Kỹ thuật điều chế thích nghi cho hệ QAM OFDM luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 2 07 00

1

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.........................................................................................................................................8
Chương 1......................................................................................................................................10
ĐẶC TÍNH KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG.............................................................................10
1.1. Mở đầu........................................................................................................................... 10
1.2. Miền không gian.............................................................................................................12
1.3. Miền tần số.....................................................................................................................14
1.3.1. Điều chế tần số...................................................................................................14
1.3.2. Chọn lọc tần số...................................................................................................14
1.4. Miền thời gian................................................................................................................ 15
1.4.1. Trễ trội căn quân phương...................................................................................16
1.4.2. Trễ trội cực đại....................................................................................................16
1.4.3. Thời gian kết hợp (cohenrent time)....................................................................17
1.5.Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau.................................................... 17
1.5.1. Băng thông kết hợp (cohenrence bandwidth) và trải trễ căn quân phương.......17
1.5.2. Thời gian kết hợp và trải Doppler......................................................................18
1.6. Các loại fading phạm vi hẹp (small scale fading)..........................................................18
1.7. Phân bố Rayleigh và phân bố Rice [12].........................................................................20
1.7.1. Phân bố fading Rayleigh....................................................................................20
1.7.2 Phân bố fading Rice............................................................................................ 22
1.8. Các mô hình kênh trong miền thời gian và miền tần số.................................................23
1.8.1. Mô hình kênh trong miền thời gian....................................................................24
1.8.2. Mô hình kênh trong miền tần số.........................................................................26
1.9. Ảnh hưởng của thừa số K kênh Rice..............................................................................28
1.10. Kết luận........................................................................................................................ 31
Chương 2......................................................................................................................................33
KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO- OFDM...........33
2.1. Mở đầu........................................................................................................................... 33
2.2. Tính trực giao.................................................................................................................34

2.3. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM.............................................................................37
2.3.1. Mô tả toán học tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi IFFT và FFT......................37
2.3.2. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM..............................................................................38
2.2.2.1. Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song....................................................... 42
2.3.2.1. Tầng điều chế sóng mang con.........................................................................42
2.3.2.3. Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian..................................... 43
2.3.2.4. Tầng điều chế sóng mang RF..........................................................................44
2.4. Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM............................. 47
2.4.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM.....................................................................................47
2.4.2. Các thông số trong miền thời gian.....................................................................48
2.4.4. Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số.......................49
2.4.5. Dung lượng của hệ thống OFDM.......................................................................50
2.5. Các nhân tố ảnh hưởng của kênh fading lên hệ thống truyền dẫn OFDM và các giải
pháp khắc phục......................................................................................................................51
2.5.1. ISI và giải pháp khắc phục.................................................................................51
2.5.2 Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục........................................................56

Luận văn cao học


2

2.5.3

Cải thiện hiệu năng hệ th
AM
Adapting Multiple2.5.4
Giải pháp nâng cao hiệu
2.6
Kết luận ...................................................................................

Chương 3
.........................................
ƯỚC LƯỢNG KÊNH VÀ LÀM BẰNG KÊNH ..................................................................
3.1
Giới thiệu .................................................................................
3.2
Ước lượng kênh bằng PSAM ..................................................
3.2.1
Nội suy Gauss ................
3.2.2
Nội suy FFT....................
3.2.3
Nội suy Wienner ............
3.3
Kỹ thuật làm bằng đáp ứng kênh .............................................
3.3.1
Bộ làm bằng cưỡng bức k
3.3.2
Bộ làm bằng bình phươn
3.4
Kết luận ...................................................................................
Chương 4
.........................................
ĐIỀU CHẾ OFDM THÍCH NGHI........................................................................................
4.1
Giới thiệu .................................................................................
4.2
Mô hình hệ thống truyền dẫn điều chế thích nghi [8] .............
4.2.1
Khái niệm cơ bản về điều

4.2.2
Nguyên tắc xây dựng giả
4.3. Phân tích hoạt động của hệ thống AOFDM ...................................................................
4.3.1
Ước lượng kênh .............
4.3.2
Chọn các tham số cho qu
4.3.3
Báo hiệu hay tách sóng m
4.4. Các thuật toán thích nghi cho hệ thống AOFDM ..........................................................
4.4.1
Đặt vấn đề ......................
4.4.2
Thuật toán thích nghi the
4.4.2
Thuật toán thích nghi dựa
4.4.3
Thuật toán thích nghi dựa
4.5
Kết luận ...................................................................................
Chương 5
........................................
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN AOFDM........................................................
5.1
Giới thiệu ...............................................................................
5.2
Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi ...
5.2.1
Mô hình mô phỏng ........
5.2.2. Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng ......................................................

5.3
Chương trình mô phỏng .........................................................
5.3.1
Giao diện chương trình m
5.3.2
Các kết quả mô phỏng và
5.4
Đánh giá hiệu năng của các cơ chế thích nghi thông qua kết
5.5
Kết luận ..................................................................................
KẾT LUẬN ............................................................................................................................

Luận văn cao học


3

JPEG
AOFDM
AWGN
BER
bps
CCI
CF
CINR
CIR
COFDM
DAB
DAC
DC

DFT
DDS
DFE
DMT
DSP
DS
DVB
FEC
FFT
FIR
HDTV
HiperLAN2

ICI
IEEE802.11a
IEEE802.11b
IFFT
IMD
IQ
ISI

Luận văn cao học


4

LM-MSE
LOS
MIMO
MMSE

MPEG
M-PSK
MSE
OFDM
PAPR
PSD
PSAM
QAM
QoS
RC
RF
RMS
SF
SINR
SNR
UMTS
W-CDMA
WLAN
ZF

Luận văn cao học


5

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Các loại fading phạm vi hẹp...................................................................................... 19
Bảng 1.2. Các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gian.............32
Bảng 2.1. Mối quan hệ giữa các tham số OFDM................................................................... 49
Bảng 2.2 Mã hoá Gray các bit nhị phân.................................................................................... 61

Bảng 2.3 Tham số khoảng bảo vệ RC của IEEE 802.11a........................................................... 69

Bảng 4.1 Điều khiển mức điều chế dựa trên các mức SNR thu....................................... 90
Bảng 5.1 Thông số mô phỏng hệ thống OFDM thích nghi.............................................. 102
Bảng 5.2 Tham số BER điều khiển chuyển mức điều chế............................................... 117

Luận văn cao học


6

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Đặc tính kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời gian.................... 12
Hình 1.2 Phân bố mật độ xác suất Rayleigh theo độ lớn tín hiệu,............................................. 21
Hình 1.3 Phân bố xác suất Gauss 2 biến………………………………………………… 22
2

Hình 1.4 Phân bố mật độ xác suất Rice ,σ =1................................................................................ 23
Hình 1.5. Mô hình hồ sơ trễ công suất trung bình......................................................................... 26
Hình 1.6. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào tần số và RDS..................................... 29
Hình 1.7. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào K và tần số........................................... 29
Hình 1.8. Hàm truyền đạt của kênh khi RDS=30ns với các giá trị K khác nhau...................30
Hình 2.1 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang............................. 37
Hình 2.2 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng mang con......37
Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM......................................................................... 40
Hình 2.4. Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hoá Gray............................................................. 42
Hình 2.5. Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM........................................................................................ 42
Hình 2.6 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức............................................... 43
Hình 2.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số..........43
Hình 2.8. Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian......................................................... 44

Hình 2.9 Tín hiệu OFDM dịch DC................................................................................................... 45
Hình 2.10 Cấu trúc tín hiệu OFDM.................................................................................................. 46
Hình 2.11 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con............................ 48
Hình 2.12. Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM........................................................ 52
Hình 2.13. Cấu trúc chuỗi tín hiệu OFDM trong miền thời gian............................................... 52
Hình 2.14 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI.................................................................. 54
Hình 2.15 Hiệu quả của khoảng bảo vệ để loại bỏ ISI................................................................. 54
Hình 2.16 Nhiễu nền do ICI đối với số sóng mang con khác nhau........................................... 56
Hình 2.17 Ảnh hưởng của ICI tới tỷ lệ bit lỗi trên nhiễu............................................................. 57
Hình 2.18 Công suất ICI chuẩn hoá đối với tín hiệu OFDM...................................................... 58
Hình 2.19 Công suất ICI chuẩn hoá cho sóng mang con trung tâm.......................................... 59
Hình 2.20 Sơ đồ IQ điều chế 16-QAM và 16-PSK sử dụng mã hoá Gray.............................. 61
Hình 2.23 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser............................................................................ 64
Hình 2.24 Hình dạng cửa sổ Kaiser với β=10 và β=50................................................................ 64
Hình 2.25 Phổ của tín hiệu OFDM................................................................................................... 65
Hình 2.26 Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang và dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser..................65
Hình 2.27 Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang, dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser với β = 50 66
Hình 2.28 SNR của mỗi sóng mang con của tín hiệu OFDM khi sử dụng bộ lọc.................67

Luận văn cao học


7

Hình 2.29 Cấu trúc của khoảng bảo vệ RC [15]............................................................................ 68
Hình 2.30 Đường bao ký hiệu OFDM.............................................................................................. 69
Hình 2.31 Công suất nhánh phụ của tín hiệu OFDM................................................................... 70
Hình 2.32 Công suất nhánh phụ của tín hiệu OFDM 100 sóng mang con.............................. 70
Hình 2.33 Công suất nhánh phụ của tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ RC thay đổi.........71
Hình 3.1 Khuôn dạng khung truyền dẫn OFDM có gắn ký hiệu hoa tiêu............................... 73

Hình 3.2 Giải thuật FFT....................................................................................................................... 75
Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn................................................................................................. 78
Hình 3.4 Sơ đồ bộ làm bằng trung bình lỗi bình phương tuyến tính......................................... 80
Hình 4.1 Mô hình của hệ thống điều chế thích nghi..................................................................... 85
Hình 4.2 Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế thích nghi theo sơ đồ điều chế...................91
Hình 4.3 Mô hình thuật toán thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang............................... 96
Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán của khối quyết định........................................................................... 97
Hình 5.1 Mô hình mô phỏng hệ thống AOFDM......................................................................... 101
Hình 5.6 Đáp ứng xung của kênh.................................................................................................... 105

Luận văn cao học


8

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, kỹ thuật điều chế OFDM không ngừng được
nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm nổi bật của kỹ thuâtj
này trong việc tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại fading theo tần số cũng như
xuyên nhiễu băng hẹp. Việc xây dựng một hệ thống OFDM ít phức tạp hơn so với
mộ hệ thống đơn sóng mang cho cùng một kết quả truyền dẫn [16].
Cùng với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật chế tạo vi mạch tích hợp có thể
tạo ra các chip FFT có dung lượng lớn, gần đây OFDM đã được ứng dụng rộng rãi
trong các hệ thống thông tin thế hệ mới, OFDM là một ứng cử viên có triển vọng
nhất cho hệ thống thông tin di động 4G [17]. Yêu cầu đặt ra là nâng cao hiệu suất
phổ và tốc độ truyền dữ liệu của các hệ thống di động. Hiện nay các hệ thống
WLAN, HiperLAN 2, IEEE 802.11a, IEEE 802.11b và gần đây là Wimax dựa theo
IEEE 802.16a đã được triển khai thực tế và cung cấp tốc độ truyền dữ liệu rất cao.
Có thể tăng dung lượng và tốc độ của hệ thống OFDM bằng các phương pháp điều
chế thích nghi nhằm khai thác tối đa dung lượng của hệ thống OFDM trên các kênh

fading hẹp. Đến nay các nghiên cứu về OFDM thích nghi đã và đang được thực
hiện theo nhiều hướng khác nhau như: điều chế đa mức trên các sóng mang con,
thay đổi thích nghi các tham số OFDM, thích nghi theo mã . . .
Luận văn sẽ thực hiện phân tích hoạt động của một hệ thống OFDM thích
nghi, trên cơ sở phân tích sẽ thực hiện mô phỏng hệ thống OFDM thích nghi bằng
phần mềm mô phỏng Matlab, từ các kết quả mô phỏng có thể thấy được ưu nhược
điểm của một hệ thống OFDM thích nghi.
Luận văn gồm 5 chương:
Chương 1: Trình bày các đặc tính của kênh vô tuyến đi động
Chương 2: Nguyên lý hoạt động của OFDM
Trình bày nguyên lý chung nhất về OFDM, trình bày mô hình hệ thống, phân
tích các thông số đặc trưng của OFDM, phân tích các nhân tố ảnh hưởng của fading
lên hiệu năng của hệ thống truyền dẫn OFDM và giải pháp khắc phục.

Luận văn cao học


9

Chương 3: Ước lượng kênh và cân bằng kênh
Chương 4: Điều chế OFDM thích nghi
Trình bày nguyên lý điều chế thích nghi, vai trò của điều chế thích nghi, xây
dựng các giải pháp thích nghi cho truyền dẫn OFDM trong thông tin vô tuyến, phân
tích ưu nhược điểm của từng cơ chế thich nghi.
Chương 5: Mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi
Dựa trên các kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống truyền dẫn
OFDM thich nghi phục vụ cho mô phỏng. Tiến hành thiết kế các phần tử trong hệ
thống mô phỏng. Đánh giá các hệ thống dùng cơ chế thích nghi và không dùng cơ
chế thích nghi thông qua chất lượng ảnh ban đầu và ảnh truyền qua hệ thống
OFDM. So sánh hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng BPS giữa các hệ thống

này thông qua kết quả mô phỏng.

Luận văn cao học


10

Chương 1
ĐẶC TÍNH KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG
1.1. Mở đầu
Trong bất kỳ hệ thống truyền thông nào, sự hiểu biết về đường truyền để
thông qua đó nắm được hành trình của các tín hiệu truyền dẫn là cực kỳ quan trọng,
nhờ đó sẽ thiết kế được một hệ thống truyền dẫn tối ưu.
Trong thông tin vô tuyến, tín hiệu đi từ trạm gốc tới máy di động có thể gặp
phải vô số các hiện tượng không mong muốn, do là môi trường truyền sóng luôn
luôn thay đổi và không ổn định. Vì vậy, môi trường truyền sóng là một đặc thù riêng
của thông tin di động. Các đặc tính kênh vô tuyến di động có tầm quan trọng rất lớn,
vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng truyền dẫn.
Để thiết kế được các hệ thống vô tuyến các tính chất thống kê của kênh luôn
cần được đo kiểm và đánh giá một cách chi tiết và có hệ thống. Điều này là đặc biệt
quan trọng khi thiết kế mô phỏng các hệ thống vô tuyến sử dụng điều chế thích
nghi. Để đảm bảo hoạt động thích nghi đúng cần phải liên tục nhận được thông tin
về các tính chất thống kê ngắn hạn hoặc tức thời của kênh.
Các hiện tượng chủ yếu đặc trưng là:
 Suy hao đường truyền (path loss): biểu diễn tổn hao công suất khi truyền

dẫn tín hiệu. Thông thường suy hao nằm trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo
khoảng cách.[13]
 Che chắn (shadowing): Là hiện tượng gây ra do vật chắn cố định trên đường

truyền sóng. Nói cách khác, các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm
tín hiệu

Luận văn cao học


11

 Fading đa đường và phân tán thời gian: đặc trưng cho sự thăng giáng tín

hiệu tức thời do ảnh hưởng của sự tồn tại nhiều đường truyền, do sự chuyển động
của máy di động.
 Nhiễu: các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận khác

gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn. Đôi khi nhiễu được coi là tạp âm bổ sung.
Có thể phân các kênh vô tuyến thành hai loại: "fading phạm vi rộng" và "fading
phạm vi hẹp". Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất trung bình
thu được tại các khoảng cách cho trước so với máy phát. Đối với các khoảng cách
lớn (vài km), các mô hình truyền sóng phạm vi rộng được sử dụng. Fading phạm vi
rộng được biểu thị bằng tổn hao do truyền sóng khoảng cách xa. Fading phạm vi hẹp
mô tả sự thăng giáng nhanh sóng vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong
khoảng thời gian ngắn hay trên cự ly di chuyển ngắn. Fading trong trường hợp này
gây ra do truyền sóng đa đường [12].
Các kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi từ các
đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn nghiêm trọng đối với các vị trí khác
nhau. Hình 1.1(a) cho thấy trong miền không gian, một kênh có các đặc trưng khác
nhau tại các vị trí khác nhau. Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc không gian (hay
phân tập không gian) và fading tương ứng với nó là fading chọn lọc không gian.
Hình 1.1(b) cho thấy trong miền tần số, kênh có các đặc tính khác nhau tại các tần
số khác nhau. Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) và

fading tương ứng với nó là fading chọn lọc tần số. Hình 1.1(c) cho thấy rằng trong
miền thời gian, kênh có các đặc tính khác nhau tại các thời điểm khác nhau. Ta gọi
đặc tính này là tính chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian) và fading do nó gây
ra là fading phân tập thời gian. Dựa trên các đặc tính trên có thể phân chia fading
kênh thành: fading chọn lọc không gian (fading phân tập không gian), fading chọn
lọc tần số (fading phân tập tần số), fading chọn lọc thời gian (phân tập thời gian )

Luận văn cao học


12

Chương này sẽ xét các tính chất kênh trong miền không gian, thời gian và tần số,
phân tích các đặc tính của kênh vô tuyến để sử dụng chúng trong các giải thuật điều
chế thích nghi.

Hình 1.1 Đặc tính kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời gian

1.2. Miền không gian
Các thuộc tính trong miền không gian gồm: tổn hao đường truyền và chọn lọc
không gian. Tổn hao đường truyền thuộc loại fading phạm vi rộng còn chọn lọc
không gian thuộc loại fading phạm vi hẹp. Các mô hình truyền sóng truyền thống
đánh giá công suất thu trung bình tại một khoảng cách cho trước so với máy phát,
được gọi là đánh giá tổn hao đường truyền. Khi khoảng cách thay đổi trong phạm vi
một bước sóng, kênh thể hiện rõ các đặc tính ngẫu nhiên. Điều này được gọi là tính
chọn lọc không gian (hay phân tập không gian).
 Suy hao đường truyền

Giả thiết truyền dẫn vô tuyến được thực hiện từ một nguồn điểm tín hiệu. Suy
hao công suất theo khoảng cách đường truyền được tính bằng :

PL

Luận văn cao học

=


13

Trong đó:
PL: công suất suy hao.
d: khoảng cách từ nguồn đến điểm quan

sát. λ: bước sóng truyền dẫn
γ: hệ số suy giảm truyền sóng theo khoảng cách(γ=2 trong không gian tự do). Giá trị
thực tế của γ trong thông tin di động thường nằm trong khoảng từ 2-5, được xác định
dựa trên phương pháp bán thực nghiệm [6].
Từ lý thuyết và các kết quả đo lường cho thấy công suất thu trung bình giảm so
với khoảng cách theo hàm log đối với môi trường ngoài trời và trong nhà. Hơn nữa
tại mọi khoảng cách d, tổn hao đường truyền P L(d) tại một vị trí nhất định là quá
trình ngẫu nhiên và có phân bố loga chuẩn xung quanh một giá trị trung bình (phụ
thuộc vào khoảng cách). Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, có thể biểu diễn tổn hao
đường truyền P L(d) tại khoảng cách d như sau

P (d ) = P (d ) + X
L

Trong đó PL (d ) là tổn hao đường truyền trung bình phạm vị rộng đối với
khoảng cách phát thu d; X σ là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình không (đo

bằng dB) với lệch chuẩn σ (cũng đo bằng dB), d0 là khoảng cách tham chiếu giữa
máy phát và máy thu, n là mũ tổn hao đường truyền.
Chọn lọc thời gian: khi các đối tượng trong kênh vô tuyến không chuyển động
trong một khoảng thời gian cho trước và kênh được đặc trưng bởi fading phẳng đối
với một độ rộng băng tần cho trước, các thuộc tính kênh chỉ khác nhau tại các vị trí
khác nhau. Nói cách khác, fading đơn thuần là một hiện tượng trong miền thời gian
nó mang tính chọn lọc thời gian.

L


Luận văn cao học


14

Phương trình 1.2 cho thấy ảnh hưởng ngẫu nhiên xẩy ra do fading phạm vi hẹp
trong miền thời gian và thể hiện cho tính chọn lọc thời gian (phân tập thời gian). và
dung lượng hệ thống.

1.3. Miền tần số
Trong miền tần số, kênh bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố: điều chế tần số và chọn
lọc tần số.

1.3.1. Điều chế tần số
Điều chế tần số do hiệu ứng Doppler gây ra, khi có sự chuyển động tương đối
giữa máy thu và máy phát dẫn đến thay đổi tần số một cách ngẫu nhiên. Do chuyển
động tương đối giữa BTS và MS, các thành phần sóng đa đường bị dịch tần số. Dịch
tần số trong tần số thu do chuyển động tương đối này được gọi là dịch tần số
Doppler, nó tỷ lệ với tốc độ chuyển động, phương chuyển động của MS so với

phương sóng tới của thành phần sóng đa đường. Dịch Doppler B D có thể được biểu
diễn như sau [20]:
=

B
D

ν
λ

Trong đó ν là tốc độ của MS, λ là bước sóng, θ là góc giữa phương chuyển động của
MS và phương sóng tới, c là tốc độ ánh sáng và fc là tần số sóng mang.
Phương trình 1.3 cho thấy, nếu MS di chuyển về phía sóng tới dịch Doppler
là dương và tần số thu sẽ tăng, ngược lại nếu MS di chuyển rời xa sóng tới thì dịch
Doppler là âm và tần số thu được sẽ giảm. Vì thế các tín hiệu đa đường đến MS từ
các phương khác nhau sẽ làm tăng độ rộng băng tần tín hiệu. Khi ν hoặc θ thay đổi
dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler.

1.3.2. Chọn lọc tần số
Luận văn sẽ phân tích đặc tính chọn lọc tần số cùng với một thông số khác
trong miền tần số là băng thông kết hợp (coherent band width). Băng thông kết hợp

Luận văn cao học


15

là một số đo thống kê của dải tần số trên một kênh fading được coi là kênh fading
"phẳng" (là kênh trong đó tất cả các thành phần phổ được truyền qua có khuếch đại
như nhau và pha tuyến tính). Băng thông kết hợp cho ta dải tần trong đó các thành

phần tần số có biên độ tương quan. Băng thông kết hợp xác định kiểu fading xảy ra
trong kênh và vì thế có ý nghĩa quan trọng trong việc thích ứng các thông số điều
chế. Băng thông kết hợp tỷ lệ nghịch với trải trễ. Fading chọn lọc tần số rất khác với
fading phẳng. Trong cùng một kênh fading phẳng, tất cả các thành phần tần số
truyền qua băng thông kênh đều chịu cùng ảnh hưởng của fading. Ngược lại, fading
chọn lọc tần số (còn gọi là fading vi sai), một số đoạn phổ của tín hiệu qua kênh
fading bị ảnh hưởng nhiều hơn các phần khác, thể hiện rõ tính chọn lọc tần số của
kênh này. Nếu băng thông kết hợp kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần của tín hiệu được
truyền qua kênh này, thì tín hiệu này chịu ảnh hưởng của fading chọn lọc ( phân tập
tần số). Fading này sẽ làm méo tín hiệu.

1.4. Miền thời gian
Sự khác biệt giữa các kênh hữu tuyến và các kênh vô tuyến là kênh vô tuyến
thay đổi theo thời gian, nghĩa là fading chọn lọc thời gian. Có thể mô hình hóa kênh
vô tuyến di động như là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung đơn vị thay đổi theo
thời gian. Mô hình kênh truyền thống sử dụng mô hình đáp ứng xung đơn vị là một
mô hình trong miền thời gian. Có thể liên hệ quá trình thay đổi tín hiệu vô tuyến
phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng xung đơn vị của kênh vô tuyến di động. Nếu x(t)
là tín hiệu phát, y(t) là tín hiệu thu và h(t,τ) là đáp ứng xung đơn vị của kênh vô
tuyến đa đường phụ thuộc vào thời gian, thì tín hiệu thu là tích chập của tín hiệu
phát với đáp ứng xung của kênh, tính theo:
y(t) = ∞∫x(t)h(t, τ)dτ = x(t)∗ h(t, τ)
−∞

Trong đó t là biến thời gian, τ là trễ đa đường của kênh đối với một giá trị t cố định,
„*‟ là ký hiệu tích chập.

Luận văn cao học

16

Ảnh hưởng đa đường của kênh vô tuyến thường được biết đến ở dạng phân
tán thời gian hay trải trễ. Phân tán thời gian (tán thời) xảy ra khi một tín hiệu được
truyền từ anten phát đến anten thu qua hai hay nhiều đường có các độ dài khác nhau.
Một mặt tín hiệu này được truyền trực tiếp, mặt khác nó được truyền từ các đường
phản xạ khác nhau có độ dài khác nhau với các thời gian đến máy thu khác nhau. Vì
vậy tín hiệu tại anten thu chịu ảnh hưởng của tán thời này sẽ bị méo dạng. Khi thiết
kế và tối ưu hóa các hệ thống vô tuyến số để truyền số liệu tốc độ cao ta cần xét các
phản xạ này. Tán thời có thể được đặc trưng bởi trễ trội, trễ trội trung bình hay trễ
trội căn quân phương.

1.4.1. Trễ trội căn quân phương
Thông số thời gian quan trọng của tán thời là trải trễ căn quân phương RDS
(Root Mean Square Delay Spread): căn bậc hai mômen trung tâm của hồ sơ trễ công
suất PDF (power delay profile). RDS đặc trưng cho trải đa đường của kênh, vì thế
được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của can nhiễu giữa các ký hiệu (ISI).
___

__ 2

σ = τ2 − τ
τ



(1.5)

P (τ k )τ k

với

__

τ
k

Trong đó P(τk) là công suất trung bình đa đường tại thời điểm τk

1.4.2. Trễ trội cực đại
Trễ trội cực đại (XdB) của hồ sơ trễ công suất được định nghĩa là trễ thời
gian mà ở đó năng lượng đa đường giảm XdB so với năng lượng cực đại.

Luận văn cao học


17

1.4.3. Thời gian kết hợp (cohenrent time)
Thời gian kết hợp là thời gian mà ở đó kênh tương quan rất mạnh với biên độ
của tín hiệu thu, được ký hiệu là T c. Thời gian kết hợp xác định đặc tính "dừng" của
kênh. Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh trong khoảng thời gian kết hợp chịu
ảnh hưởng fading như nhau. Vì thế nhận được một kênh fading khá chậm. Các ký
hiệu khác nhau truyền qua kênh xét ngoài thời gian kết hợp sẽ bị ảnh hưởng fading
khác nhau. Khi này kênh fading khá nhanh. Như vậy dưới tác động của fading
nhanh, một số phần của ký hiệu tin sẽ chịu tác động fading lớn hơn các phần khác.
Luận văn sẽ nghiên cứu thuộc tính này để phát triển giải thuật điều chế thích nghi
của mình. Bằng cách thiết lập giá trị cho một thông số nhất định, sẽ nhận đựơc kênh
fading chậm thay vì kênh fading nhanh do vậy sẽ đạt được hiệu năng tốt hơn.

1.5.Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau
Các đặc tính của kênh và các thông số của kênh trong các miền khác nhau
không tồn tại độc lập mà có liên quan mật thiết với nhau. Một số thông số trong
miền này ảnh hưởng lên các đặc tính của miền khác. Sau đây ta sẽ xét một số mối
quan hệ điển hình.

1.5.1. Băng thông kết hợp (cohenrence bandwidth) và trải trễ căn quân
phương
Hồ sơ trễ công suất và đáp ứng tần số biên của kênh vô tuyến di động quan
hệ với nhau thông qua biến đổi Fourrier. Vì thế, có thể biểu diễn kênh trong miền tần
số bằng cách sử dụng các đặc tính đáp ứng tần số của nó. Tương tự như các thông số
trải trễ trong miền thời gian, ta có thể sử dụng băng thông kết hợp để đặc trưng cho
kênh trong miền tần số. Tuy trải trễ căn quân phương tỷ lệ nghịch với băng thông kết
hợp và ngược lại, song quan hệ chính xác của chúng là một hàm phụ thuộc vào cấu
trúc đa đường. Nếu ký hiệu băng thông kết hợp là B C và trải trễ căn quân phương là
στ, thì khi hàm tương quan đường bao lớn hơn 90%, băng thông kết hợp có quan hệ
sau đây với trải trễ căn quân phương [21]:

Luận văn cao học


18

BC ≈
Công thức (1.8) cho thấy hai thông số trên liên quan chặt chẽ với nhau, nên chỉ cần
xét một thông số trong quá trình thiết kế hệ thống.

1.5.2. Thời gian kết hợp và trải Doppler
Thời gian kết hợp chịu ảnh hưởng trực tiếp của dịch Doppler, là thông số
kênh trong miền thời gian và có tính đối ngẫu với trải Doppler. Trải Doppler và thời

gian kết hợp là hai thông số tỷ lệ nghịch với nhau.
T ≈
C

BD

Khi thiết kế hệ thống chỉ cần xét một trong hai thông số nói trên là đủ.

1.6. Các loại fading phạm vi hẹp (small scale fading)
Tuỳ vào quan hệ giữa các thông số tín hiệu (độ rộng băng tần, chu kỳ ký hiệu,
…) và các thông số kênh (trải trễ căn quân phương, trải Doppler, …), mà xác định
loại fading phạm vi hẹp dựa trên hai đặc tính: Trải trễ đa đường và fading chọn lọc
tần số. Trải trễ đa đường là một thông số trong miền thời gian, trong khi đó việc
kênh là fading phẳng hay chọn lọc tần số lại xét trong miền tần số. Vì thế thông số
miền thời gian, trải trễ đa đường, ảnh hưởng lên đặc tính kênh trong miền tần số.
Trải Doppler dẫn đến tán tần và fading chọn lọc thời gian, vì thế dựa vào trải
Doppler để phân loại fading phạm vi hẹp thành fading nhanh và fading chậm. Trải
Doppler là một thông số trong miền tần số trong khi đó hiện tượng kênh thay đổi
nhanh hay chậm lại thuộc miền thời gian. Vậy trong trường hợp này, trải Doppler,
thông số trong miền tần số, ảnh hưởng lên đặc tính kênh trong miền thời gian. Biết
được các quan hệ này sẽ trợ giúp trong quá trình thiết kế hệ thống.
Bảng 1.1: Liệt kê các loại fading phạm vi hẹp.

Luận văn cao học


19

Bảng 1.1. Các loại fading phạm vi hẹp
Cơ sở phân loại

Trải trễ đa đường
Trải Doppler
BS: độ rộng băng tần tín hiệu, BC: cho băng thông kết hợp, BD : trải Doppler,
T : chu kỳ ký hiệu và στ : trải trễ căn quân phương.

Nếu độ rộng băng thông kết hợp kênh lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng
tần tín hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị fading phẳng. Khi đó chu kỳ ký hiệu lớn hơn
nhiều so với trải trễ đa đường của kênh. Ngược lại, nếu độ rộng băng thông kết hợp
kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần tín hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị fading chọn lọc tần
số, vì vậy chu kỳ tín hiệu nhỏ hơn trải trễ đa đường kênh. Kết quả, tín hiệu thu bị
méo dạng gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI). Ngoài ra, việc lập mô hình
các kênh fading chọn lọc tần số phức tạp hơn nhiều so với lập mô hình kênh fading
phẳng, vì để lập mô hình cho kênh fading chọn lọc tần số phải sử dụng bộ lọc tuyến
tính. Vì thế ta cần cố gắng chuyển vào kênh fading phẳng cho tín hiệu truyền dẫn.
Tuy nhiên do không thể thay đổi trải trễ đa đường, nên chỉ có thể thiết kế chu kỳ ký
hiệu và độ rộng băng tần tín hiệu để đạt được kênh fading phẳng. Vì thế nếu cho
trước trải trễ, để cải thiện hiệu năng truyền dẫn, cần chọn giá trị chu kỳ ký hiệu
trong giải thuật điều chế thích ứng để đạt được kênh fading phẳng thay vì kênh
fading chọn lọc.
Dựa trên trải Doppler để phân loại kênh thành kênh fading nhanh và kênh
fading chậm. Nếu đáp ứng xung của kênh trong miền thời gian thay đổi nhanh trong
chu kỳ ký hiệu, nghĩa là nếu thời gian kết hợp kênh nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu của tín
hiệu phát, kênh sẽ gây ra fading nhanh đối với tín hiệu thu. Điều này sẽ dẫn đến méo
dạng tín hiệu. Nếu đáp ứng xung của kênh thay đổi với tốc độ chậm hơn nhiều so
với kí hiệu băng gốc phát, kênh sẽ gây ra fading chậm đối với tín hiệu thu. Trong

Luận văn cao học


20

trường hợp này kênh là dừng đối với một số chu kỳ ký hiệu. Tất nhiên ta muốn có
fading chậm vì nó hỗ trợ chất lượng truyền dẫn ổn định hơn. Ta không thể xác định
được dịnh Doppler khi thiết kế hệ thống. Vì thế, khi cho trước trải Doppler, ta cần
chọn độ rộng băng tần tín hiệu (băng thông sóng mang con) trong giải thuật điều chế
thích nghi để nhận được kênh fading chậm thay vì kênh fading nhanh. Như vậy sẽ
đạt được chất lượng truyền dẫn tốt hơn.

1.7. Phân bố Rayleigh và phân bố Rice [12]
Khi nghiên cứu các kênh vô tuyến di động, có hai phân bố được sử dụng phổ
biến là phân bố Rayleigh và phân bố Rice. Thường các phân bố Rayleigh và Rice
được sử dụng để mô tả tính chất thống kê không thay đổi theo thời gian của tín hiệu
fading phẳng.

1.7.1. Phân bố fading Rayleigh
Một kênh fading Rayleigh có thể được mô tả như một phân bố mà trong đó
các thành phần đa đường bao gồm các tổ hợp tuyến tính của một số đường không
thể phân biệt được và có các biên độ thay đổi. Một cách gần đúng, có thể coi phân
bố fading Rayleigh là phân bố đường bao của tổng hai tín hiệu phân bố Gauss vuông
góc. Các đường truyền sẽ được cộng lại như các vectơ ngẫu nhiên có giá trị trung
bình bằng không và pha được phân bố đều trong khoảng từ 0 đến 2П.
Hàm mật độ xác suất (PDF- Probability Density Function) của phân bố
fading Rayleigh được biểu diễn như sau:


p(r) = 



0,

Trong đó r là điện áp đường bao tín hiệu thu, σ là giá trị căn quân phương của
2

tín hiệu thu của từng thành phần Gauss, σ là công suất trung bình theo thời gian của
tín hiệu thu của từng thành phần Gauss.

Luận văn cao học


21

Giá trị trung bình, rtb, của phân bố Rayleigh:

Phương sai của phân bố Rayleigh, σ2r (thể hiện thành phần công suất xoay
chiều trong đường bao) được xác định như sau:
2

2

σ r = E [r

]− E[r]= ∫r

Hình 1.2 Phân bố mật độ xác suất Rayleigh theo độ lớn tín hiệu,
2

trường hợp σ =1
Trong phần trên có nói đến phân bố Gauss của các thành phần tín hiệu thu.
Hàm mật độ xác suất đa biến của phân bố Gauss được biểu diễn:

p

x

(x)=

(1.13)
là vector giá trị

Trong đó: x là vector ngẫu nhiên N chiều có phân bố Gauss, mx
trung bình của vector x, Cx là ma trận hiệp phương sai.


Luận văn cao học


22

Hàm phân bố Gauss một biến giá trị thực sẽ có dạng:

p x (x) =
2πσ

Hình 1.3 là đồ thị hàm phân bố Gauss cho vector hai chiều (Hàm phân bố xác suất
Gauss 2 biến)

Hình 1.3 Phân bố xác suất Gauss 2 biến

1.7.2 Phân bố fading Rice

Khi tín hiệu thu có thành phần ổn định (không bị fading) vượt trội, đường
truyền trực tiếp (LOS), phân bố đường bao fading phạm vi hẹp có dạng Rice [5].
Trong phân bố Rice, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến máy thu theo các góc
khác nhau và xếp chồng lên tín hiệu vượt trội này.
Phân bố Rice được biểu diễn như sau:


Luận văn cao học