Nghiên cứu các phương phấp điều chế áp dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ tiếp theo

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
-----------XW-----------

Mai ngọc minh

Nghiên cứu các phơng pháp
điều chế áp dụng trong các hệ
thống thông tin vô tuyến thế
hệ tiếp theo
Chuyên ngành: kỹ thuật ĐIệN Tử

LUậN VĂN THạC Sỹ KHOA HọC

ngời hớng dẫn khoa học:
TS. nGUYễN ThúY ANH

Hà Nội - 2009


1

Luận văn tốt nghiệp

Danh mục các từ viết tắt...................................................................................................3
Danh mục các hình vẽ ......................................................................................................5
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KÊNH THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG VÀ
ĐIỀU CHẾ .......................................................................................................................8
1.1 Kênh thông tin vô tuyến đi động............................................................................8
1.1.1 Truyền tín hiệu vô tuyến ................................................................................8

1.1.1.1 Mô hình truyền không gian tự do.................................................................8
1.1.1.2 Sự phản xạ, sự nhiễu xạ và sự tán xạ ........................................................10
1.1.2 Các đặc tính truyền sóng của kênh truyền vô tuyến ..................................12
1.1.2.1 Sự suy giảm................................................................................................12
1.1.2.2 Hiệu ứng đa đường.....................................................................................13
1.1.2.3 Sự trải trễ....................................................................................................15
1.1.2.4 Hiệu ứng Dopler.........................................................................................16
1.2 Điều chế và giải điều chế .....................................................................................17
1.1.1 Giới thiệu ......................................................................................................17
1.2.2 Các phương pháp điều chế ASK, FSK, PSK...............................................20
1.2.1.1 Điều chế biên độ ASK .......................................................................20
1.2.2.2 Phương pháp điều chế tần số FSK .....................................................21
1.2.2.3 Điều chế pha PSK ..............................................................................24
1.2.3 Điều chế đa trạng thái: M arg (Multil) .......................................................28
1.2.3.1 Điều chế khoá dịch pha M trạng thái: MPSK ....................................31
1.2.3.2 Điều chế QPSK ..................................................................................33
1.2.3.3 Điều chế QAM-16 QAM(Quadrature Amplitude Modulation).........38
1.3 Kết luận ................................................................................................................43
CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ ĐIỀU CHẾ OFDM..........................................................44
2.1 Lịch sử phát triển .................................................................................................44
2.2 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM................................46
2.2.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang.......................................................46
2.2.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM...............................................47
2.3 Nguyên lý cơ bản của điều chế đa sóng mang trực giao OFDM .........................50
2.3.1 Những nguyên lý cơ bản..............................................................................50
2.3.2 Tầm quan trọng của tính trực giao .............................................................52
2.4 Hệ thống OFDM ..................................................................................................53
2.4.1 Mô hình hệ thống OFDM tổng quát ...........................................................53
2.4.2 Sự trải trễ và vai trò của chuỗi bảo vệ.........................................................54
2.4.3 Mô tả toán học của ký hiệu OFDM.............................................................56

2.5 Một số vấn đề liên quan đến hệ thống OFDM.....................................................58
2.5.1 Nhiễu liên sóng mang ICI ...........................................................................58
2.5.2 Ảnh hưởng số lượng sóng mang con và khoảng thời gian bảo vệ ............59


2

Luận văn tốt nghiệp

2.5.3 Cửa sổ công suất ..........................................................................................61
2.5.4 Vấn đề công suất đỉnh..................................................................................63
2.5.5 Các kỹ thuật làm giảm PAPR ......................................................................63
2.6 Ưu và nhược điểm của OFDM.............................................................................64
2.6.1 Ưu điểm ........................................................................................................64
2.6.2 Nhược điểm ..................................................................................................65
2.7 Kết luận ................................................................................................................66
CHƯƠNG 3: ĐỒNG BỘ TRONG OFDM....................................................................67
3.1 Sơ lược về đồng bộ trong OFDM ........................................................................67
3.2 Ảnh hưởng của việc mất đồng bộ tới chất lượng hệ thống..................................73
3.3 Yêu cầu đồng bộ..................................................................................................76
3.3.1 Đồng bộ thời gian.........................................................................................76
3.3.2 đồng bộ tần số...............................................................................................77
3.4 Giải pháp cho vấn đề đồng bộ..............................................................................78
3.4.1 Giải pháp cho đồng bộ thời gian .................................................................78
3.4.2 Giải pháp cho đồng bộ tần số ......................................................................81
3.5 Đồng bộ thời gian và tần số sử dụng chuỗi CP....................................................82
3.6 Kết luận ................................................................................................................88
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỀ ĐỒNG BỘ THỜI GIAN ..........................89
4.1 Các thông số mô phỏng........................................................................................89
4.2 Kết quả mô phỏng ................................................................................................92

4.3 Nhận xét ...............................................................................................................94
4.5 Kết luận ................................................................................................................96
KẾT LUẬN ....................................................................................................................97
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................98


3

Luận văn tốt nghiệp

Danh mục các từ viết tắt
Từ viết
tắt
3G

AM
ASK
ATM

Tiếng Anh
3rd Generation ( of Mobile
Network)

Amplitude Modulation
Amplitude Shift Keying

Tiếng Việt
Mạng di động thế hệ thứ 3

Điều chế biên độ

Điều chế khoá chuyển pha
biên độ
Phương thức truyền dẫn không
đồng bộ
Nhiễu tạp âm trắng
Tỷ lệ lỗi bít
Khóa dịch pha nhị phân
Trạm gốc
Trung tâm chuyển mạch cơ sở
Truy nhập băng rộng không dây

CID
CP
CPE

Asynchronuos Tranfer Mode
Additive White Gaussian Noise
Bit-Error-Ratio
Binary Phase Shift Keying
Base Station
Base Switch Centre
Broadband Wireless Access
Code Division Multiplexing
Access
Connection Identify
Cyclic Prefic
Customer Premise Equipment

FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

FSK

Frequency Shift Keying

Khóa dịch chuyển tần số

FSK

Frequency Shift Keying

Điều chế khoá chuyển tần

GSM
HEC
Hiper
LAN

Global System for Mobile
Header Error Check

Hệ thống thông tin toàn cầu cho
Kiểm tra lỗi mào đầu

Hight Performance LAN
Institute of Electrical and
Electronic

Local Area Network

LAN chất lượng cao
Hiệp hội các kỹ sư điện và điện
tử
Mạng nội bộ
Phương thức truyền dẫn vô
tuyến trong tầm nhìn thẳng
Điều khiển truy nhập môi
trường
Mạng khu vực đô thị

AWGN
BER
BPSK
BS
BSC
BWA
CDMA

IEEE
LAN
LOS
MAC
MAN

Line- Of- Sight
Medium Access Control
Metropolitan Area Network

Đa truy nhập phân chia theo mã
Nhận dạng kết nối
Tiền tố vòng
Thiết bị người dùng


4
NLOS

Non Line- Of Sight
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
OFDMA Orthogonal Frequency Division
Multiplexing Access

Luận văn tốt nghiệp
Tầm nhìn không thẳng
Ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao
Đa truy nhập ghép kênh phân
chia theo tần số trực giao

PM

Phase Modulation

Điều chế pha

PSK

Phase Shift Keying
Public Switched Telephone
Network
Point- To – Point
Quadrature Amplitude Modulation
Quanlity of Service

Khóa dịch chuyển pha

PSTN
PTP
QAM
QoS
QPSK
RAN
RLC
RTG
SNR
TCP
TDD
TDMA
TTG

Quadrature Phase Shift Keying
Radio Access Network
Radio Link Control
Receiver/Transmit Transition Gap
Signal-to-Noise Ratio
Transmission Control Protocol
Time Division Dupplexing

Time Division Dupplexing Access

Trasmit/Receiver Transition Gap
WiMAX Worldwide Interoperability for
Microwave Access

Mạng điện thoại chuyển mạch
Điểm- Điểm
Điều chế biên độ cầu phương
Chất lượng dịch vụ
Khóa dịch chuyển pha cầu
phương
Mạng truy nhập vô tuyến
Điều khiển liên kết vô tuyến
Khoảng cách giữa nhận và
truyền tín hiệu
Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm
Giao thức điều khiển truyền dẫn
Song công phân chia theo thời
gian
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
Khoảng cách giữa truyền và
nhận
Truy nhập sóng ngắn tương tác
toàn cầu


5

Luận văn tốt nghiệp

Danh mục các hình vẽ
Hình 1. 1 Minh họa về ba cơ chế truyền sóng vô tuyến chính.......................................12
Hình 1. 2: Fading Rayleigh khi máy thu di chuyển tại tần số 900MHz ........................14
Hình 1. 3 Sự trải trễ đa đường........................................................................................16
Hình 1. 4: Sơ đồ điều chế biên độ ASK.........................................................................20
Hình 1. 5: Đồ thị điều chế biên độ ASK ........................................................................21
Hình 1. 6: Sơ đồ khối điều chế FSK ..............................................................................22
Hình 1. 7 Đồ thị thời gian điều chế ................................................................................22
Hình 1. 8: Sơ đồ khối điều chế tần số FSK....................................................................23
Hình 1. 9: Sơ đồ điều chế BPSK....................................................................................27
Hình 1. 10: Sơ đồ giải điều chế BPSK...........................................................................28
Hình 1. 11:Sơ đồ điều chế QPSK...................................................................................35
Hình 1. 12: Sơ đồ giải điều chế QPSK...........................................................................37
Hình 1. 13: Sơ đồ điều chế 16QAM ..............................................................................41
Hình 1. 14: Sơ đồ giải điều chế 16QAM .......................................................................42
Hình 2. 1: Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn dơn sóng mang................47
Hình 2. 2: Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang ....................................48
Hình 2. 3: Hệ thống OFDM ...........................................................................................53
Hình 2. 4: Khái niệm chuỗi bảo vệ. ...............................................................................55
Hình 2. 5:Vai trò của chuỗi bảo vệ ................................................................................56
Hình 2. 6: Hình dạng phổ tín hiệu OFDM .....................................................................57
Hình 2. 7:Lược đồ chùm tín hiệu 16-QAM hệ thống OFDM 64 sóng mang con với trễ
truyền dẫn nhỏ hơn khoảng bảo vệ và không triển khai bộ cân bằng tại máy thu.[9] ...60
Hình 2. 8:Lược đồ mã hóa tín hiệu [9]...........................................................................61
Hình 2. 9: Cửa sổ công suất ...........................................................................................62
Hình 3. 1:Việc mất đồng bộ xảy ra ở miền tần số..........................................................68
Hình 3. 2:Tín hiệu ở miền thời gian...............................................................................69
Hình 3. 3: Cấu trúc khung TDD trong WiMAX ............................................................71

Hình 3. 4: Sự suy giảm SNR theo độ dịch tần số...........................................................75
Hình 3. 5 :Mô hình hệ thống OFDM sử dụng cho ước lượng ML ................................82
Hình 3. 6 :Cấu trúc tín hiệu OFDM với các tiền tố vòng được thêm vào phía trước mỗi
ký tự................................................................................................................................83
Hình 3. 7 :Cấu trúc thuật toán của bộ ước lượng ML ....................................................86
Hình 3. 8 :Tín hiệu tại bộ ước lượng tại các đầu ra λ (θ ) và γ (θ ) ..................................87


6

Luận văn tốt nghiệp

Hình 4. 1 Tổng quan một hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở ........................................89
Hình 4. 2 :Tín hiệu tại bộ ước lượng độ dịch thời gian với G=12 .................................92
Hình 4. 3 Tín hiệu tại bộ ước lượng độ dịch thời gian với G= 8 ...................................93
Hình 4. 4 Tín hiệu tại bộ ước lượng độ dịch thời gian với G= 6 ...................................94
Hình 4. 5: Hai dòng tín hiệu tương quan với nhau ........................................................95


7

Luận văn tốt nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU
Trong truyền thông, điều chế là phương pháp thay đổi tín hiệu cần truyền để
phù hợp với môi trường truyền sóng. Mục đích của sự điều chế là dời phổ tần
của tín hiệu cần truyền đến một vùng phổ tần khác thích hợp với tính chất của
đường truyền và nhất là có thể truyền đồng thời nhiều kênh cùng một lúc (đa hợp
phân tần số).
Với thông tin vô tuyến thế hệ tiếp theo vấn đề đặt ra là cần một phương pháp

điều chế sử dụng băng tần hiệ quả, tránh nhiễu ISI và fadinh một cách tốt nhất,
Do vậy trong luận văn này em xin trình bày về nghiên cứu các phương phâp điều
chế áp dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ tiếp theo. Trong đó đề
tài chỉ ra phương pháp điều chế giải quyết được vấn đề trên chính là phương
pháp điều chế trực giao OFDM, chỉ ra nhược điểm của OFDM chính là việc dễ
mất đồng bộ, đưa ra cách khắc phục bằng việc sử dụng chuỗi bảo vệ CP trong hệ
thống OFDM.
Với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin cảm ơn tiến sỹ Nguyễn Thúy Anh, tiến sỹ
Nguyễn Hữu Trung cùng tất cả người thân, bạn bè đã giúp đỡ tôi hoàn thành
luận văn cao học này.
Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng bài luận văn này không tránh khỏi những
thiết sót do kiến thức, kinh nghiệm thực tế và thời gian còn nhiều hạn chế. Tôi
rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo và tất cả các bạn để
tôi hoàn thiện hơn vốn kiến thức của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn


8

Luận văn tốt nghiệp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KÊNH THÔNG TIN VÔ TUYẾN
DI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHẾ
Chương này sẽ trình bàu những kiến thức cơ bản về đặc điểm của kênh
thông tin vô tuyến, các phương pháp điều chế cơ sở, từ đó làm nền tảng nghiên
cứu về phương pháp điều chế OFDM, và đồng bộ trong OFDM.

1.1 Kênh thông tin vô tuyến đi động
1.1.1 Truyền tín hiệu vô tuyến
Trước khi đi vào một vài chi tiếp phức tạp của lí thuyết về kênh thông tin

di động hay vô tuyến, chúng ta giới thiệu một vài khái niệm cơ bản về kênh
truyền vô tuyến.
1.1.1.1 Mô hình truyền không gian tự do
Các tín hiệu vô tuyến sẽ suy giảm khi gia tăng khoảng cách truyền. Giả sử ở đây
đề cập đến ăng-ten máy phát vô hướng. Với công suất phát xạ cố định từ máy
phát, cường độ trường bắt được tại ăng-ten máy thu sẽ giảm khi khoảng cách
giữa máy phát và máy thu tăng do định luật bảo toàn công suất bị tiêu tán từ
nguồn hay ăng-ten máy phát. Điều đó cho chúng ta một mô hình truyền không
gian tự do, có thể sử dụng để đoán cường độ trường nhận được nếu máy phát và
máy thu có đường truyền LOS (tầm nhìn thẳng) không có vật chắn nào giữa
chúng. Có nhiều trường hợp thông tin hỗ trợ mô hình truyền không gian tự do,
bao gồm hệ thống thông tin vệ tinh, các liên lạc vô tuyến chuyển tiếp vi ba, hệ
thống thông tin không gian xa xôi, vân vân.
Mô hình truyền không gian tự do cho chúng ta thấy rằng công suất nhận
được phân rã theo hàm số của khoảng cách phân ly giữa máy phát và máy thu


9

Luận văn tốt nghiệp

được nâng lên lũy thừa (ví dụ : như hàm số của định luật lũy thừa). Công suất
nhận được trong mô hình truyền tự do bởi ăng-ten máy thu, được cách ly từ ăngten máy phát bức xạ bởi khoảng cách d, có thể tính bởi phương trình không gian
tự do Friss [2]:
Pt Gt Gr λ2
Pr(d) =
16π 2 d 2 L

(1.1)

trong đó Pr(d) là công suất nhận được tính bằng Watt và là một hàm số của
khoảng cách phân ly giữa máy phát và máy thu tính bằng mét, Pt là công suất
phát xạ, Gt là độ tăng ích ăng-ten phát, Gr là độ tăng ích ăng ten thu, d là khoảng
cách tính bằng mét giữa máy phát và máy thu, L là hệ số tổn thất của hệ thống
mà không liên kết với việc truyền (L ≥ 1), và λ là bước sóng của tín hiệu vô
tuyến tính bằng mét.
Độ tăng ích của ăng-ten được liên kết với khẩu độ hiệu dụng, Ae hay [2]:
G =

4πAe

λ2

(1.2)

Mặt khác, khẩu độ hiệu dụng Ae liên quan đến kích cỡ vật lý của ăng-ten
và λ bắt nguồn từ tần số sóng mang như [2]:
λ =

c
2πc
=
f
ωc

(1.3)

trong đó f là tần số sóng mang tính bằng Hz, c là tốc độ ánh sáng tính bằng
mét/giây, và ω c là tần số sóng mang tính bằng radian/giây.
Chú ý phương trình (1.1) giá trị cho Pr và Pt phải cùng một đơn vị và Gr

và Gt là những biến số không có thứ nguyên. Các tổn thất linh tinh L ( ≥ 1)
thường do các tổn thất của đường truyền, độ suy giảm qua lọc, các tổn thất của
ăng-ten trong toàn bộ hệ thống thông tin. Đặt L=1, nghĩa là không có tổn thất
trong toàn bộ hệ thống truyền.


10

Luận văn tốt nghiệp

Chú ý rằng, trong một môi trường hoạt động không tự do, bậc của lũy thừa
d2 trong phương trình (1.1) phụ thuộc vào môi trường liên lạc vô tuyến đang hoạt
động và có thể thay đổi từ 2 đến 5. Khi lũy thừa càng cao, thì công suất nhận
được sẽ suy giảm càng nhanh.
1.1.1.2 Sự phản xạ, sự nhiễu xạ và sự tán xạ
Chúng ta sẽ thảo luận ba cơ chế trải tín hiệu vô tuyến quan trọng, đó là sự
phản xạ, sự nhiễu xạ và sự tán xạ.
Trong môi trường thông tin thật, việc truyền tự do hiếm khi xảy ra. Thay
vào đó, một số lượng lớn công suất bị phung phí từ ăng-ten máy phát sẽ bị hấp
thu bởi ba cơ chế trải cơ bản trên, đặc biệt khi các tín hiệu vô tuyến được gửi
trong một khu vực nhiều kiến trúc tồn tại, như các thành phố, các khu vực nông
thôn, các làng mạc, vân vân. Thậm chí nếu việc truyền LOS xuất hiện, thì sự kết
hợp của các thành phần tín hiệu từ các cơ chế phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ theo
việc truyền LOS sẽ làm cho các tín hiệu nhận được không thể tuân theo định luật
truyền tự do.
Sự phản xạ xuất hiện khi sóng vô tuyến truyền va đập vào một vật thể có
kích cỡ rất lớn so với chiều dài bước sóng của tín hiệu phát. Sự phản xạ xuất
hiện từ bề mặt của đá, các toà nhà, các cửa sổ kính lớn, vách đá, các bức tường,
vân vân. Sự phản xạ là nguyên nhân chính của tác động đa đường truyền trong
kênh thông tin vô tuyến.

Sự nhiễu xạ sẽ diễn ra khi đường truyền sóng điện từ bị cản trở bởi một bề
mặt bao gồm nhiều vật không đều nhọn (góc nhọn hay lỗ hổng). Các sóng nhiễu
xạ từ các bề mặt cản, có mặt suốt không gian và thỉnh thoảng đằng sau các vật
cản, gây ra chỗ cong của sóng khắp vật cản, thậm chí khi đường truyền LOS


11

Luận văn tốt nghiệp

không tồn tại giữa máy phát và máy thu. Tại dải tần số cao, sự nhiễu xạ phụ
thuộc vào hình học của các vật cản, cũng như vào biên độ, pha, và sự phân cực
của sóng tới tại điểm nhiễu xạ. Thường sự nhiễu xạ ít diễn ra thường xuyên khi
tần số sóng mang cao hơn, vì sóng điện từ hoạt động giống các hạt hơn là các
sóng. Sự nhiễu xạ là nguyên nhân chính của tác động hiệu ứng màn chắn trong
kênh thông tin vô tuyến.
Sự tán xạ hay sự khuếch tán xuất hiện khi môi trường mà sóng vô tuyến đi
qua bao gồm các vật thể với kích thước nhỏ so với bước sóng của tín hiệu vô
tuyến và trong đó số lượng các vật thể tính bằng đơn vị khối lượng tương đối
lớn.

Các sóng vô tuyến bị tán xạ hay khuếch tán thường được phát ra bởi

các bề mặt thô ráp, các vật thể nhỏ hay các vật không đều khác trong kênh vô
tuyến. Thông thường, tán lá, đèn đường và cột đèn gây ra sự tán xạ trong kênh
truyền vô tuyến.


12

Luận văn tốt nghiệp

Hình 1. 1 Minh họa về ba cơ chế truyền sóng vô tuyến chính
Ba cơ chế trải vô tuyến chính được minh hoạ ở hình 1.1. Tuy nhiên, chú ý
rằng, ba cơ chế trên luôn luôn đi cùng nhau thay vì đi riêng. Ảnh hưởng kết hợp
của ba cơ chế trải vô tuyến sẽ làm cho tín hiệu nhận được tại máy thu thực tế
hoạt động giống như một quá trình ngẫu nhiên phức tạp, sẽ được thảo luận ở nội
dung tiếp theo.
1.1.2 Các đặc tính truyền sóng của kênh truyền vô tuyến
1.1.2.1 Sự suy giảm


13

Luận văn tốt nghiệp

Suy giảm là sự giảm công suất tín hiệu khi được truyền từ điểm này đến điểm
khác. Sự suy giảm có thể do suy hao trong không gian tự do, sự che khuất trên
đường tín hiệu hoặc do hiệu ứng đa đường. Bất cứ vật thể nào che khuất tầm
nhìn thẳng từ máy phát đến máy thu đều gây suy giảm tín hiệu.
Sự che khuất tín hiệu xảy ra khi có một vật cản giữa máy phát và máy thu.
Vật cản có thể là các tòa nhà, ngọn đồi …Sự che khuất là yếu tố môi trường
quan trọng nhất gây ra sự suy giảm.
1.1.2.2 Hiệu ứng đa đường
* Fading Rayleigh
Trong các liên kết vô tuyến, tín hiệu RF bị phản xạ trên nhiều vật thể khác
nhau như các quả đồi, các tòa nhà, hoặc các phương tiện làm tăng số tuyến
truyền dẫn tại bộ thu.
Tại bộ thu tín hiệu thu được là sự xếp chồng của tín hiệu trực tiếp và các tín
hiệu phản xạ. Pha tương đối của các tín hiệu phản xạ có thể tăng cường hoặc suy

giảm nhiễu tại bộ thu làm mức tín hiệu thu biến đổi (từ 10-30dB) trong một
khoảng rất ngắn (thường là nửa bước sóng). Do đó hiện tượng này còn được gọi
là fading nhanh.


14

Luận văn tốt nghiệp

Hình 1. 2: Fading Rayleigh khi máy thu di chuyển tại tần số 900MHz
* Fading lựa chọn tần số
Trong bất kỳ sự truyền dẫn vô tuyến nào thì đáp ứng tần số của kênh truyền
đều không bằng phẳng. Trong đáp ứng có những chỗ trũng do sự phản xạ đã gây
ra việc xóa bỏ một số thành phần tần số nào đó tại bộ thu. Sự phản xạ của các vật
thể ở gần có thể tạo ra các tín hiệu đa đường có công suất tương tự như tín hiệu
trực tiếp, do đó làm xuất hiện chỗ trũng trong công suất tín hiệu thu được. Đối
với truyền dẫn băng hẹp, nếu những chỗ trũng xảy ra tại tần số truyền dẫn thì
toàn bộ dữ liệu sẽ bị mất. Trong truyền dẫn băng thông rộng, băng thông truyền
dẫn được chia thành nhiều băng hẹp, chỉ có dữ liệu trên những sóng mang con
rơi vào chỗ trũng fading mới bị mất và chúng có thể được khôi phục bằng kỹ
thuật sửa lỗi trước. Bằng phương pháp này có thể khắc phục được fading lựa
chọn tần số.


15

Luận văn tốt nghiệp

1.1.2.3 Sự trải trễ
Tín hiệu vô tuyến nhận được từ máy phát thường bao gồm tín hiệu trực tiếp

và các tín hiệu phản xạ. Do chiều dài đường đi khác nhau nên trễ truyền dẫn
khác nhau dẫn đến các tín hiệu phản xạ đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau
và muộn hơn so với tín hiệu trực tiếp, do đó năng lượng tín hiệu thu được bị trải.
Sự trải trễ là sự trải thời gian giữa thời điểm đến của tín hiệu đa đường đầu tiên
và tín hiệu đa đường cuối cùng được quan sát tại bộ thu.
Trong các hệ thống số, sự trải trễ có thể gây ra nhiễu liên tín hiệu ISI. Đó là
do các tín hiệu đa đường bị trễ sẽ chồng lấn lên các ký hiệu phía sau. ISI gây lỗi
nghiêm trọng trong các hệ thống tốc độ bít cao, đặc biệt là khi sử dụng đa truy
nhập phân chia theo thời gian TDMA. Hình 1.2 mô tả ảnh hưởng của ISI lên tín
hiệu thu gây ra bởi sự trải trễ. Tốc độ truyền tăng thì ISI cũng tăng. Hiệu ứng này
trở thành quan trọng khi sự trải trễ lớn hơn khoảng 50% độ rộng ký hiệu.


16

Luận văn tốt nghiệp

Hình 1. 3 Sự trải trễ đa đường
1.1.2.4 Hiệu ứng Dopler
Khi máy phát và máy thu di chuyển tương đối với nhau thì tần số của tín hiệu
mà máy thu thu được sẽ không giống với tần số máy phát. Khi máy phát và máy
thu di chuyển về phía nhau thì tần số tăng, còn khi chúng lại gần nhau thì tần số
lại giảm. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Dopler. Hiệu ứng Dopler rất quan trọng
khi phát triển các hệ thống vô tuyến di động.
Độ dịch tần số do hiệu ứng Dopler phụ thuộc vào vận tốc truyền sóng và sự
chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu. Độ dịch Dopler trong miền
tần số được tính theo công thức sau [1]:

∆f = ± f 0

υ
c

cos α

(1.4)

Trong đó ∆f là sự thay đổi tần số ở nguồn phát được quan sát tại máy thu, υ
là vận tốc tương đối giữa máy phát và máy thu, f 0 là tần số nguồn phát, c là vận
tốc ánh sáng, α là góc giữa phương tới của tín hiệu nhận được và phương
chuyển động.
Sự dịch chuyển Dopler sẽ gây ra vấn đề nghiêm trọng nếu kỹ thuật truyền dẫn
nhạy cảm với độ dịch tần số hoặc nếu vận tốc tương đối giữa máy phát và máy
thu lớn. OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn rất nhạy cảm với độ dịch tần số, do đó
khi thực hiện hệ thống cần chú ý đến hiệu ứng Dopler.


17

Luận văn tốt nghiệp

1.2 Điều chế và giải điều chế
Trên đây là phần giới thiệu các đặc điểm của kênh thông tin vô tuyến đi
động. Sau đây ta sẽ xét đến kỹ thuật điều chế và giải điều chế. Trong phần này ta
sẽ giới thiệu trước hết về điều chế sau đó đến các phương pháp điều chế ASK,
FSK, PSK và cuối cùng là điều chế đa trạng thái.
1.1.1 Giới thiệu

(1)

Tại sao phải điều chế
Maxoel đưa ra 4 phương trình ( 2 phương trình rot, 2 phương trình vi

phân Div) phát biểu là: có thể truyền được sóng điện từ. Nhưng ông chưa chứng
minh được.
Herz đã chứng minh được phương trình Maxoel đúng: liên quan đến vô
tuyến, muốn truyền đi xa phải làm như thế nào? Hai nhà bác học đã chứng minh
được phải dùng anten đưa tần số f lên cao thì mới truyền đi xa được.
Gọi khả năng truyền sóng đi xa là G ( nó cũng chính là độ lợi của anten,
người ta còn gọi là độ tăng ích): độ lợi này tỷ lệ nghịch với bước sóng, muốn G
lớn thì bước sóng ở phải nhỏ, mà ở nhỏ thì tần số f phải cao.
Vậy: muốn truyền thông tin đi xa thì thông tin phải được mang trên một tần số f
cao. Điều này được thực hiện thông qua điều chế.
Điều chế là gì ?:
Là phương pháp mà người ta đưa tín hiệu của tin tức cần gửi đi vào khống chế
dòng cao tần của máy phát. Làm cho dòng cao tần của máy biến đổi theo quy
luật của tin tức cần gửi đi.

(2)

Điều chế trong vi ba số


18

Luận văn tốt nghiệp

Khi phát một luồng số vô tuyến, cần phải điều chế luồng số này ở một sóng
mang (thường là hàm sin) có độ rộng băng tần hữu hạn dành cho kênh. Luồng số
này có thể là tín hiệu đầu ra của máy tính hay luồng số PCM được tạo từ tiếng

nói hay hình ảnh được số hoá.
Bộ điều chế số và giải điều chế số là một phần của máy phát và máy thu vi
ba số.

Tín hiệu là một dãy xung nhị phân cho nên việc điều chế

trong vi ba số gọi là điều chế số. Trong một máy phát số, bộ điều chế số sắp xếp
chuỗi số nhị phân thành một bộ tương ứng biên độ sóng mang gián đoạn, pha
sóng mang hoặc di tần sóng mang gián đoạn từ tần số sóng mang hình sin.
Dòng cao tần tổng quát có dạng [2]: U(t) = A. cos(2ðfc + ϕ).

(1.5)

Với: A, fc, ϕ lần lượt là: biên độ, tần số, pha tại thời điểm t. Một trong 3
tham số: A, fc, ϕ của dòng cao tần thay đổi khi đó ta có tương ứng: điều biên,
điều tần, điều pha.
+ Nếu tín hiệu đưa đến điều chế các thông số của sóng mang (gồm: A, fc, ϕ) là
tín hiệu liên tục thì ta được trường hợp điều chế tương tự. Nếu tín hiệu điều
chế các thông số nói trên là số thì ta có điều chế số. Tín hiệu đưa lên điều chế
số là một luồng cơ hai hay dạng mã hoá vào M mức của luồng cơ hai này.
+ Trong mọi trường hợp quá trình điều chế số bao gồm việc khoá chuyển biên
độ, tần số hay pha của sóng mang theo luồng số vào. Vì vậy tồn tại ba phương
pháp điều chế để truyền dẫn số gốc:
1. điều chế khoá chuyển pha biên độ (ASK: Amplitude Shift Keying).
2. điều chế khoá chuyển tần (FSK: Frequency Shift Keying).
3. điều chế khoá chuyển pha (PSK: Phase Shift Keying).


19

Luận văn tốt nghiệp

Các phương pháp này gọi là trường hợp đặc biệt của:
1. điều chế biên độ (AM: Amplitude Modulation).
2. điều chế tần số (FM: Frequency Modulation).
3. điều chế pha (PM: Phase Modulation).
4. các phương pháp được dùng kết hợp các loại điều chế QPSK, m QAM và
MSK.

(3)

Nhận xét
Các phương thức điều chế: ASK, FSK, PSK. Việc lựa chọn các phương

pháp này được xem xét trên cơ sở:
Xét chất lượng truyền dẫn ở các phương pháp điều chế khác nhau trên cơ
sở xác suất lỗi bít (Bit Error Probabolity) liên quan khả năng chống nhiễu tạp
âm, phadinh, tính phi tuyến...
Đánh giá độ rộng phổ của nó (banhwith), từ đó đưa ra khái niệm hiệu suất
sử dụng băng tần (bandwith efficiency).
Vậy ta quan tâm hai tham số: xác suất lỗi bít, hiệu suất sử dụng băng tần
sẽ cho phép đánh giá được ưu điểm của phương pháp điều chế.
Trong các phương phương pháp thường thì PSK được dùng nhiều hơn.
Hiện nay các hệ thống vi ba số thường sử dụng phương pháp điều chế pha nhiều
trạng thái, điều chế mQAM (kết hợp điều biên và điều pha nhiều trạng thái). Vì
nó đáp ứng được việc tiết kiệm băng tần.


20

Luận văn tốt nghiệp

1.2.2 Các phương pháp điều chế ASK, FSK, PSK
1.2.1.1

Điều chế biên độ ASK

+ Khái niệm: Điều chế biên độ là phương pháp biến đổi biên độ của sóng mang
theo tín hiệu thông tin, còn tần số của sóng mang không thay đổi.
Ở điều chế biên độ có thể thực hiện ở hai mức hoặc bốn mức: 2ASK, 4ASK.
+ Sơ đồ:
◦

Biểu thức của sóng mang như sau[2]:U(t) = A. sin(2πfc + ϕ).

(1.6)
◦

đem nhân với hàm số của tín hiệu thông tin: I(t) ta có biểu thức[2]:
S(t) = A. sin(2πfc + ϕ). D(t).

◦

Sơ đồ như sau:

U (t ) = Α sin(2πf ct + ϕ )

s(t ) = D(t )Α sin(2πf c t + ϕ )

Hình 1. 4: Sơ đồ điều chế biên độ ASK

+ Đồ thị thời gian như sau:

(1.7)


21

Luận văn tốt nghiệp

Hình 1. 5: Đồ thị điều chế biên độ ASK
+ Nhận xét: nhìn vào hình vẽ ta thấy: với tín hiệu thông tin là luồng số cơ hai
đưa lên điều chế. Thì sóng mang phát đi có biên độ phụ thuộc vào sóng mang
như sau:
- Khi có bit luồng thông tin đưa lên điều chế là 1 thì sóng mang có biên độ là A.
- Khi có bit luồng thông tin số đưa lên điều chế là 0 thì sóng mang có biên độ là
0 (tức là không phát sóng mang điều chế đi).
Như vây: sóng mang đã điều chế mang tính chất của tín hiệu phát đi.
+ Ưu điểm: sơ đồ mạch điều biên ASK (khoá dịch pha biên độ ) rất đơn giản.
+ Nhược điểm: công suất sóng máng sử dụng không hiệu quả và tính chống
nhiễu kém. Do đó nó ít được sử dụng trong mạng thông tin số.
1.2.2.2

Phương pháp điều chế tần số FSK

Khái niệm: là tín hiệu số đưa lên điều chế làm thay đổi tần số sóng mang.


22

Luận văn tốt nghiệp

Sơ đồ khối:
S (t ) = Α ⋅ sin (2πf c t.I (t ) + ϕ )

U(t ) = Α ⋅ sin(2πfct + ϕ)

Hình 1. 6: Sơ đồ khối điều chế FSK
Đưa tín hiệu thông tin vào tác động di tần của bộ tạo sóng mang làm thay đổi tần
fc của sóng mang theo tín hiệu.
Đồ thị thời gian:

Hình 1. 7 Đồ thị thời gian điều chế
Nhận xét:
Nhìn vào hình vẽ ta thấy: sóng mang phát đi có pha phụ thuộc vào tín hiệu thông
tin I(t) như sau:
ở đầu vào:
- giá trị tín hiệu thông tin I(t) = 1 thì tín hiệu số tăng lên một lượng ∆f.
- giá trị tín hiệu thông tin I(t) = 0 thì tín hiệu số giảm đi một lượng là ∆f.


23

Luận văn tốt nghiệp

Độ rộng băng thông khi điều chế FSK[2]:
Bw = f2 – f1 +

1
2
= 2(Äf + )

Τb
Τb

(1.8)

Với: Bwlà độ rộng băng thông, Tb là độ rộng xung.
Vậy độ rộng băng tần khi điều chế FSK phụ thuộc vào độ dịch tần ∆f, tức là
khoảng cách giữa các tần số f1và f2 và độ rộng của một xung tín hiệu truyền dẫn.
Nếu độ dịch tần càng lớn thì độ rộng băng tần càng cao, độ rộng của xung tín
hiệu Tp càng hẹp thì độ rộng băng tần càng lớn.

Sơ đồ bộ điều chế FSK:
U1(t) = Αsin(2πf1t)
S(t ) = Αsin(2π ( f c + ∆f )t + ϕ0 )

I (t )

U 2 (t ) = Α sin(2πf 2 t )

Hình 1. 8: Sơ đồ khối điều chế tần số FSK

có:

f1 = fc + ∆f cho bít 1.
f2= fc - ∆f cho bít 0.

Theo sơ đồ này: hai sóng mang có tần số f1, f2 đưa vào bộ trộn M1, M2. Ở hai bộ
trộn này có số liệu cơ hai là I(t) đưa tới với:
o I(t) tương ứng mức logic “1”.
o

Ι(t ) đảo tương ứng mức logic “0”.

Đầu ra cộng hai tín hiệu ta được tín hiệu điều chế FSK.


24

Luận văn tốt nghiệp

Nhận xét về FSK:
Ưu điểm:
- mạch mã hoá đơn giản và không tốn kém.
- FSK là kỹ thuật FM (Frequency Modulation). Do đó máy thu được khuếch đại
tín hiệu thu mà không cần AGC.
- FSK ít bị ảnh hưởng của tạp âm hơn là ASK.
- Có thể dùng hạn chế biên để làm giảm điều biên ký sinh và hạn chế nhiễu.
Nhược điểm:
- Phổ tín hiệu FSK rộng, do đó giải thông của thiết bị lớn.
- Không tiết kiệm được băng tần công tác.
1.2.2.3
1

Điều chế pha PSK

Khái niệm

PSK là phương pháp làm dịch pha sóng mang theo tính chất của tín hiệu thông
tin.
Lý tưởng của PSK là có hình bao không đổi, đặc điểm này cho phép chúng

không bị ảnh hưởng của tính chất phi tuyến thường gặp ở thông tin vi ba số và vệ
tinh.
Đồng thời phương pháp PSK đặc biệt thuận lợi đối với kỹ thuật thông tin số vì
các trạng thái của tín hiệu là các mức 0 và 2. Do đó quá trình dịch pha rất dễ thực
hiện.
Vì vậy hầu hết các thiết bị vi ba số đều sử dụng phương điều chế pha PSK nhiều
hơn là các phương pháp khác.
2

Điều chế BPSK

Cần trình bày: