Kỹ thuật phân tập thời gian và thiết kế mã quay

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT AWGN aditive white Gaussian noise BER bit error rate BW band width BPSK binary phase shift keying CDMA Code division multiple access DTM Di

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hà Nội – 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.Trịnh Anh Vũ

Hà Nội – 2012

MỤC LỤC Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU

Chương 1: PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN

1.1 Giới thiệu chương 1

1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến 1

1.3 Đường truyền vô tuyến 2

1.3.1 Giới thiệu 2

1.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 5

1.3.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath) 5

1.3.2.2 Hiệu ứng Doppler 6

1.3.2.3 Suy hao trên đường truyền 7

1.3.2.4 Hiệu ứng chắn (Shadowing) 8

1.3.3 Các dạng kênh truyền 8

1.3.3.1 Kênh suy giảm phẳng 9

1.3.3.2 Kênh suy giảm chọn lọc tần số 9

1.3.3.3 Kênh suy giảm nhanh 10

1.3.3.4 Kênh suy giảm chậm 10

1.3.4 Các mô hình kênh cơ bản 10

1.3.4.1 Kênh theo phân bố Rayleigh 10

1.3.4.2 Phân bố Ricean 11

1.4 Tổng kết chương 14 Chương 2: KỸ THUẬT PHÂN TẬP

2.1 Tín hiệu qua kênh Gauss và fading 15

2.2 Phân tập thời gian………… 16

2.3 Phân tập không gian 16

2.4 Phân tập tần số 17

2.4.1 Khái niệm cơ bản 17

2.4.2 Đơn sóng mang với bộ cân bằng 22

2.4.3 Trải phổ chuỗi trực tiếp 23

2.4.4 Ghép kênh phân chia tần số trực giao 24

Chương 3: PHÂN TẬP THỜI GIAN VÀ MÃ QUAY 3.1 Tách tín hiệu trong kênh fading Rayleigh 27

3.1.1 Tách không đồng bộ 27

3.1.2 Tách đồng bộ 28

3.1.3 Từ BPSK đến QPSK: sử dụng bậc tự do 32

3.2 Mã lặp lại 34

3.3 Mã quay 42

Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ 4.1 Kịch bản mô phỏng, tiêu chuẩn đánh giá……… 43

4.2 Kết quả mô phỏng tín hiệu qua kênh Gauss và Raleigh 43

4.3 Kết quả mô phỏng tín hiệu QPSK qua kênh Raleigh và Gauss 44

4.4 Kết quả mô phỏng tín hiệu QPSK và QPSK quay qua kênh Rayleigh và Gauss 45

4.5 Nhận xét kết quả 45

Kết luận 47

Tài liệu tham khảo 48

Phụ lục 49

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AWGN aditive white Gaussian noise

BER bit error rate

BW band width

BPSK binary phase shift keying

CDMA Code division multiple access

DTM Discrete Multi Tone

DFT Discrete Fourier Transform

DSSS Direct sequence Speading spectrum

GSM Global System for Mobile Communications

FDM Frequency Division Multiplexing

FHSS Frequency-Hopping Spreading Spectrum

ISI inter-symbol interference

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

LAN local area network

MAP maximum a posteriori

MIMO multiple input multiple output

MISO Multiple input single output

ML maximum-likelyhood

OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing

PAM Pulse amplitude Modulation

PN pseudo noise sequence

SIMO Single input multiple output

SNR signal-to-noise ratio

SS Spread spectrum

TDMA Time division multiple access

THSS Time-Hopping Spreading Spectrum

Nhiễu Gauss trắng cộng tính

Tỷ lệ lỗi bít

Độ rộng băng thông Khóa dịch pha nhị phân

Đa truy nhập phân chia theo mã

Đa hài rời rạc Biến đổi Furie rời rạc Trải phổ chuỗi trực tiếp

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

Ghép kênh theo tần số Trải phổ nhảy tần Giao thoa giữa các ký hiệu Biển đổi Furie rời rạc ngược Mạng LAN

Xác suất cực đại Nhiều đầu vào nhiều đầu ra Nhiều đầu vào một đầu ra Xác suất có thể

Đa truy nhập phân chia tần số trực giao

Điều chế biên độ xung Chuỗi giả ngẫu nhiên Một đầu vào nhiều đầu ra

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Trải phổ

Đa truy nhập phân chia thời gian Trải phổ nhảy tần

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Các bộ phận của một hệ truyền tin ……… ……… 1

Hình 1.2: Sóng phát ra từ một nguồn nhưng theo nhiều đường khác nhau.……… 3

Hình 1.3: Phương thức truyền phụ thuộc vào bước sóng……….……… 3

Hình 1.4: Sóng truyền theo nhiều phương thức khác nhau……….…… 4

Hình 1.5: Hiện tượng truyền sóng đa đường……… ……….…… 6

Hình 1.6: Minh họa hiệu ứng Doppler ……… ……….………… 7

Hình 1.7: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh ……….…… 11

Hình 1.8: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean ……….……… 12

Hình 2.1: Tín hiệu qua kênh Gauss và fading……… ……… 15

Hình 2.2: Từ mã được truyền qua các ký hiệu liên tiếp (trên) và ghép xen … 16

Hình 2.3: Phân tập ăng ten ……… ……… 19

Hình 2.4:(a)Trong 1×2 kênh, không gian tín hiệu một chiều, mở rộng ra bởi h .20

Hình 2.4: (b)Trong các kênh 2x2, không gian tín hiệu hai chiều, mở rộng ra bởi h1 và h2 20

Hình 2.5: So sánh kỹ thuật đa sóng mang trong OFDM và FDM………25

Hình 2.6 Phổ của một sóng mang, và phổ của tín hiệu OFDM ………26

Hình 3.1: Tách tín hiệu không trực giao trên véc tơ y dựa vào hai véc tơ truyền trực giao xA và xB và so sánh độ dài giữa chúng……… ………… 27

Hình 3.2: Đồ thị so sánh giữa kênh AWGN và Rayleigh đối với tín hiệu BPSK….30 Hình 3.3: QPSK so với 4-PAM………33

Hình 3.4: Hình ảnh điều chế trực giao, Tín hiệu được thực hiện trên một chiều thực, nhưng hai lần ký hiệu được sử dụng ………34

Hình 3.5 : Xác suất lỗi là một hàm của L nhánh phân tập khác nhau 38

Hình 3.6a: So sánh điều chế BPSK với mã lặp lại 39

Hình 3.6b: So sánh điều chế BPSK với mã lặp lại 40

Hình 3.7 Hàm mật độ xác suất của ||h||2 cho L giá trị khác nhau 40

Hình 3.8: a) Từ mã của mã quay 42

Hình 3.8: b) Từ mã của mã lặp lại 42

Hình 3.9: Băng tần 25Mhz của một hệ thống GSM 46

Hình 3.10: Tóm tắt cấu trúc đan xen………47

Đường truyền vô tuyến với nhiều tạp nhiễu và phading luôn luôn là một thách thức đối với các kỹ thuật truyền tin tin cậy Một trong các kỹ thuật then chốt

để vượt qua đường truyền khó khăn này là kỹ thuật phân tập trong đó đơn giản nhất

là phân tập thời gian

Tuy nhiên bên cạnh hệ số phân tập một thiết kế mã tinh vi còn nhắm đến cả

hệ số mã tốt nhằm sử dụng hiệu quả tài nguyên trong truyền tin là công suất và băng tần

Với mục tiêu đi sâu tìm hiểu về thiết kế mã phân tập thời gian kết hợp độ lợi

mã tốt, nhất luận văn đã chọn đề tài là: “Kỹ thuật phân tập thời gian và thiết kễ mã quay”

Sau phần trình bày tổng quan về kỹ thuật phân tập thời gian và mã quay là những kết quả mô phỏng kèm theo để chứng tỏ truyền tin phân tập theo thời gian kết hợp mã quay cho kết quả tốt hơn truyền tin chỉ sử dụng kỹ thuật phân tập thời gian và chỉ rõ góc quay tối ưu phù hợp với tính toán lý thuyết

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có bốn chương với nội dung như sau:

Chương 1:Đường truyền vô tuyến

Chương 2: Kỹ thuật phân tập

Chương 3: Phân tập thời gian và thiết kế mã quay

Chương 4: Kết quả mô phỏng và thảo luận

CHƯƠNG 1: ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN

1.1 Giới thiệu chương

Các phương tiện thông tin được chia thành hai loại: thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến Môi trường truyền sóng là một bộ phận không thể thiếu của kênh thông tin vô tuyến, vì vậy bên cạnh việc quan tâm đến tính năng và chất lượng của thiết bị đầu cuối (phát và thu sóng) ta còn phải lưu ý đến đặc điểm của đường truyền sóng

1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến [2]

Ở hình 1.1 là mô hình hệ thống thông tin vô tuyến Hệ thống này luôn có ba phần cơ bản đó là: khối phát, kênh truyền và khối thu Khối phát chuyển tín hiệu tin tạo ra từ một nguồn tin thành tín hiệu phát dạng thích hợp để truyền trên kênh truyền Tín hiệu thu được sau kênh truyền là một phiên bản của tín hiệu phát bị là méo do kênh truyền Nhiệm vụ của bộ thu là phải tạo lại tín hiệu gốc (tín hiệu tin) như bên phát từ phiên bản nhận được này, rồi từ đó tạo lại bản tin nguồn

Quá trình truyền tin là quá trình truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác theo yêu cầu: xa, nhanh, tin cậy Ba yêu cầu bình thường này không phải luôn được mọi người hiểu chính xác và lịch sử cũng đòi hỏi bao cuộc cách mạng kỹ thuật mời ngày càng thực hiện tốt hơn những điều này Chúng ta phác họa chúng như sau:

Khi truyền tin với khoảng cách xa Phương tiện truyền tin hiện đại đáp ứng yêu cầu này không là gì khác ngoài trường điện từ Trường điện từ có thể lan truyền trong không gian tự do, trong dây dẫn điện hoặc dưới dạng ánh sáng trong sợi

Kênh truyền

Tín hiệu tin

Tín hiệu phát Tín hiệu thu

Ước lượng tín hiệu tin

HỆ TRUYỀN TIN

Hình 1.1: Các bộ phận của một hệ truyền tin

Khi truyền tin phải đảm bảo tốc độ Nhanh ở đây không những chỉ là đạt được tốc độ càng cao càng tốt, mà còn ở chỗ tốc độ truyền thông tin thỏa mãn thời gian thực đối với yêu cầu sử dụng Điều này có liên quan đến băng thông (độ rộng băng tần) của đường truyền hoặc cách tổ chức một mạng truyền dẫn cho nhiều người dùng

Kết quả của việc truyền tin phải đáp ứng được độ tin cậy Trong truyền tin khái niệm này cũng không được hiểu với nghĩa chính xác tuyệt đối một trăm phần trăm mà phải hiểu với tỷ lệ sai sót ít nhất, sai sót mà yêu cầu sử dụng có thể chấp nhận được Thông thường tỷ lệ này là 10-6 đến 10-7

Hạn chế và cản trở ba yêu cầu truyền tin nói trên là các yếu tố công suất, độ rộng băng tần kênh truyền và can nhiễu (can nhiễu do ồn, can nhiễu đặc thù khác ảnh hưởng đến truyền tin như can nhiễu do chuyển động, do các hiệu ứng đa đường truyền ) Công suất phát càng lớn thì truyền tin càng đi xa Băng tần truyền càng rộng thì tốc độ truyền tin càng nhanh và cuối cùng càng ít can nhiễu thì càng ít lỗi xảy ra Vậy bằng cách nào mà người ta có thể khắc phục và vượt qua những cản trở này? Có nhiều phương án để giải quyết vấn đề này, một trong những phương án đó được trình bày trong luận văn này

1.3 Đường truyền vô tuyến [2]

1.3.1 Giới thiệu

Khác với kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Khi tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố:

bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading Kéo theo kết quả là tại nơi nhận tin, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến Vì vậy việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cần thiết để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống

Sóng có thể truyền theo nhiều phương thức khác nhau như: Sóng đất (truyền sát mặt đất), sóng trời (phản xạ qua các tầng điện ly), sóng truyền thẳng Ngoài ra,

do sự giao thoa giữa các phương thức truyền, mà tại nơi thu có thể bị nhiễu hoặc

Fading

Hình 1.2 Sóng phát ra từ một nguồn nhưng theo nhiều đường khác nhau

Môi trường truyền sóng cho tín hiệu vô tuyến có cấu trúc tương đối phức tạp

Vùng khí quyển truyền sóng có thể chia thành 3 vùng cơ bản :

Hình 1.3 Phương thức truyền phụ thuộc vào bước sóng

Tầng đối lưu (troposphere) độ cao dưới 15 Km, có nhiều gió, mây Nhiệt độ và

mật độ không khí giảm nhanh theo độ cao Nó có tác dụng giống như chiết suất

giảm dần, dẫn đến tác động uốn cong đường truyền sóng điện từ hướng về mặt đất

Tầng bình lưu (Stratosphere) độ cao từ 15-40 Km, có nhiều hơi nước Nhiệt

độ tăng theo độ cao rồi ổn định tại một mức

Hướng truyền thẳng

Hướng không truyền thẳng

Tầng điện ly (Ionosphere) độ cao từ 40-500 Km, có nhiều ion, có mật độ thay đổi theo điều kiện thời tiết, theo mùa và tác động ngoài không gian

Đây là vùng tán xạ, phản xạ, hấp thụ sóng điện từ Sóng truyền theo nhiều phương thức khác nhau

Hình 1.4 Sóng truyền theo nhiều phương thức khác nhau

Fading là hiện tượng tại nơi thu nhận được đồng thời 2 hay nhiều sóng cùng đến 1 lúc, các sóng này xuất phát cùng 1 nguồn nhưng đi theo nhiều đường khác nhau Tuỳ thuộc vào hiệu các đường đi mà hiệu pha của chúng cũng khác nhau: Nếu hiệu pha = 2n.π thì cường độ chúng tăng cường nhau

Nếu hiệu pha = (2n+1).π thì cường độ chúng triệt tiêu nhau

Hiện tượng Fading gây ra sự thu chập chờn, gây gián đoạn thông tin trong một thời gian ngắn, trong kỹ thuật truyền hình, tạo ra hiện tượng bóng ma

Để khắc phục Fading, người ta sử dụng kỹ thuật phân tập

Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được chia thành hai loại: Suy giảm kích thước lớn (large-scale fading) và suy giảm kích thước nhỏ (small-scale fading)

Suy giảm kích thước lớn (large-scale fading) xảy ra do mất đường đi của tín hiệu và khi xảy ra hiện tượng chắn, che khuất (shadowing) của các tòa nhà, ngọn đồi, núi, cây cối…với mô hình này cho phép dự đoán được mức tín hiệu thu trung bình tại một khoảng cách xác định với nguồn phát Điều này xảy ra khi điện thoại di động di chuyển thông qua khoảng cách xa giữa các tế bào, thường là tần số độc lập

Sóng đất Tầng điện ly

Sóng trời

Suy giảm kích thước nhỏ (small-scale fading) xảy ra khi có quá nhiều đường đi tín hiệu giữa máy phát và máy thu, tín hiệu thu khi được xê dịch vị trí thu một khoảng nhỏ (vài bước sóng) hoặc trong thời gian nhỏ (cỡ giây), trong trường hợp này tần số là phụ thuộc

Công suất thu được (hoặc đối ngược là công suất mất mát) là thông số quan trọng nhất trong việc dự đoán theo mô hình lan truyền kích thước lớn dựa trên ba cơ chế vật lý: Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ, suy giảm kích thước nhỏ và hiệu ứng đa đường cũng có thể được mô tả bởi 3 cơ chế này

Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ đập vào đối tượng có kích thước lớn so với bước sóng truyền Chẳng hạn phản xạ tại bề mặt trái đất, tại các tòa nhà, đồi núi, cây cổ thụ hay các bức tường

Nhiễu xạ xảy ra khi giữa bộ phát và thu bị cản trở bởi bề mặt có cạnh sắc giới hạn (gờ tường, cạnh tòa nhà) Sóng thứ cấp tạo nên tại nơi cắt của bề mặt này chạy theo mọi hướng thậm chí vòng vào phía sau vật chắn nên sóng có thể nhận được ngay cả khi bộ phát không nhìn bộ thu (no line of sight path) Tại tần số cao nhiễu

xạ và phản xạ phụ thuộc vào hình học của đối tượng cũng như biên độ, pha, cực tính của sóng tới tại điểm nhiễu xạ

Tán xạ xảy ra khi môi trường truyền sóng có những vật cản nhỏ so với bước sóng và số những vật cản này trên đơn vị thể tích là lớn Chẳng hạn sóng bị phản xạ trên bề mặt xù xì, lá cây, cột đèn, cột chỉ đường tạo nên tán xạ sóng trong thông tin

- Tín hiệu bị điều tần do độ dịch Doppler trên các đường truyền khác nhau

- Sự lệch thời gian (tiếng vọng) gây nên bởi trễ đa đường

1.3.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong các vùng đô thị suy giảm xảy ra do chiều cao của ăng ten di động thấp hơn các công trình xây dựng nên không có đường truyền truyền thẳng từ trạm cơ sở

đến máy thu, thậm chí khi tồn tại đường truyền thẳng, đa đường vẫn xảy ra do phản

xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh Tín hiệu thu được tại máy di động gồm số lớn sóng phẳng có phân bố biên độ, pha và góc tới ngẫu nhiên Thậm chí máy di động đứng yên, tín hiệu nhận được vẫn có thể suy giảm do sự chuyển động của các vật cản trong kênh radio

Khi các vật cản đứng yên, chỉ có máy di động chuyển động, tín hiệu thu là một hàm của biến không gian, nếu máy thu chuyển động với tốc độ không đổi thì có thể coi là hàm của biến thời gian Do tính giao thoa sóng mà máy có thể di chuyển qua các điểm cực tiểu hay cực đại của tín hiệu, nghiêm trọng hơn là máy thu có thể dừng lại tại một vị trí cực tiểu xác định, mặc dù xe cộ đi lại trong vùng của máy thu làm nhiễu loạn trường sóng và giảm thiểu khả năng suy giảm sâu tín hiệu trong thời gian dài

1.3.2.2 Hiệu ứng Doppler

Xét máy di động chuyển động với tốc độ v từ X đến Y (XY = d), trong khi sóng tới từ nguồn xa S hợp với XY góc θ (véc tơ sóng tới và véc tơ vận tốc góc máy thu có góc là π-θ)

Sai khác đường truyền từ nguồn S đến X, Y là: Δl=dcosθ=vΔcosΔ (1.1)

Che khuất

Trạm di động

Truyền thẳng Khúc xạ

Tán xạ

Phản xạ Tán xạ

Trạm gốc

Hình 1.5: Hiện tượng truyền sóng đa đường

trong đó Δt là khoảng thời gian máy di động chuyển động từ X sang Y, do S ở xa nên góc của sóng tới coi như không đổi, vẫn bằng θ Sai khác pha do sai khác đường truyền là:

1.3.2.3 Suy hao trên đường truyền

Được mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu Trong một số trường hợp việc giảm công suất do hiện tượng che khuất và suy hao có thể khắc phục bằng các phương pháp điều khiển công suất Suy giảm công suất thu so với công suất phát tại điểm cách nguồn phát khoảng cách

c

df d

Nhận xét: Suy hao công suất của sóng trong không gian tự do tỷ lệ thuận với bình phương tần số và khoảng cách lan truyền của sóng

1.3.2.4 Hiệu ứng chắn (Shadowing)

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, cây cổ thụ,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Mặc dù vậy, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn và tốc độ biến đổi chậm Vì vậy, hiệu ứng này thường được gọi là fading chậm

1.3.3 Các dạng kênh truyền [3]

Chúng ta đã biết tùy thuộc thông số của tín hiệu lan truyền (dải rộng, chu kỳ

ký hiệu…) và các thông số của kênh (trải trễ rms và độ trải Doppler) mà tín hiệu chịu sự suy giảm khác nhau Trong khi trải trễ đa đường gây nên phân tán thời gian

và suy giảm chọn lọc tần số thì độ trải Doppler gây nên phân tán tần số và suy giảm chọn lọc thời gian Hai cơ chế này độc lập với nhau, ta có sơ đồ phân loại sau: Suy giảm kích thước nhỏ do trễ đa đường

Suy giảm nhanh

1 Trải Doppler cao

2 Thời gian kết hợp <Chu kỳ ký

hiệu

3 Biến đổi kênh nhanh hơn thay đổi

tín hiệu băng cơ sở

Suy giảm nhanh

1.3.3.1 Kênh suy giảm phẳng

Còn gọi là kênh biên độ thay đổi (đôi khi còn gọi là kênh băng hẹp vì dải rộng tín hiệu là hẹp hơn độ rộng băng của kênh) Thông thường loại kênh này gây nên suy giảm sâu và cần 20-30dB công suất thêm cho bộ phát để đạt được tốc độ lỗi bít như kênh không có suy giảm Phân bố hệ số kênh của suy giảm phẳng là rất

quan trọng cho thiết kế ghép nối Phân bố phổ biến nhất là phân bố Rayleigh Tóm lại trong kênh suy giảm phẳng:

TS là nghịch đảo độ rộng dải BS của tín hiệu (chu kỳ tín hiệu) στ là độ trải trễ rms và độ rộng băng kết hợp của kênh

1.3.3.2 Kênh suy giảm chọn lọc tần số

Nếu kênh có hệ số không đổi và pha tuyến tính trong một khoảng tần số nhỏ hơn dải rộng tín hiệu truyền thi kênh sẽ gây suy giảm chọn lọc tần số Khi đó trải trế

đa đường lớn hơn nghịch đảo dải rộng tín hiệu, tín hiệu thu được gồm nhiều phiên bản cảu dạng sóng phát bị suy giảm và là trễ khác nhau gây nên méo tín hiệu Suy giảm chọn lọc tần gây méo ký hiệu truyền còn gọi là giao thoa giữa các ký hiêu (ISI) Kênh này khó mô hình hơn kênh suy giảm phẳng vì mỗi đường truyền phải được mô hình và kênh phải được xét như bộ lọc tuyến tính Do nguyên nhân này phép dò kênh đa đường dải rộng phải được thực hiện và mô hình được phải triển từ các phép đo này

Khi phân tích các hệ thống thông tin di động, các mô hình đáp ứng xung thông kê chẳng hạn như mô hình Rayleigh 2 tia (đáp ứng xung là hai xung dạng hàm delta, suy giảm độc lập và trễ giữa 2 xung đủ để tạo nên suy giảm chọn lọc đối với tín hiệu được cấp) được máy tính tạo ra hay từ các phép đo nói chung được đụng để phân tích suy giảm chọn lọc tần số là do trễ đa đường hay vượt quá chu kỳ

ký hiệu truyền, kênh này cũng gọi là kênh băng rộng (vì dải rộng tín hiệu lớn hơn

độ rộng kênh) Khi thời gian thay đổi, kênh thay đổi hệ số và pha suốt phổ tín hiệu gây méo thay đổi theo thời gian

Tóm lại ở kênh này: BS>BC TS < στ

Một quy tắc chung là: kênh sẽ là chọn lọc tần số nếu στ>0.1TS dẫu rằng điều

này là độc lập với cách điều chế cụ thể

1.3.3.3 Kênh suy giảm nhanh

Tùy thuộc vào tín hiệu băng cơ sở thay đổi nhanh hay kênh thay đổi nhanh hơn mà ta có suy giảm chậm hay nhanh Kênh suy giảm nhanh là kênh có đáp ứng xung thay đổi nhanh trong khoảng thời gian ký hiệu tức là thời gian kết hợp của

kênh là nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu Điều này gây nên phân tán tần số (còn gọi là suy giảm chọn lọc thời gian) do sự trải Doppler dẫn đến méo tín hiệu:

Chú ý là kênh suy giảm nhanh hay chậm độc lập với tính chất phẳng hay chọn lọc tần số của kênh Ví dụ kênh suy giảm phản và nhanh được mô hình như đáp ứng xung là hàm Delta, song biện độ của hàm Delta thay đổi nhanh hơn tín hiệu băng cơ sở Kênh suy giảm chọn lọc tần, nhanh là biện độ, pha, trễ của các thành phần đa đường thay đổi nhanh hơn tín hiệu băng cơ sở

1.3.3.4 Kênh suy giảm chậm

Đáp ứng xung của kênh thay đổi chậm hơn tín hiệu băng cơ sở Kênh được coi là tĩnh trên một hay vài lần nghịch đảo dải rộng tín hiệu trong miền tần số điều này được hiểu là độ trải Doppler của kênh nhỏ hơn dải rộng của tín hiệu:

TS<TC hay BS > BD (1.8)

1.3.4 Các mô hình kênh cơ bản [3]

1.3.4.1 Kênh theo phân bố Rayleigh

Trong kênh radio di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để mô tả bản chất thống kê theo thời gian của đường bao tín hiệu suy giảm phẳng ngoài việc dịch Doppler hay đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ Chúng ta biết rằng đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao vuông góc có phân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất là:

) 0

( 2

exp )

2 2

r

r r

r r

(



R dr

r p R r P R

P

R r





 1.25332

)(][

Hình 1.7: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

Tức là giá trị trung bình và trung tâm của r chỉ khác nhau 0.55dB trong tín hiệu suy giảm Rayleigh Trong thực tế giá trị trung tâm hay được dùng vì thích hợp với phép đo

1.3.4.2 Phân bố Ricean

Khi có một thành phần đa đường mạnh vượt trội và dừng, ví dụ như đường LOS, phân bố đường bao suy giảm kích thước nhỏ là phân bố Ricean, các thành phần đa đường ngẫu nhiên tới bộ thu theo các góc khác nhau sẽ chồng chất thêm vào tín hiệu dừng này, tại lối ra bộ thu sẽ có hiệu ứng cộng thêm thành phần DC và

đa đường ngẫu nhiên

Giống như trường hợp tách sóng sin trong ồn nhiệt, sóng nổi trội tới cùng các tín hiệu đa đường yếu hơn sẽ cho phân bố Ricean Khi thành phần nổi trội yêu đi sẽ trở lại phân bố Rayleigh Công thức phân bố như sau:

0

2 2

2

2

2 2

) ( ]

0

177.1)

(2

p(r)

0.6065/σ

A dB

2

2log10)(

) 0 , 0 ( )

( 2 0 2

) ( 2

2 2 2

r

r A Ar I e

r r

p

A r



A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight

I0: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số K được định nghĩa như là tỉ

số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các

thành phần đa đường:

k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean

Thông số K được hiểu như phần tử Ricean, xác định hoàn toàn phân bố Ricean

Khi A → 0, k  0 ( dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân

bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh Hình 1.8 mô tả hàm mật độ xác suất của

phân bố Ricean

1.4 Tổng kết chương

Chương 1 đã nêu lên các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng của kênh

truyền, đó là hiệu ứng đa đường, hiệu ứng Doppler, suy hao đường truyền và hiệu

ứng bóng râm, từ đây muốn cải thiện chất lượng kênh truyền thì cần phải khắc phục

các hiện tượng này, do vậy mà nhiều kỹ thuật đã ra đời

p(r)

k =  dB

k = 6 dB

Hình 1.8: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean:

k = dB (Rayleigh) và k = 6 dB Với k >>1, giá trị trung bình

của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gauss

Chương 1 còn cho ta biết các dạng kênh truyền trong hệ thống thông tin di động và cho ta biết hai mô hình phân bố kênh, đó là Rayleigh và Gauss Có thể khắc phục các hiện tượng trên bằng một số kỹ thuật trong đó có kỹ thuật phân tập, do vậy chương sau sẽ tìm hiểu về các kỹ thuật này

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT PHÂN TẬP

2.1 Tín hiệu qua kênh Gauss và fading

Ví dụ về chòm sao tín hiệu qua kênh Gauss và fading:

Tín hiệu gốc

Hình 2.1 Tín hiệu qua kênh Gauss và fading

Tín hiệu qua kênh Gauss và fading được biểu diễn cụ thể ở hình 2.1, nếu tín hiệu qua kênh Gauss chúng sẽ bị thay đổi đi nhưng các điểm đó tập trung tại vị trí nhất định xung quanh điểm tín hiệu gốc, tại nơi nhận nó có thể được khôi phục lại

và ta có thể vẫn nhận ra nó, kết quả này là tin cậy được Nhưng tín hiệu đó qua kênh fading thì hoàn toàn khác nếu không dùng các kỹ thuật đặc biệt ra không thể nhận

ra được đâu là tín hiệu gốc, chính vì vậy phân tập đã ra đời

Phân tập (diversity) là kỹ thuật gửi cùng 1 ký hiệu trên các đường truyền độc lập, tổng hợp các phiên bản nhận được tại nơi thu sẽ cho kết quả tin cậy hơn Đây là

phương pháp hiệu quả để chống fading Có thể thực hiện trong miền thời gian, không gian hay tần số

- Trong thời gian, đơn giản nhất là mã lặp lại

- Trong không gian: dùng nhiều anten phân tập cả phát lẫn thu

- Trong tần số, sẽ xem xét 3 trường hợp: Một sóng mang với bộ cân bằng, trải phổ dãy trực tiếp, hợp kênh các tần số trực giao

Các sơ đồ phân tâp tinh vi sử dụng tính chất phân tập của kênh và đồng thời

cả bậc tự do của nó So với mã lặp lại ngoài hệ số phân tập chúng còn cung cấp hệ

số mã

2.2 Phân tập thời gian [4]

Kết quả phân tập thời gian đạt được bằng cách lấy trung bình fading theo thời gian

Hình 2.2: Từ mã được truyền qua các ký hiệu liên tiếp (trên) và ghép xen

Giả sử ghép xen làm cho các ký hiệu xl ở xa nhau và có giả sử hl là độc lập Thông số L được gọi là số nhánh độc lập

2.3 Phân tập không gian [4]

Để khai thác tính phân tập thời gian, ghép xen và mã hóa là sự kết hợp cần thiết Khi có một hạn chế sự trễ nghiêm ngặt hoặc thời gian kết hợp lớn, điều này có thể không được tốt Trong trường hợp này, các hình thức khác của phân tập có thể

Từ mã Từ mã Từ mã Từ mã không ghép xen

ghép xen

nhiều ăng-ten tại các máy phát và /hoặc thu, nếu các ăng-ten được đặt đủ xa nhau Việc tách ăng ten yêu cầu phụ thuộc vào tán xạ môi trường địa phương cũng như trên các tần số sóng mang Đối với một điện thoại di động gần mặt đất với phân bố xung quanh, kênh tương quan trên ngắn hơn khoảng cách không gian, và tách ăng-ten đặc trưng của một nửa một bước sóng Đối với các trạm cơ sở đặt trên các tháp cao, khoảng cách giữa các ăng ten phải đảm bảo lớn hơn 10 lần bước sóng Ta nhận được cả sự phân tập khi sử dụng nhiều ăng-ten nhận (đơn đầu vào, đa đầu ra kênh SIMO), và truyền tải đa dạng, sử dụng nhiều angten truyền (đa đầu vào, đơn đầu ra, kênh MISO) Khi sử dụng mã không gian thời gian đối với kênh nhiều ăng ten phát

và ăng ten nhận (nhiều đầu vào nhiều đầu ra hoặc kênh MIMO) rất có tiềm năng Ngoài việc cung cấp bậc độ phân tập, kênh MIMO cũng cung cấp thêm bậc tự do

2.3.3 Phân tập ăng ten nhận

Kênh fading phẳng với L anten thu:

L l

m w m x m h m

y l[ ]  l[ ] [ ]  l[ ],  1 , 2 , (2.1)

So với mã lặp lại (L khe thời gian→L anten đồng thời) Công thức lỗi biểu diễn

ở đây nhiễu w l[m] CN( 0 ,N0)và độc lập với các ăng ten, việc tách x[1] dựa trên y1[1],… yL[1] Đây chính là việc tách tín hiệu tương tự trong việc sử dụng một mã lặp lại và ghép xen theo thời gian, với L nhánh phân tập trong không gian thay vì theo thời gian Nếu các ăng-ten được đặt cách nhau đủ xa, chúng ta có thể giả định rằng độ lợi ích h[1] là độc lập Rayleigh, và chúng ta có được độ lợi phân tập của L

Đối với phân tập nhận, thực sự có hai loại độ lợi khi chúng ta tăng L Điều này có thể được nhìn thấy bằng cách nhìn vào biểu thức cho xác suất lỗi với kênh điều kiện BPSK như sau:

||

|| 2 h

L LSNR SNR

Thành phần 1 là hệ số công suất (độ lợi mảng), bằng cách nhận được nhiều anten và kết hợp ở nơi nhận, hiệu quả tổng công suất tín hiệu nhận được tăng tuyến tính với L: tăng gấp đôi L đạt được độ lợi công suất 3dB Về mặt toán học với cùng điều kiện, trong trường hợp mã lặp lại phân tập thời gian, sự gia tăng SNR nhận được đến từ tăng tổng năng lượng phát yêu cầu để gửi một bit, vì thế nó không thích hợp để gọi là độ lợi công suất Thành phần 2 là hệ số phân tập: bằng cách lấy trung

L e

SNR L

L p

) 4 (

1 1 2

||

|| 2 h

L LSNR SNR



 L h l L

h

2

| ] 1 [

Độ lợi công suất ảnh hưởng đến hằng số trước 1/4SNRL Nhớ rằng độ lợi kênh

hl[1] hoàn toàn tương quan ở tất cả các nhánh Chỉ tăng độ lợi công suất mà không tăng độ phân tập, chúng ta sẽ tăng L Mặt khác ngay cả khi tất cả các hl là độc lập,

là quay về biên giảm dần L tăng: do luật số lớn, thành phần thứ hai trong công thức:

(2.5) (2.6) Hội tụ tới 1 tăng L (giả định mỗi lợi kênh chuẩn hóa để có phương sai đơn vị) Việc đạt được độ lợi công suất, mặt khác, từ không có giới hạn như: tăng 3-dB thu được khi tăng gấp đôi số ăng-ten

Tính chất phân tập thu:

Hệ số phân tập cho hàm lỗi nghịch đảo với lũy thừa với hệ số này của SNR còn

hệ số công suất là hằng số đứng trước 1/SNRL

Chú ý khi các kênh tương quan với nhau chỉ còn hệ số công suất, còn khi tất cả độc lập thì dù tăng L, theo luật số lớn hệ số phân tập bị giới hạn đến 1, còn hệ số công suất không chịu giới hạn này

2.3.2 Phân tập phát (mã không gian - thời gian)

Bây giờ chúng ta quan tâm đến trường hợp L ăng ten phát và một ăng ten nhận, kênh MISO: hình 2.3b Điều này là phổ biến trong đường xuống của một hệ thống di động, để có nhiều ăng-ten trạm cơ sở hơn là có nhiều ăng-ten tại tất cả các thiết bị cầm tay, cách này sẽ có giá rẻ hơn Dễ dàng nhận được độ lợi phân tập với L: chỉ đơn giản là truyền tải cùng một ký hiệu trên L ăng-ten khác nhau trong L lần

ký hiệu Tại một thời điểm, chỉ có một ăng-ten được bật và các ăng ten còn lại thì không Đây đơn giản là mã lặp lại, như chúng ta đã nói trong phần trước: mã lặp lại lãng phí bậc tự do Nói chung, bất kỳ mã phân tập thời gian với chiều dài khối L có thể được sử dụng trên hệ thống phân tập phát: chỉ cần sử dụng một ăng-ten tại một thời điểm và truyền tải các ký hiệu được mã hóa của mã phân tập thời gian liên tiếp trên các ăng-ten khác nhau Điều này cung cấp độ lợi mã hơn là mã lặp lại Cũng có thể thiết kế các mã đặc biệt cho hệ thống phân tập phát Đã có rất nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực này đánh giá của mã không gian thời gian và ở đây ta xét mã không gian thời gian phổ biến nhất: Sơ đồ Alamouti

Xem xét sơ đồ Alamouti như là một thay thế cho những khuyết điểm của sơ

đồ lặp lại Ở đây, hai ký hiệu dữ liệu được truyền đi trong mỗi khối có độ dài 2

Sơ đồ Alamouti: 2 phát, 1 thu, kênh phẳng và không đổi trong 2 thời gian ký hiệu (khả năng phát 4 ký hiệu/2 khe thời gian)

]]

2 [ ] 1 [ [ ]

[ ]]

* 2 1 2

u u

u u h h y

1

* 1

* 2

2 1

] 1 [ ]

u h h

h h y

Sơ đồ Alamouti: Làm việc với bất kỳ chòm sao nào, trường hợp theo BPSK cho 2 bit/2 thời gian ký hiệu = 4PAM trong mã lặp (về tốc độ) song để đạt khoảng cách tối thiểu tương đương cần 5 lần công suất/ký hiệu=2,5 lần/bit=4dB Nguyên nhân là:

Mã lặp lại chỉ dùng 1 chiều là véc tơ [h1,h2]t, còn sơ đồ Alamouti dùng 2 chiều với 2 vecto độc lập là:[h1,h2*]t,[h2,-h1*]t

Hình 2.3 a: phân tập ăng ten phát

b: phân tập ăng ten nhận c: phân tập ăng ten phát và ăng ten nhận

Hình 2.4:

(a) Trong 1×2 kênh, không gian tín hiệu một chiều, mở rộng ra bởi h

(b) Trong các kênh 2x2, không gian tín hiệu hai chiều, mở rộng ra bởi h 1 và h 2

Tiêu chuẩn định thức cho thiết kế mã không - thời gian

Ở phân tập thời gian, tiêu chuẩn mã tốt là Cực đại khoảng cách tích nhỏ nhất

* 2 1

u u

u u

: , ] [ 1][ :

*

* 1

N w

w w h

h h N y

3.4.1 Khái niệm cơ bản [4]

Cho đến nay đã tập trung kênh pha đing băng hẹp Những kênh này được mô hình hóa bởi một bộ lọc, như hầu hết các đường đến trong một thời gian ký hiệu

Trong các kênh băng rộng, tuy nhiên, tín hiệu truyền đến thường qúa thời gian ký hiệu và tín hiệu có thể quyết định ở nơi nhận Đáp ứng tần số là không còn đủ, băng thông truyền dẫn W là lớn hơn so với băng thông kết hợp Wc của kênh Điều này cung cấp một hình thức phân tập khác là phân tập tần số

Mô hình băng cơ sở thời gian rời rạc của kênh vô tuyến: Tín hiệu lẫy mẫu có thể viết là:

] [ ] [ ] [m x m l w m h

y l l

Ở đây hl biểu thị tap bộ lọc kênh thứ l tại thời gian m Để hiểu được khái

niệm phân tập tần số trong các ví dụ đơn giản nhất, quan tâm đầu tiên đến tình huống liên lạc one-shot khi ký hiệu x[0] được gửi đi tại thời điểm 0, và không có ký hiệu nào được truyền đi vào thời gian sau đó

Nhận quan sát:

,

2 , 1 , 0 ], [ ] 0 [ ] [ ] [l h l x w l l

Nếu chúng ta cho rằng đáp ứng kênh có một số hữu hạn của tap L, sau đó

bản sao trễ của tín hiệu được cung cấp bởi L nhánh của phân tập tách x[0], kể từ độ lợi tap hl [l] được cho là độc lập Sự phân tập này được giả định bởi khả năng giải

quyết đa đường tại nơi nhận do bản chất tự nhiên của kênh băng rộng, và do đó gọi

là phân tập tần số

Một kế hoạch thông tin đơn giản có thể được xây dựng trên ý tưởng bằng cách gửi một ký hiệu thông tin trên tất các các lần ký hiệu L Độ lợi phân tập tối đa của L có thể đạt được bằng cách sử dụng hết bậc tự do của chúng: chỉ một ký hiệu

có thể truyền ở các thời gian trải trễ Phần này có thể được coi như là sử dụng mã lặp lại trong cả hai trường hợp phân tập không gian và thời gian, nơi mà một trong những biểu tượng thông tin được lặp đi lặp lại L lần Trong bối cảnh này, một khi người ta cố gắng truyền tải nhiều hơn một ký hiệu thường xuyên, ISI xảy ra việc chậm bản sao của các ký hiệu trước với ký hiệu hiện tại Sau đó, vấn đề là làm thế nào để đối phó với ISI trong khi tại cùng thời điểm ta muốn khai thác phân tập tần

số vốn có của kênh Nói rộng hơn, có ba cách tiếp cận phổ biến:

Hệ thống đơn sóng mang với bộ cân bằng bằng cách sử dụng bộ xử lý

tuyến tính và phi tuyến tính tại nơi nhận ISI có thể được giảm nhẹ đến mức độ nào

đó Tối ưu ML bằng cách tách những ký hiệu truyền có thể được thực hiện bằng thuật toán Viterbi Tuy nhiên sự phức tạp của thuật toán Viterbi được tăng lên theo cấp số nhân với số lượng tap nên nó chỉ được thực hiện khi số lượng tap nhỏ Ngoài

ra, bộ cân bằng tuyến tính cố gắng để tách các ký hiệu hiện tại trong khi tuyến tính

ức chế sự can thiệp từ những ký hiệu khác, và chúng có độ phức tạp thấp

Trải phổ chuỗi trực tiếp Trong phương thức này ký hiệu thông tin được

điều chế chuỗi giả nhiễu và truyền qua băng độ rộng W lớn hơn nhiều so với tốc độ

dữ liệu Bởi vì tỷ lệ ký hiệu thấp, ISI nhỏ, đơn giản hóa cấu trúc thu đáng kể Mặc

dù điều này dẫn đến việc sử dụng không hiệu quả của tổng số bậc tự do trong hệ thống từ quan điểm người sử dụng, Phương pháp này cho phép nhiều người dùng chia sẻ tổng số các bậc tự do, với những người sử dụng xuất hiện như giả nhiễu với nhau

Hệ thống đa sóng mang Ở đây truyền mã tiền tố được thực hiện để chuyển

đổi kênh ISI sang không giao thoa, sóng mang phụ trực giao, sử dụng trong kênh fadingphẳng hẹp Phương pháp này còn được gọi là DTM (Discrete Multi-Tone) hoặc Đa truy nhập phân chia tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Trải phổ tần nhảy tần có thể được xem như một trường hợp đặc biệt của một sóng mang sử dụng một lần

Ví dụ, GSM là một hệ thống đơn sóng mang, IS-95 CDMA và IEEE 802.11b (một tiêu chuẩn LAN vô tuyến) dựa trên trải phổ chuỗi trực tiếp, và IEEE 802.11a

là một hệ thống đa sóng mang

Dưới đây chúng ta tìm hiểu các phương pháp tiếp cận lần lượt Một khái niệm điểm quan trọng, trong khi phân tập tần số là cái gì nội tại trong một kênh băng rộng, sự hiện diện của ISI hầu như không có, vì nó phụ thuộc vào việc sử dụng

kỹ thuật điều chế Ví dụ, trong OFDM, ISI không có, nhưng sóng mang phụ vẫn được ngăn cách bởi băng thông gắn kết nhiều hơn hoặc ít hơn độc lập và do đó phân tập tần số là vẫn còn tồn tại

Hệ thống băng hẹp thường phát trong một chế độ SNR tương đối cao Ngược lại, năng lượng được lan truyền trên nhiều bậc tự do trong nhiều hệ thống băng rộng, và tác động của độ bất định kênh; khả năng của nơi nhận để trích xuất các sự phân tập vốn có trong các kênh chọn lọc tần số trở nên rõ rệt hơn Trong phần này, giả định rằng nơi nhận có một ước lượng hoàn hảo của kênh

3.4.2 Đơn sóng mang với bộ cân bằng [4]

Đơn sóng mang với bộ cân bằng là phương pháp tiếp cận cổ điển với truyền thông qua kênh chọn lọc tần số, và được sử dụng trong vô tuyến cũng như hữu tuyến với ứng dụng điều chế và giải điều chế băng tiếng nói Nhiều công việc đã được thực hiện trong lĩnh vực này nhưng ở đây chúng ta tập trung vào lĩnh vực phân tập

Bắt đầu tại thời điểm 1, một chuỗi độc lập các ký hiệu chưa được mã hóa x[1], x[2] ,…được truyền qua kênh chọn lọc tần số

] [ ] [ ] [m x m l w m h

Giả sử rằng các tap kênh không thay đổi qua những N lần ký hiệu, nhận được ký hiệu ở thời gian m là:

] [ ] [ ]

[ 1

0

m w l m x h m

y L l

ký hiệu được gửi đi mỗi lần ký hiệu L, đây là một ký hiệu được gửi và do đó, ISI là đáng kể Trong điều kiện này vẫn có thể có được sự phân tập tối đa đạt được của L

3.4.3 Trải phổ chuỗi trực tiếp [1]

Thông thường các kỹ thuật điều chế và giải điều chế được thiết kế trong hệ truyền tin số sao cho hệ hoạt động sử dụng công suất và độ rộng băng tối thiểu, có xác suất lỗi bít thấp trong môi trường có lỗi Gauss trắng dừng Tuy nhiên các kỹ thuật điều chế này phải kết hợp thêm một số kỹ thuật khác mới có thể chịu được trong môi trường fading đa đường, chuyển động hoặc môi trường có nguồn gây nhiễu cố ý hay không cố ý xen vào Một kỹ thuật điều chế khác vốn có đặc tính chịu được môi trường truyền dẫn phức tạp trên là kỹ thuật điều chế trải phổ

Kỹ thuật trải phổ dùng độ rộng băng truyền vài bậc lớn hơn độ rộng tín hiệu truyền, nó không có hiệu suất băng khi chỉ có một người sử dụng, song lại có hiệu suất khi nhiều người sử dụng cùng một lúc mà vẫn tránh được sự giao thoa với nhau Ngoài việc chiếm băng tần rộng, tín hiệu trải phổ còn có tính chất giống như

ồn khi so sánh với dữ liệu thông tin số Dạng sóng trải được điều khiển bởi dãy giả

ồn (hay là mã giả ồn -PN), đó là dãy nhị phân biểu diễn như dãy ngẫu nhiên song được xác định bởi máy thu chủ định Tín hiệu trải phổ được giải điều chế tại bộ thu khi tương quan chéo với một phiên bản của sóng mang giả ngẫu nhiên phát tại chỗ Tương quan chéo với dãy PN đúng sẽ giải trải tín hiệu, nhận được bản tin băng hẹp trong khi tương quan chéo với tín hiệu không mong muốn sẽ chỉ cho một lượng nhỏ của ồn băng rộng tại lối ra máy thu

Điều chế trải phổ có nhiều ưu điểm trong môi trường radio di động Nổi bật

là khả năng chống giao thoa đa truy cập vốn có của nó Vì rằng mỗi người dùng được phân một mã duy nhất gần như trực giao với mã của người khác nên bộ thu tách người dùng dựa trên mã mỗi người mặc dù họ dùng chung phổ trong cùng một thời gian Không chỉ tách được từ nhiều người dùng khác nó còn có thể khôi phục được khi bị phá bởi tín hiệu giao thoa băng hẹp Do ảnh hưởng của tín hiệu băng

hẹp chỉ tác động lên một phần nhỏ tín hiệu trải phổ nên nó dễ dàng lấy đi bằng bộ lọc khía chữ V mà không làm mất nhiều thông tin Ngoài ra do dùng chung tần số nên không cần kế hoạch tần số, tất cả các tế bào đều dùng chung kênh rộng

Chịu được đa đường là ưu điểm căn bản để sử dụng kỹ thuật này trong thông tin vô tuyến Do tín hiệu trải phổ có năng lượng phân đều trên băng rất rộng nên tại mỗi thời điểm chỉ có một phần nhỏ phổ chịu fading Thể hiện trong miền thời gian thì khả năng chống nhiễu đa đường là do các phiên bản trễ có tương quan nhỏ với dãy PN gốc, kết quả biểu hiện như người dùng không tương quan khác và bị loại

Hệ thống trải phổ không chỉ chịu được đa đường mà còn sử dụng các thành phần đa đường để cải thiện chất lượng tín hiệu (bộ thu RAKE, tổ hợp các thông tin nhận được từ một số thành phần đa đường phân giải được)

Hiện này phần lớn các quan tâm về các hệ thống SS (Spread Spectrum) là các ứng dụng đa truy nhập mà ở đó nhiều người sử dụng cùng chia sẻ một độ rộng băng tần truyền dẫn Trong hệ thống DSSS (Direct-Sequence Spreading Spectrum) tất cả các người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cách giải trải phổ Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng các nhiễu phổ rộng công suất thấp tựa tạp âm Ở các hệ thống FHSS (Frequency-Hopping Spreading Spectrum) và THSS (Time-Hopping Spreading Spectrum) mỗi người sử dụng được ấn định một mã giả ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh được xung đột Như vậy FH (Frequency-Hopping) và TH (Time-Hopping) là các kiểu hệ thống tránh xung đột, trong khi đó DS (Direct-Sequence) là kiểu hệ thống lấy trung bình Các mã trải phổ có thể là các mã giả tạp âm (PN code) hoặc các mã được tạo ra từ các hàm trực giao Để hiểu tổng quan vai trò của trải phổ trong hệ thống thông tin

vô tuyến ta có thể xét thêm phần tổng quan trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

3.4.4 Ghép kênh phân chia tần số trực giao, [3]

Bản chất của kỹ thuật đa sóng mang là kỹ thuật ghép kênh theo tần số Frequency Division Multiplexing), trong đó dải tần của tín hiệu ban đầu được chia thành các dải con, mỗi sóng mang trong dải tần đó được gọi là các sóng mang con hay thứ cấp mang một phần thông tin Trong các hệ thống FDM cổ điển toàn bộ dải tần của tín hiệu được chia thành N kênh con mà chúng không chồng lên nhau Mỗi kênh con được điều chế với một tấn số riêng sau đó N kênh con được ghép kênh theo tần số Ngoài ra hệ thống này còn đòi hỏi phải có khoảng bảo vệ giữa các kênh con để chống nhiễu giữa các kênh lân cận, điều này dẫn tới hiệu suất sử dụng phổ không cao và thiếu hụt dải tần có sẵn Để khắc phục nhược điểm này một ý tưởng

(FDM-được sử dụng từ những năm 60 là sử dụng FDM với các sóng mang trực giao chồng lânlên nhau như hình sau:

Hình2.5: So sánh kỹ thuật đa sóng mang trong OFDM và FDM

Hình 2.5 So sánh kỹ thuật đa sóng mang trong OFDM và FDM

Bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế sóng mang chồng lấn như hình vẽ trên

có thể tiết kiệm được khoảng 50% độ rộng băng tần Tuy nhiên để có được hiệu quả như vậy phải đảm bảo không có sự xuyên âm giữa các sóng mang, nghĩa là đảm bảo

sự trực giao giữa các sóng mang Khái niệm trực giao đòi hỏi mối liên hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang

Gọi là tập tín hiệu xác định trên và là tín hiệu thứ i trong tập, các tín hiệu là trực giao nếu:

K i k k i b

) ( )

Trong kỹ thuật OFDM phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT Discrete Fourier Tranform) được sử dụng để điều chế và giải điều chế tín hiệu nhằm đảm bảo sự trực giao nói trên Tại nơi phát, quá trình phát các sóng mang thực hiện phép biến đổi (IDFT Inverse Discrete Fourier Tranform) Tại nơi thu sử dụng DFT và tính toán các giá trị tương quan với tần số trung tâm của mỗi sóng mang để mỗi sóng mang được giải điều chế chính xác, khôi phục lại dữ liệu mà không có sự xuyên âm

Kỹ thuật OFDM có những ưu điểm nổi bật sau:

OFDM chống lại được fading lựa chọn tần số tốt hơn so với hệ đơn sóng mang

Loại trừ được ISI và ICI nhờ sử dụng tiền tố lặp (cyclic prefix)

Nâng cao hiệu suất sử dụng phổ nhờ sự chồng lấn phổ

Phổ của một sóng mang, và phổ của tín hiệu OFDM