L ỜI MỞ ĐẦU
2.5 Kỹ thuật phân tập thu
Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập. Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường. Trong đó tại đầu thu kỹ thuật phân tập không gian (phân tập anten) đang rất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí băng thông tần số – một yếu tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm. Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian. Không giống như phân tập thời gian và tần số, phân
tập không gian không làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông của hệ thống. Đây là đặc tính rất quan trọng trong các hệ thống truyền thông không dây tốc độ cao hiện tại và trong tương lai.
Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập. Các phiên bản của tín hiệu thu được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt ảnh hưởng của hiệu ứng fading đa đường.
Hình 2.5.1 Bộ kết hợp tuyến tính gồm M anten thu
Trong kỹ thuật phân tập thu, các đường truyền fading độc lập của các anten thu được liên kết với nhau để đạt tín hiệu thu thông qua bộ giải điều chế tiêu chuẩn nhằm làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading. Việc kết hợp tín hiệu thu có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau với độ phức tạp và hiệu năng của hệ thống tương ứng cũng khác nhau. Tín hiệu thu được sau phân tập bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản riêng lẻ. Hầu hết các kỹ thuật kết hợp đều là tuyến tính: đầu ra là sự tổng hợp trọng số của những kênh truyền với fading khác nhau.
Nếu tại bộ nhân có một thành phần αi ≠0, thì tại đầu ra bộ kết hợp sẽ chỉ có một đường tín hiệu, nhưng khi có nhiều hơn 1 thành phần αi ≠0, thì bộ kết hợp sẽ tổng hợp các đường tín hiệu lại với nhau, mỗi đường sẽ có một giá trị trọng số khác
nhau. Việc kết hợp tín hiệu từ nhiều nhánh khác nhau yêu cầu phải có sự đồng pha giữa các nhánh. Pha θi trên nhánh thứ I sẽ được loại bỏ thông qua việc nhân tín hiệu trên nhánh thứ i với trọng số . ji
i a ei θ
α = − để nhận được giá trị thực ai. Để phát các tín hiệu đồng pha người ta dùng bộ dò liên kết cho mỗi θi của mỗi nhánh. Nếu không có sự đồng pha thì tín hiệu không thể cộng dồn tại bộ kết hợp, kết quả làm đầu ra vẫn bị ảnh hưởng của fading do việc tăng cường hoặc giảm bớt các tín hiệu trong tất cả các nhánh.
Mục đích chính của việc phân tập thu là kết hợp của các tín hiệu thu chịu ảnh hưởng của các kênh fading độc lập làm giảm tác động của fading lên tín hiệu tổng hợp thu được. Tín hiệu thu tại bộ kết hợp gần đúng với tín hiệu phát ban đầu bằng cách nhân các giá trị biên độ phức ngẫu nhiên α∑ =∑ia ri i. Giá trị biên độ phức ngẫu nhiên là kết quả của giá trị SNR γ∑tại đầu ra của bộ kết hợp. Giá trị γ∑ là một hàm phụ thuộc vào số lượng đường truyền phân tập, phụ thuộc vào ảnh hưởng của hiệu ứng fading lên mỗi đường cũng như phụ thuộc vào kỹ thuật phân tập thu kết hợp.
Trong phân tập thu sử dụng một số kỹ thuật như: phân tập thu lựa chọn kết hợp SC, phân tập thu TC, phân tập thu kết hợp tỉ lệ cực đại MRC, phân tập thu kết hợp cân bằng độ lợi EGC.
a, Nguyên lý của kỹ thuật thu SC
Kỹ thuật phân tập thu SC hoạt động trên nguyên tắc lựa chọn tín hiệu có tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR tốt nhất trong tất cả các tín hiệu nhận được từ các nhánh khác nhau rồi đưa vào xử lý. Điều này tương đương với việc chọn nhánh có giá trị 2
i i
r +N
cao nhất nếu công suất nhiễu Ni giống nhau cho tất cả các nhánh. Tại 1 thời điểm có 1 nhánh được được sử dụng nên phương pháp SC chỉ yêu cầu máy thu được chuyển đến vị trí anten tích cực (anten có tín hiệu được lựa chọn). Tuy nhiên, kỹ thuật này đòi hỏi trên mỗi nhánh của máy thu phải có một bộ theo dõi SNR đồng thời thực hiện liên tục. Trong phương pháp phân tập SC, tín hiệu ngõ ra của bộ kết hợp có SNR chính là giá trị cực đại của SNR trên tất cả các nhánh. Vì tại một thời điểm chỉ có một tín hiệu của một nhánh được đưa vào xử lý nên kỹ thuật này không yêu cầu sự đồng pha giữa các nhánh.
b, Nguyên lý của kỹ thuật thu TC
Nguyên lý của kỹ thuật htu phân tập TC gần giống với kỹ thuật phân tập thu SC nhưng thay vì đặt các bộ theo dõi SNR trên mỗi nhánh thì ta chỉ cần dùng một bộ so sánh, rồi thực hiện quét tất cả các nhánh theo thứ tự, mức SNR đầu tiên tại các nhánh sẽ được so sánh với mức SNR ngưỡng γT, nếu SNR ở nhánh nào lớn hơn mức
T
γ này thì tín hiệu ở nhánh đó sẽ được lựa chọn và được xử lý. Còn mức SNR ở nhánh nào nhỏ hơn mức γT thì bỏ qua. Vì vậy kỹ thuật này cũng chỉ cần 1 nhánh được đưa vào xử lý nên cũng không cần đến sự đồng pha trong tín hiệu thu.
Hình 2.5.3 Kỹ thuật phân tập thu TC
Chú ý rằng 1 nhánh sẽ được lựa chọn mãi cho đến khi nào SNR của nhánh đó thấp hơn giá trị SNR mức ngưỡng mà không cần quan tâm đến trường hợp tại 1 thời điểm nào đó có thể có 1 nhánh khác có SNR tốt hơn.
c, Nguyên lý của kỹ thuật MRC
Đối với kỹ thuật phân tập SC và TC, tín hiệu ngõ ra trên bộ kết hợp chính là tín hiệu trên mỗi nhánh riêng biệt nào đó. Kỹ thuật MRC khác với kỹ thuật SC và TC, kỹ thuật này sử dụng tín hiệu từ tất cả các nhánh để đưa vào xử lý. Mỗi tín hiệu ở mỗi nhánh có một trọng số wi ≠0tương ứng với SNR của nó, đồng thời tín hiệu trên mỗi nhánh phải cùng pha với nhau w . ji
i =a ei −θ với θilà pha trên nhánh thứ i.
Hình 2.5.4 Kỹ thuật phân tập thu MRC
SNR tại đầu ra của bộ kết hợp trong trường hợp công suất nhiễu trên các nhánh như nhau là: 2 2 1 2 0 1 ( ) 1 . M i i i M tot i i a r r N N a γ = ∑ = = = ∑ ∑ (2.15)
Mục đích của chúng ta là phải chọn được các giá trị αi sao cho γ∑ đạt giá trị lớn nhất.
Nếu ta thực hiện tối ưu các trọng số αi thì kết quả γ∑ sẽ đạt được giá trị lớn nhất. Vì ai tỉ lệ thuận với tỉ số SNR trên các nhánh 2 2
0 i i r a N = , sử dụng định lý Cauchy- Schwarz ta có thể thu gọn biểu thức trên thành:
2 1 0 1 M M i i i i r N γ∑ γ = = =∑ =∑ (2.16)
Vậy SNR của ngõ ra bộ kết hợp là tổng của các SNR trên các nhánh thành phần. SNR của tín hiệu thu được sẽtăng tuyến tính theo số nhánh phân tập M.
d, Nguyên lý của kỹ thuật EGC
Trong kỹ thuật phân tập thu MRC thì yêu cầu phải biết sự biến đổi của SNR trên từng nhánh theo thời gian, tuy nhiên thông số này rất khó để đo được. Vì vậy để đơn giản hóa kỹ thuật MRC người ta dùng kỹ thuật phân tập thu EGC. Về bản chất, kỹ thuật EGC cũng giống với MRC, đều sử dụng tất cả tín hiệu thu được tại các nhánh đưa vào xử lý, tuy nhiên trọng số w ji
i =a ei −θ trong phương pháp MRC được thay thế
bằng trọng số 2 1 0 1 ( ) M i i r N M γ∑ =
= ∑ (ai =1)tại tất cả các nhánh trong phương pháp EGC.
Tỉ số SNR đầu ra với điều kiện công suất nhiễu trên các nhánh là như nhau được xác định như sau:
2 1 0 1 ( ) M i i r N M γ∑ = = ∑ (2.17)