Công nghệ OFDM và ứng dụng trong hệ thống thông tin di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------LÊ THỊ MAI LAN

Lê Thị Mai Lan

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

2009-2011

Hà Nội – 2012


-1-

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................ 1 
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................... 4 
DANH MỤC BẢNG............................................................................................................. 6 
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................. 7 
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................... 11 
CHƯƠNG 1: 

KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
13 

1.1  Các khái niệm về thông tin vô tuyến

13 

1.1.1  Khái niệm về thông tin vô tuyến

13 

1.1.2  Khái niệm kênh truyền

14 

1.1.3  Khái niệm về truyền dẫn băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông

14 

1.1.4  Khái niệm về sóng mang

14 

1.1.5  Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến

14 

1.2  Kênh vô tuyến

15 

1.2.1  Đặc điểm của kênh vô tuyến

15 

1.2.2  Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

16 

1.3  Kết luận chương
CHƯƠNG 2: 

25 

TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ OFDM .......................... 26 

2.1  Lịch sử phát triển của công nghệ OFDM

26 

2.2  Khái niệm về OFDM

27 

2.2.1  Khái niệm

27 

2.2.2  Đặc điểm

29 

2.3  Cấu trúc hệ thống OFDM

30 

2.3.1  Khối biến đổi nối tiếp sang song song

31 

2.3.2  Khối điều chế

31 

2.3.3  Khối biến đổi Fourier ngược

31 

2.3.4  Khối chèn khoảng bảo vệ

31 
 

 


-2-

2.3.5  Khối kênh truyền dẫn vô tuyến

32 

2.3.6  Máy thu

32 

2.4  Ưu và nhược điểm của OFDM

32 

2.5  Kết luận chương

34 

CHƯƠNG 3: 

NGUYÊN LÝ XỬ LÝ TÍN HIỆU CỦA KỸ THUẬT OFDM .......... 35 

3.1  Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật OFDM

35 

3.2  Khái niệm toán học

36 

3.3  Nguyên lý điều chế tín hiệu OFDM

38 

3.3.1  Sự trực giao của hai tín hiệu

38 

3.3.2  Sơ đồ điều chế tín hiệu OFDM

39 

3.3.3  Thực hiện bộ điều chế bằng thuật toán IFFT

40 

3.3.4  Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM

41 

3.3.5  Phép nhân với xung cơ sở

43 

3.4  Nguyên lý giải điều chế tín hiệu OFDM

44 

3.4.1  Kênh truyền dẫn phân tập đa đường

44 

3.4.2  Sơ đồ giải điều chế tín hiệu OFDM

45 

3.4.3  Giải điều chế thông qua phép biến đổi nhanh FFT

48 

3.5  Một số vấn đề liên quan đến OFDM
3.5.1  Tính toán dung lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM

49 
49 

3.5.2  Nhiễu giao thoa ký tự ISI và sóng mang ICI ảnh hưởng đến hệ thống
OFDM

51 

3.5.3  Ảnh hưởng số lượng sóng mang con và khoảng thời gian bảo vệ

55 

3.5.4  Cửa sổ công suất

56 

3.5.5  Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR

57 

3.6  Kết luận chương
CHƯƠNG 4: 

58 

ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM .......................................... 60 

4.1  Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM.

60 

4.1.1  Nhận biết khung.

61 

4.1.2  Ước lượng khoảng dịch tần số.

63 
 

 


-3-

4.1.3  Bám đuổi lỗi thặng dư FOE

66 

4.2  Các phương pháp đồng bộ trong OFDM

69 

4.2.1  Đồng bộ ký tự trong OFDM

69 

4.2.2  Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM

76 

4.3  Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM

79 

4.3.1  Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian

80 

4.3.2  Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số

81 

4.4  Kết luận chương
CHƯƠNG 5: 

82 

ỨNG DỤNG OFDM TRONG HỆ THỐNG VIỄN THÔNG ............ 83 

5.1  Ứng dụng của OFDM trong thông tin di động

83 

5.1.1  Các công nghệ đa truy cập

83 

5.1.2  Sự kết hợp giữa OFDM và CDMA: Kỹ thuật MC-CDMA

85 

5.2  Ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến

95 

5.2.1  Phát thanh quảng bá số (DAB)

95 

5.2.2  Hệ thống truyền hình số mặt đất (DVB)

97 

5.2.3  Wireless LAN

98 

5.3  Triển khai kỹ thuật OFDM ở Việt Nam

100 

5.4  Các hướng phát triển trong tương lai

100 

KẾT LUẬN....................................................................................................................... 102 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 104 

 
 


-4-

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Mô hình hệ thống thông tin ......................................................................13 
Hình 1-2: Hiệu ứng đa đường ...................................................................................17 
Hình 1-3: Mật đổ phổ của tín hiệu thu ......................................................................19 
Hình 1-4: Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF ..............................................22 
Hình 1-5: Minh họa fading lựa chọn tần số ..............................................................23 
Hình 2-1: So sánh giữa FDMA và OFDM ...............................................................28 
Hình 2-2: Tín hiệu và phổ OFDM ...........................................................................29 
Hình 2-3: Cấu trúc hệ thống OFDM ........................................................................30 
Hình 3-1: Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung ......................35 
Hình 3-2: Tích của hai vector vuông góc bằng 0 ......................................................38 
Hình 3-3: Sơ đồ bộ điều chế tín hiệu OFDM ............................................................39 
Hình 3-4: Chuỗi bảo vệ GI ........................................................................................41 
Hình 3-5: Mô tả tác dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI .........................42 
Hình 3-6: Xung cơ sở ................................................................................................43 
Hình 3-7: Mô hình kênh truyền.................................................................................44 
Hình 3-8: Bộ thu tín hiệu OFDM .............................................................................45 
Hình 3-9: Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ tại bộ giải điều chế tín hiệu OFDM..............46 

Hình 3-10: Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu ..........................................52 
Hình 3-11: Chèn khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM ..............................................53 
Hình 3-12: Phổ của bốn sóng mang trực giao ..........................................................54 
Hình 3-13: Phổ của bốn sóng mang không trực giao ...............................................55 
Hình 4-1: Quá trình đồng bộ trong hệ thống OFDM ...............................................60 
Hình 4-2: Xác suất nhận biết mất mát và sai số tại các mức ngưỡng PAPR khác
nhau ...........................................................................................................................62 
Hình 4-3: Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO tại các giá trị SNR khác
nhau ...........................................................................................................................65 
Hình 4-4: Bám đuổi pha DPLL ................................................................................68 
Hình 4-5: Pilot trong gói OFDM..............................................................................70 
 
 


-5-

Hình 4-6: Một kiểu cấu trúc khung symbol OFDM ................................................71 
Hình 4-7: Đồng bộ khung ký tự dùng FSC ..............................................................73 
Hình 4-8: Ngưỡng tối ưu Th1 với giá trị SNR .........................................................74 
Hình 4-9: CP trong một symbol OFDM ..................................................................77 
Hình 4-10: Tín hiệu OFDM .....................................................................................79 
Hình 4-11: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian .................81 
Hình 4-12: SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số. SNR hiệu dụng cho
các symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16 và thứ 64 và cân bằng kênh ở đầu frame ..........81 
Hình 5-1:Sơ đồ khối máy phát MC-CDMA ............................................................86 
Hình 5-2:Sơ đồ khối máy thu MC-CDMA ứng với user k ......................................87 
Hình 5-3: Sơ đồ máy phát MC – CDMA ứng với user thứ j ...................................88 
Hình 5-4: Phổ công suất của tín hiệu MC – CDMA ................................................88 
Hình 5-5: Sơ đồ máy phát MC – CDMA sửa đổi ứng với user thứ j .......................89 

Hình 5-6: Sơ đồ máy thu MC – CDMA cho user thứ j ............................................89 
Hình 5-7: Mô hình bộ thu sử dụng kỹ thuật SUD ....................................................90 
Hình 5-8: Nguyên lý hoạt động của phương pháp lựa chọn phù hợp ......................91 
Hình 5-9: Nguyên lý hoạt động của phương pháp MRC .........................................92 

 
 


-6-

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1-1: Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu...................................23 
Bảng 3-1: Dung lượng kênh truyền theo thông số kênh và điều chế ........................51 
Bảng 4-1: Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ .................................................................79 
Bảng 5-1: Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB ...............................................97 
Bảng 5-2: Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB ...............................................98 
Bảng 5-3: So sánh một số tham số kỹ thuật giữa chuẩn 802 và HiperLAN .............99 
Bảng 5-4: Một số tham số vật lý của HiperLAN2 và 802.11a .................................99 
 

 
 


-7-

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ADSL

Asymmetric Digital Subscriber Line

Đường dây thuê bao số bất
đối xứng

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Phương thức truyền tải không
đồng bộ

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu tạp âm Gauss trắng
cộng

BER

Bit Error Ratio

Tỷ lệ lỗi bit

BPSK

Bipolar Phase Shift Keying

Khóa dịch pha hai cực

BS

Base Station

Trạm gốc

CCETT

Comité Consultatif International

Ủy ban tư vấn về điện báo,

Télégraphique et Téléphonique

điện thoại quốc tế

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo

CDMA

mã
CFO

Carrier Frequency Offset

Khoảng dịch tần sóng mang

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access with

Đa truy cập nhận biết sóng

Collision Avoidance

mang tránh xung đột

DAB

Digital Audio Broadcasting

Phát thanh số quảng bá

DC

Direct Current

Dòng một chiều

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier ngược

DPLL

Digital Phase Look Loop

Vòng khóa pha số

DRM

Digital Radio Mondiale

Vô tuyến số toàn cầu

DSP

Digital Signal Processor

Bộ xử lý tín hiệu số
 

 


-8-

DVB-C

Digital Video Broadcasting Cable

Truyền hình số quảng bá cáp

DVB-S

Digital Video Broadcasting Satellite

Truyền hình số quảng bá vệ
tinh

DVB-T

Digital Video Broadcasting Terrestrial Truyền hình số quảng bá mặt
đất

EGC

Equal Gain Combining

Kết hợp khuếch đại cân bằng

FDM

Frequency Division Modulation

Ghép kênh phân chia theo tần
số

FDMA

Frequency Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
tần số

FEC

Forward Error Correction

Sửa sai hướng đi

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

FIC

Fast Information Channel

Kênh thông tin nhanh

FIR

Finite Impulse Response

Phản ứng bức xạ có hạn

FM

Frequency Modulation

Điều tần

FOE

Frequency Offset Estimation

Ước lượng độ dịch tần số

FSC

Frame Synchronization Code

Mã đồng bộ khung

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động

communications

toàn cầu

HiperLAN

High Performance Radio LAN

Mạng LAN chất lượng cao

ICI

InterChannel Inference

Nhiễu liên kênh

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc
ngược

 
 


-9-

IEEE

IFFT

Institute of Electrical and Electronic

Viện các kỹ sư điện và điện

Engineers

tử

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh
ngược

IMD

Inter-Modulation Distortion

Méo giữa các lần điều chế

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

ISI

InterSymbol Interference

Nhiễu giao thoa giữa các ký
tự

ITU

International Telecommunications

Liên minh viễn thông quốc tế

Union
LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LOS

Line of sight

Tầm nhìn thẳng

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy nhập môi
trường

MAI

Multiple Access Interference

Nhiễu đa truy cập

MPEG

Motion Picture Experts Group

Nhóm chuyên gia hình ảnh
động

MRC

Maximum Ratio Combining

Kết hợp tỷ lệ tối đa

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

Mobile Switching Centre

Trung tâm chuyển mạch di
động

MUD

Multiple User Detection

Tách sóng đa người sử dụng

NA-TDMA North-American TDMA

Tiêu chuẩn TDMA Bắc Mỹ

OFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần

Multiplexing

số trực giao
 

 


-10-

OFDMA

Orthogonal Frequency Division

Đa truy nhập phân chia theo

Multiple Access

tần số trức giao

OSI

Open System Interconnect(ion)

Kết nối giữa các hệ thống mở

PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỷ lệ công suất đỉnh trên
công suất trung bình

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

PIC

Parallel Interference Cancellation

Khử nhiễu song song

PN

Pseudo Noise

Nhiễu giả

PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch pha cầu phương

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SC

Selection Combining

Kết hợp có lựa chọn

SIC

Successive Interference Cancellation

Khử nhiễu lần lượt

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
(S/N)

SUD

Single User Detection

Tách sóng đơn người sử dụng

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
thời gian

TDMA/DSA Time Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo

Access/Dynamic Slot Allocation

thời gian kèm chỉ định khe
động

VCO

Voltage Controlled Oscillator

Bộ dao động điều khiển bằng
điện áp

 
 


-11-

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ và những ưu điểm

tuyệt vời mà Internet, thông tin vô tuyến, thông tin di động toàn cầu đem lại, nhu
cầu sử dụng các dịch vụ và ứng dụng của các phương tiện này đang ngày càng tăng
với tốc độ cao, đòi hỏi các hệ thống vô tuyến có những bước thay đổi phù hợp về kỹ
thuật, công nghệ để đảm bảo tốc độ và chất lượng cho các ứng dụng này.
Khi đó việc sử dụng các phương thức điều chế đơn sóng mang truyền thống
trong các hệ thống vô tuyến sẽ khiến hệ thống phức tạp hơn rất nhiều nên phương
thức này không còn là giải pháp phù hợp nữa. Chính vì thế, kỹ thuật ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao OFDM ra đời với những ưu điểm nổi trội như khả
năng chống nhiễu tốt, hiệu suất sử dụng phổ cao, cho phép truyền tín hiệu tốc độ
cao song song với tốc độ thấp trên các băng hẹp…là một giải pháp tối ưu để giải
quyết và đáp ứng được các vấn đề này. OFDM trở thành công nghệ được chấp nhận
một cách rộng rãi và nhanh chóng khẳng định vị trị của mình trong các dịch vụ viễn
thông tốc độ cao như mạng truy nhập Internet băng rộng ADSL, mạng máy tính
không dây tốc độ cao HiperLAN, trong công nghệ băng rộng Wimax,….
Vì vậy, tôi đã chọn đề tài “Công nghệ OFDM và ứng dụng trong hệ thống
thông tin di động” để trình bày những nét cơ bản nhất về công nghệ OFDM, những
ưu điểm vượt trội của kỹ thuật này về điều chế tín hiệu và từ đó khẳng định đây là
một kỹ thuật quan trọng, hiệu quả trong việc nghiên cứu, phát triển mạng thông tin
di động thế hệ thứ tư.
Với mục đích là tìm hiểu cấu trúc, nguyên lý hoạt động, ưu và nhược điểm
của kỹ thuật OFDM, các vấn đề tôi tập trung nghiên cứu trong luận văn sẽ là cấu
trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống OFDM. Luận văn cũng đưa ra các kỹ
thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM để tăng chất lượng của tín hiệu. Bên cạnh đó,
một nội dung nữa mà tôi trình bày trong luận văn đó là ứng dụng của kỹ thuật
OFDM trong các hệ thống viễn thông, sự kết hợp của kỹ thuật này với các kỹ thuật
khác trong thông tin di động để tăng hiệu suất sử dụng và chất lượng của mạng.
Nội dung luận văn tốt nghiệp của tôi gồm 5 chương chính:
 
 

-12-

Chương 1: Trình bày các lý thuyết cơ bản nhất về hệ thống thông tin vô tuyến,
kênh truyền và các tác nhân của kênh truyền làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu.
Chương 2: Trình bày khái quát chung về kỹ thuật OFDM, lịch sử sự ra đời và phát
triển của kỹ thuật OFDM, khái niệm về kỹ thuật OFDM, mô hình hệ thống OFDM
và đánh giá ưu nhược điểm của kỹ thuật này
Chương 3: Trình bày nguyên lý hoạt động, các kỹ thuật, phương thức điều chế và
giải điểu chế tín hiệu OFDM cùng với các vấn đề liên quan đến kỹ thuật này
Chương 4: Đề cập đến vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM, các kỹ thuật đồng bộ
và ảnh hưởng của lỗi đồng bộ đến hệ thống OFDM.
Chương 5: Chương cuối của luận văn sẽ đề cập đến ứng dụng của kỹ thuật OFDM
trong viễn thông: Sự kết hợp giữa OFDM và CDMA (MC-CDMA), trình bày
nguyên lý hoạt động của hệ thống MC-CDMA để thấy được ưu, nhược điểm khi
ứng dụng OFDM vào trong thông tin di động. Bên cạnh đó, chương này cũng đưa ra
một số ứng dụng khác của OFDM trong thông tin vô tuyến.
Do thời gian nghiên cứu có hạn, kiến thức về công nghệ này còn nhiều hạn
chế nên trong một số khía cạnh tôi trình bày trong đề tài không tránh khỏi những
thiếu sót. Tôi rất mong nhận được những ý kiến đánh giá, nhận xét, góp ý của các
thày cô giáo và các bạn để hoàn thiện đề tài nghiên cứu của mình hơn nữa. Tôi xin
được chân thành cảm ơn các thày cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thông- Đại học Bách
Khoa Hà Nội, đặc biệt là Tiến sỹ, thày Nguyễn Vũ Sơn người đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu, thực
hiện và hoàn thành đề tài.
Học viên
Lê Thị Mai Lan

 
 

-13-

CHƯƠNG 1:

KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG
THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Ba thành phần quan trọng nhất trong bất kỳ một hệ thống thông tin vô tuyến
đó là: nguồn phát, nguồn thu và kênh truyền. Trong đó kênh truyền là môi trường
truyền dẫn tín hiệu từ bên phát đến bên thu. Chất lượng của tín hiệu chịu ảnh hưởng
rất nhiều bởi kênh truyền. Trong chương này sẽ tìm hiểu và đưa ra các khái niệm về
hệ thống thông tin vô tuyến, về kênh truyền và các yếu tố trên kênh truyền làm ảnh
hưởng đến chất lượng tín hiệu

1.1 Các khái niệm về thông tin vô tuyến
1.1.1 Khái niệm về thông tin vô tuyến

Hình 1-1: Mô hình hệ thống thông tin
Hình 1-1 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô
tuyến. Nguồn tin trước hết qua mã nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó
được mã kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh
 
 


-14-

được điều chế để có thể truyền tải đi xa. Các mức điều chế phải phù hợp với điều

kiện của kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở
máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với máy phát. Kết quả tín hiệu được giải
mã và thu lại được ở máy thu. Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng
kênh truyền và các phương pháp điều chế và mã hóa khác nhau.
1.1.2 Khái niệm kênh truyền
Kênh truyền là mội trường truyền dẫn cho phép truyền lan sóng vô tuyến.
Môi trường truyền dẫn có thể là trong một tòa nhà, ngoài trời hoặc phản xạ trên các
tầng điện li. Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn mà kênh truyền dẫn có các tính
chất khác nhau.
1.1.3 Khái niệm về truyền dẫn băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông
Truyền dẫn vô tuyến thông thường được thực hiện ở băng thông, nghĩa là tín
hiệu được điều chế bằng một sóng mang nào đó trước khi phát đi. Truyền dẫn ở
băng tần cơ sở là việc truyền dẫn không qua sóng mang. Tín hiệu không qua sóng
mang không có khả năng truyền được đi xa do suy hao lớn
1.1.4 Khái niệm về sóng mang
Sóng mang là sóng được nhân với tín hiệu có ích trước khi gửi ra anten phát.
Sóng mang bản thân nó không mang tín hiệu có ích. Tùy thuộc vào môi trường
truyền dẫn và dải tín hiệu (băng tần) cho phép mà người ta lựa chọn giá trị tần số
sóng mang. Thông thường thì sóng mang là sóng trung tâm của giải băng tần cho
phép của hệ thống thông tin.
1.1.5 Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến
Các hệ thống thông tin vô tuyến có thể được phân loại theo sự cung cấp dịch
vụ. Ví dụ hệ thống phát thanh và truyền hình. Dịch vụ của hai hệ thống là thoại và
hình ảnh. Có thể phân loại hệ thống thông tin vô tuyến theo phương thức truyền dẫn
 
 


-15-

như hệ thống truyền bán song công(bộ đàm) hay song công (hệ thống thông tin di
động). Cũng có thể phân loại hệ thống theo môi trường truyền dẫn như thông tin vi
ba (yêu cầu truyền dẫn trong tầm nhìn thằng) và thông tin mạng máy tính không dây
(phản xạ đa đường và ở khoảng cách ngắn)

1.2 Kênh vô tuyến
1.2.1 Đặc điểm của kênh vô tuyến
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi
mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền
hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn
ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua
kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán
xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy
thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh
hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Do đó việc nắm vững những
đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể chọn lựa một cách
thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số
tối ưu của hệ thống.
Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai
loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading).
Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ
suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu
ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa
máy phát và máy thu. Người ta nói phía thu được bị che khuất bởi các vật cản cao.
Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh
truyền theo hàm của khoảng cách.
Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều
này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước
sóng) giữa phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian
 

 


-16-

(time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của
kênh truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì
sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng.
Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống
di động:
• Phản xạ xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích
thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF.
• Nhiễu xạ xẩy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi
một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng. Nhiễu
xạ là hiện tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ
phía phát đến phía thu mà không cần đường truyền thẳng. Nó thường được
gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu
ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua.
• Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm
cho năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng. Trong
môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo
hiệu, tán lá.
1.2.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền
1.2.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không
bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xary ra là do giữa nơi phát và
nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận
được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ,
khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng này được gọi

là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation). Do hiện tượng đa đường, tín
hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ,
dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín
hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn. Ngoài ra khi
 
 


-17-

truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi
thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tương này gọi là sự phân
tán đáp ứng xung (impulse dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa
đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.

Hình 1-2: Hiệu ứng đa đường
1.2.2.2 Nhiễu trắng Gauss

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu
là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (intercellular interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu
liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion).
Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống.
Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ
thống phải được lựa chọn.
Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách
chính xác bằng nhiễu trắng cộng. Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại
nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công
suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian. Theo

 

 


-18-

phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ
biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng.
1.2.2.3 Độ dịch Doppler

Khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số tín
hiệu thu được tại bộ thu sẽ sai khác với tần số của tín hiệu phát đi từ bộ phát. Cụ thể
là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được
sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì
tần số thu được sẽ giảm đi. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Doppler. Hay nói
cách khác bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê lệch đi so
với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.
Khi trạm phát và trạm thu có sự di chuyển so với nhau, tần số thu được của sóng
mang sẽ khác với tần số sóng mang fC được truyền. Khi một trạm di động di chuyển
với vận tốc không đổi v tạo thành một góc α đối với phương của tín hiệu tới. Tín
hiệu thu được s(t) có thể viết như sau:

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn,
khi đó tần số Doppler của tuyến này sẽ là:

Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển
động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu αn = 0 thì tần
số Doppler lớn nhất sẽ là:

Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ
ngang hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số

Doppler được biểu diễn như sau:
 
 


-19-

Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra
năm 1974. Và được gọi là phổ Jake. Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích
như sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được sẽ
không nhận được ở chính xác trên tần số sóng màng f0 mà bị dịch đi cả về hai phía
với độ dịch là fD,max như hình 1-3. Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của
nhiều hệ thống.

Hình 1-3: Mật đổ phổ của tín hiệu thu
1.2.2.4 Độ trải trễ

Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực
tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiệu ứng đa đường. Trong
thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự ISI. Điều này là do tín
hiệu sau khi trải trễ có thể chồng lấn đến các kí tự lân cận. Nhiễu xuyên kí tự sẽ
tăng khi tốc độ tín hiệu tăng. Điểm bắt đầu của hiệu ứng tăng đáng kể khi trải trễ
lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit. Vì vậy khi ta có giá trị ước lượng độ trải trễ của

 
 


-20-

kênh thông tin, ta có thể xác định được tốc độ ký tự tối đa có thể đạt được trong khi
bảo đảm nhiễu ISI vẫn ở mức độ cho phép.
Đối với truyền dẫn OFDM, mỗi ký tự tương ứng với nhiều sóng mang con
băng nhỏ truyền dẫn song song. Nếu thời gian ký tự nhỏ hơn độ trải trễ, hai ký tự kề
nhau sẽ chồng chập nhau tại đầu thu. Điều này gây nhiễu xuyên ký tự ISI. Các
phương thức điều chế bậc cao hơn như 16-QAM, 256-QAM v.v... có hiệu suất sử
dụng phổ cao hơn, nhạy hơn nhiều đối với nhiễu ISI và như vậy độ trải trễ phải ít
hơn nhiều so với khoảng thời gian ký tự.
1.2.2.5 Suy hao trên đường truyền

Suy hao đường truyền là sự suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm
này đến điểm khác. Nó là kết quả của chiều dài đường truyền, chướng ngại vật và
hiệu ứng đa đường. Để giải quyết vấn đề này, phía phát thường được đưa lên càng
cao càng tốt để tối thiểu số lượng vật cản. Phương trình (1.5) cho ta công suất tín
hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do:

Trong đó: PR là công suất thu được (W); PT là công suất phát (W); GT là độ lợi
anten phát (dB); GR là độ lợi anten thu (dB); λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến
(m); R là khoảng cách truyền dẫn (m).
1.2.2.6 Nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) và nhiễu xuyên kênh (ICI)

Trong môi trường đa đường, ký hiệu phát đi mất khoảng thời gian khác nhau
tới máy thu qua các đường truyền khác nhau, kênh sẽ bị phân tán thời gian tức là ký
hiệu thu được bị giãn rộng. Điều này làm cho ký hiệu thu được hiện tại chồng lấn
sang ký hiệu trước đó và gây ra giao thoa ký hiệu. Hiện tượng này được gọi là nhiễu
xuyên ký hiệu ISI.

 
 

-21-

Nhiễu xuyên kênh ICI là nhiễu xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến
bị dịch tần gây can nhiễu sang các kênh kề nó. Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người
ta sử dụng khoảng bảo vệ giữa các dải tần.
1.2.2.7 Hiện tượng fading

a) Fading chậm và fading nhanh
Fading chậm gây ra do sự cản trở của các toà nhà và địa hình tự nhiên như
đồi núi. Đối với các trạm thu, phát, hoặc các vật cản di động sẽ thay đổi suy hao
đường truyền do khoảng cách truyền bị thay đổi. Sự thay đổi trong suy hao đường
truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (thường từ 10 – 100 lần bước sóng) và phụ
thuộc vào kích thước vật cản gây nên bóng mờ hơn là bước sóng của tín hiệu RF. Vì
sự thay đổi này thường xảy ra chậm nên nó còn được gọi là fading chậm.
Fast fading gây ra do sự tán xạ đa đường (multipath scatter) ở vùng xung
quanh mobile.Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền
này sẽ có thời gian truyền khác nhau. Nếu chúng ta truyền một xung RF qua môi
trường đa đường, thì tại đầu thu ta sẽ thu được tín hiệu như hình 1-4. Mỗi xung
tương ứng với một đường, cường độ phụ thuộc vào suy hao đường của đường đó.
Đối với tín hiệu tần số cố định (chẳng hạn sóng sin), trễ đường truyền sẽ gây nên sự
quay pha của tín hiệu. Mỗi một tín hiệu đa đường sẽ có khoảng cách truyền khác
nhau và do đó có sự quay pha khác nhau. Những tín hiệu này được cộng lại tại bộ
thu gây nên nhiễu tăng cường hoặc suy giảm. Nhiễu suy giảm là nhiễu khi kết quả
cộng tại bộ thu là bé hơn tín hiệu trực tiếp, còn nhiễu tăng cường là khi tất cả các tín
hiệu có cùng pha và tăng cường lẫn nhau.

 
 

-22-

Hình 1-4: Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF
b) Fading lựa chọn tần số và fading phẳng
Ảnh hưởng đa đường cũng gây nên sự thay đổi fading cùng với tần số, là do
đáp ứng pha của các thành phần đa đường sẽ thay đổi cùng với tần số. Pha thu
được, tùy theo phía phát của một thành phần đa đường tương đương với số bước
sóng của tín hiệu đã truyền đi từ phía phát. Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số và vì
thế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số. Khoảng cách
truyền của mỗi thành phần đa đường khác nhau và như vậy sự thay đổi pha cũng
khác nhau. Hình 1-5 biểu diễn một ví dụ truyền dẫn hai đường. Đường thứ nhất
hướng trực tiếp khoảng cách 10m, đường thứ hai là hướng phản xạ khoảng cách
25m. Đối với hình 1-4: Phổ Doppler (fc – fm) fc (fc + fm) bước sóng 1m, mỗi
đường có một số nguyên bước sóng và pha thay đổi từ phía phát đến phía thu là 00
cho mỗi đường. Ở tần số này, hai đường sẽ tăng cường lẫn nhau. Nếu chúng ta thay
đổi tần số để có bước sóng là 0,9m thì đường một sẽ có 10/ 0,9 = 11,111λ hay có
pha là 0,111× 3600 = 400 , trong khi đường thứ hai có 25/ 0,9 = 27,778λ , hay có
pha là 0,778× 3600 = 2800 . Điều này làm hai đường khác pha nhau, sẽ làm suy
giảm biên độ tín hiệu ở tần số này.

 
 


-23-

Hình 1-5: Minh họa fading lựa chọn tần số
Và như thế ta thấy, ở một số tần số nhất định nào đó, hiện tượng tín hiệu bị
triệt tiêu hoàn toàn sẽ xảy ra. Đặc tính fading lựa chọn tần số của một kênh có thể

được tóm tắt bởi băng thông Coherent của kênh đó. Băng thông Coherent tỷ lệ
nghịch với độ trải trễ của kênh. Đường biểu diễn của hai tín hiệu có tần số không
kết hợp thay đổi nên được cách nhau một khoảng lớn hơn độ rộng băng thông
Coherent Bc của kênh. Băng thông Coherent có thể được tính xấp xỉ từ hệ số đường
bao kết hợp giữa hai tín hiệu cách nhau bởi ∆f Hz và ∆t giây. Hệ số đường bao kết
hợp là:
J 02 (2π . f m ∆t )
ρ (∆f , ∆t ) =
1 + (2π .∆f ) 2 δ 2

(1.6)

với J0 là hàm Bessel bậc không, fm là độ dịch Doppler lớn nhất, δ là độ trải
trễ của kênh. Bảng (1-1) cho ta một số giá trị phổ biến độ trải trễ của kênh trong các
môi trường khác nhau.
Bảng 1-1: Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu
Môi trường

Độ trải trễ

Bên trong các toà nhà

< 0,1 µs

Khu vực ngoài trời

< 0,2 µs

Khu vực ngoại ô

0,5 µs
 

 


-24-

Khu vực thành thị

3 µs

Khi chúng ta xét sự kết hợp chỉ là hàm của khoảng cách tần số và đặt ∆t
thành không, băng thông Coherent Bc được định nghĩa là độ rộng băng thông ∆f khi
hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu bằng phân nữa giá trị lớn nhất của nó.
ρ ( B c ,0 ) =

1
= 0,5
1 + (2πBc ) 2 δ 2

Bc =

Kết quả băng thông Coherent là:

1
2πδ

(1.7)
≈

1
6δ

(1.8)

Đối với các giá trị độ trải trễ cho trong bảng (1-1), ta sẽ tính được các băng
thông Coherent tương ứng. Nếu độ rộng băng của tín hiệu đã điều chế nhỏ hơn băng
thông Coherent của kênh, tất cả các thành phần tần số của tín hiệu đều có cùng
fading, và fading này được gọi là fading (tần số) phẳng. Tương tự trong miền thời
gian, nếu độ trải trễ của kênh nhỏ hơn khoảng thời symbol, thì sự ảnh hưởng làm
thay đổi hình dạng của xung phát lên kênh đó là không đáng kể, chỉ có biên độ của
xung là bị thay đổi.
Mặt khác, nếu băng thông của tín hiệu điều chế lớn hơn nhiều so với băng
thông Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu có các đặc
tính fading khác nhau, và fading này được gọi là fading lựa chọn tần số. Các kênh
lựa chọn tần số cũng còn được gọi là các kênh phân tán thời gian, bởi vì độ trải trễ
dài tương ứng với việc kéo dài khoảng thời gian của symbol được phát. Trong
trường hợp này, bên cạnh biên độ thì hình dạng của xung phát cũng bị thay đổi. Cần
chú ý rằng bóng mờ (fading chậm) luôn luôn là fading phẳng, trong khi đó, fading
nhanh do ảnh hưởng đa đường thường gây ra bởi fading lựa chọn tần số. Như vậy,
ảnh hưởng của bóng mờ độc lập với băng thông của tín hiệu còn ảnh hưởng của
fading nhanh lại phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu.
Trong thông tin di động số, ảnh hưởng của đường truyền lên tín hiệu phụ
thuộc rất nhiều vào tỷ số của khoảng thời symbol trên độ trải trễ của kênh vô tuyến
thời gian thay đổi. Nếu tốc độ truyền dẫn bit quá cao đến nỗi mỗi symbol dữ liệu bị