Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống vô tuyến bằng các kỹ thuật phân tập

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan rằng đồ án này là kết quả tìm hiểu của bản thân, không giống
hoàn toàn với bất kỳ Đồ Án khác hay bất kỳ một công trình nghiên cứu nào khác.
Đà nẵng ngày tháng
Người thực hiện

Trần Phương Nam

1

năm 2014


LỜI CẢM ƠN
Em xin cảm ơn chân thành đến các quý Thầy Cô trong Khoa Điện Tử - Viễn
Thông Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, đặc biệt là Thầy PGS. TS. Tăng Tấn Chiến đã tạo
điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đồ án này.
Trong quá trình thực hiện, em vẫn còn nhiều sai sót do và hạn chế. Kính mong các
Thầy Cô chỉ bảo thêm.

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................2

AWGN

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Additive White Gaussian Noise

BER

Bit Error Rate
3


C/I
CP
(I)DFT
FDMA
ICI
(I)FFT
ISI
OFDM
PAPR
QAM
SER
SNR
TC
SC
MRC
EGC
SISO
SIMO
MISO
MIMO
FDM

Carrier to Interference Ratio

CyclicPrefix
(Inverse) Discrete Fourier Transform
Frequency Division Multiple Access
Inter Channel Interference
(Inverse) Fast Fourier Transform
Intersymbol Interference
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Peak_to_Average Power Ratio (PAR)
Quadrature Amplitude Modulation
Symbol Error Rate
Signal to Noise Rate
Threshold Combining
Selection Combining
Maximal Ratio Combining
Equal Gain Combining
Single Input Single Output
Single Input Multiple Output
Multiple Input Single Output
Multiple Input Multiple Output
Frequency Division Multiplexing

4


LỜI MỞ ĐẦU
Sự phát triển hệ thống thông tin di động trong tương lai ngày càng đòi hỏi hệ
thống phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, băng thông hiệu quả, khả năng kháng
nhiễu tốt, xác suất lỗi thấp,…Do vậy nhiều kỹ thuật mới đã ra đời. Một trong những kỹ
thuật được sử dụng là kỹ thuật phân tập mà cụ thể ở đây là kỹ thuật phân tập phát và thu
nhằm cải thiện BER để nâng cao chất lượng hệ thống, giải quyết multipath fading,…

Với lý do trên, em đã chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ
THỐNG VÔ TUYẾN BẰNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP”. Nội dung đề tài gồm có 4
chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vô tuyến và kỹ thuật OFDM
Nội dung chính của chương là trình bày về nguyên lý kỹ thuật của OFDM. Đi sâu
về tìm hiểu từng khối chính trong một hệ thống có sử dụng kỹ thuật OFDM
Chương 2: Tổng quan mạng thông tin di động và các đặc tính của kênh truyền vô tuyến
Nội dung chính của chương là trình bày một số biểu thức mô tả tín hiệu thu, phát,
biểu thức kênh truyền block-fading, làm cơ sở cho việc mô phỏng.
Chương 3: Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống vô tuyến
Nội dung chính của chương trình bày về phân tập phát Alamouti và các kỹ thuật
phân tập thu kết hợp MRC, TC, SC, EGC, từ đó làm cơ sở cho việc giải thuật các chương
trình mô phỏng.
Chương 4: Lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng
Chương này trình bày các lưu đồ thuật toán để xây dựng các chương trình để mô
phỏng việc thực hiện hệ thống. Tính ra giá trị BER và mối tương quan với SNR qua đó
nhận xét, đánh giá từng kỹ thuật thông qua các kết quả mô phỏng.
Phương pháp nghiên cứu của đồ án là xây dựng lưu đồ thuật toán, tính toán mô
phỏng để thực hiện xử lý các kỹ thuật phân tập phát và thu. kết quả biểu hiện của các kỹ
thuật này được đánh giá thông qua hai thông số chính là BER và SNR.

5


6


CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾNVÀ KỸ

THUẬT OFDM
1.1 Giới thiệu chương
Sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói
riêng trong những năm gần đây, nhất là đối với các thiết bị không dây tốc độ cao, băng
thông rộng như điện thoại có hình, internet không dây… đã thúc đẩy sự phát triển của
công nghệ truyền thông vô tuyến.
OFDM là một kỹ thuật khá khác biệt so với kỹ thuật điều chế sử dụng các phương
pháp truyền dẫn truyền thống. Chương này sẽ trình bày các đặc điểm, thông số kỹ thuật
và mô hình toán học của kỹ thuật OFDM.
1.2 Tổng quan về hệ thống vô tuyến hiện nay
Sóng vô tuyến là môi trường truyề nhấp dẫn với các địa hình không hỗ trợ lắp đặt
cáp. Để bao phủ các khu vực đồi núi, các khu vực bị ngăn cách bởi sông, hồ…, sóng vô
tuyến mặt đất được sử dụng chocác vòng lặp local và trunk.
Để thuận lợi trong việc cung cấp viễn thông cho vùng sâu vùng xa, nông thôn, một
lần nữa sóng vô tuyến là lựa chọn tốt nhất. Để tránh việc đào đường, ngay cả khu vực đô
thị, hệ thống sóng vô tuyến được sử dụng. Sóng vô tuyến có một lợi thế: nó cung cấp khả
năng di động cho người dùng. Đối với các ứng dụng phát thanh truyền hình, sóng vô
tuyến là sự lựa chọn tốt nhất bởi vì sóng vô tuyến truyền trên khoảng cách xa.
• Ưu điểm
So với các phương tiện truyền thông định hướng chẳng hạn như cáp xoắn, cáp
đồng trục và cáp quang, sóng vô tuyến mặt đất có nhiều ưu điểm:
-

-

Lắp đặt hệ thống vô tuyến dễ dàng hơn so với hệ thống cáp vì có thể tránh được
việc đào bới. Các thiết bị vô tuyến được cài đặt tại hai điểm đầu và cuối.
Bảo trì các hệ thống vô tuyến dễ dàng hơn nhiều so với hệ thống cáp. Nếu dây
cáp bị lỗi, rất khó để xác định vị trí lỗi và càng khó khăn hơn để khắc phục lỗi.
Sóng vô tuyến cung cấp các tính năng di động hấp dẫn nhất cho người dùng:

ngay cả khi đang di chuyển với tốc độ cao bằng xe hơi hoặc thậm chí máy bay,
việc thông tin vẫn có thể thực hiện được.
Sóng vô tuyến có thể tuyên truyền trên khoảng cách lớn. Vùng phủ sóng phụ
thuộc vào băng tần. Sóng HF có thể truyền hàng trăm cây số, các hệ thống VHF
7


và UHF có thể phủ lên đến 40 km và các hệ thống vi ba có thể bao gồm một vài
km. Có thể tăng khoảng cách truyền bằng việc sử dụng các trạm lặp.
• Nhược điểm
Việc truyền sóng vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố: địa hình tự nhiên (đồi
núi, thung lũng, hồ, bờ biển, vv), địa hình nhân tạo (nhà cao tầng) và điều kiện thời tiết(
mưa, tuyết, sương mù).
Sóng vô tuyến dễ bị nhiễu bởi các hệ thống vô tuyến khác đang hoạt động trong
cùng một khu vực lân cận. Sóng vô tuyến cũng bị ảnh hưởng bởi các thiết bị phát điện,
tiếng ồn động cơ máy bay, vv…
Sóng vô tuyến bị yếu đi khi truyền trong khí quyển. Việc mất tín hiệu là do suy
hao đường truyền. Để khắc phục những tác động của suy hao đường truyền, các máy thu
sóng phải có độ nhạy cao, có khả năng thu tín hiệu yếu và khuếch đại tín hiệu giải mã.
1.3 Khái niệm về OFDM
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal
frequency-division multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế
đa sóng mang, trong đó tập hợp các ký tự được điều chế song song trên các sóng mang
phụ. Các sóng mang phụ này được lựa chọn với khoảng cách tần số nhỏ nhất và thỏa mãn
tính trực giao của sóng trong miền thời gian. Nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ
cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự
chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều
so với kỹ thuật điều chế thông thường. Ngoài ra OFDM có hai đặc điểm nổi bật là tăng
sức mạnh chống lại fading lựa chọn tần số, bằng cách biến đổi kênh truyền chọn lọc tần
số thành tập hợp các kênh truyền fading phẳng và cho phép luồng thông tin tốc độ cao

được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp.
Một tín hiệu OFDM gồm một số lượng lớn các sóng mang có khoảng cách rất gần
nhau. Khi điều chế các tín hiệu thoại, dữ liệu,… lên sóng mang, phổ của chúng sẽ chồng
lấn lên nhau. Điều cần thiết tại máy thu là phải nhận được toàn bộ tín hiệu và giải điều
chế chính xác dữ liệu. Với các kỹ thuật trước đây như FDM, khi tín hiệu được truyền
gần nhau thì chúng phải được tách biệt nhau để máy thu có thể tách rời chúng bằng bộ
lọc và phải có khoảng băng bảo vệ giữa chúng. Tuy nhiên với những cải tiến của OFDM,
8


mặc dù phổ của các sóng mang chồng lấn lên nhau, chúng vẫn có thể đến được máy thu
mà không bị nhiễu bởi vì chúng có tính trực giao với nhau.

FDM

OFDM
Hình 1.1: Phổ của sóng mang trong OFDM
Một yêu cầu quan trọng trong hệ thống phát và thu OFDM là chúng phải tuyến
tính. Bất kì sự phi tuyến nào cũng sẽ gây ra nhiễu giữa các sóng mang do méo xuyên điều
chế. Điều này sẽ dẫn đến những tín hiệu không mong muốn gây ra nhiễu và làm mất tính
trực giao ban đầu.
Ngoài ra, tỉ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình của của hệ thống đa sóng
mang như OFDM là khá lớn, yêu cầu độ khuếch đại tổng của bộ RF ở đầu ra của máy
phát phải đáp ứng được công suất đỉnh. Trong khi công suất trung bình rất thấp. Điều này
là không hiệu quả. Để khắc phục, trong một số hệ thống, công suất đỉnh bị hạn chế. Mặc
dù điều này sẽ làm méo tín hiệu và lỗi sẽ cao hơn, nhưng hệ thống có thể sử dụng kỹ
thuật sửa lỗi để khắc phục.
Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật OFDM đã
được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và
Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể được thực hiện thông qua phép

biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể được thực hiện bằng phép biến đổi
9


DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế
OFDM được ứng dụng ngày càng rộng rãi. Hơn nữa, thay vì sử dụng IDFT/DFT người ta
có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT/FFT sẽ làm giảm độ phức tạp và tăng tốc độ xử
lý tín hiệu ở máy phát và máy thu.
1.4 Tính trực giao
Trực giao chỉ ra mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng
mang trong hệ thống OFDM. Các sóng mang được sắp xếp sao cho các dải biên của
chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự
can nhiễu giữa các sóng mang. Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt
toán học. OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một
số sóng mang nhất định khác nhau. Tín hiệu OFDM là tổng hợp của tất cả các sóng sin
này. Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần
thiết để truyền một ký hiệu (symbol duration). Tức là để truyền một ký hiệu chúng ta sẽ
cần mốt số nguyên lần của chu kỳ.
Về mặt toán học, tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức:
Ta sẽ xét hàm Si(t) thỏa mãn tính trực giao được sử dụng trong kỹ thuật OFDM.
Các dạng sóng sin và cosin có giá trị trung bình trên một chu kỳ bằng không và
thỏa mãn tính trực giao giữa các sóng nên được sử dụng làm sóng mang phụ trong điều
chế tín hiệu.
Xét tính trực giao của hai sóng sin sau:
Si = sin(mωt) và Sj = sin(nωt)

Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá
trị trung bình của nó luôn khác không.

10

1.5 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

Hình 1.2: Sơ đồ khối của quá trình phát và thu OFDM
Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu
song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song. Mỗi dòng dữ liệu song
song sau đó được mã hóa (Conv. Encoder) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp
bằng bộ xen rẽ (Interleaver). Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các
nhánh sẽ được điều chế số (ánh xạ vào biên độ và pha của sóng mang phụ) bằng bộ
MQAM mapping và được đưa đến đầu vào của khối IFFT. Khối IFFT có nhiệm vụ biến
đổi phổ của dữ liệu từ miền tần số sang miền thời gian. Sau đó tiền tố lặp CP được chèn
vào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô
tuyến di động đa đường. Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công suất và
phát đi từ anten.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như
nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN) và đáp ứng của kênh
truyền di động. Để bên thu có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu, người ta còn chèn thêm
các pilot xen kẽ vào tín hiệu phát đi để phục vụ cho việc ước lượng kênh truyền và nhiễu
tại máy thu.
Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhận
được sau bộ D/A thu. Tiền tố lặp CP được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền
11


thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT (khối FFT). Sau
đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng ở bên phát mà bên thu giải điều chế tương ứng.
Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã (decoder).
Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ song
song về nối tiếp.

1.5.1 Mã hóa kênh
Trong thực tế, yêu cầu của việc thiết kế là phải thực hiện được một tốc độ truyền
số liệu yêu cầu (thường được xác định bởi dịch vụ cung cấp) trong một băng thông hạn
chế của một kênh truyền sẵn có và một công suất hạn chế tùy ứng dụng cụ thể. Hơn nữa,
còn phải đạt được tốc độ này với một tỉ số BER và thời gian trễ chấp nhận được. Nếu một
tuyến truyền dẫn PCM không đạt được tỉ số BER yêu cầu với các ràng buộc này thì cần
phải sử dụng các phương pháp mã hóa điều khiển lỗi, còn được gọi là mã hóa kênh.
Mã hóa kênh được sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu bị lỗi, bao
gồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi. Cả hai loại mã này đều đưa thêm độ dư vào dữ liệu
phát, trong đó độ dư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều hơn trong mã phát hiện lỗi. Lý do
là đối với mã sửa lỗi, độ dư thêm vào phải đủ cho bên thu không chỉ phát hiện được lỗi
mà còn sửa được lỗi, không cần phải truyền lại.
Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là mã khối (block code) và mã chập
(convolutional code). Trong phần mô phỏng của đồ án này, ta sử dụng mã chập để mã
hóa kênh cho hệ thống OFDM.
1.5.2 Khối xen rẽ
Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật
xen rẽ (interleaving) để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin
đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số. Các lỗi chùm không thể được sửa
bởi các loại mã hóa kênh. Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có
xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi
các loại mã hóa kênh.

12


1.5.3 Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở
Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế
BPSK, QPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các
nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK,

QPSK, 16-QAM, 64-QAM.
1.5.4 IFFT/FFT
Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều
chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con.
Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế
và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh con là khá lớn thì cách làm trên không
hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực
hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động
sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một
thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách
giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT.
1.5.5 Tiền tố lặp (CP: Cyclic Prefix)
Một trong những vấn đề quan trọng của thông tin vô tuyến là sự trải trễ đa đường.
OFDM giải quyết được vấn đề này rất hiệu quả. Luồng dữ liệu vào được chia thành các
luồng song song có tốc độ thấp hơn và truyền trên các sóng mang phụ trực giao. Nhờ đó
mà chiều dài ký tự tăng lên và hạn chế được ảnh hưởng của trải trễ đa đường.
Nhiễu xuyên ký tự ISI cũng được hạn chế hoàn toàn bằng cách chèn thêm khoảng
bảo vệ cho mỗi ký tự OFDM. Chiều dài của khoảng bảo vệ được chọn sao cho nó phải
lớn hơn thời gian trễ của tín hiệu fading. Về mặt thông tin, khoảng bảo vệ có thể không
chứa tín hiệu nào cả nhưng điều này sẽ gây nhiễu liên sóng mang ICI. Vì vậy, ký tự
OFDM sử dụng khoảng bảo vệ là tiền tố lặp CP, sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn
lên đầu của ký tự đó. Bằng cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của CP và
tín hiệu đa đường với thời gian trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ thì không thể gây ra hiên
tượng ICI. Mặt khác, nhờ sự lặp vòng của mỗi ký tự, nó chuyển phép nhân chập tuyến

13


tính của kênh truyền fading lựa chọn tần số thành phép nhân chập vòng và có thể thực
hiện ở miền tần số nhờ phép biến đổi Fourier rời rạc IFFT và FFT.

Hình 1.3: Các tín hiệu đến máy thu từ các đường khác nhau
Hình vẽ trên mô tả mục đích việc sử dụng CP trong OFDM.
Trong đó:
Tg là chiều dài của khoảng bảo vệ.
Τmax là trễ lớn nhất của ký tự.
Tx là khoảng thời gian chờ để bắt đầu lấy mẫu tại máy thu.
Ta có mối quan hệ giữa chúng như sau: tmax Ta thấy rằng thời gian lấy mẫu bằng chiều dài của ký tự và nó chỉ lấy các mẫu
mang tin tức trong ký tự OFDM.
1.5.6 Biến đổi cao tần RF
Để tín hiệu có thể truyền được đi xa và ít bị suy hao thì sóng mang phải có tần số
cao. Tín hiệu ra khỏi các bộ xử lý trên mới chỉ là tín hiệu ở băng tần cơ bản nên cần phải
nâng tần trước khi đưa đến anten truyền đi nhờ bộ biến đổi cao tần RF.
Để giảm độ phức tạp và chỉ tập trung vào các kỹ thuật xử lý tín hiệu ở băng cơ sở,
đồ án này không khảo sát và mô phỏng tín hiệu ở cao tần.

14


1.6 Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM

Hình 1.4: Cấu trúc khung dữ liệu OFDM
Giả sử tín hiệu được điều chế sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương
M mức M-QAM.
Kết quả sau khi mã hóa là các nhóm bit đã được nhóm lại với nhau thành các số
phức Xk,m. Với số bit nhóm lại thành một số phức là Q = log 2M. N là số mẫu phức trong
một khung và m là chỉ số khung. Hay nói cách khác, X k,m là mẫu phức của sóng mang
phụ thứ k trong ký tự OFDM thứ m.
N mẫu phức trong mỗi ký tự OFDM được đưa đến bộ biến đổi Fourier ngược FFT

để chuyển tín hiệu sang miền thời gian xn,m .

Hình 1.5: Biến đổi IFFT và chèn CP
Sau đó n mẫu xn,m này được chèn thêm tiền tố lặp CP.

15


Hình 1.6: Tín hiệu băng cơ sở của một khung dữ liệu
Và tín hiệu băng gốc trước khi nâng tần của một ký tự OFDM như sau:
với
1.7 Các kỹ thuật điều chế số trong OFDM
Trong các hệ thống OFDM tín hiệu đầu vào ở dạng bit nhị phân cần phải được
điều chế số, tức là chuyển sang tín hiệu phức để đưa vào bộ biến đổi IFFT. Các dạng điều
chế số được sử dụng phụ thuộc vào yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn.
Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào log2M và số phức dn= an + jbn ở ngõ ra.
M
2

Dạng điều chế
BPSK

4

QPSK

16

16-QAM

64

64-QAM

a n , bn

,
,

,

,

Bảng 1.1: Các phương thức điều chế số

16


Hình 1.7: Chùm tín hiệu 16-QAM
1.8 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM
1.8.1 Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM
− Kỹ thuật OFDM sử dụng các sóng mang phụ có tính chất trực giao nên các sóng
mang phụ này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây ra nhiễu, làm tăng hiệu quả
sử dụng phổ.
− Hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đường bằng
cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con phẳng
tương ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau.
− Loại bỏ được hầu hết nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu xuyên ký tự ISI nhờ sử
dụng tiền tố lặp CP.
− Nhờ sử dụng các biện pháp xen rẽ và mã hoá kênh thích hợp nên hệ thống OFDM

có thể hạn chế và khắc phục được lỗi trên ký hiệu do các hiệu ứng chọn lọc tần số
ở kênh gây ra. Có thể sử dụng phương pháp giải mã tối ưu với độ phức tạp giải mã
ở mức cho phép. Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc
sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn tần.
− Hệ thống OFDM sử dụng thuật toán FFT/IFFT để thực hiện phép biến đổi Fourier

rời rạc một cách đơn giản và hiệu quả.
− Kỹ thuật OFDM thích hợp cho hệ thống không dây tốc độ cao và rất hiệu quả

trong các môi trường đa đường dẫn.
17


1.8.2 Các nhược điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM
Hệ thống OFDM có hai nhược điểm lớn đó là:
− Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn. Tín hiệu OFDM là tổng

hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, trong trường hợp xấu nhất khi các sóng mang
phụ này đồng pha thì tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn, dẫn đến PAPR lớn.
Vấn đề này đòi hỏi phải có bộ khuếch đại công suất lớn và tuyến tính để không
làm méo dạng tín hiệu. Điều này làm giảm hiệu quả sử dụng của các bộ khuếch
đại cao tần.
− Rất nhạy với lệch tần số sóng mang CFO, đặc biệt là hiệu ứng dịch tần Doppler.

CFO làm cho tần số sóng mang trung tâm bị lệch, bên thu phân biệt không chính
xác tần số sóng mang và bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang gây
ra lỗi khi giải điều chế các tín hiệu.
1.9 Kết luận chương
Chương này đã giới thiệu tổng quan về hệ thống vô tuyến hiện nay và trình bày

những vấn đề cơ bản của hệ thống OFDM. Tuy nhiên để đánh giá toàn bộ hệ thống thu và
phát OFDM ta còn phải xét đến ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trong
quá trình truyền. Chương tiếp theo sẽ đề cập đến tổng quan mạng thông tin di động và
các đặc tính của kênh vô tuyến và những tác động của nó lên tín hiệu trên kênh truyền.

18


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNGVÀ CÁC ĐẶC TÍNH
CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
2.1 Giới thiệu chương
Trong chương này ta sẽ biết thêm về sự phát triển của mạng di động và tình hình
chung của mạng di động hiện nay. Và đi sâu vào tìm hiểu kênh truyền vô tuyến có những
ảnh hưởng đến tín hiệu như thế nào. Kênh truyền tín hiệu là môi trường truyền sóng giữa
máy phát và máy thu. Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu
được truyền theo tầm nhìn thẳng. Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến
bị thay đổi, có thể bị vật chắn ngăn cách, thời tiết, tần số này nhiễu tần số khác. Việc
nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của hệ thống
truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này.
2.2 Tình hình hệ thống mạng thông tin di động
Nhiều công nghệ mới ra đời đã thúc đẩy lĩnh vực máy tính, thông tin di động,
truyền thông đa phương tiện lên một tầm cao mới với những thế hệ lần lượt ra đời.
Thế hệ thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân
chia theo tần số FDMA vào những năm 1980.
Thế hệ thứ nhì sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời
gian (TDMA: Time Division Multiple Access) vào những năm 1990.
Thế hệ thứ ba ra đời đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và ứng
dụng so với các thế hệ trước đó và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện gói,
đa truy cập phân chia theo mã CDMA vào những năm 2000.
Thế hệ thứ tư ra đời có thế được xem là bước nhảy vô cùng to lớn trong công nghệ

truyền thông khi khắc phục được băng thông hạn chế, đường truyền cao dù thuê bao di
động với vận tốc cao, đó là công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM
và đa truy cập phân chia theo không gian SDMA.
Sơ đồ mô tả toàn bộ quá trình phát triển của hệ thống truyền thông :

19


Hình 2.1: Sơ đồ các thế hệ của hệ thống thông tin di động
2.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G: First Generation )
Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hỗ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử
dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người và sử dụng phương
pháp đa truy cập phân chia theo tần số FDMA. Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống
điện thoại di động AMPS (Advanced Mobile Phone System). Hệ thống di động này sử
dụng phương pháp đa truy cập đơn giản.

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1
Dung lượng (capacity) thấp.
Kỹ thuật chuyển mạch tương tự (circuit-switched).
Xác suất rớt cuộc gọi cao.
Chất lượng âm thanh rất kém.
Không có chế độ bảo mật.
Mỗi MS được cấp phát một đôi kênh liên lạc trong suốt thời gian thông tuyến.
Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là đáng kể.
2.2.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 ( 2G: Second Generation )
Truyền thông di động ngày phát triển nhanh chóng, nhu cầu thuê bao ngày càng
tăng nhanh nên hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số
lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số. Tất cả hệ thống thông tin di động
thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số, đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA.
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số, đa

truy cập phân chia theo thời gian TDMA.

20


Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần, mỗi dải tần dùng
cho N kênh, mỗi kênh là một khe thời gian trong chu kì một khung. Các thuê bao khác
nhau dùng chung kênh nhờ cài xen khe thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một
khe thời gian trong cấu trúc khung.

Hình 2.3: Sơ đồ của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2
Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số .
Giảm số máy thu ở BTS.
Giảm nhiễu giao thoa.
Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó một
băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động và một băng
tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc. Việc phân chia tần số
như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng một lúc mà không có
sự can nhiễu lẫn nhau.
Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống di động toàn cầu GSM. Máy di động kỹ
thuật số TDMA phức tạp hơn FDMA. Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương
tự có khả năng xử lý không quá 106 lệnh trong 1 giây, còn trong MS số TDMA phải có
khả năng xử lý 50.106 lệnh trong 1 giây.
2.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G: Third Generation)
Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng của người sử
dụng, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G
và 2,5G. Kỹ thuật WCDAM và CDMA-2000 đã được sử dụng trong thế hệ thứ 3.
Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo băng thông rộng: truy cập Internet nhanh hoặc
các dịch vụ đa phương tiện.
Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điện thoại vệ tinh.

Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục
của thông tin di động.
21


Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3
Dải tần tín hiệu rộng .
Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ
và chống fading hiệu quả hơn TDMA và FDMA.
Việc các thuê bao trong cùng cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn
đơn giản và việc thay đổi, chuyển giao, điều khiển dung lượng cell thực hiện rất linh hoạt
2.2.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G: Fourth Generation)
Công nghệ di động thế hệ thứ 4 hiện nay đang được đầu tư phát triển, nó cho phép
truyền dữ liệu bằng 2 đường: âm thanh và hình ảnh với dữ liệu khổng lồ. Công nghệ 4G
cho phép truyền và nhận với băng thông rộng tốc độ cao. Cho phép truyền dữ liệu với tốc
độ 100Mb/s trong khi đang di chuyển và có tốc độ 1Gb/s khi người sử dụng cố định.
Trong số những công nghệ tiên phong trong lĩnh vực 4G, phải kể đến LTE, UMB
và WiMax. Cả 3 đều sử dụng công nghệ anten mới, qua đó cải thiện tốc độ và khoảng
cách truyền dẫn dữ liệu.

Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4
2.2.5 Các mô hình hệ thống thông tin không dây
Hệ thống thông tin không dây có thể chia ra làm 4 hệ thống cơ bản đó là: SISO,
SIMO, MISO và MIMO.

22


Hình2.6: Phân loại hệ thống thông tin không dây

2.3 Các đặc tuyến kênh truyền vô tuyến
Trong thông tin di động, tín hiệu được truyền từ nơi này đến nơi khác bằng kênh
truyền vô tuyến, đây là một môi trường vô cùng phức tạp. Khi được truyền dẫn trong
trong kênh vô tuyến, tín hiệu sẽ chịu ảnh hưởng của Fading đa đường, các loại tạp âm,
giao thoa, nhiễu và suy hao rất lớn. Tất cả những điều đó làm cho tín hiệu truyền bị bóp
méo và việc khôi phục tín hiệu ở đầu thu sẽ trở nên khó khăn.
2.3.1 Suy hao đường truyền
Khi tín hiệu truyền trong môi trường vô tuyến thì càng truyền đi xa, công suất của
tín hiệu sẽ trở nên yếu đi, ta nói rằng tín hiệu bị suy hao trên đường truyền. Suy hao
đường truyền dẫn xảy ra do: Sự chuyển động về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thụ tín
hiệu bởi nước, không khí, và bi vật chắn, bị phản xạ từ mặt đất. Suy hao truyền dẫn trung
bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các thuê bao di
động tốc độ cao. Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng.
Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở dưới
dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta
thiết kế. Cho nên mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu. Hay nói
cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. Công thức tính công
suất thu được sau khi truyền qua một khoảng cách R.
2

 λ 
PR = PT G T G R 

 4πR  (2.1)

23


Trong đó : PR là Công suất tín hiệu thu được (W)
PT là Công suất phát (W)

GR là Độ lợi anten thu
GT là Độ lợi anten phát
Hoặc là công thức sau:
2

2

PT
 4πR  1 1
 4π  2
=
=

 R f
PR
 λ  GT G R
 c 

2

1 1
GT G R (2.2)

Gọi Lpt: là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:
L pt (dB ) = PT (dB ) − PR (dB )
= −10 log10 GT − 10 log10 G R + 20 log10 f + 20 log10 R − 47.6dB

(2.3)

2.3.2 Hiện tượng multipath fading

Sóng vô tuyến truyền từ máy phát đến máy thu sẽ chạm phải rất nhiều vật cản trên
đường truyền như cây cối, nhà cửa, xe cộ, đường xá... gây ra các hiện tượng sau đây:
phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ.
-

Phản xạ (Reflection): Xảy ra khi sóng vô tuyến chạm vào các bề mặt tương đối
bằng phẳng (tia sóng B trên hình 2.7).
Nhiễu xạ (Difraction): Xảy ra khi sóng vô tuyến chạm phải những vật cản có kích
thước lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng.(tia sóng c trên hình 2.7)
Tán xạ (Scattering): Xảy ra khi sóng vô tuyến chạm phải những vật cản không
bằng phẳng và có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng chiều dài bước sóng. Có rất nhiều
vật cản làm cho sóng vô tuyến bị phản xạ, điển hình là cây cối. (tia sóng D trên
hình 2.7)

24


Hình 2.7: Các hiện tượng xảy ra khi truyền sóng vô tuyến
Các sóng phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ này sẽ lại lan toả tiếp trong không gian để đến
máy thu. Như vậy, máy thu sẽ nhận được vô số những bản copy của tín hiệu phát từ
nhiều đường khác nhau với biên độ, thời gian đến và góc pha khác nhau. Tại đây, tín hiệu
từ các đường khác nhau được cộng với nhau tạo nên tín hiệu thu cuối cùng. Vì các tín
hiệu này có góc pha khác nhau nên nếu chúng đồng pha sẽ tạo nên hiện tượng cộng tích
cực, biên độ của tín hiệu sẽ được cải thiện, nhưng nếu chúng ngược pha thì sẽ triệt tiêu
lẫn nhau. Do đó hiện tượng multipath fading sẽ làm cho biên độ và góc pha của tín hiệu
thu thay đổi liên tục theo thời gian và nếu bị fading trầm trọng (deep fading) thì tín hiệu
sẽ bị méo mó và rất khó khôi phục lại dạng ban đầu. Tùy theo đáp ứng tần số của kênh
truyền mà tín hiệu trong kênh.
2.3.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường
Độ trải trễ là lượng thời gian trải trong khi các tín hiệu đa đường tới đầu thu. Tín

hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các
vật cản như các tòa nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu
trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn. Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thẳng và tín
hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu.

Hình 2.10: Hiện tượng đa đường
Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản xạ.
Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảng dài hơn
và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian. Khoảng trải trễ DS
(delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp
và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng. Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên
nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống không có cách khắc phục.
25