Nghiên cứu về dịch tần số và các phương pháp khắc phục trong hệ thống OFDM : Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử - viễn thông: 2 07 00

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ

N G U Y ỄN TH A NH HƯƠNG

N G H IÊ N C Ứ U V Ề D ỊC H T Ầ N s ố

VÀ

CÁC PHƯ Ơ NG PH Á P KHẮC PHỤC TR O N G H Ệ T H ốN G OFDM

C h u y c n n g à n h : K ỹ thuàt vô tuy ến đ iện tử và th ô n g tin liên lạc
M a so:
2 .0 7 .0 0

LUẬN VĂN THẠC s ĩ

NGƯỜI HU Ố N G D Ẫ N K H O A HỌC:

G S.T SK H PHAN ANH
ĐẠI HỌCQUỔC GIA HÀ NỘI
V! THuHGTIN.THƯ
ĨHuHGTiN.THƯV
TRUNGTÂM
VIỆN
No

' M Ô ÍA .9H -

Hà Nội - Năm 2003

MỤC LỤC

MỤC LỤC............................................................................................................................................1
Lời CẢM ƠN..........................................................................................................................................3
CÁC TƯVIẼT TẮT.................................................................................................................................4
LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................................................6
CHƯƠNG 1: MÔ HỈNH KÊNH v ồ TUYỂN........................................................................................... 7
1.1. Mô hình kênh trên quy mô lớn......................................................................................... 7
1.1.1. Kênh truyển lý tưởng............................................................................................... 7
1.1.2. Mô hình che khuất loga ch u ẩ n ..............................................................................8
1.2. Mô hình kênh trên quy mô n h ỏ ........................................................................................ 9
1.2.1. Hiệu ứng đa đ ư ờ n g ................................................................................................. 9
1.2.2. Kênh fading và phân loại kênh fa d in g ........................................................... 14
1.2.3. Các phân bố Rayleigh và R ice a n ................................................................... 16
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẾ HỆ THỐNG OFDM............................................................................ 18
2.1. Lịch sử hỉnh thành OFDM............................................................................................... 18
2.2. Cấu trúc hệ thống O FDM ............................................................................................... 19
2.2.1 Á nh xạ tín hiệu .........................................................................................................21
2.2.2. Biến đổi IFFT/FFT................................................................................................. 22
2.2.3. Chèn và loại bỏ dải bảo v ệ .................................................................................. 23
2.2.4. Chuyển đ ổ ip h á ư th u ..............................................................................................25
2.3. Các ưu nhược điểm so với hệ đơn sóng m ang.......................................................... 26

2.3.1. Ưu điểm........................................................................................... 26
2.3.2. Nhược điểm .............................................................................................................28
CHƯƠNG 3: ĐỔNG Bộ VÀ CÁC KỸ THUẬT SỬA LỖI ĐÓNG BỘ................................................... 30
3.1. Giới thiệu chung về đồng b ộ ..........................................................................................30
3.1.1. Lỗi đổng bộ kỷ h iệu ............................................................................................ 30
3.1.2. Lỗi tạp âm pha và lỗi quay pha sóng m a n g ..................................................31

3.1.3. Lỗi tẩn s ố lấy m ẫ u ...............................................................................................32
3.1.4. Lỗi dịch tần s ố sóng mang (CFO ).................................................................. 33
3.2. C ác kỹ thuật đồng b ộ ................................................................................................... 36
3.2.1. Kỹ thuật đổng bộ s ử dụng tiền tố lặp C P .......................................................36
3.2.2. Kỹ thuật đổng bộ s ử dụng các ký hiệu huấn luyện đặc biệt..................... 39


2

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MLE (MAXIMUM LIKELIHOODESTIMATION)........43
4.1. ước lượng độ dịch

tần số qua kênh nhiễu cộng Gaussian (AWGN)................... 43

4.2. Kết lu ận ............................................................................................................................48

TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 50


3

LỜI CẢM ƠN

Trư ớc tiên, tôi xin b à y tỏ lòng biết ơn sâu sắc đ ến G S .T S K H P han A nh,
người đã tận tìn h h ư ớ n g dẫn tôi tro ng su ố t thời g ia n làm luận văn vừa qua. Tôi
c ũ n g xin c h â n th à n h c ả m ơn ThS. T rần C ao Q u y c n , người đ ã có n h iều ý kiến
g ó p ý cho tôi tro n g q u á trình làm lu ận văn. T ô i c ũ n g x in c h â n th à n h c ả m ơn
các thầy cô g iá o tro n g k h o a C ô n g n g hệ, Đ ại h ọ c Q u ố c gia H à N ộ i đ ã tạo m ọi
đ iều k iệ n h ọc tập và n g h iê n cứu cho tôi tro ng hai n ă m h ọ c vừa qua. T ôi cũ n g
x in gửi lời c ả m ơ n tới c ác b ạ n học, các đ ồ n g n g h iệ p v à g ia đ ìn h , tất cả m ọi

người dã g iú p đ ỡ tôi rất nhiều, đ ã đ ộ n g v iên v à d à n h thời g ian g iú p ch o tôi
h o à n thành b ả n lu ận văn này.
D o thời g ia n n g h iê n cứu có hạn và p hải tiếp c ận với m ộ t vấn đề còn m ới,
b ản lu ận văn k h ó trá n h kh ỏi có n h ữ ng thiếu sót. T ôi rất m o n g n h ận được sự
chỉ b ảo g ó p ý c ủ a m ọi người.
H à N ộ i, th á n g 6 n ă m 2 003
N guyỗn T hanh Hương


4

CAC TU M E T TA T
A /D

A n a lo g to D igital

A SD L

A s y m m e tr ic Digital S u b crib c r L ine

AWGN

A d d itiv e W h ite G au ssian N o ise

BER

Bit E rro r R ate

CDMA

C o d e D iv isio n M u ltip le A ccess

CFO

C a rrie r fre q u e n c y offset

CP

C y c lic P refix

D /A

D ig ital to A n alo g

D A B /D V B

D igital A u d io B ro ad cast/ D igital V id e o B ro ad cast

DFT

D is c re te F o u rie r T ran sfo rm

D S -C D M A

D ire c t S eq u en ce C ode D iv isio n M u ltip le A c c e s s

FDM A

F r e q u e n c y D ivisio n M u ltip le A ccess

FFT

F ast F o u rie r T ra n sfo rm

GI

G u a rd Interval

ICI

In te rC a rrie r In te rfere n ce

IFFT

In v e rs e Fast F o u rier T ra n s fo rm

ISI

In te rS y m b o l In te rfe re n c e

LOS

L in e -o f-s ig h t

LPF

L o w P ass F ilter

MAP

M a x im u m A P osterio ri P ro b ab ility

M C -C D M A

M u ltic a r r ie r C ode D iv ision M u ltip le A ccess

M LE

M a x im u m lik e lih o o d E s tim a tio n

OFDM

O r th o g o n a l F re q u e n c y D ivisio n M u ltip le x in g

P/S

P a ra lle l to Serial

PAPR

P e a k to A v e ra g e P o w er R atio

PN

P s e u d o -n o is e


5

S/P

Serial to Parallel

SLM

S elected M a p p in g

SN R

S ig n al-lo -n o ise R atio

WLAN

W ire le ss L o c al A rea N e tw o rk


6

LỜI NÓI ĐẦU
N g à y n ay , nh u c ầu tích hợ p các d ịch vụ n h ư thoại, h ìn h ảnh, d ữ liệu, hội
n g h ị tru y ề n h ìn h , tru y n h ậ p In tern et k h ô n g dây... tăn g rất n h a n h . H o n nữa,
n h ằ m đ áp ứng c h o k h á c h h à n g về sự tiện d ụ n g và k h ả n ă n g di c h u y ể n thì cũ n g
c ầ n dựa vào n h ữ n g ưu đ iể m c ủ a th ô n g tin di đ ộ n g tố c độ cao. V ì vậy, th ô n g tin
vô tu y ến di đ ộ n g tốc độ cao được x em n h ư c h ia k h ó a cho vấn đ ề trên.
N g u y ê n lý c ủ a O F D M đ ã được đề c ập đ ến vào k h o ả n g n ă m 1966. K ỹ
th u ậ t n ày đ ư ợ c sử d ụ n g đ ầu tiên trong m ộ t s ố h ệ th ố n g q u ân sự tần số cao như
K I N E P L E X , A N D E F T & K A T H R Y N . N ă m 1971, W e in s te in & E b e rt đ ã áp
d ụ n g khai triể n F o u rie r rời rạc (D F T ) vào h ệ th ố n g tru y ề n d ữ liệu so n g song
tro n g q u á trình đ iều c h ế và giải đ iều chế. Sau đó, C im ini (1 9 8 5 ) đ ã đ ư a ra kỹ
th u ậ t O F D M ch o k ê n h di đ ộ n g số.

Sức lôi c u ố n c ủ a O F D M là ở h iệu suất phổ cao, ch ịu đư ợc ảnh hư ởng
c ủ a k ê n h fad in g , loại trừ được n h iễu xu ng ... tốt hơn rấ t n h iề u so với kỹ thuật
k ỹ thuật đơ n s ó n g m an g . T ừ n hữ ng ưu đ iể m trên, dễ n h ậ n th ấy O F D M rất
th ích h ợ p tro n g m ô i trư ờ ng fad in g nh iều tia (R a y le ig h ). O F D M là m ộ t trong
n h ữ n g lựa c h ọ n đ ầ y h ứ a hẹn đ ể đạt được tru y ề n d ẫ n tố c độ cao tro n g m ôi
trư ờ ng vô tu y ế n di đ ộ n g . V ới O F D M , sẽ có đ ư ợc h iệu q u ả b ă n g rộ n g do các
s ó n g m a n g phụ đư ợc g h é p c h ổ n g xcn k ẽ n h au . Tại nơi thu, bộ tư ơ n g q u a n có
th ể phân tá c h c á c só n g m a n g phụ vì c h ú n g có tính c h ấ t trực giao.
T u y n h iê n , vì tín h iệu O F D M n h ạ y c ả m với lỗi d ịc h tần s ố s ó n g m a n g
h ơ n so với h ệ s ó n g m a n g đơn ncn k h ó th iết lập đ ổ n g b ộ tần số ở nơi thu. Từ
đ iể m này , lu ận v ă n sẽ n g h iê n cứu chi tiết hơ n v ào v ấn đ ề đ ồ n g b ộ tần số ở hệ
th ố n g O F D M tro n g m ô i trư ờ ng vô tu y ến di đ ộ n g.


7

CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN
T h ô n g tin vô tu y ế n sử dụ n g k h o ả n g k h ô n g

g ian làm m ô i trư ờ n g tru y ền

dãn. P hía p h á t b ứ c x ạ c ác tín h iệu th ô n g tin b ằ n g só n g đ iệ n từ,

p h ía thu n h ận

s ó n g đ iện từ n ày q u a k h ô n g g ian và tách lấy tín h iệu gốc. C ăn c ứ th eo sự thay
đổ i k h o ả n g c á c h so với bước só ng có thể lạ m ch ia p h ạ m vi tính to án k ênh
tru y ề n th àn h hai loại n h ư sau:
- T ín h to án trên q u y m ô lớn (larg e-scale)
- T ín h to á n trên q u y m ô nhỏ (sm all-scale)

1.1. Mỏ hình kênh trên quy mô lớn
M ô h ìn h tín h to án d ự đ o án cư ờ n g độ tín h iệ u tru n g bìn h đối với m ộ t
k h o ả n g cách tu ỳ ý g iữ a nơi thu và nơi p h át rất có lợi tro ng việc ước lượng
p h ạ m vi v ù n g phủ só n g và được gọi là cá c m ô h ìn h tính to án q u y m ô lớn. Nó
đ ặ c tả cư ờng đ ộ tín h iệ u ở k h o ả n g cách rất lớn (h àn g k m ) g iữ a nơi thu và nơi
p h á t (h o ặc k h o ả n g c á c h n à y lớn g ấp hơn 40 lần bư ớ c s ó n g X).
M ộ t inô h ìn h k h á c d ù n g dể đặc tả sự d a o đ ộ n g liên tục c ủ a cư ờ n g đ ộ lín
hiệu thu ở k h o ả n g cách di c h u y ể n rất n g ắn (vài bước s ó n g ) h o ặ c tron g k h o ả n g
thời g ian tồn tại n g ắ n (cỡ vài giây) thì dược gọi là m ô h ìn h fa d in g h a y m ô hình
q u y m ô n h ỏ [1].

1.L1. Kênh truyền lý tưởng
K ên h tru y ề n lý tư ởng được x e m n h ư là tru y ề n s ó n g tro n g k h ô n g gian tự
do, là k ên h k h ô n g c h ịu tác đ ộ n g c ủ a p h ản xạ, tán xạ, n h iễ u x ạ ...T ru y ề n sóng
trên k cn h lý tư ở n g là d ạ n g tru y ền s ó n g cơ bản nhất. Q u a n hệ g iữ a c ô n g suất
th u và côn g su ấ t p h á t được m ô tả n h ư sau:


8

(1.1)
V ới Pr (d)

: c ô n g suất nơi thu tại k h o ả n g c á c h d

Pj

: c ô n g su ất n g u ồ n phát

G , , G r : h ệ s ố tăn g ích củ a an ten p h á t và a n ten thu
Ẳ

: bước só ng

d

: k h o ả n g c á c h giữa nơi thu v à nơi phát

L

: k íc h thư ớc vật ỉý củ a an len, là h ệ số m ấ t m á t c ủ a hệ, k h ô n g liên

q u a n đ ế n đ ư ờ n g truyền.

H ệ số m ất m á t trên đ ư ờ n g tru y ề n tính theo clB:

PL(dB) = 1o[log p. - log p 1= 10lo g ^- = -10 logl"-G-'-C
~ậ pr
l_(4^)2í/

(1.2)

1.1.2. M ỏ hìn h che k h u ấ t loga chuẩn
Suy h a o d ư ờ n g tru y ề n tăng th eo k h o ả n g c á c h v à th eo lần số. T ro n g
k h ô n g gian tự do thì su y h a o n à y tỷ lệ với b ìn h p h ư ơ n g k h o ả n g cách n h ư tro ng
c ô n g thứ c (1.1). N h ư n g d o c ác hiệu ứng về c h e k h u ấ t bởi c á c vật cản nên b iên
đ ộ tín h iệu Ihu đ ư ợ c sẽ th ă n g g ián g ng ẫu nhiên. Suy h a o th ay đ ổ i th eo k h o ả n g
c á c h k h ô n g ph ải là m ộ t g iá trị duy n h ấ t m à th ă n g g iá n g x u n g q u a n h m ộ t giá
trị tru n g b ình:

__
__
( ị\
PL(cl) = PL(d) + X ơ = PL(da) + 10» log — + X ơ
\ d o)
V ới

d0

: k h o ả n g c á c h c h u ẩ n từ l m - l k m tu ỳ th eo m ô h ìn h được c h ọ n

n

: h ệ s ố m ũ su y hao

xơ

: g iá trị n g ẫ u n h iê n p h ân b ố c h u ẩ n G a u ss, có p h ư ơ n g sai là ơ

(1.3)

T ro n g th ự c tế, các giá trị n và ơ th ư ờng tính đ ư ợ c b ằ n g p h ư ơ n g p h áp đệ
q u y tố i th iể u dự a trê n cơ sở m ộ t số k ế t q u ả đ o cụ thể; ơ thư ờn g có giá trị từ


9

6-lO dB . G iá trị PL(d0) thư ờ ng được tính th eo g iả thiết tru y ề n tro n g k h ô n g gian
tự do từ nơi p h á t đ ế n k h o ả n g c ách d 0 .

1.2. M ô hình kênh trên quy mỏ nhỏ
1.2.1. H iệ u ứng đa đường
T h ự c t ế q u a n sát kết q u ả đo trư ờ n g vô tu y ế n di đ ộ n g , độ lớn tín hiệu
th ă n g g ián g n h a n h v à dải th ă n g g iá n g lớn tro n g k h o ả n g tlìời g ian n h ỏ và
q u ãn g đ ư ờng d ịc h c h u y ể n n h ỏ (k h o ả n g 5 - 1 0 lần bước sóng).
- L a n tru y ề n q u y m ô n h ỏ g ây nên:
+ th a y đổi n h a n h độ lớn tín h iệu thu đư ợc
+ x u ấ t h iệ n đ iề u c h ế tẩn s ố n g ẫu n h iên do sự d ịch tần đ o p p ler
(k ết q u ả c ủ a c h u y c n đ ộ n g giữa n g u ồ n th u v à n g u ồ n ph át)
+ sự p h â n tán thời gian do việc tru y ề n đ a đ ư ờ n g có th ể d ẫ n đ ến
g ia o th o a giữa cá c k ý h iệu ISI.
- C ác y ếu tố g â y ản h h ư ở n g g ồ m có:
+ y ế u tố đ a đ ư ờng
+ y ế u tố tốc độ c h u y ể n đ ộ n g lư ơ ng đ ối c ủ a b ộ th u so với bộ p hát
+ y ế u tố độ rộ n g p hổ c ủ a tín h iệu
+ n g o à i ra cò n có ảnh h ư ở n g c ủ a y ếu tố m ô i trường...

1 .2 .1 .1 . D ịc h tầ n D o p p le r (d o p p le r sh ift)
N ế u tru y ề n só n g tro n g m ô i trư ờng vô tu y ến m à nơi p h á t và nơi thu lại
c h u y ể n đ ộ n g th ì k h i đó cò n phải x ét đ ế n h iệ n tư ợng d ịch tần dop pler.
G iả sử b ộ thu c h u y ể n đ ộ n g với vận tố c

V

từ X đ ế n Y k h o ả n g c á c h d.

N g u ồ n p h á t s ở đ ủ x a so với d, g ó c giữa p h ư ơ n g só n g tới với p h ư ơ n g c h u y ể n
đ ộ n g là 0 , thời g ia n di c h u y ể n h ế t k h o ả n g c á c h d là Àt . G iả sử n g u ồ n p h á t ở
rất xa, có thể coi 0 tại X và Y là n h ư nhau .

—

H ì n h ỉ .1 M i n h h o ạ t í n h t o á n ¡liệu ứ n g d o p p l e r

H iệu đ ư ờ n g tru y ề n s ó n g tại X, Y là:
A/ = cl c o s 0 = vầt cos 0

(1.4)

Sự lệch p h a c ủ a tín h iệ u nhận:
(1.5)

(1.6)
D ịch tần n à y phụ th u ộ c v ào tốc độ c h u y ể n đ ộ n g V, p h ư ơ n g c ủ a v e c lơ vận tốc
với p h ư ơ n g só n g tới và tần số só ng tới.

V í du:
M á y p h á t có tần s ố f là 1850 M H z, m á y thu c h u y ể n đ ộ n g với vận tốc là
60 m ph thì tần s ố fnhận n h ậ n được trong m ộ t số trư ờ n g h ợ p là:
a) T rư ờ n g hợ p m á y th u c h u y ể n đ ộ n g th ẳ n g đ ến m á y p h á t:
X = c /f = ( 3 .1 0 8)/( 1 8 5 0 .106) = 0 ,1 6 2 m
V = 6 0 m p h = 2 6 ,8 2 m p s
co s 0° = 1
U n = f + fd = 1 8 5 0.1 06 + 2 6 ,8 2 /0 ,1 6 2 = 1850, 0 0 0 1 6 M H z


b) T rư ờ n g hợp m á y thu c h u y ển đ ộ n g ra xa m á y p h á t:
cos 180° = -1
fnhận = f - fd = 18 5 0 .1 0 6 - 2 6 ,8 2 /0 ,1 6 2 = 1849, 9 9 9 8 3 4 M H z

c) T rư ờ n g hợp m á y th u ch u y ể n đ ộ n g v u ô n g g ó c với p h ư ơ n g só n g tới:
cos 90° = 0 nên k h ô n g có d ịch tần d o p p le r n ên fnhạn = f = 1850 M H z

1 .2 .1 .2 . M ô h ìn h đ á p ứng x u n g của kên h đa đư ờ ng
C ác b iến th iê n q u y m ô nhỏ c ủ a m ộ t tín h iệ u vô lu y ến di đ ộ n g có thể
liên q u a n trực tiếp với đ áp ứ n g x u n g củ a kênh. Đ á p ứng x u n g là m ộ t h à m đặc
trư ng biểu thị tín h ch ất c ủ a kênh, nó chứ a các th ô n g tin cần thiết đ ể m ô p h ỏ n g
hay phàn tích q u á trìn h tru y ề n só n g vô tu y ến q u a kênh.
G iả s ử có m ộ t m á y thu ch u y ể n đ ộ n g với m ộ t vận l ố c k h ô n g đ ổ i V nào
đó. Đ ối với m ộ t vị trí d c ố định, k ê n h giữ a m á y p h át và m á y thu có thổ m ô
h ình h oá n h ư m ộ t h ệ tu y ế n tính bất b iến theo thời gian. T u y n h iên , do có các
s ó n g c ủ a n h iề u đ ư ờ n g tru y ề n k h á c n h a u , các só n g n ày có s ự trễ khi tru yền , sự
trễ n ày th a y đổi tuỳ th u ộ c vào k h ô n g g ian c ủ a m á y thu, m à đ á p ứ ng x u n g củ a
các k ê n h tu y ế n tín h b ấ t b iến theo thời g ian sẽ ph ụ th u ộ c vào vị trí c ủ a m á y thu.
N h ư vậy, đ á p ứng x u n g c ủ a k ên h có thể đư ợc b iểu thị là m ộ t h à m thay đ ổ i
theo thời g ia n v à k h o ả n g c á c h h(d,t).
V ới d = vt, vì vận tốc có th ể được x e m là k h ô n g đổi tro n g m ộ t thời gian
n g ắn (h oặc m ộ t k h o ả n g cách n g ắn ), n cn chỉ xét đ á p ứng x u n g p h ụ th u ộ c theo
thời g ian h(t, x). Biến số t là các b iến thiên th eo thời g ian d o c h u y ể n đ ộ n g còn
I là đ ộ trễ c ủ a n h iều đ ư ờ ng tru y ề n củ a kênh đối với g iá trị c ố đ ịn h củ a l.
Gọi tín h iệu tru y ề n đi là x(l), tín h iệu n h ận y(t) đư ợc biểu thị n h ư là m ộ t
tích ch ậ p c ủ a x(t) với đ áp ứng x u n g c ủ a k ênh:

(1.7)


12

Đ ể th u ậ n tiện hơ n

C Ỉ10

việc tính toán, tiến h à n h rời rạc h o á trụ c trễ

T

của

đ áp ứ n g x u n g . K ế t q u ả tín h to án có [1]:
K ơ . r ) = X tf/('> O e x p l/ 2 /r/;r, ( 0 +t )]5{t - r,.(0)
/=0

(1-8)

V ớ i Ax = Tị - T0, q u y ước T0 = 0, T] = A t và Tị = i.ÀT, g iả sử k ên h có N
đ ư ờ n g th ì i c h ạ y từ 0 đến N - l . Đ á p ứng x u n g h b(t,x) là đ á p ứng x u n g củ a k ê n h
đối với tín h iệu b ă n g gốc. C ác thành p h ầ n a, (t,T) v à Tị(t) là các b iên độ thực và
các trễ d ư (e x c e s s d elay ) tư ơng ứng c á c th à n h p h ầ n th ứ i c ủ a n h iề u đư ờng
tru y ề n ở thờ i đ i ể m t. N h ư vậy, độ trễ dư cực đ ại c ủ a k ê n h sỗ b à n g N.ÀT.
Thành

p h ầ n p h a \l7ỉfcTl (t) + ệí(, , T)\ trong

tru y ề n ih e o k h ô n g

(1.8) là đ ộ d ịch p h a

d o sự

g ia n tự do củ a th àn h p h ầ n th ứ i c ủ a n h iề u đ ư ờ n g truyền,

c ộ n g với c á c d ịc h p h a bổ x u n g bất kỳ dược kể đ ến tro ng kênh . N ói chu ng ,
th à n h p h ầ n p h a n à y có thể được biểu d iễn bởi m ộ t b iến đơ n Gị(t,i). C òn thành
p h ần ỗ(.) là h à m x u n g đơ n vị.
T r o n g m ô h ìn h ho á củ a k ên h q u y m ô nhỏ, m ộ t th ô n g số c ũ n g hay được
q u an tâ m đến , g ọ i là b iên d ạ n g trễ c ô n g suất (p o w e r d e la y profile). T h ô n g số
n ày đ ư ợ c tìm b ằ n g c á c h lấy tru n g b in h theo k h ô n g gian c ủ a |/íft(í,r)|2q u a m ộ t
v ùn g c ụ c bộ [1]:
P ự - T ) * k \ h b(r, T)\ 2

(1.9)

T r o n g đ ó k là h ệ số k h u ế c h đại liên h ệ c ô n g s u ấ t p h á i tro n g x u n g th ử p(t)
với c ô n g su ất tổ n g c ộ n g thu được tron g m ộ t b iê n d ạ n g trỗ n h iề u đ ư ờ n g tru y ề n
(với p(t) g ầ n n h ư là m ộ t h à m delta: p(t) « ô(t - 1 )).

ỉ .2 .1 .3 . C á c th ô n g s ố c ủ a k ên h đ a đư ờ ng
T ừ b iê n d ạ n g trễ c ô n g suất m à su y ra đư ợc n h iề u th ô n g s ố c ủ a k ê n h đa
đ ư ờn g, liê n q u a n đ ế n đ ặc tín h p h â n tán thời gian c ủ a k ê n h có hai th ô n g số sau:


13

- Đ ộ t r ễ d ư tru n g b ìn h củ a k ê n h ( ĩ )
N ế u coi k ê n h đ a đ ư ờ n g c ó N đ ư ờ ng trễ, m ô i trư ờ n g c ó đ á p ứ n g
với trễ d ư

Tk

th ì đ ộ trễ d ư tru n g b ình là thời đ iể m

ak

, ứng

đ ầ u tiên c ủ a b ien d ạ n g trễ

c ô n g s u ấ t v à đư ợc đ ịn h nghĩa:
ẳ p (T* K
-

r = ij r —
É a*
k=ỉ

(1-10)

k=\

- Đ ộ trả i t r ễ r m s ( ƠT)
Đ ộ trải trễ rm s là căn bậc hai củ a m o m e n t h ư ớ n g tâ m b ậc hai củ a b iên
d ạ n g trễ c ô n g suất và dược đ ịn h nghĩa:

ơ r = yjĩ2 -

(r)2

(1.11)

M in h h o ạ đ ộ trải trễ rm s:

Nhiểu ISI

N-1 do
đađườn«

►
Trải tté
ans

H ìn h 7.2 T r ả i t r ễ dơ đ ư ờ n g

N g o à i ra, tư ơ n g lự vói cá c th ô n g số về độ trễ tro n g m iề n thời gian, đ ộ rộ n g
k ê n h k ết h ợ p (c o h e re n c e b a n d w id th ) đư ợc d ù n g để đ ặ c trư n g ch o k ê n h ở lĩnh
vực tầ n số.


14

- Đ ộ rộ n g k ê n h k ế t h ợ p ( Bc)
Đ ạ i lượng trải trễ rm s về p hư ơng d iện tần s ố sẽ ứng với m ộ t độ rộ n g
b ă n g tầ n đ ư ợ c gọi là độ rộ n g k ên h k ết hợp. N ó đư ợ c co i là m ộ t dải tần số đi
q ua k ên h có đ á p ứng tư ơ n g đối bằn g p hẳn g, h a y độ tư ơng q u a n c ủ a c ác đáp
ứng tần số tro n g d ải là lớn.
N ế u coi độ tư ơ ng q u an là 0,9 thì độ rộ n g k ê n h k ế t hợp:

c

—
50crr

(1.12)

N ếu coi độ tư ơng q u a n là 0,5 thì độ rộ n g k ên h kết hợp:

Sc“ —

5crr

(113)

T ấ t c ả c á c th ô n g số nêu trên d ù n g để m ô tả tín h c h ấ t k c n h tro n g vùng
cục bộ. L iê n q u a n đ ế n sự d ịc h c h u y ển tương đối g iữ a nơi p h á t và nơi thu còn
có th ô n g s ố k h á c là độ trải tần d o p p ler (d o p p le r sp read ) và thời g ian kết hợp.
- T r ả i tầ n d o p p le r và th ờ i g ia n kết hợp
Đ ộ trải d o p p le r B D là m ộ t thô ng số đ án h giá c ủ a sự m ở rộ n g phổ gây ra
bởi h iệ u ứ n g d o p p ler. P hổ m ở rộ ng n ày sẽ có c á c th àn h p h ầ n tro n g k h o ả n g từ
(f-fd) đ ế n (f+ fd) với fd đ ư ợc tính Iheo c ô n g thứ c (1.6).
T h ờ i g ian k ế t h ợ p T c là tính đối n g ẫu tro n g lĩn h vực thời g ian c ủ a độ
trải d op pler. Đ â y là hai đại lư ợng tỷ lệ n g h ịc h với nh au .
Tc * j Jm

(1 .1 4 )

f m là d ịc h c h u y ể n d o p p lc r cực đại cho bởi fm = v/x,

1.2.2. Kênh fadin g và phân loại kênh fading
F a d in g là h iệ n tư ợn g tín hiộu thu bị y ếu và bị th ã n g g iá n g tại nơi thu.
F a d in g q u y m ô n h ỏ ph ụ th u ộ c vào tính ch ất tín h iệu như: đ ộ rộ n g dải, ch u kỳ

15

lậ p lại, tính c h ấ t k ên h ..., nó được đ án h giá b ằn g đ ộ trải trễ rm s và trải tần
d o p p le r (do h iệ u ứng đ a đư ờ ng và c h u y ển đ ộ n g c ủ a bộ p h á t v à b ộ thu)

B ản g 1.1: P h â n loại k ênh fadin g

P h ân loại

M in h h o ạ

Đ ặ c đ iểm
- T rải tần đ o pp ler cao

ị

S ig n a l

- Thời g ian kết hợp n h ỏ hơn

k

1
H nnn

F a d in g
c h u kỳ ký hiệu
nhanh

4--------

F a d in g

- Sự b iến đ ổi của k ênh n h a n h

d o trải

hơn sự b iến đổi của tín hiệu

tần

1 ^

Ị
-

%

>

Bị. — *

fre q

- T rải tần d o p p ler thấp

d o p p le r

- T h ờ i g ian kết hợp lớn hơn chu
D o p p le r

F a d in g
kỳ ký h iệu

8,. -------- > :

-

châm

I S B 0 —*

4_

- Sự b iến đổ i củ a k ê n h c h ậ m

freq

h ơ n sự biến đổi của ký hiệu
- Đ ộ rộ n g b ăn g tần tín h iệ u n h ỏ
h ơ n đ ộ rộ n g b ăn g tần k c n h k ết

*k
r,ị
C h an n el

F a d in g
F a d in g

- T rải trễ thời gian n hỏ hơn chu

do

k ỳ ký h iệu
- Đ ộ rộ n g b ã n g tần tín h iệu lớn
F a d in g

g ia n

r—

---------

phẳng

Irễ thời

ị

1
íB ,
4

hợp

trải

...................
“^ S i g r ị a l
--------------- >

t

Channel

h ơ n độ rộ n g b ăng tần k ê n h k ết
chọn
hợp
lọc tần
- T rả i trễ thời gian lớn hơ n chu
số
k ỳ k ý hiệu

Signal

L

A

e,
B,

freq


16

Fading phẳng không làm méo ký hiệu, còn fading chọn lọc tần số thì
làm méo ký hiệu gây nên ISI. Thế nhưng nhược điểm này sẽ được khắc phục
trong hệ thống O FD M , chi tiết hơn được trình bày trong chương 2 của luận

văn này.

1.2.3. Các phán bô Rayleigh và Ricean

1.2.3.1. Phân bô'fading Rayleigh
Phân bố fading Rayleigh là mô tả thống kê sự thay đổi biên độ của tín
hiệu nhận được trong kênh fading phẳng, hay của một thành phần riêng rẽ.
Trong kênh này, không có thành phần nào nổi trội, gồm nhiều thành phần đa
đường, không có đường truyền nhìn thấy (LOS).
Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất là:
r

í

r 2 ''\N

0 < r < 00

0

(1.15)

r <0

Trong đó, r là độ lớn biên độ tín hiệu tại nơi thu, ơ2 là công suất Irung
bình của tín hiệu theo thời gian.
Phương sai của r:
ơ ) = £ ( r 2) - E 2( r ) = ị r 1p ( r ) d r = 0,4292cr

2

(1.16)

1.2.3.2. Phân b ố fading Rice an
Kênh truyền có fading Ricean xảy ra khi trên nền kênh Rayleigh có
thành phần nổi trội, thường đây là đường truyền nhìn thấy (LOS). Các phép
thống kê cho dạng hàm mật độ xác suất của biên độ nhận được như sau:
A >0 r >0

0

r <0

Với, A: biên độ đỉnh của thành phần trội
ỈQ : hàm Bessel loại 1, bậc 0

( 1 .1 7 )


17

Hàm phân bố Riccan thường diễn đạt qua thông số K
K(dB)

=10log(

/í ì

V 2ơ

(1 .1 8 )

J

Khi A = 0 thì K (dB ) = - 00 tương đương với phân bố Rayleigh
Tóm lại, vì nhiều lý do như trên mà việc truyền tin trong môi trường vô
tuyến là rất khó khăn, đặc biệt là thông tin tốc độ cao. Với những ưu điểm của
mình, O FD M đã khắc phục được các khó khăn trên. O FD M là hệ thống rất
phù hợp với m ôi trường này.

f ĐA! HOC

1RUNHTÂ:

¡loiỄ 1X7 1 0 «


18

C H Ư Ơ N G 2: T ổ N G Q U A N V Ể H Ệ T H O N G O F D M
O FD M là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, ở đây,
dòng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu có tốc độ thấp hơn
và chúng được truyền đổng thời trên các sóng mang con. O FD M vừa là một
kỹ thuật điều chế, cũng vừa là một kỹ thuật ghép kênh [4]. Do truyền tốc độ
thấp trên nhiều sóng mang nên chu kỳ một ký hiệu O FD M sẽ tăng và trải trễ
đa đường sẽ giảm. Nhiễu giữa các ký hiệu ISI sẽ bị triệt khi dùng các khoảng
bảo vệ thích họp trong m ỗi ký hiệu O FDM . Với nhiều ưu điểm nổi bật, hệ
thống O FD M đang ngày càng được triển khai rộng khắp trên thế giới.
2.1. L ịc h sử hìn h thành O F D M
Nguyên lý của O FDM đã dược đề cập đến vào khoảng năm 1966. Bắt

đầu từ việc Chang ở phòng thí nghiệm BellLab đưa ra bài báo viết về truyền
tín hiệu hạn băng trên nhiều sóng mang con. Bài báo này đã chứng minh rằng
có thể lách nhiễu ISI mà không cần tới các mạch lọc hoàn hảo. Các kết quả
này đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt cả trong giới học thuật và công
nghiệp. K ỹ thuật của Chang được sử dụng đầu tiên trong một số hệ thống quân
sự tần số cao như K IN E P LE X , A N D E FT & K A T H R Y N .
Năm 1967, Saltzberg đã phân tích các kết quả của Chang và gợi ý rằng
nhiễu xuyên kề là một hạn chế chính trong các hệ truyền thông song song.
Gợi ý quan trọng này đã định hướng cho nhiều nghiên cứu và thiết kế hệ nhằm
tránh ISI ...
Năm 1971, một bước ngoặt đã xảy ra, đánh dấu một bước phát triển
mới của hệ thống O FD M . Weinstein và Ebert đã áp dụng khai triển Fourier
rời rạc (DFT) có dùng thuật toán biến đổi Fourier nhanh FFT vào hệ thống
truyền dữ liệu song song trong quá trình điều chế và giải điều chế. Hai nhà
khoa học trẻ này còn đưa ra khái niệm khoảng bảo vệ G I, nghĩa là chèn vào
những đoạn trống trước khi truyền tín hiệu đi. G I có hai chức năng chính: triệt


19

ISI và khống chế ISI. Hầu hết các hệ thống O F D M ngày nay đều dựa trên cấu
trúc này.
Sau đó, C im ini (1985) đã đưa ra kỹ thuật O FD M cho kênh di động số.
Tiếp đến, năm 1989, Pelecl và Ruiz đã cải tiến và dùng tiền tố vòng CP. CP
giúp duy trì tính trực giao dù chất lượng kênh không tốt. Với những cải tiến
trên, hệ thống O FD M ngày nay đã được dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
như: D A B /D V B , ASD L và mạng vô tuyến cục bộ W L A N ...
Cấu trúc một hệ O FD M được mô tả như sau:

2.2. Cấu trú c hệ thống O F D M

Ý tưởng chính trong kỹ thuật O FD M là phân chia luồng dữ liệu trước
khi phát đi thành N nhánh dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi
luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau.
Ánh xạ tín hiệu thực chất là quá trinh điéu chế dữ liệu trên các sóng
mang con. Quá trình điều chế thực hiện trên cả pha và biên độ tạo thành các
veclơ phức.
Các vectơ phức này được điều chế ở dạng băng tần gốc bằng thuật toán
IFFT và sau đó được chuyển lại ihành các dữ liệu nối tiếp để truyền dẫn.
Dải bảo vệ được chèn vào giữa các ký hiệu để tránh ảnh hưởng của ISI
do truyền đa đường. Sau đó các ký hiệu rời rạc này lại được chuyển đổi sang
dạng analog băng tần gốc, qua bộ lọc thông thấp và điều chế sóng mang cao
tần để phát lên trên kênh vô tuyến.
Tại nơi thu tiến hành quá trình ngược lại với quá trình phát để tách lấy
tín hiệu thông tin gốc. Sử dụng bộ cân bằng đầu ra (One Tap Equalizer) nhằm
sửa lỗ i kcnh truyền. Hệ số đầu ra của bộ lọc được tính toán dựa trên thông tin
về kênh.


20

D ữ liệu n h ậ n

H ìn h 2.1 M ô hình hệ thông O F D M (Zou and Wu, 1995)


21

2.2.1 Ánh xạ tín hiệu
Ánh xạ tín hiệu thực chất là quá trình điều chế dữ liệu trên các sóng
mang con. Sau khi ra khỏi bộ biến đổi s/p, các nhánh dữ liệu con với tốc độ

bit thấp được đưa vào bộ điều chế để thực hiện điều chế M -Q A M . Đây là hệ
điều chế thực hiện điều chế đơn sóng mang thông thường trên các nhánh dữ
liệu con. K h i đó, các nhóm n bit (M = 2n) trên m ỗi nhánh con sẽ được tổ hợp
lại với nhau để thực hiện điều chế cả về pha và biên độ của một sóng mang
dùng trên các nhánh, kết quả thu được là các ký hiệu M -Q A M . Như vậy, mỗi
ký hiệu M -Q A M sẽ mang trên nó n bit dữ liệu ban đầu, và có thể được biểu
diễn bằng các vcctơ phức I - Q.
Hình 2.2 là một ví dụ điều chế 16 Q A M , nó ánh xạ 4 bit trên mỗi ký
hiệu.
■«1000

• 1001

• 101 (

« 1010'

• 1100

• 1101

• 1111

• t 110

«0100

«0101

«0111

«0 110

• con

• 0010
1

• 0000
É0001
1
-0.5
0

0.5

Hình 2.2 Giản đồ chòm sao c.ủa điều chế 16 QAM
ở nơi thu, véc tơ I - Q là được ánh xạ ngược lại thành các bit dữ liệu.
Trong quá trình truyền, tín hiệu sẽ chịu tác động của nhiễu và méo do nhiễu
nhiệt hay kênh không hoàn hảo... K h i đó các điểm trên mặt phẳng I - Q sẽ lại
nhoè đi. Bộ thu khi đó phải ước lượng được gần đúng nhất véc tơ truyền đi.
Lỗi sẽ xảy ra khi nhiễu vượt quá một nửa khoảng cách giữa các điểm trong
mặt phẳng I - Q, khi đó nó sẽ vượt qua ngưỡng quyết định.


22

------'-----T ------- '------- - ị ---- -—

\

i l l #
_
Q

-

I I ; #

0.S

M
0

>ề • r

'

1

ề*• • S

-

•0.5
-1

w
-1

w

m

:
-05

;

■w
\
ũ 0Ỉ \ I
Bién q u yế t đinh

I

Hình 2.3 Giản đồ chỏm tín hiệu của tín hiệu thu 16 QAM
2.2.2. Biến đổi IF FT IFFT
Vì thu hẹp các kênh trên miền tần số thì trên miền thời gian, các tín
hiệu được truyền đi bởi các kênh nhỏ sẽ bị chồng chéo lên nhau. Do đó các tín
hiệu này ycu cầu phải hoàn toàn trực giao với nhau trên miền tần số, vì nếu
chúng không trực giao với nhau thì chúng sẽ gây nhiễu cho nhau (nhiễu này
do phần năng lượng nằm ngoài băng thông của các kênh nhỏ kế cận nhau gây
ra). Do đó, phải có m ột phương thức biến đổi làm cho tín hiệu sau biến đổi ở
các kênh nhỏ là trực giao với nhau. Biến đổi Fourier thoả mãn điều này nên nó
được dùng trong O FD M và có thổ áp dụng biến đổi Fourier nhanh FFT để đơn
giản hoá việc tính toán. Nhờ việc sử dụng IFFT/FFT mà số lượng các phép
nhân phức giảm xuống nhiều, chỉ còn N/2 log2N phép nhân phức thay vì N
phép nhân phức của bộ D FT thông thường. M ô tả tín hiệu, tính toán quá trình
biến đổi tín hiệu sẽ được trình bày chi tiết hơn trong chương 4.
Sau khi điều chế sóng mang theo biên độ và pha của dữ liệu, các sóng

mang này đi tiếp đến bộ IFFT. Thông thường, số sóng mang con Ihực sự được


23

sử dụng thường nhỏ hơn kích thước của bộ IFFT ncn những đầu vào còn thiếu
sẽ được gán các giá trị bằng không. Tất cả những thao tác này được thực hiện
ở trong miền tần số. Biến đổi IFFT sẽ thực hiện phép biến đổi chuyển sang
miền thời gian và cho phép tiếp tục truyền tín hiệu đi.
Ở phía thu tiến hành quá trình ngược lại với quá trình phát, dùng FFT
để khôi phục tín hiệu. Hình 2.4 là sơ đồ minh hoạ cho bước biến đổi IFFT
trong quá trình phát.

Hình 2.4 Mô tả biến đổi IFFT

2.2.3. Chèn và loại bỏ dải bảo vệ
Với cùng một dải thông, ta thấy tốc độ của ký hiệu O FD M nhỏ hơn khi
truyền đơn sóng mang. V í dụ hệ đơn sóng mang dùng điều chế BPBK, tốc độ
ký hiệu bằng tốc độ bit trong khi O FD M chia dải thông thành N sóng mang
con vì vậy tốc độ ký hiệu nhỏ hơn N lần so với đơn sóng mang. Tốc độ ký
hiệu thấp khiến O F D M có tính kháng nhiễu cao so với ảnh hưởng của ISI do
truyền đa đường.


24

Những ảnh hưởng của ISI lên O FD M có thể được cải thiện hơn nữa khi
thêm vào các dải bảo vệ trước m ỗi ký hiệu. Dải bảo vệ được chọn sao cho nó
có khoảng thời gian kéo dài lớn hơn độ trải trễ cực đại gây ra bởi kênh truyền,
khi đó thành phần đa đường sẽ không làm nhiễu đến thành phần kế tiếp.

Dải bảo vệ chèn vào có thể là dải trống hoặc một ký hiệu đặc biệt. Tuy
nhiên khi chèn dải trống vào thì tuy tránh được hiện tượng ISI nhưng lại không
tránh được hiện tượng nhiễu xuyên giữa các sóng mang IC I [4]. V ì khi đó nếu
tín hiệu O FD M bị tác động bởi kênh fading thì khoảng trống này sẽ gây ra
hiện tượng mất tính tuần hoàn trong một số sóng mang con thành phần nên
tính trực giao giữa các sóng mang con trong một ký hiệu O FD M không còn
nữa, dẫn đến IC I tăng lên.
Để triệt ISI và tăng khả năng chống IC I thì dải bảo vệ chèn vào phải
được chọn sao cho nó lợi dụng được tính chất vòng của biến đổi Fourier. Tín
hiệu trong đoạn bảo vệ sẽ là bản sao của đoạn cuối ký hiệu O FD M . Do vậy
tính tuần hoàn của tín hiệu trong miền thời gian vẫn được duy trì và các sóng
mang trong miền tần số vẫn Irực giao, không còn ICI.

Hình 2.5 Chèn thêm dải bảo vệ