Giáo trình Môn Công nghệ truyền thông vô tuyến (Bản chuẩn)

Là giáo trình môn Công nghệ truyền thông vô tuyến thuộc chuyên ngành Công nghệ điện tử viễn thông tại các trường đại họcCho phép chúng ta hiểu sâu hơn về truyền thông vô tuyến và những điều cần biết về công nghệ truyền thông vô tuyến

LỜI NĨI ĐẦU Thơng tin vơ tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn Phương pháp thông tin là: phía phát xạ tín hiệu thơng tin sóng điện từ, phía thu nhận sóng điện từ phía phát qua khơng gian tách lấy tín hiệu gốc Về lịch sử thông tin vô tuyến, vào đầu kỷ Marconi thành công việc liên lạc vô tuyến qua Đại Tây dương, Kenelly Heaviside phát yếu tố tầng điện ly diện tầng phía khí dùng làm vật phản xạ sóng điện từ Những yếu tố mở kỷ ngun thơng tin vô tuyến cao tần đại qui mô Gần 40 nǎm sau Marconi, thông tin vô tuyến cao tần phương thức thông tin vô tuyến sử dụng phản xạ tầng đối lưu, không đáp ứng nhu cầu thông tin ngày gia tǎng Chiến tranh giới lần thứ hai bước ngoặt thông tin vô tuyến Thông tin tầm nhìn thẳng - lĩnh vực thơng tin sử dụng bǎng tần số cực cao (VHF) nghiên cứu liên tục sau chiến tranh giới - trở thành thực nhờ phát triển linh kiện điện tử dùng cho HF UHF, chủ yếu để phát triển ngành rađa Với gia tǎng không ngừng lưu lượng truyền thông, tần số thông tin vô tuyến vươn tới bǎng tần siêu cao (SHF) cao (EHF) Vào nǎm 1960, phương pháp chuyển tiếp qua vệ tinh thực phương pháp chuyển tiếp tán xạ qua tầng đối lưu khí xuất Do đặc tính ưu việt mình, chẳng hạn dung lượng lớn, phạm vi thu rộng, hiệu kinh tế cao, thông tin vô tuyến sử dụng rộng rãi phát truyền hình quảng bá, vô tuyến đạo hàng, hàng không, quân sự, quan sát khí tượng, liên lạc sóng ngắn nghiệp dư, thơng tin vệ tinh - vũ trụ v.v Tuy nhiên, can nhiễu với lĩnh vực thông tin khác điều không tránh khỏi, thơng tin vơ tuyến sử dụng chung phần không gian làm môi trường truyền dẫn Để đối phó với vấn đề này, loạt Hội nghị vô tuyến Quốc tế tổ chức từ nǎm 1906 Tần số vô tuyến ấn định theo "Qui chế thông tin vô tuyến (RR)" Hội nghị ITU (Internasional Telecommunications Union) Geneva nǎm 1959 Sau Hội nghị phân bố lại dải tần số sóng ngắn để sử dụng vào nǎm 1967, Hội nghị bổ sung qui chế tần số vô tuyến cho thông tin vũ trụ vào nǎm 1971, Hội nghị phân bố lại tần số vô tuyến thông tin di động hàng hải cho mục đích kinh doanh vào nǎm 1974 Tại Hội nghị ITU nǎm 1979, dải tần số vô tuyến phân bố mở rộng từ kHz ÷ 400 GHz xem xét lại bổ sung cho Qui chế thông tin vô tuyến điện (RR) Để giảm bớt can nhiều thông tin vô tuyến, ITU tiếp tục nghiên cứu vấn đề sau để bổ sung vào xếp xác khoảng cách sóng mang Qui chế thơng tin vơ tuyến: dùng cách che chắn thích hợp lựa chọn trạm; cải thiện hướng tính anten; nhận dạng sóng phân cực chéo; tǎng cường độ ghép kênh; chấp nhận sử dụng phương pháp điều chế chống lại can nhiễu Ngày với phát triển mạnh mẽ hệ thống thông tin khác thông tin di động, vi ba số, cáp quang, thông tin vệ tinh v.v, thông tin vô tuyến tiếp tục đóng vai trò quan trọng phát triển ngày hồn thiện với cơng nghệ cao đáp ứng đòi hỏi khơng mặt kết cấu mà mặt truyền dẫn, xử lý tín hiệu, bảo mật thơng tin Chương TỔNG QUAN VỀ THƠNG TIN VƠ TUYẾN Các mạng vơ tuyến di động truyền thống xây dựng sở khái niệm tế bào (cellular), cách đáp ứng tốt kiến trúc Trong thiết bị di động thông tin với điểm truy nhập giống (như trạm sở) nối với mạng cố định Mạng vô tuyến phân loại theo kiểu tương ứng theo vùng phủ sóng là: (1) mạng vô tuyến nội (WLAN, Wi-Fi/IEEE 802.11), mạng cung cấp truy nhập internet tốc độ cao bị giới hạn vị trí khoảng cách; (2) mạng vơ tuyến tế bào, cho phép truy nhập phạm vi toàn cầu bị giới hạn tốc độ; (3) mạng vô tuyến đô thị (như WiMAX/ IEEE 802.16) mạng vô tuyến diện rộng mạng hệ thứ Sự phát triển công nghệ truyền thông vô tuyến năm gần nhanh, tập trung vào việc cải tiến giao thức môi trường truyền dẫn, người dùng đáp ứng yêu cầu dịch vụ lúc, nơi 1.1 PHÂN CHIA DẢI TẦN SỐ VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG CHO CÁC MỤC ĐÍCH THƠNG TIN Ta biết thơng tin vơ tuyến đảm bảo việc phát thông tin xa nhờ sóng điện từ Mơi trường truyền sóng (khí mặt đất, vũ trụ, nước, lớp địa chất mặt đất) chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến Việc phân kênh chủ yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số Một cách tổng quát, phổ tần tổng cộng miền áp dụng chúng hình 1.1 Phổ kéo dài từ tần số âm (subsonic - vài Hz) đến tia vũ trụ (10 Hz) chia tiếp thành đoạn nhỏ gọi băng tần Tồn dải tần số vơ tuyến (RF) lại chia thành băng nhỏ hơn, có tên kí hiệu bảng 1-1 theo Ủy ban tư vấn Thông tin vô tuyến quốc tế CCIR (Comité Consultatif Internationa des Radiocommunications - International Radio Consultative Committee) 22  Các tần số thấp (ELF - Extremely Low Frequencies) Có giá trị nằm phạm vi 30 ÷ 300 Hz, chứa tần số điện mạng AC tín hiệu đo lường từ xa tần thấp  Các tần số tiếng nói (VF - Voice Frequencies) Có giá trị nằm phạm vi 300 Hz ÷ kHz, chứa tần số kênh thoại tiêu chuẩn  Các tần số thấp (VLF - Very Low Frequencies) Có giá trị nằm phạm vi ÷ 30 kHz, chứa phần dải nghe tiếng nói Dùng cho hệ thống an ninh, quân chun dụng phủ thơng tin nước (giữa tàu ngầm)  Các tần số thấp (LF - Low Frequencies) Có giá trị nằm phạm vi 30 ÷ 300 kHz (thường gọi sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải hàng khơng  Các tần số trung bình (MF - Medium Frequencies) Có giá trị nằm phạm vi 300 kHz ÷ MHz (thường gọi sóng trung), chủ yếu dùng cho phát thương mại sóng trung (535 đến 1605 kHz) Ngoài sử dụng cho dẫn đường hàng hải hàng không  Các tần số cao (HF - High Frequencies) Có giá trị nằm phạm vi ÷ 30 MHz (thường gọi sóng ngắn) Phần lớn thông tin vô tuyến chiều (twoway) sử dụng dải với mục đích thơng tin cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát quảng bá v.v  Các tần số cao (VHF - Very High Frequencies) Có giá trị nằm phạm vi 30 ÷ 300 MHz (còn gọi sóng mét), thường dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải hàng không, phát FM thương mại (88 đến 108 MHz), truyền hình thương mại (kênh đến 12 với tần số từ 54 MHz đến 216 MHz)  Các tần số cực cao (UHF - UltraHigh Frequencies) Có giá trị nằm phạm vi 300 MHz ÷ GHz (còn gọi sóng đề xi mét), dùng cho kênh truyền hình thương mại 14 ÷ 83, dịch vụ thông tin di động mặt đất, hệ thống điện thoại tế bào, số hệ thống rada dẫn đường, hệ thống vi ba thông tin vệ tinh  Các tần số siêu cao (SHF - SuperHigh Frequencies) Có giá trị nằm phạm vi ÷ 30 GHz (còn gọi sóng cen ti mét), chủ yếu dùng cho vi ba thông tin vệ tinh  Các tần số cao (EHF - Extremely High Frequencies) Có giá trị nằm phạm vi 30 ÷ 300 GHz (còn gọi sóng mi li mét), sử dụng cho thông tin vô tuyến  Các tần số hồng ngoại Có giá trị nằm phạm vi 0,3 THz ÷ 300 THz, nói chung khơng gọi sóng vơ tuyến Sử dụng hệ thống dẫn đường tìm nhiệt, chụp ảnh điện tử thiên văn học  Các ánh sáng nhìn thấy Có giá trị nằm phạm vi 0,3 PHz ÷ PHz, dùng hệ thống sợi quang  Các tia cực tím, tia X, tia gamma tia vũ trụ Rất sử dụng cho thơng tin 1.2 ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN Tần số sử dụng cho sóng điện từ vai trò sóng mang thơng tin vơ tuyến gọi riêng "tần số vô tuyến" (RF) Tần số chiếm dải rộng từ VLF (tần số cực thấp) tới sóng milimet Mặc dù khơng gian tự hàm ý chân khơng, truyền sóng qua khí trái đất thường coi truyền sóng khơng gian tự Sự khác chủ yếu chỗ khí trái đất gây nên tổn thất tín hiệu, chân khơng khơng có tổn thất Khơng thể lý giải đầy đủ sóng vơ tuyến theo lý thuyết, khơng bị ảnh hưởng tầng đối lưu tầng điện ly mà thiên thể, kể mặt trời Do vậy, việc đánh giá trạng thái hành tinh tầng đối lưu điện ly việc dự báo đường truyền sóng vơ tuyến khả liên lạc dựa nhiều liệu khứ quan trọng Các mục tiếp sau giúp bạn đọc hiểu chế truyền sóng vơ tuyến theo tần số thông tin vô tuyến vấn đề khác, liên quan đến sóng vơ tuyến 1.2.1 Các phương thức truyền lan sóng điện từ Các sóng xạ từ điểm phát đến điểm thu theo đường khác Các sóng truyền lan dọc theo bề mặt đất gọi sóng đất hay sóng bề mặt; sóng tới lớp riêng biệt tầng ion phản xạ lại gọi sóng điện ly hay sóng trời; sóng khơng gian (gồm sóng trực tiếp sóng phản xạ từ mặt đất) (hình 1-2) Hình 2-2 Các phương thức truyền sóng a Sự truyền lan sóng đất Sóng đất sóng truyền lan dọc theo bề mặt trái đất, gọi sóng bề mặt Sóng đất sóng phân cực đứng điện trường sóng phân cực ngang song song với bề mặt trái đất, sóng bị ngắn mạch dẫn điện đất Thành phần điện trường biến đổi sóng đất cảm ứng điện áp bề mặt trái đất, tạo dòng điện chảy Bề mặt trái đất có điện trở tổn hao điện mơi, gây nên suy hao sóng đất lan truyền Sóng đất lan truyền tốt bề mặt chất dẫn điện tốt nước muối, truyền vùng sa mạc khô cằn Tổn hao sóng đất tăng nhanh theo tần số, sóng đất nói chung hạn chế tần số thấp MHz Sóng đất dùng rộng rãi cho liên lạc tàu thủy - tàu thủy tàu thủy - bờ Sóng đất dùng tần số thấp đến 15 kHz Các nhược điểm truyền lan sóng đất là: • Sóng đất u cầu cơng suất phát cao • Sóng đất u cầu anten kích thước lớn • Tổn hao thay đổi đáng kể theo loại đất Các ưu điểm là: • Với cơng suất phát đủ lớn, sóng đất dùng để liên lạc điểm giới • Sóng đất bị ảnh hưởng thay đổi điều kiện khí b Sự truyền lan sóng khơng gian Gồm sóng trực tiếp sóng phản xạ từ mặt đất, truyền vài kilomet tầng khí Sóng trực tiếp lan truyền theo đường thẳng anten phát thu, gọi sóng nhìn thẳng (LOS: Line-Of-Sight) Vì thế, sóng khơng gian bị hạn chế độ cong trái đất Sóng phản xạ từ đất sóng phản xạ từ bề mặt trái đất lan truyền anten phát thu Độ cong trái đất tạo nên chân trời truyền lan sóng khơng gian, thường gọi chân trời vơ tuyến Do khúc xạ khí quyển, chân trời vô tuyến dài chân trời quang học khí tiêu chuẩn thơng thường Chân trời vơ tuyến xấp xỉ 4/3 chân trời quang học Có thể kéo dài chân trời vô tuyến cách nâng cao anten phát anten thu (hay hai) tháp đặt đỉnh núi (tòa nhà) Hình 1-9 ảnh hưởng độ cao anten đến chân trời vơ tuyến Chân trời vơ tuyến nhìn thẳng anten bằng: đó: d = khoảng cách đến chân trời vô tuyến (dặm) h = độ cao anten so với mực nước biển (phít) Do đó, khoảng cách anten phát anten thu là: đó: d tổng khoảng cách (dặm) chân trời vô tuyến anten phát anten thu (dặm kilomet), độ cao anten phát anten thu (phít mét) Khoảng cách cực đại máy phát máy thu đất trung bình tính gần theo công thức sau (đơn vị mét): Như vậy, khoảng cách truyền sóng khơng gian tăng cách tăng độ cao anten phát, anten thu hai Hình 1-3 Sóng khơng gian chân trời vơ tuyến Do điều kiện tầng khí hay thay đổi nên mức độ khúc xạ thay đổi theo thời gian Trường hợp đặc biệt gọi truyền lan ống sóng xảy mật độ đạt mức cho sóng điện từ bị bẫy tầng bề mặt trái đất Các lớp khí hoạt động ống dẫn sóng sóng điện từ lan truyền xa vòng theo độ cong trái đất ống (hình 1-4) Hình 1-4 Hiện tượng ống sóng c Sự truyền lan sóng trời Các sóng điện từ có hướng xạ cao đường chân trời (tạo thành góc lớn so với mặt đất) gọi sóng trời Sóng trời phản xạ khúc xạ trái đất từ tầng điện ly, gọi sóng điện ly Tầng điện ly vùng không gian nằm cách mặt đất chừng 50 km đến 400 km Tầng hấp thụ số lượng lớn lượng tia cực tím tia X xạ mặt trời, làm ion hóa phân tử khơng khí tạo electron tự Khi sóng điện từ vào tầng điện ly, điện trường sóng tác động lực lên electron tự do, làm cho chúng dao động Khi sóng chuyển động xa trái đất, ion hóa tăng, song lại có phân tử khí để ion hóa Do đó, phần khí có số phần trăm phân tử ion hóa cao phần Mật độ ion cao, khúc xạ lớn Nói chung, tầng điện ly phân chia thành lớp: lớp D, E, F theo độ cao nó; lớp F lại phân chia thành lớp F1, F2 (hình 1-5) Độ cao mật độ ion hóa lớp thay đổi theo giờ, mùa theo chu kì vết đen mặt trời (11 năm) Tầng điện ly đậm đặc vào ban ngày mùa hè Lớp D: lớp thấp nhất, có độ cao 50 ÷ 100 km nằm xa mặt trời nhất, có ion hóa Như lớp D có ảnh hưởng đến hướng truyền lan sóng vơ tuyến Song ion lớp hấp thụ đáng kể lượng sóng điện từ Lớp D biến đêm Lớp phản xạ sóng VLF LF, hấp thụ sóng MF HF Lớp E: có độ cao 100 ÷ 140 km, gọi lớp Kennelly - Heaviside theo tên hai nhà bác học khám phá Lớp E có mật độ cực đại độ cao 70 dặm vào trưa mặt trời điểm cao Lớp E biến đêm, hỗ trợ lan truyền sóng bề mặt MF phản xạ sóng HF chút ban ngày Phần lớp E xét riêng gọi lớp E thất thường Lớp gây tượng nhật hoa hoạt động vết đen mặt trời Đây lớp mỏng có mật độ ion hố cao, cho phép cải thiện khơng ngờ cự ly liên lạc Hình 1-5 Tầng điện ly thay đổi chúng theo thời gian ngày Lớp F: gồm lớp F1 F2 Lớp F1 có độ cao 140 ÷ 250 km vào ban ngày Lớp F2 có độ cao 140 ÷ 300 km mùa đông 250 ÷ 350 km mùa hè Về đêm, lớp hợp lại với tạo thành lớp Lớp F1 hấp thụ suy hao số sóng HF, cho qua phần lớn sóng để đến F2, khúc xạ ngược trái đất 1.3 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN 1.3.1 Hệ thống thơng tin - Kênh thông tin Các hệ thống thông tin dùng để truyền tin Tin liên tục (tiếng nói, âm nhạc) rời rạc (văn bản, liệu số) Trong hệ thống thông tin, tin biến đổi thành tín hiệu phù hợp với kênh thơng tin Theo loại tin truyền đi, chia hệ thống thông tin thành hệ thống rời rạc liên tục Các hệ thống điện thoại vơ tuyến truyền hình với điều tần điều biên qui loại hệ thống liên tục (tương tự) Đôi tin liên tục biến đổi thành tin rời rạc (lượng tử hoá) truyền phương pháp đặc trưng cho hệ thống rời rạc (chẳng hạn truyền tiếng nói PCM) Hệ thống liên lạc điện báo ví dụ hệ thống rời rạc Người ta qui ước gọi tập hợp phương tiện kỹ thuật dùng để truyền tin từ nguồn đến người nhận tin đường thông tin Các phương tiện bao gồm thiết bị phát, kênh thông tin thiết bị thu (hình 1-6) Đường thơng tin với nguồn người nhận tạo thành hệ thống thông tin Chức thiết bị phát biến đổi tin thành tín hiệu thuận tiện cho việc truyền đường thông tin cho Tổng quát, trình biến đổi tin thành tín hiệu gồm cơng đoạn: biến đổi, mã hố điều chế Kênh thơng tin – mơi trường dùng để truyền tín hiệu từ máy phát đến máy thu Nó cáp, ống dẫn sóng khí Hình 1-6 Sơ đồ chức hệ thống thông tin Trong hệ thống thông tin thực tế tránh khỏi nhiễu loạn làm méo tín hiệu Các nhiễu cộng tính (nhiễu khí nhiễu cơng nghiệp, nhiễu từ máy lân cận) Nhiễu tác động vào máy thu khơng phụ thuộc vào tín hiệu xảy lối vào máy thu khơng có tín hiệu Dạng nhiễu loạn phổ biến khác hệ thống thông tin nhiễu loạn gây thay đổi ngẫu nhiên tham số kênh (liên quan trực tiếp đến q trình tín hiệu qua kênh, xuất có tín hiệu) Ví dụ loại tượng pha đinh Trong trường hợp lan truyền tia có nhiễu cộng tính nhiễu nhân kênh, tín hiệu lối vào máy thu viết dạng: đây: - hệ số truyền đạt kênh; - tín hiệu phát đi; ( - thời gian trễ tín hiệu, pha tín hiệu; - tin phát đi; - nhiễu cộng Kênh thơng tin có µ τ cố định theo thời gian gọi kênh có tham số khơng đổi Trường hợp ngược lại gọi kênh có tham số biến đổi Tín hiệu nhiều tia mơ tả biểu thức tương tự: Tách khoảng bảo vệ: Hình 2.13 Tách chuỗi bảo vệ máy thu Sau tách khoảng bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u( t) , luồng tín hiệu nhận là: u ' ( kTs + t ) = u ( kT + t ) ≤ t ≤ Ts , ∀k Tùy theo độ dài chuỗi bảo vệ so với trễ truyền dẫn lớn kênh, điều kiện kênh truyền (kênh phục thuộc thời gian hay khơng phụ thuộc thời gian) ta có kết khác sau giải điều chế Tín hiệu sau giải điều chế: Bộ giải điều chế sóng mang phụ mạch tích phân thực chức sau đây: d ' k ,l = To ( k +1) Ts ∫ uk' ( t ) e − jlωs t dt kTs d k' ,l Trong đó, tín hiệu tích phân nằm sóng mang phụ thứ l mẫu tín hiệu OFDM thứ k (khe thời gian thứ k) Khi đó: d ' k ,l = To ( k +1) Ts ∫ kTs τ    max  jωs ( n −l ) ( t − kTs ) − jnωsτ d h τ ,t s t − τ − kT e d τ dt ( ) ( )  e ∑ k ,n s ∫ n =− L     +L TG ≥ τ max TG Với điều kiện , độ dài chuỗi bảo vệ trễ truyền dẫn, ta dễ dàng nhận thấy rằng: τ max độ dài lớn  S ;0 ≤ τ ≤ τ max kTs ≤ t ≤ ( k + 1) Ts s ( t − τ − kTs ) =  o 0 ;τ , t khác Do vậy: d ' k ,l S = o To ( k +1) Ts ∫ kTs τ    max  jωs ( n −l ) ( t −kTs ) − jnωsτ d h τ ,t e d τ dt ( )  e ∑ k ,n ∫ n =− L     +L Hàm truyền đạt kênh là: τ max    H ( nωs , t ) =  ∫ h ( τ ,t ) e− jnωsτ dτ      Cuối cùng, tín hiệu sau giải điều chế sóng mang phụ biểu diễn dạng sau: d ' k ,l S = o To ( k +1) Ts +L ∫ ∑d kTs n =− L k ,n H ( nωs , t ) e jωs ( n −l ) ( t − kTs ) Trong phương trình trên, kết tích phân cho trường hợp có ích d kU,l , kết tích phân cho trường hợp liên kênh ICI (intercarrier interference) phương trình: d U k ,l S = o To ( k +1) Ts d kICI ,l +L n =− L n=l kết can nhiễu k ,l H ( lωs , t ) dt Và phần can nhiễu liên kênh biểu diễn bởi: d ICI k ,l S = o To ( k +1) Ts +L ∫ ∑d kTs n =− L n ≠l k ,n cho ta tín hiệu Phần tín hiệu có ích biểu diễn ∫ ∑d kTs n≠l dt H ( nωs , t ) e jωs ( n − l ) ( t − kTs ) dt Giả sử kênh vô tuyến không phụ thuộc vào thời gian độ dài mẫu H ( nωs , t ) Ts tín hiệu , có nghĩa biến đổi thời gian t hàm truyền đạt kênh loại bỏ phép lấy tích phân, thành phần có ích viết lại dạng: d kU,l = So H ( lωs ) Thành phần nhiễu liên kênh viết lại: d ICI k ,l S = o To +L ∑d n =− L n≠l k ,n H ( nωs ) ( k +1) Ts ∫ e jωs ( n −l ) ( t − kTs ) dt = kTs Do sóng mang trực giao với nhau, kết tích phân phương trình rõ ràng Do thành phần can nhiễu liên kênh triệt tiêu trường hợp kênh không thay đổi thời gian chu kỳ tín hiệu 2.4 Các đặc tính OFDM Qua chất OFDM, ta tóm tắt ưu điểm nhược điểm OFDM sau: Ưu điểm - OFDM tăng hiệu suất sử dụng cách cho phép chồng lấp sóng mang - Bằng cách chia kênh thơng tin thành nhiều kênh fading phẳng băng hẹp, hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hệ thống sóng mang đơn - OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) xuyên nhiễu sóng mang (ICI) cách chèn thêm vào khoảng thời gian bảo vệ trước symbol - Sử dụng việc chèn kênh mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM khơi phục lại symbol bị tượng lựa chọn tần số kênh - Kỹ thuật cân kênh trở nên đơn giản kỹ thuật cân kênh thích ứng sử dụng hệ thống đơn sóng mang - Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào chức điều chế giải điều chế làm giảm chức phức tạp OFDM - Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung giám sát kênh - OFDM bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) so với hệ thống đơn sóng mang - OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với nhiễu xuyên kênh kết hợp Ngoài ưu điểm OFDM có hạn chế Nhược điểm - Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với khoảng động lớn Vì tất hệ thống thơng tin thực tế bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao bất lợi nghiêm trọng OFDM dùng khuếch đại công suất hoạt động miền bão hòa khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều tăng độ phức tạp biến đổi từ analog sang digital từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu làm xuất méo nhiễu (distortion) băng lẫn xạ băng - OFDM nhạy với tần số offset trượt sóng mang hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng tần số hệ thống OFDM phức tạp hệ thống đơn sóng mang Tần số offset sóng mang gây nhiễu cho sóng mang trực giao gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động giải điều chế cách trầm trọng Vì vậy, đồng tần số nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt thu OFDM 2.5 OFDMA 2.5.1 Khái niệm OFDMA: (Orthogonal Frequency Division Multiple Access- Đa truy nhập phân tần trực giao) cơng nghệ đa sóng mang phát triển dựa kĩ thuật OFDM Trong OFDMA, số sóng mang con, khơng thiết phải nằm kề nhau, gộp lại thành kênh (sub-channel) user truy cập vào tài nguyên cấp cho hay nhiều kênh để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu luợng cụ thể OFDM (Orthorgonal Frequency Division Multiplexing) giới thiệu ứng dụng sơ đồ điều chế hay phần kỹ thuật đa truy nhập cách áp dụng việc trải mã miền tần số tạo nên hệ thống MC-CDMA.Trong OFDMA, vấn đề đa truy nhập thực cách cung cấp cho người dùng phần số sóng mang có sẵn Bằng cách này, OFDMA tương tự phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số thông thường (FDMA); nhiên khơng cần thiết có dải phòng vệ lân cận rộng FDMA để tách biệt người dùng khác 2.5.2 Đặc điểm OFDMA có số ưu điểm tăng khả linh hoạt, thông lượng tính ổn định đươc cải thiện.Việc ấn định kênh cho thuê bao cụ thể, việc truyền nhận từ số thuê bao xảy đồng thời mà không cần can thiệp nào, giảm thiểu tác động nhiễu đa truy xuất (Multi access Interfearence- MAI) Hình 2.15 ODFM OFDMA Hình 2.16 mơ tả ví dụ bảng tần số thời gian OFDMA, có người dùng từ a đến g người sử dụng phần xác định sóng mang phụ có sẵn,khác với người lại Hình 2.16 Ví dụ biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA Thí dụ cụ thể thực tế hỗn hợp OFDMA TDMA người sử dụng phát khe thời gian, chứa vài symbol OFDM người sử dụng từ a đến g đặt cố định (fix set) cho sóng mang theo bốn khe thời gian 2.5.3 Hệ thống OFDMA Hình 2.17: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA Nguồn tín hiệu làm bít điều chế băng tần sở thông qua phương pháp điều chế QPSK ,M- QAM… Tín hiệu dẫn đường (bản tin dẫn đường, kênh hoa tiêu - pilot symbol) chèn vào nguồn tín hiệu, sau điều chế thành tín hiệu OFDM thơng qua biến đổi IFFT chèn chuỗi bảo vệ GI Luồng tín hiệu số chuyển thành tín hiệu tương tự trước truyền kênh vô tuyến qua anten phát Tín hiệu bị ảnh hưởng fading nhiễu trắng AWGN( Addictive White Gaussian Noise ) Tín hiệu dẫn đường mẫu tín hiệu biết trước phía phát phía thu, phát kèm với tín hiệu có ích nhằm khơi phục kênh truyền đồng hệ thống Phía máy thu thực ngược lại so với máy phát Để khơi phục tín hiệu phát hàm truyền phải khơi phục nhờ vào mẫu tin dẫn đường kèm Tín hiệu nhận sau giải điều chế OFDM chia làm hai luồng tín hiệu Luồng thứ tín hiệu có ích đưa đến cân kênh Luồng thứ hai mẫu tin dẫn đường đưa vào khơi phục kênh truyền, sau lại đưa đến cân kênh để khơi phục lại tín hiệu ban đầu So sánh OFDM với SOFDMA - - OFDM:là công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, chia nhỏ băng tần thành sóng mang tần số khác biệt Trong hệ thống OFDM, chuỗi liệu đầu vào chia thành chuỗi song song có tốc độ thấp chuỗi điều chế phát sóng mang trực giao riêng SOFDMA :SOFDMA cơng nghệ OFDMA kích thước FFT thay đổi (tăng giảm) Thay đổi số điểm FFT thay đổi số sóng mang sử dụng symbol 2.6 Ứng dụng OFDM Ngày nay, kĩ thuật OFDM tiêu chuẩn hoá phương pháp điều chế cho hệ thống phát số DAB (Digital Audio Broadcasting), DRM (Digital Radio Mondiale - hệ thống phát số đường dài thay cho hệ thống AM), hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting for Terrestrial Transmission Mode), DVB-H (Digital Video Broadcasting for Handheld) người biết nâng cao tốc độ đường truyền hệ thống ADSL nhờ kĩ thuật OFDM.Nhờ kĩ thuật điều chế đa sóng mang cho phép chồng lấn phổ sóng mang mà tốc độ truyền dẫn ADSL tăng lên đáng kể 2.6.1 Hệ thống DRM Hình 2.18 Hệ thống DRM DRM hệ thống phát số thay cho hệ thống phát truyền thống AM Tần số sóng mang cho hệ thống DRM tương đối thấp, nhỏ 30MHz, phù hợp cho việc truyền sóng khoảng cách lớn Mơi trường truyền sóng hệ thống kênh phân tập đa đường có tham gia phản xạ mặt đất tầng điện li nên phạm vi phủ sóng DRM lớn, phủ sóng đa quốc gia hay liên lục địa Các tham số DRM theo ETSI, sau: Độ rộng băng: B=9.328kHz Độ dài FFT: NFFT= 256 Số sóng mang sử dụng để truyền tin: NC=198 Do trễ truyền dẫn tương đối lớn nên hệ thống DRM thiết kế dành cho máy thu tĩnh hay xách tay Điều khác hẳn so với hệ thống DAB hay DVB thiết kế cho máy thu có tốc độ di chuyển tương đối lớn ô tô, tàu hoả… 2.6.2 Các hệ thống DVB 2.6.2.1 DVB-T • Giới thiệu : Thế hệ máy phát số đời khắc phục nhược điểm máy phát tương tự khả mang nhiều chương trình kênh RF, hỗ trợ khả thu tín hiệu đa đường thu di động… Máy phát số DVB-T máy phát hình tương tự giống nhau, khác phần điều chế Hình 2.19 Sơ đồ khối DVB-T • Đặc điểm : Tín hiệu truyền tổ chức thành khung, khung liên tiếp tạo thành siêu khung.Lí việc tạo khung để phục vụ tổ chức mang thơng tin tham số phía phát sóng mang báo hiệu thơng số phía phát (Transmission Parameters Signalling carriers- TPS) Việc hình thành siêu khung để chèn đủ số nguyên lần gói mã sửa sai reed-Solomon 204 byte dòng truyền tải MPEG-2 dù ta chọn cấu hình để tránh việc chèn thêm gói đệm khơng cần thiết Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM miền thời gian đánh số từ đến 67.Mỗi symbol chứa hàng ngàn sóng mang (6817 với chế độ 8K, 1705 với chế độ 2K) nằm dày đặc dải thông 8MHz (ở nước ta chọn dải thông 8MHz, số nước khác chọn 7MHz) Như vậy, symbol ODFM chứa: • Sóng mang liệu: điều chế M-QAM, với mode 8K 6048 sóng mang mode 2K 1512 • Sóng mang dẫn đường (pilot symbol, mang thơng tin phía phát để khơi phục tín hiệu: pilot thường điều chế BPSK với mức công suất 2.5dB • Pilot liên tục: gồm 177 pilot với mode 8K, 15 với mode 2K, có vị trí cố định 8MHz để phía thu sửa lỗi tần số pha, tự động điều chỉnh tần số • Pilot rời rạc: 524 với mode 8K, 131 với mode 2K, vị trí cố định miền tần số rải dải tần 8MHz, giúp đầu thu tự động điều chỉnh để đạt đáp ứng kênh tốt • Sóng mang thơng số phát TPS: chứa nhóm thơng số phát điều chế BPSK, gồm 68 sóng mang mode 8K, 17 mode 2K ln có vị trí cố định biểu đồ chòm BPSK dải thông 78MHz Để tránh nhiễu kí hiệu ISI nhiễu tương hỗ sóng mang ICI, nguời ta thực chèn thêm chuỗi bảo vệ GI vào symbol Việc chèn thêm thực bên phía phát với thời gian bảo vệ TG khác theo quy định DVB: 1/4 TU, 1/8 TU, 1/16TU, 1/32 TU (TU: chiều dài phần tín hiệu có ích) 2.6.2.2 DVB-H : Điện thoại di động truyền hình Hình 2.20 Sơ đồ thu DVB-H Cấu trúc máy thu điện thoại di động DVB-H cho hình gồm phần: •Một giải điều chế DVB-H (gồm khối điều chế DVB-T, module Time slicing module MPE-FEC) đầu cuối DVB-H •Tín hiệu vào tín hiệu DVB-T Khối điều chế DVB-T thu lại gói dòng truyền tải MPEG-2, tín hiệu cung cấp mode truyền dẫn (2K, 8K 4K) với tín hiệu mang thơng số truyền dẫn - TPS tương ứng.Module Time Slicing giúp tiết kiệm công suất tiêu thụ hỗ trợ việc chuyển giao mạng linh hoạt Module MPEFEC cung cấp mã sửa lỗi tiến cho phép thu đương đầu với điều kiện thu đặc biệt khó khăn Tín hiệu khỏi giải điều chế DVB-H có dạng gói dòng truyền tải TS IP Datagrams (khi thu tín hiệu DVB-H) Đầu cuối DVB-H giải mã IP Datagrams,hiển thị nội dung chương trình DVB-H Hiện nhiều hãng sản xuất điện thoại hệ ĐTDĐ DVB-H đầu tiên: NOKIA 7700 7710, PHILIPS HoTMAN 2, SIEMENS… Kiến trúc ban đầu máy ĐTDĐ DVB-H gồm:  Điện thoại tích hợp băng tần số: GSM, GPRS UMTS (3G)  Bộ thu DVB-H  Camera 1.3M pixel  Màn hiển thị VGA (640 x 480)  Màn hình cảm biến - touch screen  Âm ngõ Stereo  Hỗ trợ chuẩn không dây Bluetooth  Bộ nhớ có dung lượng 1Gbit Hãng NOKIA tuyên bố từ hãng tung thị trường khoảng 60 thiết bị sang trọng có tích hợp DVB-H DVB-H có ưu vượt trội mình: Tiết kiệm lượng Pin tới 90%, thu tín hiệu mơi trường di động tốt, tín hiệu đóng gói dạng IP truyền tín hiệu dạng quảng bá tới máy điện thoại di động Bởi ứng dụng công nghệ quảng bá DVB-H cho đường xuống (downlink) máy điện thoại mạng di động dường giải pháp mang tính đột phá mà hệ mạng viễn thông 2G (GSM); 2,5G (GPRS) 3G (UMTS) chưa thể khắc phục Đó khơng bị hạn chế băng thơng thời điểm số thuê bao sử dụng dịch vụ truyền hình trực tuyến tăng vọt Sự hội tụ công nghệ quảng bá DVB-H viễn thông hãng truyền thông lớn giới thử nghiệm nhiều nước giới (mô hình DVB-H & GPRS hay DVB-H & UMTS) thức đưa sản phẩm vào đầu năm 2005 Nokia, Philips, Siemens hãng sản suất máy phát số hàng đầu giới (Harris, Intelco, Rohde&Schwarz ) xuất xưởng thiết bị tích hợp công nghệ DVB-H Cuộc đua điện thoại di động 3G điện thoại di động truyền hình DVB-H bắt đầu! Với ưu mình, ĐTDĐ truyền hình cơng nghệ DVB-H mở triển vọng cho người sử dụng Bảng 2.1 So sánh DVB-T DVB-H Hiện với công nghệ phát số mặt đất (DVB-T) phát khoảng 6-7 chương trình TV (SDTV) kênh sóng (với tốc độ tổng 27,14 Mbit/s) Trong cơng nghệ IP Datacast (DVB-H) dễ dàng tương thích với hình cỡ nhỏ (vài inch) đầu cuối cầm tay Với hình nhỏ với tốc độ 128-384 Kbit/s kênh (hay chương trình TV yêu cầu) phân phối kênh video chất lượng cao Chính cơng nghệ làm tăng hiệu trình phát quảng bá truyền từ 10 đến 55 chương trình TV kênh sóng Ngồi ra, hệ thống thông tin di động hệ thứ (4G), kĩ thuật OFDM còn thể kết hợp với kĩ thuật khác phân tập anten (MIMO- Multi In Multi Outđa anten phát thu) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến kết hợp với CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập vào mạng.Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT điều chế OFDM Wavelet nhằm cải thiện nhạy cảm hệ thống hiệu ứng dịch tần đồng giảm độ dài tối thiểu chuỗi bảo vệ OFDM; nhiên, khả ứng dụng kĩ thuật cần kiểm chứng tương lai CHƯƠNG CÁC HỆ THỐNG MIMO 3.1 Định nghĩa MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) công nghệ truyền thơng khơng dây, đầu nhận lẫn đầu phát tín hiệu sử dụng nhiều ăng ten để tối ưu hóa tốc độ truyền nhận liệu, đồng thời giảm thiểu lỗi nhiễu sóng, tín hiệu MIMO tận dụng dội lại sóng “đụng” phải chướng ngại đường truyền khiến chúng đến đầu nhận tín hiệu nhiều đường khác MIMO xây dựng dựa chuẩn 802.11g 802.11n Viện Kỹ thuật Điện Điện tử (Institute of Electrical and Electronic Engineers – IEEE), thường dùng chung với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM) Các nhà cung cấp dịch vụ truyền thơng tiêu chuẩn hóa MIMO để đưa vào sử dụng chuẩn mạng 3G HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Ưu điểm MIMO gia tăng tốc độ truyền liệu mở rộng tầm phủ sóng băng thơng, đồng thời giảm chi phí truyền tải Cơng nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu nhận tín hiệu mạnh từ ăng ten vị trí Trong việc truyền thơng sóng vơ tuyến, chướng ngại đường truyền từ đầu phát đến đầu nhận địa hình, tòa cao ốc, dây điện cấu trúc khác khu vực làm cho sóng bị phản xạ khúc xạ Những yếu tố nhiều làm cho sóng bị nhiễu, yếu hay hẳn Trong truyền thông kỹ thuật số, yếu tố nói làm giảm tốc độ truyền chất lượng liệu Trong công nghệ MIMO, đầu phát sóng sử dụng nhiều ăng ten để truyền sóng theo nhiều đường khác nhằm tăng lưu lượng thơng tin Dữ liệu truyền sau tập hợp lại đầu nhận theo định dạng ấn định Điều tương tự đôi tai tiếp nhận đủ thứ âm từ giới bên ngồi, sau não lọc lựa phân loại âm MIMO ghép kênh theo khơng gian để phân biệt tín hiệu khác tần số Thêm vào đó, người ta sử dụng kỹ thuật mật mã hóa khối liệu theo thời gian không gian (space-time block coding) để tăng cường độ tin cậy Với công nghệ phát triển ngày tinh vi, vi mạch nhỏ bé, có tốc độ xử lý cao đáng tin cậy sản xuất đại trà với giá rẻ nên việc ứng dụng MIMO thực tiễn thu hút nhiều ý giới truyền thông không dây Hãng Netgear Santa Clara, bang California (Mỹ) gần tung sản phẩm sử dụng bảy ăng ten có khả phối hợp với 127 kiểu ăng ten phát thu tín hiệu kỹ thuật số Các sản phẩm Wi-Fi sử dụng công nghệ MIMO nhiều nhà sản xuất quan tâm chúng có khả cải thiện tốc độ truyền liệu, tầm phủ sóng độ tin cậy So với mạng LAN có hệ thống cáp đại cho tốc độ truyền tải liệu lên đến hàng gigabit giây Wi-Fi thua xa Tuy vậy, nhà điều hành mạng cáp, công ty điện thoại nhiều nhà cung cấp dịch vụ thiết bị vi tính đẩy mạnh việc ứng dụng mạng Wi-Fi mơi trường gia đình doanh nghiệp có hiệu cao giá thành hạ ... mạng vô tuyến tế bào, cho phép truy nhập phạm vi tồn cầu bị giới hạn tốc độ; (3) mạng vô tuyến đô thị (như WiMAX/ IEEE 802.16) mạng vô tuyến diện rộng mạng hệ thứ Sự phát triển công nghệ truyền thông. .. Kênh thông tin, hạn chế mơi trường truyền sóng, mặt vật lý chung cho tất phương tiện thông tin vô tuyến tồn tại, đài phát thanh, dẫn đường vô tuyến Khả phát đồng thời số lượng lớn tin vô tuyến. .. truyền sóng vơ tuyến khả liên lạc dựa nhiều liệu khứ quan trọng Các mục tiếp sau giúp bạn đọc hiểu chế truyền sóng vơ tuyến theo tần số thông tin vô tuyến vấn đề khác, liên quan đến sóng vơ tuyến