Hệ thống OFDM và mô phỏng tín hiệu OFDM bằng MATLAB 2.doc

Chương 2 Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến
CHƯƠNG 2
CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
2.1 Giới thiệu chương
Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy
thu. Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền
theo tầm nhìn thẳng. Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thay
đổi. Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của
hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này.
2.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM
2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation)
Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình
truyền từ điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa
nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường. Hình 2.1 cho thấy một số nguyên nhân làm suy
giảm tín hiệu. Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thể làm suy giảm tín
hiệu.
Hình 2.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến
25
Chương 2 Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến
2.2.2 Hiệu ứng đa đường
• Rayleigh fading
Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các
vật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng
đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu
thu bị suy giảm. Hình 2.2 chỉ ra một số trường hợp mà tín hiệu đa đường có thể xảy
ra.
Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là nguyên nhân gây ra
nhiễu có cấu trúc hay không có cấu trúc. Điều này được tính trên các khoảng cách rất
ngắn (thông thường là một nửa khoảng cách sóng mang), vì vậy ở đây gọi là fading
nhanh. Mức thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi trong khoảng từ 10-30dB trên một
khoảng cách ngắn. Hình 2.3 mô tả các mức suy giảm khác nhau có thể xảy ra do

fading.
26
Đường
phản xạ
Đường đi
thẳng
Phát
Thu
Hình 2.2 Tín hiệu đa đường
Chương 2 Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến
Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của công suất tín
hiệu thu. Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading. Bảng 2.1 chỉ ra xác
suất của mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh.
• Fading lựa chọn tần số
Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do
có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu. Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa đường
của công suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tín hiệu
27
Mức tín hiệu
(dB) Xác suất của mức tín hiệu nhỏ hơn giá trị cho phép
(%) 10 99 0 50 -10 5 -200.5
-300.05
Bảng 2.1 Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh
Khoảng cách di chuyển
Mức tín hiệu (dB)
Hình 2.3 Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz)
Chương 2 Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến
thu do nhiễu.Toàn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng hẹp nếu không có
đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền.Có thể khắc phục bằng hai cách :
- Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như

CDMA nhằm giảm bớt suy hao.
- Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng
mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu
OFDM). Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phổ
xảy ra tại tất cả tần số sóng mang. Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng
mang bị mất. Thông tin trong các sóng mang bị mất có thể khôi phục bằng
cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC .
• Trải trễ (Delay Spread)
Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu
phản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm
hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn. Trải trễ là thời gian trễ giữa
tín hiệu đi thằng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu.
Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI. Điều này do tín
hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm
trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo
thời gian TDMA
28
Tín hiệu trực tiếp
Tín hiệu trễ
Tín hiệu thu được
Hình 2.4: Trải trể đa đường
Chương 2 Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến
Hình 2.4 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên kí tự. Khi tốc độ bit
truyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể. Ảnh
hưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time).
Bảng 2.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác
nhau. Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp xỉ là 20μs, do đó nhiễu liên kí tự
có thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps.
Nhiễu ISI có thể được tối thiểu hóa bằng nhiều cách:
• Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh ( như chia

băng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM).
• Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA.
2.2.3 Dịch Doppler
Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu
thu không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì
tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa
nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống. Đây gọi là hiệu ứng Doppler.
Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ
chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng. Độ dịch
Doppler có thể được tính theo công thức:
c
ff
o
ν
±≈∆
(2.1)

Trong đó
f∆
là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu
29
Bảng 2.2 Các giá trị trải trễ thông dụng
Môi trườngTrải trễChênh lệch quãng đường đi lớn nhất của tín hiệuTrong nhà40ns –
200ns12m – 60mBên ngoài1μs – 20μs300m – 6km
Chương 2 Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến

ν
là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát

o

f
là tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng.
Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải nếu như kỹ thuật truyền sóng lại nhiễu
với dịch tần số sóng mang (như OFDM chẳng hạn) hoặc là tốc độ tương đối giữa thu
và phát cao như trong trường hợp vệ tinh quay quanh trái đất quỹ đạo thấp.
2.2.4 Nhiễu AWGN
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là
nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (inter-
cellular interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên
sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion). Nhiễu này
làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống. Và thực tế là
tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được
lựa chọn.
Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách
chính xác bằng nhiễu trắng cộng. Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại
nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công
suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian. Theo
phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ
biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là
loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn.
Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các
thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động
trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu
này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI
30