báo cáo nhiễu liên ký tự ISI ( Inter symbol Interference)

báo cáo nhiễu liênký tự ISI ( Inter symbol Interference)

MỤC LỤC

ĐẦU

Nhiễu là một vấn đề rất quan trọng trong thông tin di động, ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu, khi xử lý tín hiệu và khi truyền tín hiệu tín hiệu làm gây méo tín hiệu hoặc xuất hiện các tạp âm trong các thiết bị tái tạo lại tín hiệu Vì vậy ta phải giám sát được chúng

và tìm biện pháp khắc phục tín hiệu nhiễu đến mức tối đa để tăng chất lượng của của tín hiệu

Nhiễu trong thong tin vô tuyến được chia làm 5 loại chính mỗi loại có đặc điểm riêng và có ảnh hưởng khác nhau đến chất lượng truyền tín hiệu trong môi trường vô tuyến Nắm vững lý thuyết về nhiễu và tìm hiểu, nghiên cứu các biện pháp khắc phục chúng

sẽ giúp mạng thông tin di động nâng cao chất lượng, hiệu quả Năm loại nhiễu đó là:

1.Nhiễu trắng ( White Gaussian Noise)

2.Nhiễu xuyên âm ( Inter symbol Interference)

3.Nhiễu xuyên kênh ( Interchannel Interference)

4.Nhiễu đồng kênh ( Cochannel Interference)

5.Nhiễu đa truy nhập ( Multiple access Interference)

Trong nội dung bài báo cáo này chúng em xinh trình bày tìm hiểu của mình về nhiễu liên

ký tự ISI ( Inter symbol Interference) Đây là loại nhiểu ảnh hưởng khá nhiều đến chất lượng thông tin vô tuyến qua các phương pháp điều chế như QAM và OFDM

Do kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình tìm hiểu báo cáo còn nhiều thiếu sót và sai lầm rất mong nhận được sự góp ý của thầy giáo và các bạn để bài báo cáo của chúng em hoàn thiện hơn

Nhóm chúng em xin chân thành cám ơn thầy Trần Trung Dũng đã hướng dẫn, giúp

đỡ để chúng tôi hoàn thành bài tiểu luận này

Thái nguyên ngày 20/10/2014

CHƯƠNG 1 NHIỄU LIÊN KÝ TỰ ISI

Khái niệm về ISITrong hệ thống truyền tin số,nhiễu của tín hiệu nhận ,mà các nhiễu

đó được biểu diễn theo thời gian(trải trên miền thời gian) và kết quả của sự chồng chéo những xung riêng biệt tới một mức độ mà bộ nhận không thể phân biệt một cách chính xác

sự thay đổi trạng thái được gọi là nhiễu liên tín hiệu(ISI)

là cân bằng biên độ

• Méo pha:Một xung là sự tổng hợp hoặc chồng nhau của các sóng hình sin có biên độ

và pha riêng biệt.Nếu các quan hệ pha tương đối của các sóng hình sin đó biến đổi thì

sẽ xuất hiện méo pha.Méo pha xuất hiện khi các thành phần tần số có sự khác biệt về

độ lệch thời gian trong qua trình truyền dẫn qua môi trường.Các bộ cân bằng độ lệch thời gian thưòng được sử dụng để bù độ lệch và giảm méo pha

Hình 1.1 Dạng tín hiệu nhiễu ISI

1.3 Các biện pháp khắc phục nhiễu ISI

Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là một vấn đề khá nan giải Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian kí hiệu, do vậy, nếu muốn tăng tốc độ truyền

dữ liệu trong các hệ thống này, tức là giảm khoảng kí hiệu, vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ tương đối Lúc này hệ thống rất nhạy với trải trễ Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI

Để giảm nhiễu xuyên âm người ta phải làm thế nào hạn chế dải thông mà vẫn không gây ra ISI Khi dải thông bị giới hạn, xung sẽ có đỉnh tròn thay vì đỉnh phẳng

Một trong những phương pháp để loại bỏ nhiễu ISI là dùng bộ lọc cos nâng và bộ lọc ngang ép không (phương pháp Nyquist I)

1.3.1 Bộ lọc cos nâng

Hình 1.2 Bộ lọc cos nâng

Tín hiệu từ nguồn gồm có M phần tử, song chúng ta hạn chế chỉ khảo sát trường hợp khi các phần tử si(t) của tập tín hiệu chỉ khác nhau về biên độ, tức là ta sẽ hạn chế chỉ xét hệ thống điều chế biên độ xung PAM Thực tế hệ thống này có thể xem như gán cho mỗi một tin mk một hằng số akmà biên độ của xung đầu ra của bộ tạo xung sẽ được nhân với nó

Ta hãy giả sử rằng bộ tạo xung cho ra các xung Dirắc tại các thời điểm t=kTs Các xung dạng Dirac này, có biên độ thay đổi tuỳ Theo sự thay đổi các giá trị Mk, qua bộ lọc T(ω) sẽ tới kênh truyền Phần máy thu trên hình 2.2 là máy thu tối ưu, thu lọc phối hợp, mạch quyết định thực hiện lấy mẫu và so ngưỡng Hàm truyền tổng cộng của hệ thống (đặc tính tần số tổng cộng của hệ thống) là tích của hai đặc tính của hai bộ lọc phát và thu C(ω)=T(ω).R(ω) Bây giờ chúng ta sẽ tìm kiếm lớp các đặc tính lọc C(ω) sao cho

việc truyền chuỗi tín hiệu qua hệ thống sẽ không có ISI Việc truyền được coi là không có

ISI nếu vào thời điểm quyết định tín hiệu lấy mẫu thứ k, chỉ có phản ứng xung của tín hiệu thứ k là khác không còn phản ứng của các tín hiệu khác đều bằng không

Theo định lý Nyquist, độ rộng băng tần truyền dẫn nhỏ nhất để có thể truyền được không méo tín hiệu băng gốc là B=1/2.T Độ rộng băng ở đây có nghĩa là dải tần mà ngoài nó giá trị hàm truyền đồng nhất bằng không Tần số 1/2T được gọi là tần số Nyquist Do vậy chúng ta

sẽ xét các đặc tính lọc có độ rộng thông tần tối thiểu là 1/2T (hay π/T tính theo tần số góc).Trước tiên ta hãy xem xét trường hợp C(ω) là đặc tính của bộ lọc thông thấp lý tưởng, tức là đáp tuyến pha của bộ lọc thì tuyến tính còn đáp tuyến biên độ |C(ω)| có dạng:

Bộ lọc lúc này có dạng:

Có giá trị cực đại bằng 1 tại t = 0 và có giá trị bằng 0 tại t = kπ/ω0

Gỉa sử rằng đầu vào của bộ lọc lý tưởng này có tín hiệu lối vào bộ lọc T(ω) được cho bởi:

Trong trường hợp này, phản ứng xung đầu ra sẽ không gây nên ISI nếu tần số cắt của

1.3.2 Bộ lọc ngang ép không

Hình 1.3 Vị trí bộ lọc cân bằng kênh

Theo hình 1.3 ta có đáp ứng tần số của toàn hệ thống từ phát đến thu là

H0(f)= HT(f) Hc(f)HE(f)Với đáp ứng xung tổng hợp : h0(t)= f -1 [H0(f) ]

Để thoả mãn điều kiện không có nhiẽu liên kí hiệu ISI thì

Tần số lấy mẫu tín hiệu bên thu là 1/T Theo đó thì mật độ cân bằng lý tưởng zero- ISI đơn giản là một bộ lọc nghịch đảo đáp ứng tần số của bên phát và kênh truyền Bộ lọc đảo này thường được xấp xỉ bởi một bộ lọc FIR như hình vẽ dưới

xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian của một ký tự OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ (guard interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn

Hệ thống truyền hình số DVB-T sử dụng phương pháp ghép kênh tần số trực giao OFDM nối tiếp theo quá trình mã hóa kênh Dòng dữ liệu (đã được mã hóa kênh) được ánh xạ lên từng sóng mang điều chế số QPSK hoặc QAM Mỗi sóng mang truyền tải một phần của dòng dữ liệu dưới dạng các symbol điều chế và được ghép kênh tần số trực giao nhau Trong một kênh truyền DVB-T có N sóng mang phụ

Khoảng tần số fSC giữa các sóng mang phụ là điều kiện để đảm bảo các sóng mang này sẽ trực giao trong tín hiệu ghép kênh đa sóng mang trực giao COFDM Mỗi sóng mang phụ có băng thông fSC khoảng thời gian TS truyền một symbol điều chế Các sóng mang truyền đồng thời trong thời gian TS tạo thành một symbol COFDM

2.2 Đặc điểm của COFDM

Khả năng thích ứng với hiệu ứng truyền đa đường là một trong các đặc tính ưu việt của phương pháp OFDM Đặc tính của kênh tryền sóng đa đường có dạng như hình bên dưới, trong đó có tồn tại khe fading chọn lọc tần số xuất hiện như một biến ngẫu nhiên Trên thực tế khe fading có thể làm gián đoạn một số sóng mang và gây một số symbol lỗi Nhưng

do việc chèn xen kẽ và sử dụng mã sửa sai, các symbol lỗi có thể sửa được dễ dàng

Trong miền thời gian, tín hiệu do phản xạ từ các chướng ngại vật sẽ đến máy thu trễ trong vòng hàng chục µs Do đó, nếu Chu kỳ tín hiệu số trên sóng mang dài hơn khoảng thời gian trễ nói trên thì tiếng vọng từ các symbol trước sẽ tắt trong một phần nhỏ của symbol đang xét Điều này hoàn toàn có thể thực hiện được vì hệ thống OFDM thực hiện việc chuyển từ truyền nối tiếp sang truyền song song nên cho phép kéo dài symbol ứng với mỗi sóng mang phụ lên N lần

Hình 2.2 Đáp ứng tần số trên kênh đa đường

Ngoài ra, để ổn định sóng mang thì khoảng thời gian bảo vệ Tguard (lên tới 10 ÷ 25% thời gian truyền tín hiệu) được chèn thêm vào trước khoảng thời gian symbol tích cực là TU

Do có thêm khoảng thời gian bảo vệ này mà tại máy thu các tiếng vọng không được bộ giải điều chế xử lý khi chúng nằm trong khoảng bảo vệ

Một ưu điểm khác khi chèn thêm khoảng bảo vệ Tguard vào symbol COFDM làm cho

hệ thống truyền hình số DVB-T cho phép hoạt động với mạng đơn tần SFN (single frequency network) Các máy phát DVB-T có thể cùng chung nguồn dữ liệu của tín hiệu đầu vào có thể hoạt động trong cùng một kênh tần số với một khoảng cách thích hợp

Hiệu suất truyền tải dữ liệu khi chèn thêm khoảng bảo vệ như sau:

Hệ thống DVB-T cho phép lựa chọn khoảng bảo vệ Tg theo các tỷ lệ ¼, 1/8, 1/16, hoặc 1/32 của TU.

Để tạo nên tín hiệu truyền đa sóng mang COFDM, với quan hệ giữa symbol miền thời gian sang miền tần số, bằng phép toán biến đổi nhanh Fourier Một tín hiệu được phát đi chỉ là tín hiệu hàm cosin tuần hoàn

Khi sóng vô tuyến lan truyền tạo ra nhiều đường truyền Tại một điểm thu xác định, máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều đường, do sóng truyền thẳng và sóng phản xạ Tín hiệu phản xạ có cùng dạng với tín hiệu chính (truyefn thẳng nhưng bị dịch pha và biên độ suy giảm Ngoài ra còn có tín hiệu nhận được từ một máy phát khác, phát đi trên cùng kênh sóng

vô tuyến, có cùng chung nguồn dữ liệu đầu vào Tại máy thu, tín hiệu thu được sẽ là tín hiệu tổng hợp bao gồm tín hiệu sóng truyền thẳng, tín hiệu sóng phản xạ và tín hiệu từ một máy phát khác cùng kênh tần số Do có sự tổng hợp biên độ và pha của các sóng mang và biến các sóng phản xạ không có ích thành sóng có ích, nên sóng thu nhận tổng hợp sẽ được ổn định theo sau khoảng thời gian symbol tích cực TU

Hệ thống OFDM còn có khả năng chịu đựng nhiễu băng hẹp Nếu trong phạm vi phủ sóng có tồn tại nguồn nhiễu băng hẹp rơi vào kênh tần hoạt động của hệt hống OFDM thì hệ thống có thể chấp nhận không truyền một số sóng mang bằng cách đặt biên độ các sóng mang đó bằng 0 Tình trạng này cũng tương tự như trường hợp một số sóng mang bị suy giảm do tác động của fading chọn lọc tần số Khi đó chính hệ thống OFDM cũng giảm thiểu được việc gây nhiễu đến hệ thống được xem là nguồn nhiễu kia Khả năng này rất có ý nghĩa khi trong vùng phủ sóng có tồn tại cả kênh truyền hình tương tự và truyền hình số Khi đó các sóng mang phụ của hệt hống OFDM trùng với các sóng mang hình, sóng mang tiếng, sóng mang màu của kênh truyền hình tương tự sẽ được “tắt” đi, ưu tiên cho truyền hình tương tự vì khả năng chịu can nhiễu của truyền hình tương tự tại các tần số này rất kém

2.3 Phương pháp điều chế COFDM

2.3.1 Giới thiệu về phương pháp điều chế

COFDM chia luồng dữ liệu thành các đoạn nhỏ, mỗi đoạn dữ liệu được điều chế số trên một sóng mang, kênh RF được chia thành rất nhiều sóng mang tùy theo chế độ lựa chọn (2K hay 8K)

Các sóng mang là trực giao nhau về pha (vuông góc)

Chèn thêm các khoảng bảo vệ (guard interval) giữa các sóng mang

Sử dụng mã sửa lỗi cho dữ liệu điều chế

• Điều chế OFDM:

 Dữ liệu được định vị (MAP) vào N vector

 IFFT biến đổi N vector thành N tổ hợp sóng mang đã được điều chế số I/Q

 N sóng mang được điều chế I/Q trong đó 2 sóng mang cạnh nhau thì trực giao nhau, ghép thành tín hiệu OFDM

Hình 2.3 OFDM trong hệ thống ĐVB – T

2.3.2 Phương pháp điều chế

• Phân chia kênh trong COFDM được biểu diễn trên trục thời gian và tần số:

 Trục tần số biểu diễn tần số của băng con

 Trục thời gian biểu diễn các đoạn dữ liệu theo thời gian

 Mỗi một phần tử trên trục tần số/ thời gian là một sóng mang con

 Trong khoảng thời gian đoạn dữ liệu (time segment) sóng mang con được điều chế bằng một vài bít số liệu.

• Số bit truyền dẫn bởi một sóng mang con:

 2 bit nếu là điều chế 4 QAM

 4 bit nếu là điều chế 16 QAM

 6 bit nếu là điều chế 64 QAM

• Một nhóm sóng mang con trong một đoạn dữ liệu gọi là 1 symbol

• Trong 1 symbol các sóng mang con trực giao nhau nhằm tránh giao thoa

• Dữ liệu được mã hóa, chèn khoảng phòng vệ và định vị lên các sóng mang con

• Để máy thu giải điều chế chính xác cần có các tín hiệu Pilot : là các tín hiệu đồng bộ khung, đồng bộ tần số, đồng bộ thời gian,

• Có 45 sóng mang Pilot – mode 2K và có 177 sóng mang Pilot mode 8K

2.4.1 Nguyên lý ghép kênh

Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM rất giống với ghép kênh theo tần số Frequency Division Multiplexing (FDM) truyền thống OFDM sử dụng những nguyên lý của FDM để cho phép nhiều tin tức sẽ được gửi qua một kênh Radio đơn Tuy nhiên nó cho phép hiệu quả phổ tốt hơn OFDM khác với FDM nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh thruyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Với cách truyền OFDM như là DAB hoặc DVB-T, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tấn số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (Inter- Carrier Interference (ICI)) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần

có khoản bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng

kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng

sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin Một phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triễn, phụ thuộc vào tín hiệu

thông tin là dạng sóng analog hoặc digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: Điều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB), Vestigial Side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khóa dịch biên độ (ASK), khóa dịch tần

số (FSK), Khóa dịch pha (PSK) điều chế QAM OFDM còn có tên gọi khác là “Điều chế đa sóng mang trực giao” (OMCM –dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp,truyền trên nhiều sóng mang trực giao nhau Công nghệ này được trung tâm nghiên cứu CCETT (Centre Commund’Étude en dédiffution et Télécomunication) của Pháp phát minh nghiên cứu từ đầu thập niên 1980 Phương pháp đa sóng mang dùng công nghệ OFDM sẽ trải dữ liệu cần truyền trên rất nhiều sóng mang, mỗi sóng mang được điều chế riêng biệt với tốc độ bit thấp Trong công nghệ FDM truyền thống những sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm rằng không có chồng phổ, bởi vậy không có hiện tượng giao thoa ký hiệu ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa đuợc

sử dụng với hiệu quả cao nhất Với OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký hiệu thì những tín hiệu có thể được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ

2.4.2 Sự trực giao (Orthogonal)

“ORTHOGONAL” chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoãng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn được như vậy các sóng mang phài trực giao về mặt toán học Máy thu hoạt động như các một bộ gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol τ), thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/τ Bất kỳ sự phi tuyến