Đồng bộ tín hiệu đa sóng mang dưới các tác động chuẩn dừng

Hình 2.10 Quan hệ công suất tín hiệu, ồn và nhiễu theo thời gian ký Hình 3.11 Tỉ lệ lỗi bít của hệ thống OFDM sử dụng phương pháp điều chế tự loại trừ ICI để đồng bộ tần số sóng mang H

đại học quốc gia hà nội

đại học quốc gia hà nội

danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

AWGN Additive White Gaussian Noise ồn Gauss trắng cộng tính

DPSK Differential Phase Shift Keying Điều chế dịch pha vi sai

DVB-T Digital Video

Broadcasting-Terrestrial

Truyền hình số mặt đất

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

IDFT Inverse Discrete Fourier

Transform

Biến đổi Fourier rời rạc ng−ợc

IF Intermediate Frequency Tần số trung tần

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

ngược nhanh

MMSE Minimum Mean Squared Error Lỗi bình phương trung bình

tối thiểu

MPSK M-ary Phase Shift Keying Điều chế dịch pha nhiều

mức

NLOS Non Line of Sight Không có đường nhìn thấy

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

riêng

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế dịch pha cầu phương

SNIR Signal to Noise plus Interference

Ratio

TØ lÖ tÝn hiÖu trªn ån céng nhiÔu

VLSI Very Large Scale Integration M¹ch tÝch hîp rÊt lín

WLAN Wireless Local Area Network M¹ng côc bé kh«ng d©y

WiMAX Worldwide Interoperability for

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Hình 2.10 Quan hệ công suất tín hiệu, ồn và nhiễu theo thời gian ký

Hình 3.11 Tỉ lệ lỗi bít của hệ thống OFDM sử dụng phương pháp

điều chế tự loại trừ ICI để đồng bộ tần số sóng mang

Hình 3.13 BER/SNR của phương pháp đồng bộ sử dụng bộ lọc

Hình 4.4 Chòm sao tín hiệu OFDM khi có lệch tần lớn (ε =0,1) với

được đồng bộ tần số sóng mang (với 3 thành phần đa

Hình 4.11 Lỗi thời gian ký hiệu ISI Chu kỳ ký hiệu được chọn sớm

h L

Hình 4.13 BER/Multipath delay ứng với các trường hợp điều chỉnh

Hình 4.14 Độ lệch chuẩn tần số sóng mang tăng theo độ trễ đa

Hình 4.16 Độ lệch chuẩn tần số sóng mang của phương pháp tiền tố

Hình 4.17 Chất lượng hệ thống thay đổi cho số thành phần đa đường

Hình 4.18 So sánh BER/multipath delay cho hai phương pháp tổng

Hình 4.19 BER/SNR khi truyền tín hiệu 16-QAM ứng với hai độ trễ

Hình 4.20 Chất lượng hệ thống thay đổi theo độ lớn của lệch tần

sóng mang : 0,12 và 0,3 khoảng cách sóng mang con

Hình 4.21 Chất lượng hệ thống thay đổi theo độ lớn của lệch tần

sóng mang : 0,12 và 0,3 khỏang cách sóng mang con

Hình 4.26 Độ lệch chuẩn tần số sóng mang cho phương pháp tiền tố

Hình 4.27 Ba mô hình biên độ cho độ lệch chuẩn tần số sóng mang

Hình 4.28 BER/Multipath delay của hệ thống đồng bộ bằng tiền tố

Hình 4.29 BER/SNR cho hệ thống sử dụng tiền tố vòng truyền thống

và tiền tố vòng mới là như nhau khi độ trễ đa đường nhỏ

Hình 4.30 BER/SNR cho hệ thống sử dụng tiền tố vòng mới cho chất

Mục lục

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Chương 1 – thông tin qua kênh vô tuyến

1.1 Đáp ứng xung của kênh đa đường

1.2 Các tham số của kênh đa đường di động

1.2.1 Các tham số phân tán theo thời gian

1.2.2 Độ rộng dải kết hợp

1.2.3 Trải Doppler và thời gian kết hợp

1.3 Các loại pha đing qui mô nhỏ

1.3.1 Pha đing do trải trễ đa đường

1.3.2 Pha đing do trải Doppler

Chương 2 - Truyền thông bằng OFDM

2.1 Lịch sử

2.2 Truyền dẫn đa sóng mang băng cơ bản

2.3 Truyền dẫn đa sóng mang thông dải

2.4 Vai trò của kênh và ảnh hưởng tới truyền dẫn đa sóng

2.5.3 ảnh hưởng của lỗi định thời ký hiệu

2.5.4 ảnh hưởng của các lỗi đồng hồ lấy mẫu

mang sử dụng tiền tố vòng

28282931

3434353638

3840434648

494950

50

55

3.3 Các phương pháp đồng bộ có sự hỗ trợ của ký hiệu huấn luyện

3.3.1 Đồng bộ tần số sóng mang bằng cách điều chế tự loại

trừ ICI 3.3.2 Đồng bộ tần số sóng mang có pilot sử dụng bộ lọc Kalman

3.4 Kết luận chương 3

Chương 4 - Nâng cao chất lượng của phương pháp

đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang sử dụng tiền tố vòng

4.1 Khắc phục ISI bằng cách chọn sớm thời gian ký hiệu một

khoảng thời gian bằng độ dài đáp ứng xung của kênh

70

787880838385

90909398100102103

mở đầu

Trong những năm gần đây, nhu cầu cho các ứng dụng cần độ rộng băng lớn như truyền dẫn tín hiệu truyền hình và thông tin tốc độ cao qua Internet đã làm nảy sinh vấn đề truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao cho nhiều người sử dụng riêng rẽ Việc truyền dẫn thông tin qua kênh vô tuyến có nhiều ưu điểm Với truyền hình số và phát thanh số, việc truyền dẫn vô tuyến cho phép nhiều người sử dụng nhận được tín hiệu phát Truyền dẫn số là một ưu thế lớn cho mạng cục bộ vô tuyến WLAN do nó cho phép sự di dộng của những người sử dụng, thông thường là trong một diện tích khá lớn Việc cấu hình lại các môi trường văn phòng có thể được thực hiện một cách đơn giản và rẻ hơn nhiều nếu việc nối dây cho mạng không cho phép thay đổi vị trí Điều này đặc biệt quan trọng trong các tòa nhà cũ vốn không được thiết kế cho việc bố trí các mạng máy tính Gần đây trên thế giới đã ứng dụng công nghệ WiMAX (Việt nam cũng có những thử nghiệm ban đầu), một kiểu mạng vô tuyến diện rộng WMAN, cho phép truyền kiểu LOS và NLOS

Môi trường vô tuyến là rất khắc nghiệt, các tín hiệu có thể sẽ phải chịu những thăng giáng rất mạnh do hiện tượng lan truyền đa đường Các hệ thống phải được thiết kế để chống lại các mất mát lớn do đa đường, pha đing chọn lọc tần số và độ phân tán đa đường lớn dẫn tới nhiễu giữa các ký hiệu ISI Việc cân bằng thích nghi cho một hệ thống đơn sóng mang có thể là rất phức tạp cho các kênh có trải trễ lớn so với chu kỳ ký hiệu Do vậy, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (cũng gọi là điều chế phân chia theo tần số trực giao) là một phương pháp hấp dẫn để chống lại trải trễ bằng việc truyền dẫn thông tin qua nhiều sóng mang con có tốc độ bit thấp Bằng việc mở rộng chu kỳ ký hiệu thông qua điều chế đa sóng mang và thêm vào một tiền tố vòng, nhiễu giữa các ký hiệu có thể được giảm hoặc loại trừ hoàn toàn

Khi một máy thu OFDM được nối nguồn, đầu tiên nó sẽ không được điều chỉnh chính xác đến tần số sóng mang của tín hiệu thu và nó cũng không biết

được thời gian bắt đầu của mỗi ký hiệu OFDM Hơn nữa, tốc độ lấy mẫu có thể không giống như tốc độ đã được sử dụng tại máy phát Do đó, trước khi thông tin có thể được khôi phục từ tín hiệu vô tuyến, máy thu phải làm việc ở chế độ thu đặc biệt Khi đó nó phải xác định tần số sóng mang, thời gian ký hiệu và tốc độ lấy mẫu Với một hệ thống thông tin vô tuyến, quá trình thu tín hiệu như thế xảy ra với mọi chùm số liệu do kênh đa đường thay đổi theo thời gian Với các hệ thống truyền dẫn ký hiệu OFDM liên tục như phát thanh và truyền hình số, việc bám tần số sóng mang và thời gian ký hiệu cũng phải

được thực hiện Việc xác định thời gian ký hiệu và độ lệch tần sóng mang như vậy nói chung được gọi là đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang

Từ khi OFDM bắt đầu được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin đến nay, vấn đề đồng bộ của nó đã được đặc biệt chú ý OFDM rất nhạy với các lỗi thời gian (thời gian lấy mẫu, thời gian ký hiệu) và lỗi tần số (sai lệch tần số sóng mang và dịch tần Doppler), đặc biệt là lỗi thời gian ký hiệu và lệch tần sóng mang, dịch tần Doppler Do vậy luận án sẽ tập trung nghiên cứu vấn đề

đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang Vần đề khắc phục ảnh hưởng của dịch tần Doppler không nằm trong phạm vi nghiên cứu của luận án này

Đã có rất nhiều những công trình nghiên cứu về đồng bộ cho OFDM [2-6], [11], [13], [17-19] v.v Các tác giả đã đề nghị khá nhiều giải pháp đồng độ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang và có thể được phân loại thành phương pháp đồng bộ có pilot và phương pháp đồng bộ mù Các phương pháp có pilot thường sử dụng ký hiệu huấn luyện để phát hiện thời gian ký hiệu và sau đó sử dụng tính chất tương quan vốn có của các ký hiệu huấn luyện để xác định độ lệch tần sóng mang Ngược lại các phương pháp mù vì không có ký hiệu huấn luyện nên các tham số của tín hiệu được sử dụng : J J van de Beek sử dụng tiền tố vòng của mỗi ký hiệu, Marco Luis xử lý phi tuyến tín hiệu sau FFT, J Armstrong sử dụng tính chất tự loại trừ nhiễu của tín hiệu.v.v Sau khi nghiên cứu tìm hiểu các phương pháp đó tác giả nhận thấy rằng :

- Các phương pháp đồng bộ mù có ưu điểm nổi bật là sử dụng băng thông hiệu quả hơn các phương pháp pilot nhưng lại có nhược điểm là hầu hết chỉ có thể

đồng bộ tần số sóng mang Hơn nữa, do tín hiệu là ngẫu nhiên dẫn tới các tham số của nó cũng là ngẫu nhiên và hệ quả là không thể tối ưu cho việc

đồng bộ Trong các phương pháp đồng bộ mù, chỉ có phương pháp của J J van de Beek là có thể đồng bộ đồng thời cả thời gian ký hiệu và tần số sóng mang

- Các phương pháp đề nghị giải pháp đồng bộ nhưng chưa đề cập nhiều đến vấn đề đa đường với độ trễ lớn và thay đổi theo thời gian Một giải pháp được

đề nghị nhằm sửa dạng ký hiệu OFDM để chống ISI [19] nhưng phức tạp và chưa khả thi

- Do đặc điểm của OFDM khá nhạy đối với các lỗi thời gian ký hiệu nên quá trình đồng bộ thời gian ký hiệu tương đối nghiêm ngặt và thường phải có hai giai đoạn : thô và tinh, nhằm mục đích chống ISI trong trường hợp thời gian bắt đầu ký hiệu xác định được rơi vào trong chu kỳ hữu ích của ký hiệu OFDM

Trên cơ sở :

- Mục tiêu của luận án là nghiên cứu vấn đề đồng bộ cho tín hiệu MCM (cụ thể là cho OFDM) trong điều kiện trải trễ của kênh thay

đổi theo thời gian

- Các khó khăn do đa đường gây ra cho việc khôi phục tín hiệu OFDM nói chung và đồng bộ thời gian ký hiệu, tần số sóng mang nói riêng vẫn còn tồn tại; nếu có hướng giải quyết thì vẫn chưa triệt

để và chưa khả thi [19]

Tác giả đề ra các mục tiêu chi tiết cho luận án như sau :

- Nghiên cứu đề xuất phương pháp đồng bộ chống được đa đường;

đồng bộ được cả tần số sóng mang và thời gian ký hiệu trong cùng một lần xử lý tín hiệu

- Nghiên cứu phương pháp chống ISI do đa đường [19], thay thế bằng giải pháp khác đơn giản và do vậy khả thi hơn

- Nghiên cứu đề xuất giải pháp nhằm giảm nhẹ độ phức tạp của quá trình đồng bộ đồng thời nâng cao chất lượng hệ thống trong điều kiện đa đường có độ trễ thay đổi theo thời gian

Cấu trúc của luận án

Chương 1 của luận án sẽ thảo luận về một vài tính chất của các kênh vô tuyến, đặc biệt là hiện tượng đa đường và ảnh hưởng của nó đến các ký hiệu OFDM và quá trình khôi phục dữ liệu Nó cũng sẽ bao gồm các mô hình kênh

được sử dụng trong khi phân tích, mô phỏng ở các chương tiếp theo của luận

án và giải thích tại sao các mô hình này được chọn

Chương 2 khảo sát vấn đề truyền thông bằng OFDM Nó sẽ xem xét sơ qua lịch sử ra đời của OFDM và thảo luận về việc sử dụng điều chế đa sóng mang ở băng cơ bản và băng thông dải Việc lựa chọn số sóng mang con và độ dài của tiền tố vòng cũng được xem xét, ảnh hưởng của các khiếm khuyết đến quá trình đồng bộ trong khi khôi phục dữ liệu từ ký hiệu OFDM cũng được giới thiệu

Chương 3 phân tích và mô phỏng một số phương pháp đồng bộ OFDM sử dụng ký hiệu huấn luyện và cả những phương pháp không cần sự hỗ trợ của tín hiệu huấn luyện (gọi là đồng bộ mù) Các phương pháp huấn luyện : điều chế tự loại trừ ICI, trong đó các cặp sóng mang con kề nhau chỉ mang một ký hiệu dữ liệu do vậy ICI do chúng gây ra sẽ tự loại trừ nhau Phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman với các ký hiệu huấn luyện gửi kèm theo dòng ký hiệu OFDM

Một trong các phương pháp đồng bộ mù là phương pháp xử lý phi tuyến sau FFT Với phương pháp này ký hiệu OFDM có được sau khi FFT được lấy giá trị tuyệt đối rồi lấy phi tuyến (lũy thừa) bậc ba, bậc bốn và được lấy tổng

để xác định độ lệch tần sóng mang Một phương pháp đồng bộ mù khác là phương pháp sử dụng tiền tố vòng : với phương pháp này tiêu chuẩn ML được

sử dụng và hàm tương quan của tiền tố vòng với phần cuối của mỗi ký hiệu

OFDM được tính để tìm ra giá trị cực đại Từ đó, thời gian ký hiệu và độ lệch tần sóng mang được xác định

Mỗi phương pháp nêu trên đều được phân tích và mô phỏng bằng chương trình chạy trong phần mềm MATAB, các ưu nhược điểm của mỗi phương pháp

được nêu rõ để tìm ra giải pháp khắc phục (được phân tích chi tiết trong chương 4)

Chương 4 nêu lên một số giải pháp đồng bộ nhằm khắc phục các nhược

điểm được nêu lên trong chương 3 Phương pháp chọn sớm thời gian ký hiệu nhằm mục đích đẩy thời gian bắt đầu ký hiệu vào trong tiền tố vòng để giảm ISI Phương pháp kết hợp đồng bộ thời gian ký hiệu bằng tiền tố vòng và đồng

bộ tần số sóng mang bằng điều chế tự loại trừ ICI để có thể đồng bộ đồng thời tần số sóng mang và thời gian ký hiệu, tận dụng được ưu điểm của cả hai phương pháp Phương pháp cuối cùng được giới thiệu là phương pháp sử dụng tiền tố vòng có cấu trúc mới Tiền tố vòng mới này có hai nửa với độ dài bằng nhau, phần thứ nhất lặp lại phần đầu của ký hiệu trước, phần thứ hai lặp lại phần cuối của chính ký hiệu đó Tiền tố này vẫn đảm bảo tính trực giao của sóng mang con trong điều kiện đa đường, đồng thời giảm nhẹ yêu cầu về độ chính xác của bộ đồng bộ thời gian ký hiệu Nó cho phép thời gian bắt đầu của một ký hiệu OFDM rơi vào phần đầu của mỗi ký hiệu OFDM mà không gây ra ISI

Phần cuối cùng là kết luận tổng hợp luận án cùng với sự tóm tắt các kết quả đã đạt được của luận án và các công việc trong tương lai

Mặc dù bản thân tôi đã hết sức cố gắng nhưng bản luận án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong và xin được cảm ơn các ý kiến đóng góp của các thầy giáo, các bạn đồng nghiệp và các nhà chuyên môn quan tâm tới

kỹ thuật truyền dẫn OFDM và vấn đề đồng bộ để hoàn chỉnh đề tài nghiên cứu này

chương 1 thông tin qua kênh vô tuyến

So với hệ hữu tuyến, truyền dẫn thông tin qua kênh vô tuyến luôn gặp phải nhiều khó khăn phức tạp hơn do trong môi trường truyền dẫn luôn tồn tại những vật cản tự nhiên và nhân tạo ảnh hưởng xấu đến sự lan truyền sóng Để truyền tin được tốt, ta phải xử lý tín hiệu thu, đặc biệt là phải biết các qui luật, tính chất sự truyền sóng trong kênh Chương này nêu lên một số khái niệm cơ bản về thông tin vô tuyến liên quan đến các phần tiếp theo

Có ba cơ chế cơ bản ảnh hưởng đến sự lan truyền tín hiệu trong một hệ thống thông tin vô tuyến [42]:

• Sự phản xạ xảy ra khi sóng điện từ lan truyền gặp một bề mặt bằng phẳng có kích thước rất lớn so với bước sóng của tín hiệu tần số vô tuyến

• Sự nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền vô tuyến giữa máy phát và máy thu

bị che khuất bởi một vật thể đặc có kích thước lớn so với bước sóng của tín hiệu, gây ra các sóng thứ cấp sau vật chắn Hiện tượng này giải thích cho sự lan truyền năng lượng tín hiệu tần số vô tuyến từ máy phát đến máy thu ngay cả khi không có LOS giữa chúng

• Sự tán xạ xảy ra khi sóng vô tuyến gặp một bề mặt ghồ ghề hoặc một bề mặt bất kỳ có kích thước cỡ bằng hoặc nhỏ hơn bước sóng, làm cho năng lượng bị phản xạ theo tất cả các hướng Trong môi trường thành thị, các vật chắn tạo nên sự tán xạ là các cột điện, cột đèn giao thông, tán lá cây.v.v

Do các hiện tượng nêu trên, một tín hiệu có thể đi từ máy phát đến máy thu theo nhiều đường phản xạ Hiện tượng này gọi là lan truyền đa đường, nó có thể gây ra sự thăng giáng biên độ, pha, góc tới của tín hiệu từ đó sinh ra pha

đing đa đường

Cũng theo [42], hai loại pha đing đặc trưng cho thông tin vô tuyến di động là pha đing qui mô lớn và pha đing qui mô nhỏ :

• Pha đing qui mô lớn là sự suy giảm công suất tín hiệu trung bình trên một vùng có diện tích lớn Pha đing qui mô lớn bao gồm suy hao do khoảng cách lan truyền, do sự hấp thụ năng lượng của các vật cản, vật che khuất trên đường lan truyền của tín hiệu

• Pha đing qui mô nhỏ là sự thay đổi rất mạnh biên độ và pha của tín hiệu Nguyên nhân gây ra pha đing qui mô nhỏ là sự thay đổi nhỏ (cỡ nửa bước sóng) của khoảng cách giữa máy thu và máy phát Pha đing qui mô nhỏ gồm : sự trải theo thời gian của tín hiệu (hoặc tán sắc tín hiệu) và sự thay đổi theo thời gian của kênh

Đặc biệt với hệ thống OFDM, sự trải trễ tín hiệu có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang gây nên hiện tượng ISI và ICI nếu không được khắc phục bằng các giải pháp hợp lý Mục tiêu của luận án là nghiên cứu vấn đề đồng bộ tín hiệu đa sóng mang dưới các tác động chuẩn dừng (quasi-stationary) (kênh không đổi trong thời gian của một hay nhiều ký hiệu OFDM), mà cụ thể là trong điều kiện trải trễ của tín hiệu (hay còn gọi là độ trễ đa đường) lớn và thay đổi theo thời gian Vì

lí do đó, nội dung chương này sẽ đề cập chi tiết pha đing qui mô nhỏ : vấn đề

đáp ứng xung của kênh đa đường sẽ được đề cập trước tiên, sau đó các tham

số của kênh đa đường di động như tham số phân tán theo thời gian, độ rộng dải kết hợp, trải Doppler và thời gian kết hợp được mô tả chi tiết, các dạng pha

đing qui mô nhỏ như pha đing phẳng, pha đing chọn lọc tần số; pha đing nhanh, pha đing chậm cũng sẽ được nêu lên Vấn đề phân bố hình bao tín hiệu cũng được xem xét Cuối cùng, ảnh hưởng của đa đường đến tín hiệu OFDM cùng với các dạng kênh được sử dụng trong mô phỏng của luận án cũng được xem xét Tác động trực tiếp của đa đường đến chất lượng đồng bộ tần số sóng mang và thời gian ký hiệu, hệ quả là làm suy giảm chất lượng hệ thống, sẽ

được phân tích kỹ hơn khi đề cập tới các phương pháp đồng bộ cụ thể ở chương 3 và chương 4

1.1 Đáp ứng xung của kênh đa đường

Đối với hầu hết các hệ thống thông tin vô tuyến, hiện tượng lan truyền đa

đường luôn gây ra nhiều hiệu ứng đáng kể Nhiều bản sao chép của tín hiệu phát có thể đến máy thu với thời gian trễ khác nhau và biên độ thay đổi do sự phản xạ hoặc tán xạ từ các bức tường, các tòa nhà hoặc từ mặt đất Để biểu diễn đáp ứng xung của kênh đa đường, người ta thường rời rạc hoá thời gian trễ đa đường τ của đáp ứng xung thành các đoạn bằng nhau với khoảng thời gian trễ của mỗi đoạn bằng τi+1 ưτi, trong đó τ0 =0 biểu diễn thành phần đến máy thu đầu tiên [35] Với i=0 thì τ1ưτ0 =∆τ Để thuận tiện, ta đặt τ0 =0,

do vậy τ1 =∆τ và τi = i∆τ với i=0 đến Nư1 N là tổng số thành phần đa

đường cách đều nhau khoảng thời gian ∆τ, bao gồm cả thành phần đến đầu tiên Như vậy, các tín hiệu đa đường thu được trong khoảng thời gian trễ thứ i

được biểu diễn bởi một thành phần đa đường duy nhất có độ trễ τ Kỹ thuật ilượng tử hoá độ trễ như thế này xác định độ phân giải trải trễ của mô hình kênh và dải tần của mô hình kênh là 2/∆τ Như vậy mô hình có thể sử dụng

để phân tích tín hiệu vô tuyến có độ rộng băng nhỏ hơn 2/∆τ Lưu ý rằng 0

0 =

τ là trải trễ của thành phần đầu tiên và độ trễ lan truyền từ máy phát đến máy thu được bỏ qua Độ trễ dư là độ trễ tương đối của thành phần thứ so với thành phần đầu tiên và là

i i

τ Trải trễ cực đại của kênh là N∆τ

Do tín hiệu thu được trong kênh đa đường được tạo nên từ nhiều bản sao chép của tín hiệu phát bị suy giảm, bị trễ thời gian và bị dịch pha nên đáp ứng xung băng cơ bản của kênh đa đường được biểu diễn như sau [35]:

))(()

,()

;(

N

i

i t

t f j i

)

;(t τ

h b

) (t1

ττ

) (t2

τ

Hình 1.1 Một ví dụ về mô hình đáp ứng xung thời gian

trong công thức (1.1) biểu diễn sự dịch pha do lan truyền trong không gian tự

do và các độ dịch pha khác có thể có trong kênh và thường được ký hiệu đơn giản là θi(t,τ) Hình 1.1 là một ví dụ về mô hình đáp ứng xung của kênh đa

)

i

i i

)()(t ≈ tδ ưτ

p để thăm dò kênh và xác định h b(τ)

Với mô hình kênh qui mô nhỏ, proflie trải trễ công suất (hay profile công suất) của kênh được xác định bằng cách lấy trung bình của h b(t;τ)2 qua những vùng diện tích nhỏ Bằng cách thực hiện một số phép đo h b(t;τ)2 ở những vị trí khác nhau, ta có thể xây dựng một hệ thống các profile trải trễ công suất, mỗi profile biễu diễn một trạng thái có thể có của kênh trên qui mô nhỏ Theo [35], profile trải trễ công suất được tính như sau :

2

)

;()

(τ k h t τ

P ≈ b (1.3)

Dấu gạch ngang trên công thức biểu diễn trung bình của nhiều phép đo

1.2 Các tham số của kênh đa đường di động

1.2.1 Các tham số phân tán theo thời gian

Để so sánh các kênh đa đường và giúp ích cho việc thiết kế hệ thống truyền tin vô tuyến chúng ta cần có các tham số mô tả định lượng gần đúng (grossly quantify) kênh đa đường Các tham số đó là độ trễ dư trung bình (mean excess delay), căn quân phương của trải trễ (rms delay spread), trải trễ dư (excess delay spread) và chúng có thể được xác định từ profile công suất Trong đó, các tính chất được sử dụng nhiều nhất là độ trễ dư trung bình (τ ) và căn quân phương của trải trễ (σ )(còn được gọi là trải trễ) τ

Độ trễ dư trung bình τ là mô men bậc một của profile công suất và được xác định như sau :

k k

k

k k

k k k

P

P a

a

)(

)(

2

2

τ

ττ

στ = ư (1.5) Trong đó :

k k

k k k k k

P

P a

a

)(

)

2

2 2 2

τ

τττ

τ (1.6)

Các độ trễ này được đo tương đối so với thành phần tín hiệu đến máy thu đầu tiên ứng với τ0 =0

c B

biện pháp chống đa đường, chủ yếu là bộ cân bằng thích nghi cho hệ thống

đơn sóng mang hoặc sử dụng kiểu điều chế đa sóng mang để hạ thấp tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang con

Nếu tín hiệu đòi hỏi độ rộng dải lớn hơn độ rộng dải kết hợp thì kênh truyền tín hiệu này được gọi là kênh chọn lọc tần số Với kênh này, có thể có

sự thay đổi đáng kể của đáp ứng tần số trên toàn bộ băng tần, và có thể có các không điểm trong đáp ứng tần số Tại các không điểm này, kênh làm suy giảm mạnh các thành phần phổ tần số tương ứng

1.2.3 Trải Doppler và thời gian kết hợp

Trải trễ và độ rộng dải kết hợp là các tham số mô tả tính chất phân tán theo thời gian do sự lan truyền đa đường Tuy nhiên, chúng không cung cấp thông tin về tính chất thay đổi theo thời gian của kênh do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu Trải Doppler và thời gian kết hợp là các tham số mô tả tính chất thay đổi theo thời gian của kênh ở qui mô nhỏ

Dịch tần Doppler được tính theo công thức đơn giản như sau :

λ

θcos

v

f d = (1.9)

ở đây v là tốc độ chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, λ là bước sóng của tín hiệu vô tuyến lan truyền, θ là góc hợp bởi hướng tới của thành phần đa đường và hướng chuyển động của máy thu

Dịch tần Doppler lớn nhất xảy ra khi |cosθ |=1 Định nghĩa dịch tần Doppler dương cực đại là f m

C

vf

f m = c (1.10) với C là tốc độ ánh sáng

Như vậy, khi một sóng sin có tần số được truyền đi thì phổ của tín hiệu thu

được, gọi là phổ Doppler, sẽ có các thành phần trong dải đến

c f

m

c f

f ư f c + f m Giả thiết góc tới của các thành phần đa đường được chọn ra từ một phân bố

đều từ 0 đến π2 , phổ tín hiệu tại máy thu sẽ là :

m c

m

c m

f f f f

f f f

S f

2)

m f

D

B

c T

của sự phân tán tần số của kênh trong miền thời gian Trải Doppler và thời gian kết hợp có quan hệ tỉ lệ nghịch :

m c f

T = 1 (1.12)

Thực tế, thời gian kết hợp là số đo thống kê khoảng thời gian trong đó đáp ứng xung của kênh hầu như không thay đổi và nó xác định sự tương tự (similarity) của đáp ứng kênh tại các thời điểm khác nhau Nói cách khác thời gian kết hợp là khoảng thời gian mà trong đó hai tín hiệu thu có tương quan mạnh về biên độ Nếu nghịch đảo của độ rộng dải tín hiệu băng cơ bản lớn hơn thời gian kết hợp của kênh thì kênh sẽ bị thay đổi trong thời gian truyền một ký hiệu, điều này gây ra méo ký hiệu tại máy thu Nếu độ rộng dải kết hợp được

định nghĩa như khoảng thời gian mà trong đó hàm tương quan thời gian lớn hơn 50% thì thời gian kết hợp được tính gần đúng như sau [35]:

9

= (1.13)

Tuy nhiên, (1.12) xác định một khoảng thời gian mà tín hiệu phân bố Rayleigh sẽ thăng giáng trong một dải khá rộng, còn (1.13) thì ngược lại Vì vậy với các hệ thống thông tin hiện đại người ta thường sử dụng công thức sau

để tính thời gian kết hợp của kênh [35]:

m m

c

f f

(33,33)(2x109)/(3x108) = 222 Hz Với người đi xe đạp với tốc độ 12 km/giờ, dịch tần Doppler cực đại sẽ là khoảng 22 Hz tại cùng tần số sóng mang như thế

Ví dụ, nếu người đạp xe với tốc độ 6 km/giờ và tần số sóng mang là 2 GHz thì thời gian kết hợp sẽ là 36 ms

1.3 Các loại pha đing qui mô nhỏ

Dạng pha đing tác động đến tín hiệu lan truyền qua kênh vô tuyến di động phụ thuộc vào tính chất của tín hiệu phát so với các đặc trưng của kênh Tùy theo quan hệ của tham số tín hiệu (độ rộng dải, chu kỳ ký hiệu) và tham số kênh (căn quân phương của trải trễ, trải Doppler) mà tín hiệu phát sẽ phải chịu những dạng pha đing khác nhau Các cơ chế phân tán theo thời gian và phân tán theo tần số trong kênh vô tuyến di động dẫn tới bốn khả năng khác nhau phụ thuộc vào tính chất tín hiệu phát, kênh và tốc độ Trong khi độ trễ đa

đường dẫn tới sự phân tán theo thời gian và pha đing chọn lọc tần số thì trải Doppler dẫn tới sự phân tán theo tần số và pha đing chọn lọc thời gian Hai cơ chế lan truyền đó độc lập với nhau

1.3.1 Pha đing do trải trễ đa đường

• Pha đing phằng : Nếu kênh vô tuyến di động có độ suy giảm bằng hằng

số và đáp ứng pha tuyến tính trên một độ rộng dải lớn hơn độ rộng dải của tín hiệu phát thì tín hiệu thu sẽ chịu pha đing phẳng Với pha đing phẳng đặc trưng phổ của tín hiệu phát được bảo toàn tại máy thu Tuy nhiên, cường độ tín hiệu thu bị thay đổi theo thời gian vì sự thăng giáng

độ suy giảm của kênh do đa đường Kênh pha đing phẳng còn được xem như kênh có biên độ thay đổi theo thời gian và đôi khi còn được gọi là kênh băng hẹp do độ rộng dải của tín hiệu là hẹp so với độ rộng dải pha

đing phẳng của kênh

Tóm lại, một tín hiệu sẽ chịu pha đing phẳng nếu

phương của trải trễ và độ rộng dải kết hợp của kênh

c B

• Pha đing chọn lọc tần số: Nếu đáp ứng xung có độ suy giảm bằng hằng

số và đáp ứng pha tuyến tính trong một dải tần hẹp hơn độ rộng băng của tín hiệu phát thì kênh sẽ gây ra pha đing chọn lọc tần số đối với tín hiệu thu Trong điều kiện như thế đáp ứng xung của kênh có trải trễ đa

đường lớn hơn nghịch đảo của độ rộng băng tín hiệu phát Tín hiệu thu

là tổng của nhiều bản sao chép của tín hiệu phát bị suy giảm, bị trễ về thời gian và hệ quả là làm cho tín hiệu thu bị méo Pha đing chọn lọc tần số là do sự phân tán theo thời gian của các ký hiệu phát trong kênh

và như thế kênh sẽ gây nên nhiễu ISI giữa các ký hiệu Nếu xem xét trong miền tần số, một số thành phần trong phổ tín hiệu thu có độ suy

giảm nhỏ hơn các thành phần khác

Việc mô hình các kênh pha đing chọn lọc tần số là khó khăn hơn nhiều so với kênh pha đing phẳng vì mỗi thành phần tín hiệu đa đường phải được mô hình và kênh phải được xem như một bộ lọc tuyến tính Vì vậy người ta phải thực hiện các phép đo đa đường băng rộng để xây dựng các mô hình Khi phân tích các hệ thống thông tin di động, các mô hình đáp ứng xung thống kê như mô hình kênh Rayleigh hai đường [30] (mô hình này xem xét đáp ứng xung được hình thành từ hai hàm delta có pha đing độc lập và có độ trễ thời gian đủ lớn để tạo ra pha

đing chọn lọc tần số đối với tín hiệu lan truyền), hoặc các đáp ứng xung

đo được hoặc các đáp ứng xung được tạo bằng máy tính sẽ được sử dụng cho việc phân tích pha đing qui mô nhỏ chọn lọc tần số [35]

Kênh pha đing chọn lọc tần số cũng được xem như kênh băng rộng

do độ rộng dải tín hiệu lớn hơn so với độ rộng dải đáp ứng xung của kênh Khi thời gian thay đổi, kênh thay đổi độ suy giảm và pha đối với phổ của tín hiệu, gây nên sự méo thay đổi theo thời gian đối với tín hiệu thu Tóm lại, một tín hiệu sẽ chịu pha đing chọn lọc tần số nếu :

T , mặc dù điều đó còn phụ thuộc vào kiểu điều chế được sử dụng [35]

1.3.2 Pha đing do trải Doppler

• Pha đing nhanh : Phụ thuộc vào việc tín hiệu băng cơ bản phát đi

nhanh như thế nào so với tốc độ thay đổi của kênh, một kênh có thể

được phân loại thành kênh pha đing nhanh hoặc kênh pha đing chậm Với kênh pha đing nhanh, đáp ứng xung của kênh thay đổi nhanh trong khoảng thời gian của ký hiệu, tức là thời gian kết hợp của kênh nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu của tín hiệu phát Điều này gây ra sự tán sắc tần số (cũng được gọi là pha đing chọn lọc thời gian) do trải Doppler, dẫn tới méo tín hiệu Xét trong miền tần số, méo tín hiệu do pha đing nhanh sẽ tăng lên cùng với sự tăng trải Doppler tương đối so với độ rộng băng

của tín hiệu phát Theo [35], một tín hiệu sẽ chịu pha đing nhanh nếu :

Lưu ý rằng khi một kênh được xác định là kênh pha đinh chậm hoặc pha đing nhanh không liên quan gì đến việc kênh đó là kênh pha đing phẳng hay chọn lọc tần số Pha đing nhanh chỉ liên quan đến tốc độ thay đổi của kênh do sự chuyển động mà thôi Trong trường hợp kênh pha đing phẳng, chúng ta có thể xấp xỉ đáp ứng xung bằng một hàm delta (không có trễ) Do đó, kênh pha đing nhanh, phẳng là kênh có biên độ của hàm delta thay đổi với tốc độ nhanh hơn tốc độ thay đổi của tín hiệu băng cơ bản được phát đi Trong trường hợp kênh pha đing nhanh, chọn lọc tần số thì biên độ, pha và độ trễ của các thành phần đa

đường thay đổi với tốc độ nhanh hơn tốc độ thay đổi của tín hiệu phát Thực tế, pha đing nhanh chỉ xảy ra khi tốc độ dữ liệu là rất thấp

• Pha đing chậm: ở một kênh pha đing chậm, đáp ứng xung thay đổi với

tốc độ chậm hơn nhiều so với tín hiệu băng cơ bản được phát đi Trong trường hợp này, kênh được giả thiết là dừng qua một hoặc một vài chu

kỳ của ký hiệu Trong miền tần số, điều này bao hàm ý nghĩa rằng trải Doppler của kênh nhỏ hơn nhiều so với độ rộng băng của tín hiệu băng cơ bản Do đó, một tín hiệu chịu pha đing chậm nếu :

Rõ ràng tốc độ chuyển động của máy thu và độ rộng băng cơ bản xác

định tín hiệu sẽ chịu pha đing nhanh hay pha đing chậm

1.4 Phân bố hình bao tín hiệu

1.4.1 Phân bố Rayleigh

Trong kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được sử dụng để mô tả tính chất thống kê của hình bao tín hiệu pha đing phẳng hoặc hình bao

của một thành phần đa đường riêng biệt Chúng ta đã biết rằng hình bao của tổng bình phương của hai tín hiệu có nhiễu Gauss có phân bố Rayleigh Phân

bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất như sau [33]:

)0

( ,2

exp)

2 2

r

r r

r r

p σ σ (1.23)

ở đây r và σ là biên độ và căn quân phương của tín hiệu thu

Giá trị trung bình của phân bố Rayleigh là σ π/2 =1,2533σ và phương sai là

)

)0 ,0(A ,2

)(

exp)

2 2

r r

1.5 ảnh hưởng của đa đường đến tín hiệu OFDM

Chúng ta xét một cách định tính xem lan truyền đa đường ảnh hưởng thế nào đến quá trình truyền dẫn tín hiệu OFDM

Trên hình 1.3 ta thấy rằng do lan truyền đa đường, ký hiệu OFDM thu được

bị trải rộng và chồng lấn sang ký hiệu OFDM tiếp theo Tuy nhiên nếu thời gian bắt đầu của mỗi ký hiệu được chọn vào vùng tiền tố vòng chưa bị chồng lấn thì lỗi thời gian ký hiệu chỉ gây ra quay pha và có thể được khắc phục một cách đơn

Ký hiệu OFDM thu

Ký hiệu vẫn cũn TTV

Đến FFT

TTV

Ký hiệu OFDM phỏt

Đỏp ứng xung của kờnh

Ký hiệu OFDM thu

Ký hiệu vẫn cũn TTV

Vựng cho phộp

chọn ra N mẫu

Đến FFT

Hình 1.4 Cửa sổ FFT bắt đầu từ trong chu kỳ hữu ích của ký hiệu OFDM

ký hiệu OFDM là 224 às và số sóng mang con là 2048 thì khoảng thời gian mẫu là 224 às/2048=0,11 às Trục hoành của các hình vẽ đáp ứng pha và biên

Công suất (W)

Hình 1.5 Profile công suất của kênh AWGN

Trải trễ (mẫu)

Hình 1.6 Đáp ứng biên độ của kênh AWGN

Tần số

độ của kênh biểu diễn tần số tương đối so với tần số lấy mẫu nên không có thứ nguyên Ví dụ, với khoảng thời gian mẫu nêu trên (0,11 às) thì tần số lấy mẫu

là 9,1 MHz do vậy một nửa tần số lấy mẫu (giá trị 0,5 trên trục hoành) tương ứng với tần số 4,55 MHz

Hình 1.7 Đáp ứng pha của kênh AWGN

Tần số

Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của độ trễ đa đường đến quá trình đồng

bộ tác giả sử dụng các kênh hai hoặc ba đường là đủ để có thể tạo ra trải trễ cho tín hiệu đồng thời tiết kiệm thời gian mô phỏng Ngoài ra khi cần có sự so sánh ảnh hưởng của số thành phần đa đường đến chất lượng của phương pháp

đồng bộ tổng hợp (chương 4) tác giả sẽ sử dụng đến kênh có mười thành phần

đa đường

Hai thành phần đa đường được cho biên độ bằng nhau và có độ trễ thay đổi trong quá trình mô phỏng Cụ thể, độ trễ của thành phần thứ hai có thể được tăng tới gần bằng độ dài của tiền tố vòng (nếu độ dài của tiền tố vòng là 128 mẫu thì độ trễ cực đại được tăng tới 120 mẫu)

Kênh hai đường như thế được cho trên hình 1.8, hình 1.9 và hình 1.10 Hình 1.8 cho thấy profile công suất, hình 1.9 và hình 1.10 trình bày độ lớn và pha của đáp ứng tần số

Kênh thứ ba có 3 hoặc 10 thành phần và cũng có công suất bằng nhau, cách

đều nhau về thời gian Vì độ dài của tiền tố vòng là 128 mẫu, độ trễ cực đại của kênh cũng được tăng dần từ 10 đến 120 mẫu Việc thay đổi độ trễ cực đại

đến xấp xỉ độ dài của tiền tố vòng nhằm mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của

độ trễ đa đường đến chất lượng đồng bộ tần số sóng mang và thời gian ký hiệu khi độ trễ tăng lên Với số thành phần đa đường từ 3 trở lên, tín hiệu thu

được xem như tổ hợp tuyến tính của các thành phần có góc tới phân bố

đều từ 0 đến 2 và tốc độ chuyển động tương đối của máy thu là khoảng π

50 km/giờ Với tất cả các kênh, tổng của bình phương của các biên độ của tất cả các thành phần được chuẩn hóa đến 1, vì thế tất cả các tín hiệu sẽ có cùng SNR Các hình 1.11, hình 1.12 và hình 1.13 trình bày profile công suất,

đáp ứng biên độ và pha của kênh như vậy

Trải trễ

Hình 1.8 Profile công suất của kênh hai đường

Tần số

Hình 1.12 Đáp ứng biên độ của kênh ba đường

Trải trễ (mẫu)

ông suất của

đa đường, pha đing chọn lọc tần số, phân bố hình bao của tín hiệu đa được mô tả cụ thể Các ảnh hưởng cụ thể của kênh đa đường đến tín hiệu OFDM cũng

đã được xem xét Cuối cùng các mô hình kênh được sử dụng để nghiên cứu mô phỏng trong luận án đã được đề cập Các kênh được sử dụng trong luận án này là các kênh thay đổi chậm theo thời gian, độ rộng băng tín hiệu đủ rộng

để các kênh là chọn lọc tần số