Ngoài những thuận lợi trên hệ thống OFDM cũng có những hạn chế cần giải quyết như sau:
• Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động rất lớn. Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PAPR (Peak-to- Average Power Ratio) cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa để khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog. Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng.
• OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn song mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống song mang đơn. Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng. Vì thế, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt được trong bộ thu OFDM.
Kết luận chương
Với việc giới thiệu về nguyên lý và các đặc tính cơ bản của OFDM trong chương này, chúng ta thấy rằng OFDM thực sự là một phương thức điều chế thuận lợi cho các ứng dụng không dây tốc độ cao.
Đi cùng với việc chế tạo các mạch tích hợp tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến là việc hạ giá thành của các hệ thống OFDM. Chính nhờ điều này mà các hệ thống OFDM hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo các song mang con bằng biến đổi IFFT/FFT đã trở nên dễ dàng khi chế tạo các ma trận IFFT/FFT kích thước lớn giá thành hạ.
Trong chương sau trình bày về ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu, giúp chúng ta có hiểu biết nhất định về kênh vô tuyến trước khi ứng dụng OFDM trong DVB_T.
CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN
Đặt vấn đề
Khi nghiên cứu hệ thống thông tin, việc tạo ra các mô hình kênh đóng một vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống. Bản chất biến đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng, thiệt hại không thể lường trước làm cho cấu trúc bộ thu, kỹ thuật sửa lỗi ngày càng phức tạp. Khi nghiên cứu các thuật toán, giải thuật để hạn chế những ảnh hưởng của kênh truyền, điều cần thiết là phải xây dựng những mô hình có thể xấp xỉ môi trường truyền dẫn một cách hợp lý.Chương này giới thiệu những đặc tính,ảnh hưởng của kênh truyền đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình số quảng bá mặt đất DVB_T.
2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)
Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ,khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ,…và do đó gây ra hiện tượng đa đường (multipath).Tín hiệu nhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnh hưởng như :suy hao truyền dẫn trung bình (mean propagation loss), fading đa đường (multipath fading) và suy hao đường truyền (path loss).
Mean propagation loss xảy ra do các hiện tượng như:sự mở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước,lá cây…và do phản xạ từ mặt đất.Mean propagation loss phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các mobile di chuyển với tốc độ cao.
2.1.1 Suy hao đường truyền (pass loss and attenuation)
Tại anten phát,các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu).Khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu ,sóng cũng được mở rộng theo dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế.Vì thế mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách.Phương trình (2.1) cho ta công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do:
(2.1) Trong đó :
PR là công suất thu được (Watts).
PT là công suất phát (Watts).
GT là độ lợi của anten phát, GR là độ lợi của anten thu. λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m).
R là khoảng cách truyền dẫn tính bằng met. Hoặc ta có thể viết lại là :
(2.2) Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:
Lpt(dB)=PT(dB) - PR(dB)
=-10logGT -10log10GR+20logf+20logR-47.6dB (2.3) Nói chung truyền trong không gian tự do không phức tạp lắm,chúng ta có thể xây dựng mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp như các tuyến liên lạc viba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn.Tuy nhiên, cho hầu hết các thông tin trên mặt đất như thông tin di động, DVB_T, mạng LAN không dây,môi trường truyền phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn.Ví dụ đối với những kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi điều kiện về không gian tự do không được thoả mãn ,chúng ta có thể tính suy hao đường truyền theo công thức sau :
(2.4) Trong đó hBS, hMS << R là độ cao anten trạm phát và anten của MS.
2.1.2 Hiện tượng Multipath
Tín hiệu RF truyền qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian, va chạm vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, sông, núi… gây ra các hiện tượng sau đây:
Phản xạ (reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng. (hình 2.1)
Hình 2.1 Hiện tượng phản xạ
Tán xạ (scaterring): khi sóng đập vào các vật có bề mặt không bằng phẳng
và các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng (Hình 2.2)
Hình 2.2 Hiện tượng tán xạ
Nhiễu xạ (diffraction): khi sóng va chạm với các vật có kích thước lớn hơn
nhiều chiều dài bước sóng (Hình 2.3 )
Hình 2.3 Hiện tượng nhiễu xạ
Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới được máy thu. Do các bản sao này phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên:
• Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha giữa các thành phần này là khác nhau.
• Các bản sao sẽ suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này là khác nhau.Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và pha của các bản sao:
• Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực (constructive addition) khi các bản sao đồng pha.
• Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực (destructive addition) khi các bản sao ngược pha.
Tùy theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective fading channel), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay biến đổi chậm (slow fading channel). Tuỳ theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Ricean.
2.1.3 Hiệu ứng Fading
Fading, gây ra do nhiễu giữa hai hoặc nhiều phiên bản của tín hiệu phát mà đi tới bộ thu theo nhiều đường khác nhau và tại các khoảng thời gian khác nhau. Hiệu ứng fading đa đường gây ra do nhiều đường truyền tồn tại giữa bộ thu và bộ phát. Các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ, và tán xạ tạo ra một vài phiên bản của tín hiệu tại nơi thu. Tín hiệu kết hợp hiệu dụng tại nơi thu bản chất là ngẫu nhiên và cường độ của nó biến đổi nhanh trong một khoảng thời gian ngắn. Truyền dẫn đa đường làm tăng thời gian yêu cầu cho dải băng cơ sở của tín hiệu đến bộ thu. Gây ra sự lãng phí năng lượng tín hiệu về biên độ, pha, và thời gian có thể gây ra giao thoa giữa các ký hiệu (ISI).
Chúng ta cần định nghĩa băng thông của kênh để có thể so sánh nó với dải thông
của ký hiệu. Thông thường băng thông của kênh được định nghĩa sử dụng trải trễ. Để định nghĩa trải trễ, chúng ta giả thiết kênh đa đường bao gồm I đường trong đó công suất và trễ của đường thứ i là pivà τi, tương ứng. trung bình các thành phần trễ là:
1 1 l i i i l i i p p τ τ = = =∑ ∑ (2.5)
Trải trễ được định nghĩa như sau:
2 2 τ σ = τ τ− (2.6) Ở đây: 2 2 1 1 l i i i l i i p p τ τ = = = ∑ ∑ (2.7)
Cuối cùng, kênh truyền “băng thông kết hợp” là xấp xỉ với:
1 5 c B τ σ = (2.8)
Trong kênh fading phẳng, băng thông kết hợp B c lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu Bs. Trái lại, nếu kênh có một hệ số không đổi và pha tuyến tính trên
một băng thông mà nhỏ hơn băng thông tín hiệu thì ISI tồn tại và tín hiệu thu được bị méo. Như vậy một kênh băng rộng được gọi là kênh chọn lọc tần số.
Trải Doppler là đơn vị đo sự mở rộng phổ và được định nghĩa là khoảng tần số mà trên đó phổ Doppler nhận được bằng 0. Nếu dải thông của tín hiệu băng cơ sở lớn hơn trải Doppler, thì ta có fading chậm. Trong trường hợp này ảnh hưởng của trải Doppler là không đáng kể. Đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi với tốc độ chậm hơn nhiều so với tín hiệu băng cơ sở được phát và kênh được giả thiết tĩnh trên một hoặc một vài khoảng nghịch đảo băng thông. Trái lại, nếu ảnh hưởng của trải Doppler không đáng kể, nó là kênh fading nhanh. Đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi nhanh so với thời gian ký hiệu trong kênh fading nhanh. Tóm lại, dựa trên trải Doppler, kênh fading được chia làm 2 loại: chậm và nhanh.
Chúng ta định nghĩa thời gian kết hợp của kênh được ký hiệu bởi TC. Hai mẫu
của kênh fading được chia tách theo thời gian bởi thời gian kết hợp nhỏ hơn có độ tương quan cao hơn. Thực tế, thời gian kết hợp là khoảng thời gian mà đáp ứng xung thay đổi một cách hiệu quả. Nếu ngưỡng tương quan được chọn là 0.5, thời gian kết hợp là xấp xỉ với: 9 16 c s T f π = (2.9)
Ở đây fS là độ dịch Doppler cực đại. Nếu thời gian tín hiệu nhỏ hơn thời gian
kết hợp, toàn bộ tín hiệu bị ảnh hưởng tương tự như do kênh truyền và kênh truyền là kênh fading chậm. Trái lại, Nếu thời gian ký hiệu lớn hơn thời gian kết hợp, được gọi là fading nhanh với nguyên nhân chính gây ra nó là chuyển động nhanh của bộ thu hay bộ phát.
Chúng ta phân loại fading dựa trên trễ thời gian đa đường có hai loại là phẳng và chọn lọc tần số và dựa trên trải Doppler có hai loại là chậm và nhanh.
2.1.3.1 Fading chậm (slow fading) và fading nhanh (past fading)
Slow fading gây ra do sự cản trở của các toà nhà và địa hình tự nhiên như đồi núi. Đối với các trạm thu, phát, hoặc các vật cản di động sẽ thay đổi suy hao đường truyền do khoảng cách truyền bị thay đổi. Sự thay đổi trong suy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (thường từ 10 – 100 lần bước sóng) và phụ thuộc vào kích thước vật cản gây nên bóng mờ hơn là bước sóng của tín hiệu RF. Vì sự thay đổi này thường xảy ra chậm nên nó còn được gọi là fading chậm.
Fast fading gây ra do sự tán xạ đa đường (multipath scatter) ở vùng xung quanh mobile.Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền này sẽ có thời gian truyền khác nhau. Nếu chúng ta truyền một xung RF qua môi trường đa đường, thì tại đầu thu ta sẽ thu được tín hiệu như hình 2.4. Mỗi xung tương ứng với một đường, cường độ phụ thuộc vào suy hao đường của đường đó.
Đối với tín hiệu tần số cố định (chẳng hạn sóng sin), trễ đường truyền sẽ gây nên sự quay pha của tín hiệu. Mỗi một tín hiệu đa đường sẽ có khoảng cách truyền khác nhau và do đó có sự quay pha khác nhau. Những tín hiệu này được cộng lại tại bộ thu gây nên nhiễu tăng cường hoặc suy giảm. Nhiễu suy giảm là nhiễu khi kết
quả cộng tại bộ thu là bé hơn tín hiệu trực tiếp, còn nhiễu tăng cường là khi tất cả các tín hiệu có cùng pha và tăng cường lẫn nhau.
Hình 2.4: Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF
2.1.3.2 Fading lựa chọn tần số và fading phẳng
Ảnh hưởng đa đường cũng gây nên sự thay đổi fading cùng với tần số, là do đáp ứng pha của các thành phần đa đường sẽ thay đổi cùng với tần số. Pha thu được, tùy theo phía phát của một thành phần đa đường tương đương với số bước sóng của tín hiệu đã truyền đi từ phía phát. Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số và vì thế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số. Khoảng cách truyền của mỗi thành phần đa đường khác nhau và như vậy sự thay đổi pha cũng khác nhau. Hình 2.5 biểu diễn một ví dụ truyền dẫn hai đường. Đường thứ nhất hướng trực tiếp khoảng cách 10m, đường thứ hai là hướng phản xạ khoảng cách 25m. Đối với Hình 2.5: Phổ Doppler (fc – fm) fc (fc + fm) bước sóng 1m, mỗi đường có một số nguyên bước sóng và pha thay đổi từ phía phát đến phía thu là 00
cho mỗi đường. Ở tần số này, hai đường sẽ tăng cường lẫn nhau. Nếu chúng ta thay đổi tần số để có bước sóng là 0,9m thì đường một sẽ có 10/ 0,9 = 11,111λ hay có pha là 0,111× 3600 = 400, trong khi đường thứ hai có 25/ 0,9 = 27,778λ , hay có pha là 0,778× 3600 = 2800. Điều này làm hai đường khác pha nhau, sẽ làm suy giảm biên độ tín hiệu ở tần số này.
Hình 2.5 Minh hoạ fading lựa chon tần số
Và như thế ta thấy, ở một số tần số nhất định nào đó, hiện tượng tín hiệu bị triệt tiêu hoàn toàn sẽ xảy ra. Đặc tính fading lựa chọn tần số của một kênh có thể được tóm tắt bởi băng thông Coherent của kênh đó. Băng thông Coherent tỷ lệ nghịch với độ trải trễ của kênh. Đường biểu diễn của hai tín hiệu có tần số không kết hợp thay đổi nên được cách nhau một khoảng lớn hơn độ rộng băng thông Coherent Bc của kênh. Băng thông Coherent có thể được tính xấp xỉ từ hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu cách nhau bởi Δf Hz và Δt giây. Hệ số đường bao kết hợp là:
(2.10) với J0 là hàm Bessel bậc không, fm là độ dịch Doppler lớn nhất, δ là độ trải trễ của kênh. Bảng 2.1 cho ta một số giá trị phổ biến độ trải trễ của kênh trong các môi trường khác nhau.
Bảng 2.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu
Khi chúng ta xét sự kết hợp chỉ là hàm của khoảng cách tần số và đặt Δt thành không, băng thông Coherent Bc được định nghĩa là độ rộng băng thông Δf khi hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu bằng phân nữa giá trị lớn nhất của nó.
(2.11) Kết quả băng thông Coherent là:
(2.12) Đối với các giá trị độ trải trễ cho trong Bảng 2.1, ta sẽ tính được các băng thông Coherent tương ứng. Nếu độ rộng băng của tín hiệu đã điều chế nhỏ hơn băng thông Coherent của kênh, tất cả các thành phần tần số của tín hiệu đều có cùng fading, và fading này được gọi là fading (tần số) phẳng. Tương tự trong miền thời gian, nếu độ trải trễ của kênh nhỏ hơn khoảng thời symbol, thì sự ảnh hưởng làm thay đổi hình dạng của xung phát lên kênh đó là không đáng kể, chỉ có biên độ của xung là bị thay đổi.
Mặt khác, nếu băng thông của tín hiệu điều chế lớn hơn nhiều so với băng thông Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu có các đặc tính fading khác nhau, và fading này được gọi là fading lựa chọn tần số. Các kênh lựa chọn tần số cũng còn được gọi là các kênh phân tán thời gian, bởi vì độ trải trễ