Méo tín hiệu trong truyền dẫn vô tuyến số dung lượng lớn và các biện pháp khắc phục

4

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
------------------------------------------------NGUYỄN THỊ THUYÊN

MÉO TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ
DUNG LƢỢNG LỚN VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: .................

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên – 2013.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




5

MỤC LỤC
Nội dung

Trang

Thuyết minh luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Lời cam đoan
Lời cảm ơn

Danh mục các hình vẽ và bảng biểu
Các thuật ngữ viết tắt
Mục lục
Lời nói đầu

i
ii
iii
iv
vii
ix
1

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN VÔ
TUYẾN SỐ DUNG LƢỢNG LỚN
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ
TUYẾN

4

1.1.1 Hệ thống thông tin vô tuyến

4
4

1.1.2 Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến
1.2 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ DUNG LƢỢNG LỚN
1.2.1 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn
1.2.2 Các sơ đồ điều chế cơ bản

1.3 CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN TÁC ĐỘNG TỚI CHẤT LƢỢNG HỆ
THỐNG
1.3.1 ISI và điều kiện truyền không méo tín hiệu
1.3.2 Các yếu tố tác động tới chất lƣợng hệ thống
1.3.3 Mô hình kênh liên tục truyền dẫn tín hiệu số
1.4 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ASTRAS

5
8
8
11
17
17
20
21
23

Kết luận chƣơng 1

25

CHƢƠNG 2 MÉO TUYẾN TÍNH VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC
PHỤC

26

2.1 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY MÉO TUYẾN TÍNH
2.1.1 Méo tuyến tính do các bộ lọc chế tạo không hoàn hảo
2.1.2 Méo tuyến tính gây bởi kênh vô tuyến
2.2 CÁC TÁC ĐỘNG CỦA MÉO TUYẾN TÍNH

2.2.1 Tác động của méo tuyến tính do chế tạo lọc không hoàn hảo
2.2.2 Tác động của trải trễ trong các hệ thống vô tuyến di động tế bào

26
26
27
38
39
40

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




6
2.2.3 Tác động của pha-đinh đa đƣờng chọn lọc

2.3 CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC MÉO TUYẾN TÍNH
2.3.1 San bằng kênh (Equalization)
2.3.2 Các biện pháp đối phó với đặc tính truyền đa đƣờng của kênh
2.3.3 Các biện pháp khắc phục băng rộng
Kết luận chƣơng 2

CHƢƠNG 3 MÉO PHI TUYẾN VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC
PHỤC

41
49
50

54
57
60
61

3.1 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY MÉO PHI TUYẾN
3.1.1 Các bộ phận gây méo phi tuyến trong hệ thống
3.1.2 Đặc tuyến công tác của HPA

61

3.2 CÁC TÁC ĐỘNG CỦA MÉO PHI TUYẾN GÂY BỞI HPA

64

3.2.1 Méo do HPA trong các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số MQAM
3.2.2 Méo phi tuyến gây bởi HPA trong các hệ thống OFDM
3.3 CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC MÉO PHI TUYẾN CHỦ YÊU
3.3.1 Sử dụng BO tối ƣu
3.3.2 Sử dụng méo trƣớc
3.3.3 Quay pha phụ tối ƣu sóng mang thu
3.3.4 Các biện pháp khắc phục PAPR lớn trong các hệ thống
OFDM
Kết luận chƣơng 3

64

Kết luận

81

Tài liệu tham khảo

82

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



61
63

66
69
70
72
75
77
80


7

Chƣơng 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN
VÔ TUYẾN SỐ DUNG LƢỢNG LỚN

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
1.1.1 Hệ thống thông tin vô tuyến
Các hệ thống thông tin vô tuyến là các hệ thống truyền tin bằng sóng điện

từ có môi trƣờng truyền lan tín hiệu – môi trƣờng truyền dẫn – là khoảng không
gian giữa máy phát Tx (Transmitter) và máy thu Rx (Receiver). Sơ đồ khối đơn
giản của một hệ thống thông tin vô tuyến đƣợc cho trên hình 1.1.
Thông tin

Tx

Rx

Thông tin

Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống thông tin vô tuyến

Thông thƣờng, thông tin cần truyền đƣợc đƣa vào máy phát thực hiện
điều chế bằng sóng mang trung tần IF (Intermediate Frequency), sau đó đƣợc
trộn tần lên tần số cao RF (Radio Frequency), khuếch đại tín hiệu đủ lớn, lọc
nhằm chia sẻ băng thông rồi đƣợc bức xạ ra khoảng không vô tuyến qua hệ
thống ăng-ten/phi-đơ. Ở đầu thu, thông qua hệ thống ăng-ten thu, tín hiệu vô
tuyến đƣợc thu nhận (nhờ nguyên lý cảm ứng điện từ) và qua hệ thống phi-đơ
đƣa vào máy thu. Ở đây, tín hiệu đƣợc lọc nhằm chọn lọc tín hiệu hữu ích và
loại bỏ nhiễu trên đƣờng truyền đến mức tối đa, khuếch đại, trộn tần từ tần số
vô tuyến RF xuống trung tần IF và giải điều chế để khôi phục lại thông tin ban
đầu đã đƣợc phát đi từ phần phát.
Do môi trƣờng truyền là không có dây dẫn, bầu khí quyển đóng một
vai trò then chốt trong truyền sóng. Mặc dầu khí quyển cả thảy có 5 lớp (tầng)
khác nhau song tầng đối lƣu và tầng ion là các tầng khí quyển gần nhất đối
với bề mặt trái đất. Do vậy chúng có ảnh hƣởng tới quá trình truyền sóng.
Hình vẽ 1.2 thể hiện hai tầng khí quyển này cũng nhƣ khoảng cách xấp xỉ
giữa chúng và bề mặt trái đất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
Một sóng vô tuyến đƣợc truyền đi lan truyền theo hai phƣơng thức:
 Sóng đất;
 Sóng trời.
Dựa trên đặc tính truyền sóng của hai loại sóng này mà ngƣời ta phân
chia phổ tần số.
Nhƣ các tên gọi, sóng đất truyền lan theo bề mặt của trái đất còn sóng
trời truyền lan trong khoảng không song có thể quay trở lại trái đất do phản xạ
hoặc trong tầng đối lƣu hoặc trong tầng ion. Các bƣớc sóng khác nhau thì
phản xạ theo những chừng mực khác nhau trong các tầng đối lƣu và ion hoặc
có thể đâm xuyên qua khi tần số đủ lớn.

Tầng ion

40÷ 400
km

Tầng đối lƣu

Mặt đất

10 km

Hình 1.2 Các tầng khí quyển có ảnh hƣởng tới truyền sóng vô tuyến

1.1.2 Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến

Các hệ thống thông tin vô tuyến có thể đƣợc phân loại theo nhiều quan
điểm khác nhau.
a) Phân loại theo dạng tín hiệu
+ Hệ thống thông tin vô tuyến tƣơng tự: Tín hiệu truyền đi là tín hiệu
tƣơng tự (analog);
+ Hệ thống vô tuyến số: Tín hiệu dùng để truyền tin là tín hiệu số
(digital) có các đặc trƣng cơ bản là có số trạng thái tín hiệu hữu hạn M và có
thời gian tồn tại hữu hạn TS (Symbol Time interval).
b) Theo dải tần (dải sóng) công tác
Việc phân loại phổ tần vô tuyến dựa trên các tính chất truyền sóng và
các khía cạnh về hệ thống (kiểu ăng-ten). Phổ tần vô tuyến đƣợc phân chia
nhƣ sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




9
1. Tần số cực thấp ELF (Extremly Low Frequency): f = 300 ÷ 3000 Hz
(λ = 1000 ÷ 100 km); và tần số rất thấp VLF (Very Low Frequency): f = 3 ÷
30 kHz (λ = 100 ÷ 10 km). Các dải này còn đƣợc gọi là dải sóng cực dài.
Các đặc tính truyền sóng: Sóng truyền lan giữa bề mặt của trái đất và
tầng đối lƣu và cũng có thể xuyên sâu đƣợc vào lòng đất và nƣớc. Do kích
thƣớc ăng-ten phụ thuộc vào bƣớc sóng, các sóng này đòi hỏi các ăng-ten có
kích thƣớc rất lớn.
Các ứng dụng: Liên lạc dƣới nƣớc (cho các tàu ngầm), trong các mỏ,
cho các sonar thủy âm...
2. Tần số thấp LF (Low Frequency) hay sóng dài LW (Long Wavelength): f = 30 kHz ÷ 300 kHz (λ = 10 ÷ 1 km).
Các đặc tính truyền sóng: Sóng trời có thể phân tách với sóng đất đối
với các tần số trên 100 kHz. Sóng đất có tổn hao truyền dẫn lớn hơn.

Các ứng dụng: Phát thanh, vô tuyến hàng hải, truyền tin cự ly dài với
các tàu biển.
3. Tần số trung bình MF (Medium Frequency) hay sóng trung MW
(Medium Wavelength): f = 300 kHz ÷ 3 MHz (λ = 1000 ÷ 100 m).
Các đặc tính truyền sóng: Sóng trời tách khỏi sóng đất. Sóng đất cho
phép truyền tin khả dụng lên tới 100 km tính từ máy phát.
Các ứng dụng: Phát thanh điều biên (550 ÷ 1600 kHz).
4. Tần số cao HF (High Frequency) hay sóng ngắn SW (Short Wavelenght): f = 3 ÷ 30 MHz (λ = 100 ÷ 10 m).
Các đặc tính truyền sóng: Sóng trời là phƣơng thức truyền lan chủ yếu
tại tần số cao (HF). Sóng đất đƣợc sử dụng để truyền tin trên các khoảng cách
ngắn hơn so với sóng trời. Khi tần số tăng, tổn hao do truyền lan sóng tăng và
do đó cần phải có các trạm phát chuyển tiếp (các trạm phát lặp).
Các ứng dụng: Phát thanh trên các vùng rộng, các máy vô tuyến nghiệp
dƣ, các máy vô tuyến dân sự.
5. Tần số rất cao VHF (Very High Frequency): f = 30 ÷ 300 MHz (λ =
10 ÷ 1 m).
Các đặc tính truyền sóng: Sự nhiễu xạ (uốn cong tia sóng do cản trở
của khí quyển) và sự phản xạ dẫn đến việc truyền lan sóng vƣợt quá đƣờng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




10
chân trời. Cự ly truyền sóng vào khoảng vài ngàn km. Sự lan truyền sóng
trong các toà nhà cũng xảy ra rất tốt.
Các ứng dụng: Các ứng dụng phát thanh-truyền hình: TV, vô tuyến
điều tần (FM radio) băng tần 88 ÷ 108 MHz; điều khiển không lƣu vô tuyến
(cũng còn gọi là hệ dẫn đƣờng vô tuyến).
6. Tần số cực cao UHF (Ultra High Frequency) hay dải sóng cm:

300÷ 3000 MHz (λ = 1m ÷ 10 cm).
Các đặc tính truyền sóng: Các phản xạ từ các tầng khí quyển xảy ra,
các tổn hao tiêu biểu là do các chƣớng ngại lớn hơn trong các băng VHF, tác
động của mƣa và hơi ẩm trong không khí có thể bỏ qua đƣợc.
Các ứng dụng: Phát thanh-truyền hình: Truyền hình vệ tinh; vô tuyến di
động mặt đất (điện thoại không dây, điện thoại vô tuyến tế bào), các dịch vụ
thông tin cá nhân tƣơng lai (nhƣ thể hệ thống vô tuyến di động thế hệ thứ ba:
băng ~2 GHz), điều khiển không lƣu vô tuyến.
7. Tần số siêu cao SHF (Super High Frequency): f = 3 ÷ 30 GHz (λ =
10 ÷ 1 cm).
Các đặc tính truyền sóng: Hấp thụ do mƣa, mây, hơi ẩm (sƣơng mù) là
rất lớn dẫn đến tiêu hao và do đó hạn chế truyền lan sóng.
Các ứng dụng: Các dịch vụ thông tin vệ tinh cố định cho điện thoại và
truyền hình, các dịch vụ di động trong tƣơng lai nhƣ mạng máy tính cục bộ
vô tuyến (WLAN: Wireless Local Area Network).
8. Tần số cực kỳ cao EHF (Extremly High Frequency): f = 30 ÷ 300
GHz (λ = 10 ÷ 1 mm), còn gọi là dải vô tuyến sóng mm.
Các đặc tính truyền sóng: Các tổn hao rất cao do hơi nƣớc và oxy
trong khí quyển.
Các ứng dụng: Thông tin với các khoảng cách ngắn (bên trong tầm nhìn
thẳng). Các vệ tinh truyền thông có thể sử dụng các tần số trong dải này để
truyền truyền hình độ phân giải cao (HDTV: High Definition TeleVision) do
tại các độ cao nhƣ thế thì các tổn hao sẽ thấp hơn.
Các dải tần số (dải sóng) từ 6 đến 8 nói trên còn đƣợc gọi chung là dải
sóng vi ba (microwave), đặc tính truyền nói chung là trong tầm nhìn thẳng
LOS (Line-Of-Sight). Nói chung, tần số công tác càng cao thì kích thƣớc ăngten càng nhỏ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
c) Theo đặc trưng kênh truyền
+ Hệ thống thông tin vi ba: Còn gọi là các hệ thống vô tuyến chuyển
tiếp, trong đó tín hiệu đƣợc chuyển tiếp bởi các trạm trung gian qua từng
chặng có cự ly lên tới vài chục km, đôi khi lên tới ~100 km.
+ Hệ thống thông tin vệ tinh: Trong đó trạm chuyển tiếp đƣợc đặt trên
vệ tinh, thƣờng là vệ tinh địa tĩnh có khoảng cách từ quỹ đạo nằm trên mặt
phẳng xích đạo tới mặt đất là 36000 km.
+ Hệ thống thông tin di động: Đặc điểm cơ bản là các máy thu và phát
vô tuyến có thể di động so với nhau.
d) Theo dung lượng của hệ thống
Các kênh vô tuyến có thể đặc trƣng đƣợc một cách sơ bộ bởi độ rộng
băng kết hợp (coherence bandwidth) Bc của kênh, là khoảng tần số mà trong
đó hàm truyền của kênh có thể xem là bằng phẳng (flat). Một hệ thống vô
tuyến số sẽ đƣợc xem nhƣ băng rộng nếu nhƣ độ rộng băng tín hiệu W của
nó (tỷ lệ thuận với tốc độ dữ liệu) vƣợt quá độ rộng băng kết hợp của kênh vô
tuyến giữa đầu phát và đầu thu. Thí dụ, đối với các hệ thống vi ba số, dung
lƣợng C ≥ 70 Mbps (thƣờng sử dụng điều chế M-QAM) với độ rộng băng tín
hiệu W vào quãng 20 MHz trở lên mới có thể đƣợc xem là lớn [8]. Trong khi
đó, do đặc tính truyền đa đƣờng (multipathpropagation) rất mạnh, các hệ
thống vô tuyến di động với tốc độ bít chừng vài Mbps trở lên đã có thể xem là
hệ thống băng rộng, chẳng hạn nhƣ các hệ thống từ thế hệ 3 trở đi.
1.2 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ DUNG LƢỢNG LỚN
1.2.1 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn
a) Các hệ thống vô tuyến số
Các hệ thống vô tuyến số là các hệ thống vô tuyến sử dụng tín hiệu số
để truyền tin. Về nguyên tắc, các hệ thống thông tin vô tuyến đều có thể
truyền tin bằng tín hiệu số đƣợc, tuy nhiên do các giới hạn về công nghệ, các
hệ thống vô tuyến băng rất rộng mới chỉ thực hiện đƣợc với độ rộng băng tín

hiệu nhiều nhất là vào khoảng 1% tần số sóng mang fc (carrier frequency).
Mặt khác, tốc độ truyền symbol RS = 1/TS (số symbol truyền đƣợc trên 1 đơn
vị thời gian) lại có quan hệ mật thiết với độ rộng băng tín hiệu với độ rộng
băng không-không (null-to-null bandwidth) của phổ tín hiệu W0-0: W0-0 ≥ RS.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




12
Nghĩa là, tốc độ truyền tin của hệ thống vô tuyến số sẽ phụ thuộc vào tần số
sóng mang của hệ thống, theo đó các hệ thống từ HF trở xuống (có tần số
sóng mang từ dải sóng HF trở xuống tới dải ELF nhƣ phân loại ở phần trƣớc)
có tốc độ truyền tin bằng tín hiệu số khá thấp, ít có ý nghĩa với các dịch vụ
thông thƣờng hiện nay nhƣ thoại, data cao tốc (tải file, video…).
Các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng cao đƣợc xem xét tới trong luận
văn này do tầm quan trọng của chúng trong các hệ thống đƣờng trục cũng
nhƣ truy nhập vô tuyến di động hiện đại. Tùy theo các đặc tính kênh (cố định
hay di động), các tốc độ truyền tin đƣợc xem là cao: V ≥ 70 Mbps với các hệ
thống đƣờng trục và V ~ vài Mbps đối với các hệ thống thông tin di động tế
bào. Dải tần số công tác của các hệ thống nhƣ thế có thể từ vài trăm MHz đến
hàng chục GHz, trong dải sóng vi ba (microwave), và do vậy, về đăc tính
truyền sóng thì phƣơng thức truyền sóng là truyền trong tầm nhìn thẳng. Độ
rộng băng tín hiệu đối với các hệ thống xem là lớn hay nhỏ cũng lại còn tùy
thuộc vào kiểu điều chế đƣợc áp dụng. Luồng tín hiệu số tốc độ cao đƣợc
truyền trong các hệ thống vô tuyến số băng rộng thƣờng là luồng bít đƣợc
ghép kênh theo thời gian từ các luồng tín hiệu số cấp thấp hơn, hoặc là luồng
bít của một ngƣời dùng sử dụng các dịch vụ tốc độ lớn (video, tải file…).
Các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn, băng rộng, có vai trò rất
quan trọng trong mạng viễn thông do khả năng cơ động hoặc di động cũng

nhƣ thời gian triển khai khá nhanh của chúng, cái mà các hệ thống thông tin
quang – mặc dù có dung lƣợng rất lớn – lại khá hạn chế.
b) Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn
Các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn là các hệ thống thông dải có
tần số sóng mang có thể từ lớn đến rất lớn, lên tới vài chục GHz. Đối với các
hệ thống nhƣ vậy, việc xem xét hệ thống gặp khá nhiều khó khăn, đặc biệt
trong mô phỏng máy tính do vấn đề lấy mẫu các tín hiệu thực tế có tần số rất
cao sẽ đòi hỏi tần số lấy mẫu rất cao nhằm thỏa mãn định lý lấy mẫu và do
vậy sẽ đòi hỏi máy tính cần có tốc độ xử lý rất lớn, đến mức thƣờng là không
thực tế. Để giải quyết trở ngại này, ngƣời ta thƣờng xem xét và phân tích hệ
thống thực thông qua các hệ thống thông thấp tƣơng đƣơng với các tín hiệu
băng gốc tƣơng đƣơng [3]. Điều này có thể giải thích đƣợc dƣới đây.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




13
Tín hiệu số điều chế tổng quát (cả điều chế biên độ lẫn điều chế góc) có
thể biểu diễn đƣợc ở dạng:
x (t ) = A(t ) ⋅ cos[2π f ct + ϕ(t )]

(1.1)

trong đó A(t) và φ(t) là các hàm mang thông tin cần truyền, fc là tần số
sóng mang. Biểu thức (1.1) có thể viết lại theo:
x (t ) = Re{ A(t ) ⋅ e

j [2π f t + ϕ ( t )]

c

} = Re{ A(t ) ⋅ e

jϕ( t )

⋅ e

j 2π f t
c

(1.2)

}

trong đó Re{.} là ký hiệu phần thực.
Có thể nhận thấy rằng, trong vế phải của (1.2) chỉ có thành phần
A(t)ejφ(t) mang thông tin cần truyền, còn ej2πfct chỉ biểu thị một sóng mang cao
tần không mang thông tin. Do vậy, chỉ cần quan tâm tới tín hiệu:
x (t ) = A(t ) ⋅ e j

ϕ( t )

(1.3)

Tín hiệu biểu diễn theo (1.3) là tín hiệu băng gốc do không chứa thành
phần sóng mang cao tần, đƣợc gọi là tín hiệu băng gốc tƣơng đƣơng
(equivalent baseband signal) của tín hiệu thực tế x(t). Là một hàm phức và có
vai trò đƣờng bao đối với sóng mang cao tần nên tín hiệu ấy còn đƣợc gọi là
đƣờng bao phức (complex envelope) của tín hiệu thực tế x(t). Khi xét hệ

thống với tín hiệu băng gốc tƣơng đƣơng, các phần tử dải thông của hệ thống
thực tế có thể đƣa về biểu diễn bằng các phần tử thông thấp tƣơng đƣơng
nhờ biến đổi Hilbert [3]. Sơ đồ khối tiêu biểu của một hệ thống vô tuyến số
dung lƣợng lớn đƣợc thể hiện trên hình 1.3 [1].
Tạp âm
Nguồn

symbol

Ck

Bộ

điều chế

Bộ

lọc phát

KĐCS

M.trƣờng

Bộ

truyền

Bộ

lọc thu

san bằng

Thiết bị
qu. định

Bộ giải
điều chế

KPĐH

KPSM

Nhiễu

Chú giải:
KPĐH = Khôi phục đồng hồ; KPSM = Khôi phục sóng
mang; KĐCS = Khuếch đại công suất

ˆ
Ck

Hình 1.3 Sơ đồ khối tƣơng đƣơng băng gốc một hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn [1]

Trên sơ đồ hình 1.3, luồng bít tốc độ cao ghép kênh theo thời gian từ
nhiều kênh bậc thấp, sau khi đƣợc mã hóa kênh sẽ đƣợc ghép thành các cụm
từng m bít và đƣợc ánh xạ một cách thích hợp thành các symbol Ck ở lối vào
bộ điều chế (thí dụ nhƣ sử dụng ánh xạ Gray sao cho các symbol lân cận nhau
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14
chỉ khác nhau 1 bít nhằm giảm thiểu BER của hệ thống [2]). Bộ điều chế có
nhiệm vụ ánh xạ 1-1 các symbol ở đầu vào thành các dạng sóng số có M = 2m
trạng thái (điều chế M mức). Sau khi lọc hạn chế phổ tín hiệu số (có phổ rộng
vô hạn do các tín hiệu số chỉ tồn tại trong thời gian hữu hạn TS) nhằm chia sẻ
băng tần, tín hiệu đƣợc khuếch đại công suất đủ lớn nhằm bù đắp tổn hao gây
bởi môi trƣờng truyền rồi đƣợc bức xạ ra môi trƣờng truyền. Môi trƣờng
truyền có thể gây một số tác động nhƣ làm méo dạng tín hiệu, gây tổn hao,
nhiễu và tạp âm cộng trắng chuẩn AWGN (Additive White Gaussian Noise)
của máy thu đƣợc quy ra đầu vào máy thu. Bộ lọc thu thực hiện chọn lọc tín
hiệu và loại bỏ tối đa tạp âm, thực hiện vai trò bộ lọc phối hợp (matched
filter) của máy thu tối ƣu. Mạch san bằng có nhiệm vụ cân bằng đặc tuyến
của kênh nhằm giảm méo gây bởi kênh truyền. Bộ giải điều chế trên sơ đồ
hình 1.3 trong thực tế có nhiệm vụ loại bỏ sóng mang cao tần bằng cách nhân
tín hiệu đầu vào của nó với sóng mang nội, đồng bộ với sóng mang phần phát
nhờ mạch khôi phục sóng mang. Mạch quyết định lấy mẫu tín hiệu bằng tín
hiệu đồng hồ, đƣợc đồng bộ với đồng hồ phần phát nhờ mạch khôi phục tín
hiệu đồng hồ, sau đó so ngƣỡng để ra quyết định về symbol đã đƣợc phát đi ở
phần phát. Do tác động của kênh, việc quyết định này có thể bị sai. Các
ˆ
symbol thu đƣợc có thể bị sai này sẽ đƣợc ánh xạ ngƣợc thành các cụm m C k
bít, chuỗi bít thu đƣợc sẽ đƣợc giải mã kênh nhằm sửa lỗi rồi phân kênh.

1.2.2 Các sơ đồ điều chế cơ bản
Các hệ thống vô tuyến số có dung lƣợng lớn thì có độ rộng băng chiếm
khá lớn, tỷ lệ với tốc độ truyền tin. Phổ tần số vô tuyến, tuy vậy, là một tài
nguyên hạn chế và khan hiếm. Điều này một mặt là do với tần số rất lớn –

hàng chục đến hàng trăm GHz – công nghệ đối với phần RF của hệ thống trở
nên rất phức tạp. Mặt khác, tần số càng cao, tổn hao đƣờng truyền càng lớn,
hạn chế cự ly liên lạc hoặc yêu cầu công suất phát rất cao đến mức không thực
tế. Vì vậy, cần áp dụng các kỹ thuật nhằm tận dụng phổ tần số sẵn có khá hạn
chế, nói cách khác là nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ (frequency
efficiency) η của hệ thống, đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa tốc độ bít Rb truyền
đƣợc trên kênh và độ rộng băng chiếm W của tín hiệu. Các sơ đồ điều chế
nhiều mức (M mức) thƣờng đƣợc áp dụng nhằm tăng hiệu quả sử dụng phổ
của hệ thống. Các sơ đồ điều chế số nhiều mức cơ bản thƣờng đƣợc sử dụng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




15
trong các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn bao gồm các sơ đồ điều chế
tín hiệu 2 chiều: Khóa dịch pha M trạng thái M-PSK (M-ary Phase Shift
Keying) và Điều chế biên độ vuông góc M-QAM (M-ary Quadrature
Amplitude Modulation) hoặc các dạng phái sinh của chúng [2].
a) Điều chế M-PSK
Tín hiệu điều chế M-PSK có thể biểu diễn theo:
s (t ) = A cos(2π t + 2 ), i = 0, 1, 2,..., ( M −1)
(1.4)
f
i π
i
c
M
Sơ đồ thông dụng điều chế và giải điều chế M-PSK với M = 4, còn gọi
là QPSK (Quarternary Phase Shift Keying), đƣợc thể hiện trên hình 1.4 [1].

LPF
data
từng 2 bít

S/P

Tín hiệu

~ cos2πfct

QPSK

Σ

o

90

Tới tuyến RF

sin2πfct

LPF

Tín hiệu QPSK
+ tạp âm
Từ bộ trộn xuống

cos2πfct

a)

LPF

A/D

~

P/S

o

90

sin2πfct

LPF

data
(từng 2 bít)

A/D
b)

t=kTs

Hình 1.4 Sơ đồ điều chế và giải điều chế QPSK

Đối với sơ đồ điều chế QPSK (hình 1.4a), luồng dữ liệu nhị phân lối
vào đƣợc chia thành các cặp bít, qua bộ biến đổi nối tiếp-song song S/P

(Serial/Parallel) đƣợc chia làm hai nhánh, mỗi nhánh một bán symbol gồm 1
bít với độ rộng đƣợc mở rộng thành Ts = 2Tb. Các bít (bán symbol) của từng
nhánh này, sau khi qua các bộ lọc thông thấp LPF (Low-Pass Filter) hạn băng
và tạo dạng xung (pulse shaping) dạng căn bậc hai cosine nâng mắc nối tiếp
với một mạch sửa x/sinx, đƣợc nhân với các thành phần đồng pha cos2πfct
hoặc vuông pha sin2πfct của sóng mang trung tần IF. Tín trên hai nhánh sau
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




16
đó đƣợc cộng với nhau, tạo nên tín hiệu QPSK ở trung tần. Tín hiệu này sau
đó sẽ đƣợc đƣa tới tuyến RF để trộn lên tần số vô tuyến cao tần, khuếch đại
và truyền đi. Chòm sao tín hiệu QPSK (biểu diễn vector tín hiệu) đƣợc thể
hiện trên hình 1.5 gồm M điểm chia đều vòng tròn tâm ở gốc tọa độ, bán kính
Es , trong đó Es là năng lƣợng của một symbol. Hiệu quả sử dụng phổ của
QPSK là [2]:
(1.5)

ηQPSK = 2/(1+α) [b/s/Hz]

ở đây α là hệ số uốn (roll-off factor) của bộ lọc căn bậc hai cosine nâng.
Tổng quát, hiệu quả phổ của kiểu điều chế M-PSK là [2]:
(1.6)
ηM-PSK = m/(1+α) [b/s/Hz] = (log2M)/(1+α) [b/s/Hz]

•Q
M=4

d P = E sPSK sin(π / M )

0

dP

•

•

E

I

sPSK

•
Hình 1.5 Chòm sao tín hiệu M-PSK

Đối với sơ đồ giải điều chế 4-PSK (hình 1.1b), tín hiệu nhận đƣợc (bao
gồm cả tín hiệu hữu ích và tạp âm) sau khi đƣợc trộn xuống IF từ mạch trộn
tần xuống (down converter) sẽ đƣợc đƣa song song tới 2 nhánh của bộ giải
điều chế. Tại các nhánh này, tín hiệu sẽ đƣợc nhân với các thành phần đồng
pha hoặc vuông pha của sóng mang trung tần nhằm loại bỏ thành phần tần số
cao. Các bộ lọc thông thấp (cũng thƣờng là các mạch lọc căn bậc hai cosine
nâng), mạch lấy mẫu tại các thời điểm t = kTs (k là chỉ số khe thời gian của
các symbol hay cặp bít) và các mạch biến đổi A/D (thực chất là các mạch lấy
mẫu và so ngƣỡng nhằm quyết định giá trị bít trên các nhánh là 1 hay 0) hình
thành nên máy thu tối ƣu tín hiệu số, cho tỷ số tín/tạp SNR (Signal-to-Noise
Ratio) lớn nhất (và do đó, tỷ lệ thu lỗi nhỏ nhất). Các bít nhận đƣợc trên 2

nhánh sẽ đƣợc ghép trở lại thành cặp bít ban đầu qua bộ biến đổi song songnối tiếp P/S.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




17
b) Điều chế M-QAM
Tín hiệu điều chế M-QAM có dạng:
s (t ) = Ak cos2π f ct + Bk sin 2π f ct

(1.7)

trong đó, Akcos2πfct và Bksin2πfct là các thành phần đồng pha I (Inphase) và vuông pha Q (Quadrature), Ak, Bk = ±1, ±3,…, ±(

M – 1), k là chỉ

số khe thời gian của symbol cần truyền Ck. Ck = Ak + jBk.
Điều chế biên độ vuông góc (M-QAM) là phƣơng pháp điều chế kết
hợp giữa điều chế biên độ và điều chế pha. Tên gọi điều chế biên độ vuông
góc là do tín hiệu M-QAM đƣợc tạo ra bằng cách cộng hai tín hiệu điều chế
biên độ có L = M mức trên các sóng mang trực giao (cùng tần số và vuông
pha với nhau). Cũng nhƣ M-PSK, điều chế M-QAM là một phƣơng pháp điều chế tín hiệu
hai chiều tuyến tính, cho phép nâng cao hiệu quả phổ.

Điều chế và giải điều chế M-QAM có sơ đồ khối trên hình 1.6 [1].
Với điều chế M-QAM (hình 1.6a), bộ biến đổi nối tiếp-song song S/P
(Serial/Parallel) thực hiện biến đổi từng symbol gồm m = log2M bít từ chuỗi
bít dữ liệu nối tiếp lối vào thành hai bán symbol, mỗi bán symbol gồm m/2
bít. Các khối đổi mức 2/L thực hiện biến từng cụm m/2 bít nhị phân đó thành

các tín hiệu không về không NRZ (Non Return to Zero) nhiều mức Ak và Bk
(với k là chỉ số khe thời gian của symbol đƣợc truyền), có thể nhận L =

M trị

biên độ, tùy thuộc vào mẫu các bít của cụm bít lối vào. Dạng phổ tín hiệu đầu ra đƣợc
hình thành nhờ các bộ lọc thông thấp phía trƣớc mạch nhân, mà trong thực tế thiết kế
chúng thƣờng là nhƣ nhau và là mạch lọc căn bậc hai cosine nâng (square-root raised
cosine filter) mắc nối tiếp với một mạch sửa dạng xung x/sinx. Các mạch nhân đƣợc sử
dụng sau mỗi mạch lọc nhằm thực hiện điều chế biên độ tuyến tính, với các sóng mang IF
cùng tần số song trực giao (các sóng mang cos2πfct và sin2πfct). Các tín hiệu lối ra các
mạch nhân đƣợc cộng với nhau tạo nên tín hiệu M-QAM. Bộ điều chế M-QAM nhƣ vậy
đƣợc tạo ra từ hai bộ điều chế biên độ trực giao nhau với sóng mang bị triệt. Tín hiệu điều
chế M-QAM ở trung tần này sau khi trộn lên RF, khuếch đại, tín hiệu sẽ đƣợc phát đi qua
hệ thống ăng-ten, phi-đơ ra môi trƣờng vô tuyến.

Các tín hiệu số truyền symbol Ck có thể biểu diễn đƣợc ở dạng vector
(Ak, Bk) trong không gian tín hiệu (là một không gian Hilbert 2 chiều), nhƣ
chòm sao tín hiệu (constellation) thể hiện trên hình vẽ 1.7.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




18
m/2

Ak

AkaT(t)cos2πfct

§æi møc
2/L
m bit

×

Läc
th«ng thÊp

cos2πfct
LO ∼

S/P

Σ

tÝn hiÖu M-QAM

o

90
§æi møc
2/L

m/2

Läc
th«ng thÊp

Bk

×

sin2 πfct

BkbT(t)sin2πfct

a)
×

LPF
sin2πfct

90
tín hiệu lối vào•

•

0

đồng hồ

∼
cos2πfct

×

A/D 1
&

giải
mã

m/2
1

t=kTS

A/D
&
giải
mã

LPF

P/S

dãy bít lối ra

m/2

b)
Hình 1.6 Sơ đồ điều chế a) và giải điều chế b) tín hiệu M-QAM []
M=16•

•

I

3

•

•
2dQ

•
-3

E

•
•

sQAM

•

1

•

E

sQAM

2( M −1)

•

-1

-1 1

•

•

•

-3 •

•

•

dQ =

3Q

Hình 1.7 Chòm sao tín hiệu 16-QAM

Hiệu quả sử dụng phổ của điều chế M-QAM cũng đƣợc tính theo (1.6).
Chòm sao tín hiệu điều chế M-QAM có nhiều dạng khác nhau, ngoài các dạng
chòm sao hình tròn sử dụng cho truyền dữ liệu trên kênh thoại trong các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19
modem tốc độ thấp hay dạng chữ thập trong các hệ thống điều chế mã lƣới
TCM (Trellis Coded Modulation), sơ đồ điều chế M-QAM với chòm sao tín
hiệu hình vuông (square constellation) là sơ đồ thông dụng nhất trong các hệ
thống vô tuyến số mặt đất hiện nay. Chòm sao tín hiệu M-QAM dạng hình
vuông đƣợc thể hiện trên hình 1.7, thí dụ cho trƣờng hợp M = 16.
Sơ đồ bộ giải điều chế M-QAM đƣợc trình bày trên hình 1.6b. Tín hiệu
lối vào bộ giải điều chế trong khe thời gian của symbol thứ k đƣợc nhân với
các sóng mang trực giao và loại bỏ sản phẩm bậc hai sau nhân nhờ các mạch
lọc thông thấp. Các bộ lọc thông thấp, thƣờng cũng là các bộ lọc căn bậc hai
cosine nâng, mạch lấy mẫu và biến đổi A/D hình thành nên máy thu tối ƣu
nhằm cực đại hóa SNR. Các tín hiệu sau lọc (có cả tạp âm) đƣợc lấy mẫu theo
nhịp symbol tại các thời điểm t = kTS và đƣợc biến đổi tại các bộ biến đổi
tƣơng tự/số (A/D) thành các tín hiệu ˆ và ˆ với L trị biên độ có thể có rồi
Ak

Bk

đƣợc giải mã thành các tổ hợp có m/2 bít. Hai nhánh tín hiệu đƣợc đƣa tới bộ
biến đổi song song-nối tiếp (P/S) để trả thành cụm m bít lối ra.
c) So sánh M-PSK và M-QAM, phạm vi ứng dụng
Việc so sánh giữa hai kiểu điều chế nhiều mức M-PSK và M-QAM đƣợc
thực hiện dựa trên nguyên tắc cho chúng có cùng hiệu quả sử dụng phổ, cùng tỷ
lệ lỗi thu symbol, kiểu điều chế nào đòi hỏi năng lƣợng cao hơn thì tồi hơn.
Theo (1.6), hiệu quả phổ của cả M-PSK và M-QAM nhƣ nhau với cùng giá trị M
và hệ số uốn lọc α. Về lý thuyết, tỷ lệ lỗi phụ thuộc khoảng cách từ điểm tín hiệu
tới biên quyết định gần nhất dP và dQ (hình 1.5 và 1.7), cùng tỷ lệ lỗi symbol có
nghĩa là dP = dQ, theo các hình 1.5 và 1.7 thì điều kiện này là:

E

E sPSK sin(π / M ) =

sQAM

(1.8)

2( M −1)

Để so sánh hai loại điều chế này, có thể xét tỷ số sau:
A(M)= EsQAM = 2(
−1)2 sin2 (π / M )
M
E

(1.9)

sPSK

Với M = 4, A(4) = 1, cả 4-QAM và QPSK đều yêu cầu năng lƣợng nhƣ
nhau khi có cùng hiệu quả phổ và cùng tỷ lệ lỗi, do đó chúng hoàn toàn tƣơng
đƣơng nhau, các sơ đồ điều chế và giải điều chế là nhƣ nhau. Với 4 < M ≤ 8,
A(M) > 1, có nghĩa là M-PSK tốt hơn M-QAM. Khi M > 8, A(M) < 1, MSố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




20
QAM tốt hơn M-PSK, điều này lý giải thực tế là hầu nhƣ không gặp các sơ
đồ điều chế M-PSK với M > 8.
Trong thực tế, khi dung lƣợng hệ thống từ thấp tới trung bình (chẳng

hạn với các hệ thống đƣờng trục thì tốc độ ≤ 70 Mbps), hiệu quả phổ đòi hỏi
không cao lắm (m chỉ cần không lớn), ngƣời ta thƣờng sử dụng điều chế MPSK với M = 2, 4 hoặc 8. Với các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng từ trung
bình đến lớn, sơ đồ điều chế thƣờng áp dụng là M-QAM với M = 16, 64 hay
256. Từ các xem xét trên, trong luận văn này ta sẽ giới hạn chỉ xem xét chủ
yếu với các hệ thống sử dụng điều chế M-QAM. Trong sơ đồ khối tƣơng
đƣơng băng gốc của hệ thống vô tuyến số hình 1.3, bộ điều chế chủ yếu là bộ
điều chế M-QAM.
1.3 CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN TÁC ĐỘNG TỚI CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG

1.3.1 ISI và điều kiện truyền không méo tín hiệu
a) ISI và điều kiện truyền không có ISI
+ Nhiễu giữa các symbol ISI (InterSymbol Interference):
Trong các hệ thống truyền dẫn số, các tín hiệu số đƣợc truyền liên tiếp
nhau từng symbol một. Mỗi một symbol đƣợc hình thành từ m bít và có thời
gian tồn tại bằng m lần thời gian tồn tại của một bít, do vậy các dạng sóng điều
chế dùng để truyền chúng cũng có độ dài hữu hạn bằng độ dài của m bít: TS =
mTb, trong đó TS và Tb lần lƣợt là độ dài của một symbol và của một bít. Do các
dạng sóng có độ dài hữu hạn, phổ của chúng (nhận đƣợc thông qua biến đổi
Fourrier) sẽ trải ra vô hạn trên miền tần số. Sẽ không có vấn đề gì nảy sinh trong
việc truyền các tín hiệu dạng sóng có phổ rộng vô hạn nhƣ thế trên kênh liên tục
nếu độ rộng băng tần truyền dẫn của hệ thống không bị hạn chế, đặc tính biên
độ-tần số của hệ thống thì bằng phẳng còn đặc tính pha-tần thì tuyến tính. Trong
thực tế, băng tần truyền dẫn không phải là vô hạn do con ngƣời chƣa tận dụng
đƣợc hết trục tần số để truyền tín hiệu sóng điện từ. Băng tần truyền dẫn do vậy
là một tài nguyên quý và hiếm hoi, buộc phải chia sẻ cho nhiều đối tƣợng cùng
sử dụng. Để hạn chế phổ tần nhằm tăng số hệ thống có thể cùng công tác trên
một băng sóng cho trƣớc, ngƣời ta sử dụng các mạch lọc. Do vậy, hàm truyền
tổng cộng của một hệ thống truyền dẫn vô tuyến số sẽ có đặc tính nhƣ của một
mạch lọc. Ở đầu ra, phổ tín hiệu thu đƣợc bị hạn chế bởi đặc tính lọc của hệ
thống nên tín hiệu thu đƣợc của một symbol

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




21
(chƣa kể đến tạp âm) sẽ trải ra vô hạn về thời gian. Điều đó dẫn đến việc tại
đầu thu các symbol đƣợc truyền kế tiếp nhau sẽ chồng lấn lên nhau về thời
gian và gây nhiễu lẫn nhau, hiện tƣợng này trong truyền dẫn tín hiệu số đƣợc
gọi là nhiễu giữa các symbol (ISI: InterSymbol Interference), gây méo dạng
tín hiệu thu đƣợc.
Có thể thấy rõ ràng đƣợc sự hình thành ISI trong truyền dẫn tín hiệu số
qua phân tích toán học nhƣ sau.
Xét một hệ thống truyền dẫn số đơn giản hóa có sơ đồ khối tƣơng
đƣơng băng gốc nhƣ trên hình vẽ 1.8. Hệ thống nhƣ thế là một hệ thống
truyền dẫn đã lý tƣởng hóa môi trƣờng truyền: không nhiễu, không gây méo
tín hiệu, còn tổn hao đƣợc bù đắp hoàn toàn nhờ HPA hoàn toàn tuyến tính.
Tín hiệu số truyền qua hệ thống nhƣ vậy, ngoài việc chịu tác động của tạp âm,
chỉ chịu tác động hạn chế băng thông của các mạch lọc phát và thu.
n(t) AWGN
data

MOD

s(t)

Tx Filter

+

Rx Filter

w(t)
tk=kTS

Qu. định

data

Hình 1.8 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống truyền dẫn tín hiệu số

Không mất đi tính tổng quát, giả sử tín hiệu phát s(t) có dạng điều biên
xung M trạng thái (M-ary Pulse Amplitude Modulation):
s(t) =

+∞

∑ Ak δ (t −kTS )

(1.10)

k =−∞

trong đó Ak mang thông tin cần truyền, Ak nhận các giá trị ±1, ±3,…, ±
(M – 1).
Gọi hàm truyền của các mạch lọc phát và thu (Tx Filter và Rx Filter)
lần lƣợt là HT(f) và HR(f). Khi đó, hàm truyền tổng cộng của cả hệ thống là
H(f) = HT(f)HR(f) và đáp ứng xung tổng cộng của cả hệ thống h(t) = F-1[H(f)],
với F-1[.] là biến đổi ngƣợc Fourier. Tín hiệu đầu ra w(t) khi chƣa xét đến tạp
âm sẽ là:

w(t) = s(t) ∗ h(t) =
[

+∞

∑

Ak δ (t − kTS )] ∗ h(t) =

k =−∞

+∞

∑

A h(t − kTS )
k

(1.11)

k =−∞

Xét với symbol thứ 0 (k = 0), tại thời điểm lấy mẫu và quyết định đối
với symbol này t = t0 = 0, tín hiệu đầu ra mạch lấy mẫu trên hình 1.8 là:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




22

trong đó α là hệ số uốn của bộ lọc (roll-off factor) xác định theo:

α = ∆ / fN , α ∈[0, 1] (1.15) với fN = 1/2TS, đƣợc gọi là
tần số Nyquist.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




+∞

w(0) = ∑ Ak h (− kTS ) = A0 h (0) +
k =−∞

+∞

∑ Ak h (−kTS )

k =−∞
k≠0

(1.12)

Số hạng thứ hai bên vế phải (1.12) là ảnh hƣởng của các symbol trƣớc
và sau tới symbol thứ 0 đang xét, đƣợc gọi là nhiễu giữa các symbol ISI
(InterSymbol Interference). Thêm vào đó, tín hiệu nhận đƣợc A0 bị suy giảm
với hệ số h(0).
ISI là một biến ngẫu nhiên do thông tin cần truyền đi là ngẫu nhiên (các
giá trị Ak ngẫu nhiên) và do là một tổng vô hạn các số hạng nên nó có thể

nhận giá trị rất lớn, có khả năng làm cho symbol đang xét (trong xem xét của
ta ở đây là symbol thứ 0) bị méo rất mạnh và do đó có thể làm suy giảm chất
lƣợng liên lạc trầm trọng tới mức không thể chấp nhận đƣợc.
+ Điều kiện truyền không có ISI:
Có thể thấy từ (1.12) rằng tín hiệu số truyền đƣợc không bị méo nếu
h(0) = 1 và ISI ≡ 0. Trong trƣờng hợp nhƣ thế, chƣa tính đến tạp âm, tín hiệu
nhận đƣợc đối với symbol thứ 0 sẽ đúng là A0. Điều này đạt đƣợc khi và chỉ
khi đáp ứng xung tổng cộng của cả hệ thống thỏa mãn:
 1, khi t = 0
(1.13)
h(t) =  0,
∀ t = kTS , k ≠ 0

Điều kiện (1.13) đƣợc gọi là tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất [2].
b) Thiết kế thực tế nhằm truyền tin không có ISI
Tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất có nghĩa là để truyền tín hiệu số qua kênh
có băng thông hạn chế thì đáp ứng xung tổng cộng của hệ thống phải bằng 1
khi t = 0 và cắt không tại những điểm t = kTS. Trong thực tế, yêu cầu trên
thƣờng đƣợc đáp ứng bằng thiết kế tiêu chuẩn để hàm truyền tổng cộng của
cả hệ thống tƣơng đƣơng băng gốc có dạng hàm truyền của bộ lọc cosine
nâng (raised cosine filter) [2] nhƣ trên hình vẽ 1.9a.
Đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng có dạng [2]:
h (t) = sin(π t / TS ) ⋅ cos(απt / TS )
(1.14)
RC
(πt / T ) 1 − 4α 2t 2 / T 2
S

S

23
Hàm truyền của bộ lọc cosine nâng có dạng [2]:


1 ;

(f)|=

|H

RC



0 ≤ f < (1 −α)



1  
( f −2 T )   ; S

 π T
1 
S
1 − sin

 
2 


 α




0 ;


2TS
(1−α) ≤ f ≤ (1+ α)
2T
2T
S

f

(1.16)

S

> (1+ α)
2TS

|HRC (f)|
1

f
-fN

0

fN

a)

b)

Hình 1.9 Hàm truyền và đáp ứng xung bộ lọc cosine nâng

Đáp ứng xung của một bộ lọc cosine nâng với α = 0.35 tính bằng phần
mềm ASTRAS đƣợc thể hiện trên hình 1.9b. Trong thực tế, α thƣờng nhận
các giá trị trong khoảng [0.2, 0.7].
Các mạch lọc phát và thu thƣờng đƣợc thiết kế là các bộ lọc căn bậc
hai cosine nâng (square-root raised cosine filter) có mô-đun hàm truyền là
căn bậc hai của mô-đun hàm truyền cosine nâng, nhằm tạo dạng xung (pulse
shape) đối với bộ lọc phát và lọc phối hợp đối với bộ lọc thu.
1.3.2 Các yếu tố tác động tới chất lƣợng hệ thống
Các yếu tố cơ bản tác động tới chất lƣợng của hệ thống vô tuyến số
dung lƣợng lớn có thể kể ra nhƣ sau [2]:
+ Các loại méo tín hiệu, bao gồm méo tuyến tinh và méo phi tuyến.
Méo tuyến tính gây bởi môi trƣờng truyền và đặc tính lọc của hệ thống, trong
khi đó méo phi tuyến gây bởi các phần tử phi tuyến trong hệ thống nhƣ các
mạch trộn tần, mạch hạn biên nhằm loại bỏ điều biên ký sinh do pha-đinh
trong các hệ thống sử dụng điều chế góc (thí dụ nhƣ M-PSK) và đặc biệt là do
bộ khuếch đại công suất HPA (High Power Amplifier) phi tuyến.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24
+ Các loại can nhiễu từ các hệ thống khác tới hệ thống đang xét.
+ Các sai lệch về đồng bộ, bao gồm sai lệch pha (phase error) sóng
mang nội của máy thu so với sóng mang phát và sai lệch đồng hồ (timing
error) giữa đồng hồ máy thu và đồng hồ máy phát. Sai lệch pha sóng mang
gây nên: a) Nhiễu xuyên trục (cross-talk) giữa các thành phần trục I và Q của
tín hiệu và b) Làm quay các điểm tín hiệu trên chòm sao tín hiệu thu, tất cả
những tác động này đều góp phần làm giảm mạnh chất lƣợng BER của hệ
thống. Sai lệch đồng hồ thì dẫn đến điểm lấy mẫu tín hiệu trong giải điều chế
không tối ƣu, gây nên [1]: a) Suy giảm tỷ số tín hiệu hữu ích/tạp âm (SNR)
làm tăng BER và b) Xuyên nhiễu giữa các symbol truyền liên tiếp trên miền
thời gian ISI (InterSymbol Interference) làm tăng BER của hệ thống, ngay cả
khi hàm truyền tổng cộng toàn hệ thống thỏa mãn tiêu chuẩn truyền không có
ISI (tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất).
1.3.3 Mô hình kênh liên tục truyền dẫn tín hiệu số
Theo mục tiêu của luận văn nghiên cứu tác động của các loại méo tín
hiệu trong các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn, để làm rõ các tác động
của kênh truyền, cần có mô hình của kênh thể hiện đầy đủ các tác động của
kênh tới việc truyền tín hiệu số tốc độ cao.
Kênh từ đầu ra bộ điều chế phần phát tới đầu vào bộ giải điều chế của
máy thu truyền các tín hiệu dạng sóng số liên tục, đƣợc gọi là kênh liên tục,
có mô hình nhƣ trên hình vẽ 1.10 [8].
fc
s(t)
Từ MOD
z0(t)

z1(t)

BPF

HPA

n(t) (AWGN)
Kênh
vô tuyến

+

fc

BPF

w(t)
Tới A/D

f0~fc

BPF

A0

f1~fc

BPF

A1

CCI

ACI

fN~fc
zN (t)

BPF

AN

Hình 1.10 Mô hình kênh liên tục truyền dẫn tín hiệu số [1]
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




25
Trên hình 1.10, tín hiệu hữu ích của hệ thống đang xét là s(t) từ lối ra
bộ điều chế đƣợc lọc thông dải bởi bộ lọc phát với hàm truyền mạch lọc HT(f)
có tần số trung tâm fc nhằm mục đích tạo dạng xung (pulse shaping) và chia
sẻ băng tần. Sau khi đƣợc khuếch đại công suất bởi HPA nhằm bù đắp tổn hao
gây bởi kênh, tín hiệu đƣợc đƣa qua kênh vô tuyến tới đầu thu. Bộ lọc thu có
hàm truyền HR(f) có nhiệm vụ của bộ lọc phối hợp nhằm lọc tạp nhiễu tới
mức tối đa mà không gây méo nghiêm trọng tín hiệu. Tín hiệu sau lọc sẽ đƣợc
đƣa tới bộ giải điều chế nhằm loại bỏ tần số sóng mang và biến đổi A/D (lấy
mẫu và quyết định theo ngƣỡng).
Ngoài sai lệch sóng mang và đồng hồ giữa bộ giải điều chế và bộ điều
chế, các yếu tố cơ bản của kênh tác động tới chất lƣợng hệ thống bao gồm:
+ Méo tuyến tính:
Gây bởi các phần tử tuyến tính trên kênh, bao gồm các mạch lọc phát,
thu và kênh vô tuyến. Hàm truyền tổng cộng của cả hệ thống H(f) là:

H(f) = HT(f)Hc(f)HR(f) (1.16) Nếu đáp ứng xung
tổng cộng của toàn hệ thống h(t) = F-1[H(f)] không
thỏa mãn tiêu chuẩn truyền không có ISI (tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất) thì ISI
sẽ sinh ra sau lấy mẫu trong bộ giải điều chế, có thể gây méo lớn tín hiệu, làm
giảm trầm trọng chất lƣợng của hệ thống, thậm chí gián đoạn liên lạc.
+ Méo phi tuyến:
Chủ yếu gây bởi HPA phi tuyến. Do kẹp giữa các bộ lọc phát và thu,
HPA sẽ làm thay đổi đặc tính của toàn hệ thống và vì vậy ngay cả khi hàm
truyền tổng cộng của cả hệ thống H(f) là lý tƣởng (đáp ứng xung h(t) thỏa
mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất), ISI cũng sinh ra. Tín hiệu có thể bị méo
lớn, dẫn đến suy giảm trầm trọng chất lƣợng hệ thống.
+ Các loại nhiễu chính:
Trên kênh vô tuyến, tín hiệu có thể bị nhiễu đồng kênh CCI
(CoChannel Interference) từ các hệ thống khác có tần số gần hoặc bằng tần số
công tác fc. Mặt khác, hệ thống cũng có thể bị nhiễu cận kênh ACI (Adjacent
Channel Interference) từ các hệ thống có tần số công tác khác fc song có bức
xạ ngoài băng của chúng lọt vào băng thông W của hệ thống đang xét đủ lớn
để gây nhiễu đáng kể. Các loại nhiễu này, cùng với tạp âm từ máy thu quy ra
đầu vào ở dạng mô hình AWGN, đƣợc cộng với tín hiệu thu đƣợc và có thể
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




26
làm chất lƣợng hệ thống giảm tới mức không thể chấp nhận đƣợc. Do vậy,
các biện pháp chống nhiễu nhất thiết phải đƣợc áp dụng nhằm làm giảm công
suất nhiễu thu đƣợc. Các biện pháp chống nhiễu nhƣ thế đƣợc mô hình hóa
chúng trên hình 1.10 bằng các khối gây tổn hao đối với các loại nhiễu với các
lƣợng tiêu hao khác nhau A0, A1,…, AN tùy thuộc vào biện pháp cụ thể.

Trong luận văn này, chúng ta sẽ tập trung đi sâu nghiên cứu các tác
động của các loại méo cũng nhƣ các biện pháp khắc phục méo chủ yếu. Các
vấn đề đó sẽ đƣợc trình bày chi tiết trong các chƣơng sau của luận văn.
1.4 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ASTRAS
Phần mềm mô phỏng đƣợc sử dụng để mô phỏng kiểm chứng một số
nội dung trong luận văn là gói phần mềm ASTRAS (Analog Simulation of
TRAnsmission Systems).
ASTRAS đƣợc soạn thảo và phát triển trong quá trình nghiên cứu và
đào tạo nhiều năm tại Bộ môn thông tin sóng cực ngắn, Đại học kỹ thuật
Budapest, Hungary, dƣới sự lãnh đạo và giám sát của giáo sƣ, tiến sĩ khoa
học Frigyes István. Gói chƣơng trình này đã đƣợc công bố tại các tạp chí và
các hội nghị khoa học quốc tế chuyên về kỹ thuật mô phỏng các hệ thống
thông tin, và là tài sản thuộc Uỷ ban phát triển kỹ thuật quốc gia Hungary. Độ
chính xác của ASTRAS đã đƣợc kiểm nghiệm bằng cách so sánh một số kết
quả mô phỏng với các kết quả đo thử thực tế hoặc so sánh với các kết quả đã
đƣợc công bố trên các tạp chí, tài liệu khoa học quốc tế trong suốt quá trình
sử dụng và phát triển [7]. Ở Việt Nam, ASTRAS cũng đã đƣợc sử dụng nhƣ
một công cụ trong nghiên cứu và đào tạo tại Học viện kỹ thuật quân sự và một
vài cơ sở đào tạo khác [3].
Số liệu đầu vào (số liệu của hệ thống cần mô phỏng)

QINPUT

ASTRAS-QL
PE(R) PE(R+I)

Signature

ASTRAS-NL
QA Method

MC Method

Hình 1.11 Kết cấu gói chƣơng trình ASTRAS
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




27
Phiên bản đầu tiên của ASTRAS đƣợc hoàn thành vào cuối những năm
80, đƣợc viết bằng ngôn ngữ Pascal, thoạt tiên đƣợc phát triển cho các ứng
dụng trên các máy tính cá nhân có năng lực tƣơng đối thấp (các máy PC loại
AT 286) với các nỗ lực cao nhất nhằm tiết kiệm bộ nhớ máy tính.
Gói chƣơng trình ASTRAS gồm 3 phần chính: QINPUT, ASTRAS-QL
và ASTRAS-NL nhƣ đƣợc thể hiện trên hình 1.11 [3].
Gói trình con QINPUT (Quick INPUT) đƣợc sử dụng để xác định và mô tả
cấu trúc của hệ thống cần mô phỏng cũng nhƣ để gán thông số của các khối
một cách nhanh chóng, trực quan và thuận tiện cho việc sửa đổi.
Séc-măng ASTRAS-QL đƣợc sử dụng để mô phỏng các hệ thống MQAM tuyến tính. Séc-măng này đƣợc dùng để đánh giá sơ bộ chất lƣợng của
các hệ thống M-QAM, trong đó đòi hỏi rất ngặt nghèo về độ tuyến tính. Khi
đƣợc giả định là hoàn toàn tuyến tính, hệ thống M-QAM có thể mô phỏng
đƣợc bằng ASTRAS-QL nhằm xem xét, đánh giá tác động của hàng loạt yếu
tố có ảnh hƣởng tốt lẫn xấu đến chất lƣợng của hệ thống. Kết quả mô phỏng
chính của ASTRAS-QL là đồ thị hàm số BER theo tỷ số tín/tạp (Eb/N0, trong
đó Eb là năng lƣợng của một bít, N0 là mật phổ một phía của tạp âm nhiệt
trắng chuẩn quy về lối vào máy thu), hoặc đồ thị BER PE(R+I) theo cả tỷ số
tín/tạp lẫn ISI (R là tỷ số tín/tạp, I là véc tơ ISI), hoặc đƣờng cong dấu ấn của
hệ thống (signature).
Séc-măng ASTRAS-NL đã đƣợc phát triển cho các trƣờng hợp tổng

quát hơn đối với các hệ thống phi tuyến. Kết quả mô phỏng của ASTRAS-NL
là mẫu mắt của tín hiệu thu đƣợc và BER của hệ thống đƣợc cho ở dạng bảng
và đồ thị, nhận đƣợc bằng cách sử dụng phƣơng pháp đánh giá xác suất lỗi
tựa giải tích (QA) hay phƣơng pháp Monte-Carlo (MC), tuỳ trƣờng hợp cụ
thể. Để có đƣợc cái nhìn sâu hơn về các tác động của méo phi tuyến trong các
hệ thống M-QAM, một vài chƣơng trình con đã đƣợc bổ sung trong những
phát triển gần đây nhất, cho phép hiển thị biểu đồ chòm tín hiệu thu, xác định
các tham số thống kê cũng nhƣ các hàm mật độ xác suất kinh nghiệm của ISI
đối với từng vị trí của tín hiệu M-QAM trên không gian tín hiệu... Các bộ
khuếch đại công suất phi tuyến trong các hệ thống, ngoài việc có thể mô tả
theo các mô hình khác nhau, cũng đã có thể mô tả đƣợc một cách chi tiết hơn,
phù hợp với các đặc tính thực tế đƣợc cung cấp bởi các nhà sản xuất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên