ liệu tối đa là 11 Mbps
DSSS, with maximum data
rate of 11 Mbps

IFFT
Inverse Fast Fourier
Biến đổi Fourier ngược nhanh
Transformation
IMD

Inter-Modulation DistortionNhiễu điều chế nội

IQ

Inphase Quadrature

ISI

Inter-Symbol Interference Nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu

Đồng pha vuông pha

GIỚI THIỆU CHUNG
Do tính di động và tính tiện dụng mà các hệ thống truyền thông vô tuyến
đã mang lại hiệu quả cao trong việc sử dụng, khai thác trao đổi thông tin cho
người dùng. Vì thế nhu cầu sử dụng, chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày
càng gia tăng nhanh chóng, yêu cầu ngày càng nhiều các nhà khai thác, công
nghiệp viễn thông tập trung khai thác thế mạnh này ở nhiều hình thức khác
nhau. Kết quả đã mang lại nguồn thu và kích thích thúc đẩy tăng trưởng kinh
11


tế đặc biệt trong xu thế hội nhập cạnh tranh. Theo đó, ngày càng xuất hiện
nhiều hình thức dịch vụ, tính đa dạng của các công nghệ mới nhằm khai thác

triệt để tài nguyên và đối phó hiệu quả những ảnh hưởng vốn có của môi
trường vô tuyến, ví dụ như mạng không dây nội hạt (WLAN). Tuy nhiên với
sự tăng trưởng của Internet đã đòi hỏi những phương pháp mới để có mạng
không dây dung lượng lớn. Hệ thống di động thế hệ thứ ba, hệ thống truyền
thông di động toàn cầu (UMTS) và CDMA2000 hiện đang được triển khai tại
nhiều quốc gia trên thế giới và bước đầu đạt được những thành công đáng kể.

Chương 1
TỔNG QUAN OFDM
1.1. Tổng quan về OFDM
1.1.1. Khái niệm OFDM
Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hoá
và ghép kênh. Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới
những tín hiệu độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại. Trong
OFDM, những tín hiệu độc lập này là các sóng mang con. Đầu tiên tín hiệu sẽ
12


chia thành các nguồn độc lập, mã hoá và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóng
mang OFDM.
OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex).
Ta có thề liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy,
nước chảy thành một dòng lớn; kênh truyền OFDM giống như nước chảy ở
vòi sen, chia ra thành từng dòng nước nhỏ. Ta có thể dùng tay để chặn dòng
nước từ vòi nước thông thường nhưng không thể làm tương tự với nước chảy
ra ở vòi sen. Mặc dù cả hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc
nhưng mà lại có những phản ứng khác nhau đối với nhiễu.
Ta cũng có thể liên tưởng tới sự vận chuyển hàng hoá bằng xe tải . Ta có
hai phương án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hoá (FDM) hoặc dùng

một đoàn xe nhỏ (OFDM). Cả hai phương án đều chở cùng một loại hàng hoá
nhưng trong trường hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đoàn xe nhỏ thì chỉ có ¼
hàng hoá bị mất mát.
1.1.2. Lịch sử của OFDM
Khái niệm truyền dữ liệu song song bằng cách ghép kênh phân chia theo
tần số (FDM) được giới thiệu từ giữa những năm 60. Ý tưởng là sử dụng các
luồng dữ liệu song song và FDM với các kênh con gối lên nhau để không phải
sử dụng bộ cân bằng tốc độ cao và loại bỏ nhiễu xung, méo đa đường và tận
dụng toàn bộ lượng băng thông. Ứng dụng đầu tiên là trong quân sự, trong
lĩnh vực viễn thông. Thuật ngữ đa tần rời rạc (DMT – Discrete Multi-tone),
điều chế đa kênh và điều chế đa sóng mang (MCM) được sử dụng rộng rãi và
còn được gọi cách khác là OFDM.
Với số lượng lớn các kênh con tập các bộ sinh hàm sin, bộ giải điều chế
tương ứng yêu cầu trong hệ thống song song là rất phức tạp và đắt tiền. Phía
nhận cần biết pha chính xác của sóng giải điều chế và thời gian lấy mẫu để
giữ cho chất lượng cuộc gọi giữa hai kênh con là chấp nhận được. Weinstein
và Ebert áp dụng kỹ thuật biến đổi Fourier rời rạc (DFT) trong quá trình điều
chế và giải điều chế ở các hệ thống truyền dữ liệu song song.
13


Vào những năm 80, OFDM được nghiên cứu sử dụng trong các modem
tốc độ cao, trong di động số và ghi âm mật độ cao. Một trong những hệ thống
sử dụng một tần số pilot cho sóng mang ổn định và điều khiển tần số đồng hồ,
mã hóa trellis được thực hiện. Nhiều modem tốc độ cao được phát triển cho
mạng điện thoại.
Vào những năm 90, OFDM được sử dụng trong truyền dữ liệu băng rộng
qua kênh vô tuyến di động FM, đường dây thuê bao số tốc độ cao (HDSL,
1.6Mb/s), đường dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL, 1.536 Mb/s), đường
dây thuê bao số tốc độ rất cao (VHDSL, 100 Mb/s), quảng bá audio số (DAB)

và HDTV.
1.1.3. Mô tả định tính OFDM
Trong truyền thông đa phương tiện, yêu cầu truyền và nhận với tốc độ
cao, chất lượng cao. Phía thu phải giải quyết được vấn đề nhận được tín hiệu
có cường độ thấp hơn mong muốn và bao gồm nhiều tiếng vang. Hệ thống số
đơn giản không làm việc tốt trong môi trường đa đường.
Với tốc độ dữ liệu tổng xác định, việc tăng số kênh làm giảm tốc độ dữ
liệu tại mỗi kênh con riêng lẻ vì vậy làm tăng chiều dài chu kỳ ký tự. Điều
này có nghĩa là nhiễu xuyên ký tự ISI chỉ ảnh hưởng đến một phần nhỏ của
từng ký tự khi số kênh tăng. Hình vẽ trên có minh họa một phần 8 bit của
luồng dữ liệu. Với hệ thống đơn sóng mang, đáp ứng của các bit riêng lẻ
chồng lên nhau gây ra ISI. Hệ thống đa kênh làm giảm đáng kể ảnh hưởng vật
lý này.
Trong hệ thống dữ liệu nối tiếp thông thường, tín hiệu (symbols) được
truyền đi một cách tuần tự với phổ tần số của mỗi tín hiệu cho phép chiếm
toàn bộ băng thông hiện có. Trong hệ thống truyền dữ liệu song song nhiều
tín hiệu được truyền đi cùng một thời điểm. Trong OFDM, dữ liệu được chia
ra trong nhiều sóng mang gần nhau.
Điều này giải thích cho tên ghép kênh phân chia theo tần số, nhưng không
phải là kỹ thuật đa truy nhập vì không có một đường truyền chung để chia sẻ.
14


Toàn bộ băng thông dùng cho một nguồn dữ liệu đơn lẻ. Thay vì truyền
theo cach tuần tự, dữ liệu được truyền theo cách song song. Chỉ một phần nhỏ
dữ liệu được truyền đi trên mỗi kênh và bằng cách giảm tốc độ bit trên mỗi
kênh (không phải giảm tổng tốc độ bit), ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự
được giảm đáng kể. Theo quy tắc này nhiều cơ chế điều chế được sử dụng để
điều chế dữ liệu với tốc độ bit thấp trên mỗi kênh.
Một phần quan trọng của thiết kế hệ thống OFDM là lượng băng thông

chiếm giữ lớn hơn lượng băng thông tương quan của kênh phading. Do đó
một số sóng mang bị suy giảm do có phadinh đa đường thì phía thu vẫn nhận
đủ được tín hiệu cần thiết. OFDM có thể ngẫu nhiên sinh ra các lỗi burst do
phading Rayleigh (phadinh do sự xem kẽ của quá trình song song). Vì vậy
thay vì nhiều ký tự lân cận nhau bị hủy bỏ hoàn toàn , thì tín hiệu chỉ hơi bị
méo. Do phân chia toàn bộ băng thông kênh truyền thành nhiều kênh nhỏ, đáp
ứng tần số qua từng kênh nhỏ riêng biệt là như nhau. Vì mỗi kênh nhỏ chỉ là
một phần nhỏ của băng thông ban đầu nên bộ cân bằng đơn giản hơn so với
trong hệ thống dữ liệu nối tiếp. Một thuật toán cân bằng đơn giản có thể tối
thiểu mức độ méo trên mỗi kênh con và thực hiện mã hóa vi sai có thể trán
được ảnh hưởng của các bộ cân bằng với nhau. Điều này cho phép xây dựng
lại chính xác toàn bộ tín hiệu ngay cả khi không có sửa lỗi trước FEC.
Trong hệ thống dữ liệu song song truyền thống, tổng băng tần tín hiệu
được chia làm N băng tần con không chồng lấn lên nhau, mỗi băng tần được
điều chế bằng symbol riêng biệt vì vậy N kênh con được ghép kênh theo tần
số. Có 3 cơ chế để tách các băng tần con:
Sử dụng bộ lọc để tách hoàn toàn các băng tần con. Phương pháp này lấy
từ kỹ thuật FDM truyền thống. Hạn chế của việc thực hiện bộ lọc là yêu cầu
băng thông của mỗi kênh con phải bằng nhau và bằng (1 + 〈)fm, trong đó 〈 là
hệ số, và fm là tần số Nyquist. Một nhược điểm nữa là khi số lượng kênh con
lớn thì khó để có một bộ lọc thích hợp.
1.1.4. Cấu trúc OFDM
15


Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con :
- Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu
- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ
- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho
các băng bảo vệ và các sóng mang DC.

Hình 1.1. Cấu trúc OFDM trong miền tần số
Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian
chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con.
Các tài nguyên này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát
cho người dùng.

16


Hình 1.2: Cấu trúc kênh con OFDM
Hình 1.2. Cấu trúc kênh con OFDM
1.2. Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành
 Kỹ thuật đơn sóng mang
Các kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động
thế hệ ba có khả năng chống lại pha đinh và nhiễu, song tồn tại những yêu cầu
không thực hiện được chẳng hạn: nếu người dùng cần có tốc độ 20 Mbps ở
giao diện vô tuyến và hệ số trải phổ là 128 (giá trị điển hình hiện nay), dẫn
đến phải xử lý tốc độ 2,56 Gbps theo thời gian thực vì thế cần có độ rộng
băng tần lớn không thực tế. Mặt khác, thấy rõ
• Do tài nguyên phổ tần hạn hẹp, vì vậy cần phải sử dụng hiệu quả.
• Do những khó khăn liên quan đến hiệu ứng gần xa và có sự tiêu thụ
công suất lớn.
Ngoài ra, các kỹ thuật đơn sóng mang đối phó kém hiệu quả đối với pha
đinh và truyền lan đa đường đặc biệt trong trường hợp tốc độ bit rất cao. Ở
các phương pháp điều chế truyền thống M-QAM, M-PSK…, khi tốc độ dữ
liệu truyền cao thì kéo theo độ rộng tín hiệu sẽ giảm, đến một giá trị mà độ
rộng tín hiệu < trải trễ cực đại của kênh, khi đó kênh sẽ là kênh lựa chọn tần
số và gây ISI cho tín hiệu thu. Đây là một nhược điểm chính khiến các hệ
thống sử dụng các phương pháp điều chế truyền thống không thể truyền dữ

liệu với tốc độ cao, hoặc giá thành rất cao đối với những dịch vụ yêu cầu tốc
độ dữ liệu cao.
 Kỹ thuật đa sóng mang trực giao OFDM
OFDM là một công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do
đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước
đây, cho phép khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng
mang.
17


1.3. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật điều
chế có thể thay thế cho CDMA. OFDM có ưu điểm vượt trội so với những hệ
thống CDMA và cung cấp phương pháp truy cập không dây cho hệ thống 4G.
Ý tưởng của OFDM là chia toàn bộ băng tần truyền dẫn thành nhiều
sóng mang con trực giao nhau để truyền các tín hiệu trong các sóng mang con
này song song. Theo đó, luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều luồng
tốc độ thấp hơn làm cho chu kỳ ký hiệu tăng theo số sóng mang con.
 Ưu điểm
•OFDM là giải pháp phân tập tần số, chia nhỏ băng tần kênh và tiến
hành truyền dữ liệu độc lập trên các băng tần kênh con này.
•OFDM đạt hiệu quả sử dụng phổ tần cao, do tính trực giao của các
thành phần sóng mang con.
•OFDM là giải pháp hứa hẹn cho truyền dẫn tốc độ cao trong môi
trường di động. Sở dĩ OFDM làm được như vậy bởi vì, chu kỳ tín hiệu tăng
cho nên dung sai trải trễ của hệ thống tăng và hiệu quả sử dụng phổ tần cao
của công nghệ OFDM.
•OFDM cho phép giảm được ảnh hưởng của trễ đa đường và kênh pha
đinh chọn lọc tần số chuyển thành kênh pha đinh phẳng. Vì vậy, OFDM là
giải pháp đối với tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh. Thuận lợi này của

OFDM cho phép cân bằng kênh dễ dàng.
•Do trải rộng pha đinh tần số trên nhiều ký hiệu, nên làm ngẫu nhiên hoá
lỗi cụm (do pha đinh Rayleigh gây ra), nên thay vì một số ký hiệu cạnh nhau
bị méo hoàn toàn là một số ký hiệu cạnh nhau bị méo.
•Tính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để công nghệ xử lý tín
hiệu số và công nghệ vi mạch VLSI.
 Nhược điểm

18


•OFDM nhậy cảm với dịch Doppler cũng như lệch tần giữa các bộ dao
động nội phát và thu. Do tính trực giao của các sóng mang con rất nhậy cảm
với kênh truyền có dịch Doppler lớn.
•Vấn đề đồng bộ thời gian. Tại máy thu khó quyết định thời điểm bắt
đầu của ký hiệu FFT.

1.4. Đặc tính kênh vô tuyến di động
1.4.1. Mở đầu
Trong thông tin vô tuyến di động, các đặc tính kênh vô tuyến di đông có
tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền
dẫn và dung lượng. Trong các hệ thống vô tuyến thông thường (không phải
các hệ thống vô tuyến thích ứng), các tính chất thống kê dài hạn của kênh
được đo và đánh giá trước khi thiết kế hệ thống. Nhưng trong các hệ thống
điều chế thích ứng, vấn đề này phức tạp hơn. Để đảm bảo hoạt động thích ứng
đúng, cần phải liên tục nhận được thông tin về các tính chất thống kê ngắn
hạn thậm chí tức thời của kênh.
Các yếu tố chính hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi
trường vô tuyến. Các yếu tố này là:
•Suy hao: cường độ trường giảm theo khoảng cách. Thông thường suy

hao nằm trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách
•Che tối: các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm
tín hiệu
•Pha đinh đa đường và phân tán thời gian: phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ
làm méo tín hiệu thu bằng cách trải rộng chúng theo thời gian. Phụ thuộc vào
băng thông của hệ thống, yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu
và gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference).
•Nhiễu: các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận
khác gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn. Đôi khi nhiễu được coi là tạp âm bổ
sung.
19


Có thể phân các kênh vô tuyến thành hai loại: "pha đinh phạm vi rộng"
và "pha đinh phạm vi hẹp". Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá
công suất trung bình thu được tại các khoảng cách cho trước so với máy phát.
Đối với các khoảng cách lớn (vài km), các mô hình truyền sóng phạm vi rộng
được sử dụng. Pha đinh phạm vi rộng được biểu thị bằng tổn hao do truyền
sóng khoảng cách xa. Pha đinh phạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng nhanh sóng
vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong khoảng thời gian ngắn hay
trên cự ly di chuyển ngắn. Pha đinh trong trường hợp này gây ra do truyền
sóng đa đường.
Các kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi
từ các đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn nghiêm trọng đối với
các vị trí khác nhau. Hình 1.3(a) cho thấy rằng trong miền không gian, một
kênh có các đặc trưng khác nhau (biên độ chẳng hạn) tại các vị trí khác nhau.
Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc không gian (hay phân tập không gian) và
pha đinh tương ứng với nó là pha đinh chọn lọc không gian [1]. Hình 1.3(b)
cho thấy trong miền tần số, kênh có các đặc tính khác nhau tại các tần số khác
nhau. Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) và pha

đinh tương ứng với nó là pha đinh chọn lọc tần số. Hình 1.3(c) cho thấy rằng
trong miền thời gian, kênh có các đặc tính khác nhau tại các thời điểm khác
nhau. Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian)
và pha đinh do nó gây ra là pha đinh phân tập thời gian. Dựa trên các đặc tính
trên có thể phân chia pha đinh kênh thành: pha đinh chọn lọc không gian (pha
đinh phân tập không gian), pha đinh chọn lọc tần số (pha đinh phân tập tần
số), pha đinh chọn lọc thời gian (phân tập thời gian). Chương này sẽ xét các
tính chất kênh trong miền không gian, thời gian và tần số.
Trong chương này đồ án sẽ phân tích các đặc tính của kênh để sử dụng
chúng trong các giải thuật điều chế thích ứng của mình.

20


(a)

(b)

(c)

Hình 1.3. Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số
và miền thời gian
1.4.2. Miền không gian

Các thuộc tính trong miền không gian gồm: tổn hao đường truyền và
chọn lọc không gian. Tổn hao đường truyền thuộc loại pha đinh phạm vi rộng
còn chọn lọc không gian thuộc loại pha đinh phạm vi hẹp. Các mô hình truyền
sóng truyền thống đánh giá công suất thu trung bình tại một khoảng cách cho
trước so với máy phát, được gọi là đánh giá tổn hao đường truyền. Khi
khoảng cách thay đổi trong phạm vi một bước sóng, kênh thể hiện rõ các đặc

tính ngẫu nhiên. Điều này được gọi là tính chọn lọc không gian (hay phân tập
không gian).
 Tổn hao đường truyền
Mô hình tổn hao đường truyền mô tả suy hao tín hiệu giữa anten phát và
anten thu là một hàm phụ thuộc vào khoảng cách và các thông số khác. Một
số mô hình xét chi tiết về địa hình để đánh giá suy hao tín hiệu, trong khi đó
một số chỉ xét tần số và khoảng cách. Chiều cao anten là một thông số quan
trọng. Tổn hao do khoảng cách truyền dẫn sẽ tuân theo quy luật hàm mũ.
PL∝ d-n

21

(1.1)


trong đó n là mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n<2 cho các môi trường
trong nhà, a>2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máy
thu đến máy phát.
Từ lý thuyết và các kết quả đo lường cho thấy công suất thu trung bình
giảm so với khoảng cách theo hàm log đối với môi trường ngoài trời và trong
nhà. Hơn nữa tại mọi khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) tại một vị
trí nhất định là quá trình ngẫu nhiên và có phân bố log chuẩn xung quanh một
giá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảng cách). Nếu xét cả sự thay đổi theo vị
trí, có thể biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) tại khoảng cách d như sau:
________
_________
 d
PL( d ) [ dB] = PL( d ) + X σ = PL( d 0 ) + 10 n lg
 d0


 + X σ


(1.2)

_______

Trong đó PL( d ) là tổn hao đường truyền trung bình phạm vị rộng đối với
khoảng cách phát thu d; Xσ là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình
không (đo bằng dB) với lệch chuẩn σ (cũng đo bằng dB), d0 là khoảng cách
tham chuẩn giữa máy phát và máy thu, n là mũ tổn hao đường truyền.
Khi các đối tượng trong kênh vô tuyến không chuyển động trong một
khoảng thời gian cho trước và kênh được đặc trưng bởi pha đinh phẳng đối
với một độ rộng băng tần cho trước, các thuộc tính kênh chỉ khác nhau tại các
vị trí khác nhau. Nói một cách khác, pha đinh chỉ đơn thuần là một hiện tượng
trong miền thời gian (mang tính chọn lọc thời gian).
Từ phương trình 1.2 thấy tổn hao đường truyền của kênh được đánh giá
thống kê phạm vi rộng cùng với ảnh hưởng ngẫu nhiên. Ảnh hưởng ngẫu
nhiên xẩy ra do pha đinh phạm vi hẹp trong miền thời gian và thể hiện cho
tính chọn lọc thời gian (phân tập thời gian). Ảnh hưởng của chọn lọc không
gian có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng nhiều anten. MIMO (Multiple
Input Multiple Output: Nhiều đầu vào nhiều đầu ra) là một kỹ thuật cho phép
lợi dụng tính chất phân tập không gian này để cải thiện hiệu năng và dung
lượng hệ thống.
22


1.4.3. Miền tần số

Trong miền tần số, kênh bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố: điều chế tần số và
chọn lọc tần số.
1.4.3.1. Điều chế tần số
Điều chế tần số do hiệu ứng Doppler gây ra, khi có sự chuyển động
tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến thay đổi tần số một cách ngẫu
nhiên. Do chuyển động tương đối giữa BTS và MS, các thành phần sóng đa
đường bị dịch tần số. Dịch tần số trong tần số thu do chuyển động tương đối
này được gọi là dịch tần số Doppler, nó tỷ lệ với tốc độ chuyển động, phương
chuyển động của MS so với phương sóng tới của thành phần sóng đa đường
[1]. Dịch Doppler BD có thể được biểu diễn như sau:
BD =

ν
ν
cos( θ) = f c cos( θ)
λ
c

(1.3)

Trong đó ν là tốc độ của MS, λ là bước sóng, θ là góc giữa phương
chuyển động của MS và phương sóng tới, c là tốc độ ánh sáng và f c là tần số
sóng mang. Từ phương trình cho trên thấy nếu MS di chuyển về phía sóng tới
dịch Doppler là dương và tần số thu sẽ tăng, ngược lại nếu MS di chuyển rời
xa sóng tới thì dịch Doppler là âm và tần số thu được sẽ giảm. Vì thế các tín
hiệu đa đường đến MS từ các phương khác nhau sẽ làm tăng độ rộng băng tần
tín hiệu. Khi ν và (hoặc θ) thay đổi dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải
Doppler.
1.4.3.2. Chọn lọc tần số
Đồ án sẽ phân tích chọn lọc tần số cùng với một thông số khác trong

miền tần số: băng thông nhất quán. Băng thông nhất quán là một số đo thống
kê của dải tần số trên một kênh pha đinh được coi là kênh pha đinh "phẳng"
(là kênh trong đó tất cả các thành phần phổ được truyền qua có khuếch đại
như nhau và pha tuyến tính). Băng thông nhất quán cho ta dải tần trong đó các
thành phần tần số có biên độ tương quan. Băng thông nhất quán xác định kiểu
pha đinh xẩy ra trong kênh và vì thế có ý nghĩa cơ sở trong việc thích ứng các
23


thông số điều chế. Băng thông nhất quán tỷ lệ nghịch với trải trễ. Pha đinh
chọn lọc tần số rất khác với pha đinh phẳng. Trong cùng một kênh pha đinh
phẳng, tất cả các thành phần tần số truyền qua băng thông kênh đều chịu ảnh
hưởng của pha đinh. Ngược lại pha đinh chọn lọc tần số (còn gọi là pha đinh
vi sai), một số đoạn phổ của tín hiệu qua kênh pha đinh bị ảnh hưởng nhiều
hơn các phần khác, thể hiện rõ tính chọn lọc tần số của kênh này. Nếu băng
thông nhất quán kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần của tín hiệu được truyền qua
kênh này, thì tín hiệu này chịu ảnh hưởng của pha đinh chọn lọc (phân tập tần
số). Pha đinh này sẽ làm méo tín hiệu.

1.5. Miền thời gian
Sự khác biệt giữa các kênh hữu tuyến và các kênh vô tuyến là kênh vô
tuyến thay đổi theo thời gian, nghĩa là pha đinh chọn lọc thời gian. Có thể mô
hình hóa kênh vô tuyến di động như là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung
kim thay đổi theo thời gian. Mô hình kênh truyền thống sử dụng mô hình đáp
ứng xung kim, đây là một mô hình trong miền thời gian. Có thể liên hệ quá
trình thay đổi tín hiệu vô tuyến phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng xung kim
của kênh vô tuyến di động. Nếu x(t) là tín hiệu phát, y(t) là tín hiệu thu và
h(t,τ) là đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đa đường phụ thuộc vào thời
gian, thì tín hiệu thu là tích chập của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim của
kênh như sau:

y( t ) =

∞

∫ x ( t )h( t, τ) dτ = x ( t ) ∗ h( t, τ)

(1.4)

−∞

Trong đó t là biến thời gian, τ là trễ đa đường của kênh đối với một giá
trị t cố định, ‘*’ là ký hiệu tích chập.
Ảnh hưởng đa đường của kênh vô tuyến thường được biết đến ở dạng
phân tán thời gian hay trải trễ. Phân tán thời gian (tán thời), hay trải trễ xẩy ra
khi một tín hiệu được truyền từ anten phát đến anten thu qua hai hay nhiều
đường có các độ dài khác nhau. Một mặt tín hiệu này được truyền trực tiếp,
mặt khác nó được truyền từ các đường phản xạ khác nhau có độ dài khác
24


nhau với các thời gian đến máy thu khác nhau. Vì vậy tín hiệu tại anten thu
chịu ảnh hưởng của tán thời này sẽ bị méo dạng. Khi thiết kế và tối ưu hóa
các hệ thống vô tuyến số để truyền số liệu tốc độ cao ta cần xét các phản xạ
này.
Tán thời có thể được đặc trưng bởi trễ trội, trễ trội trung bình hay trễ trội
trung bình quân phương.
1.5.1. Trễ trội trung bình quân phương
Thông số thời gian quan trọng của tán thời là trải trễ trung bình quân
phương (RDS: Root Mean Square Delay Spread): căn bậc hai môment trung
tâm của lý lịch trễ công suất. RDS đánh giá cho trải đa đường của kênh. Vì

thế được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu
(ISI).
__ 2

___
2

στ = τ − τ

∑ P( τ ) τ
τ=
∑ P( τ )
k

(1.5)

k

k

(1.6)

k

k

____
2

τ

∑ P( τ ) τ
=
∑ P( τ )
k

2
k

k

(1.7)

k

k

trong đó P(τk) là công suất trung bình đa đường tại thời điểm τk. [1]
1.5.2. Trễ trội cực đại
Trễ trội cực đại (XdB) của lý lịch trễ công suất được định nghĩa là trễ
thời gian mà ở đó năng lượng đa đường giảm XdB so với năng lượng cực đại.
1.5.3. Thời gian nhất quán
Một thông số khác trong miền thời gian là thời gian nhất quán. Thời gian
nhất quán xác định đặc tính "tĩnh" của kênh. Thời gian nhất quán là thời gian
mà ở đó kênh tương quan rất mạnh với biên độ của tín hiệu thu, được ký hiệu
25