Xét bảng ta thấy, mức „1‟ thay đổi vào − 𝐸, còn logic „0‟ thì biến đổi vào 𝐸. Vì cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng và được biến đổi mức rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng.
2.2.3 Điều chế QAM
Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi. Tuy nhiên, nếu loại bỏ này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lập với nhau thì ta được một sơ đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang QAM (điều chế biên độ gốc). Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên độ lẫn pha. Điều chế QAM có ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn số.
Dạng tổng quát điều chế QAM,14 mức (m-QAM) được xác định như sau: S1(t)= 2𝐸0
𝑇 aicos(2𝜋𝑓𝑐𝑡) − 2𝐸0
𝑇 bi sin(2𝜋𝑓𝑐𝑡); (0≤ 𝑡 ≤ 𝑇) (2.32) Trong đó:
E0: năng lương của tín hiệu có biên độ thấp nhất
ai, bi: cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin
Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi môt tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc. Vì thế có tên là “ điều chế tín hiệu vuông góc”.
Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở: Điểm bản tin (10) Điểm bản tin (00) Điểm bản tin (01) Điểm bản tin (11) 𝐸/2 𝐸/2
𝜙1(t)= 2 𝑇𝑏isin(2𝜋𝑓𝑐.𝑡) 0≤ 𝑡 ≤ 𝑇 𝜙2(t)= 2 𝑇aisin(2𝜋𝑓𝑐.𝑡) 0≤ 𝑡 ≤ 𝑇 (2.33) Hình 2.24: Chùm tín hiệu 16-QAM 2.2.4 Mã Gray
Giản đồ IQ (Inphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế sẽ chỉ ra vector truyền cho tất cả các liên hợp từ dữ liệu.Mỗi liên hợp từ dữ liệu phải được phân phối một vector IQ duy nhất. Mã Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm cạnh nhau trong vòm sao chỉ khác nhau một bit đơn. Mã này giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi bít toàn bộ vị nó giảm cơ hội nhiều lỗi bit xảy ra từ một lỗi bit symbol đơn.
Mã Gray có thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK (QPSK, 8- PSK, 16-PSK) và QAM (16-QAM, 64-QAM, 256-QAM....).
-3 -2 -1 0 1 2 3 -3 -2 -1 0 1 2 3 Q u a d ra tu re In-Phase
chom sao Tin hieu 16QAM-OFDM-HPA 267 -IBO=25
sau loc thu phat
Bảng mã Gray
Decimal Gray coding Decimal Gray coding
0 0,0,0,0 8 1,1,0,0 1 0,0,0,1 9 1,1,0,1 2 0,0,1,1 10 1,1,1,1 3 0,0,1,0 11 1,1,1,0 4 0,1,1,0 12 1,0,1,0 5 0,1,1,1 13 1,0,1,1 6 0,1,0,1 14 1,0,0,1 7 0,1,0,0 15 1,0,0,0
Hình 2.25: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM
2.3 Các đặc tính của OFDM
Qua bản chất của OFDM, ta có thể tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của OFDM như sau:
2.3.1 Ƣu điểm
- OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con.
- Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn.
- OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol.
- Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh.
- Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn bằng kênh thích ứng được sử dụng trong hệ thống đơn sóng mang.
- Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế vài giải điều chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM.
- Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu và bổ sung giám sát kênh.
- OFDM ít bị ảnh hưởng bởi khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang.
2.3.2 Nhƣợc điểm
Ngoài những ưu điểm trên thì OFDM còn có những hạn chế
Symbol OFDM bị xuyên nhiễu biên độ với một khoảng động lớn. Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn bởi công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu của OFDM. Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn hơn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các biến đổi từ analog sang digital và ngược lại. 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 sóng mang. Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang. Tần số offsets 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 vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM.
2.4 Kênh vô tuyến trong mạng thông tin di động 4G
Trong phần này đề cập đến những vấn đề chính của việc truyền sóng vô tuyến và những khó khăn mà chúng gây ra trong hệ thống truyền dẫn thông tin số. Những ảnh hưởng của truyền sóng vô tuyến như suy hao đường truyền, fading phẳng, fading chọn lọc tần số, trải Doppler, trải trễ đa đường (multipath)… làm giới hạn hiệu quả của truyền thông vô tuyến. Do đó, việc thiết lập mô hình kênh truyền và xác định các ảnh hưởng bị gây ra trong một kênh truyền cụ thể là vấn đề quan trọng.
2.4.1 Suy hao đƣờng truyền và sự suy giảm tín hiệu (Path loss and Attenuation)
Trong suốt quá trình truyền, tín hiệu sóng vô tuyến bị yếu dần theo khoảng cách, bởi vì sóng của tín hiệu vô tuyến lan truyền sẽ bị lan tỏa ra vào do đó mật độ công suất sẽ bị suy giảm. Trong không gian tự do, sóng truyền sẽ bị lan tỏa có dạng hình cầu và dẫn đến mật độ công suất sẽ giảm tỷ lệ với diện tích bề mặt của hình cầu này.
Diện tích của hình cầu là 4πR2, tỷ lệ với bình phương bán kính R của hình cầu, do đó trong không gian tự do, cường độ RF sẽ bị suy giảm tỷ lệ với bình phương khoảng cách. Phương trình (2.1) biểu diễn công suất thu được theo công suất phát trong không gian tự do.
𝑃𝑅 = 𝑃𝑇𝐺𝑇𝐺𝑅 𝜆
4𝜋𝑅
Với PR là công suất thu được (W), PT là công suất phát (W), GR là độ lợi của anten thu (chú ý là anten đẳng hướng), GT là độ lợi của anten phát, λ là bước sóng của sóng mang RF(m), và R là khoảng cách truyền (m).
Nếu truyền trong không gian tự do thì có thể dự đoán được, có thể được sử dụng trong mô hình thông tin vệ tinh và những hướng kết nối không bị vật cản, nhưng là những kết nối điểm - điểm của viba tầm ngắn. Tuy nhiên, hầu hết những mô hình truyền thông tin như mặt đất là điện thoại di động, hệ thống LAN không dây, môi trường có sự phức tạp nhiều hơn dẫn đến mô hình truyền sóng bị khó khăn hơn.
2.4.2 Định nghĩa fading
Nếu đường truyền vô tuyến từ phía phát đến phía thu có chướng ngại vật thì ta sẽ gặp hiệu ứng fading. Trong trường hợp này, tín hiệu sẽ đến nơi thu từ nhiều đường khác nhau, mỗi đường là một bản sao của tín hiệu gốc. Tín hiệu trên mỗi đường này có độ trải trễ khác nhau không đáng kể và độ lợi cũng khác nhau không đáng kể. Sự trải trễ làm cho tín hiệu từ mỗi đường bị dịch pha so với tín hiệu gốc và phía thu sẽ tổng hợp các tín hiệu đường này dẫn tín hiệu thu được tổng cộng bị suy biến (degraded).
Hình 2.26: Hiệu ứng pha đinh
𝑐 𝑡 = 𝛼𝑘𝛿(𝑡 − 𝜏𝑘)
𝐾−1
𝑘−0
αk: Độ lợi đường thứ k.
τ0: Độ trễ truyền dẫn được chuẩn hóa tương ứng với đường truyền thẳng LOS (Light of sight).
Δk= τk – τ0: Độ lệch thời gian giữa đường thứ k so với đường LOS.
Hình 2.26: Fading là một vấn đề lớn ảnh hưởng đến tín hiệu và làm mất tín hiệu. Đồng thời nó cũng là một vấn đề điển hình khi đường truyền có sự thay đổi như khi di chuyển bằng xe hơi hay đang ở bên trong một tòa nhà hay trong một đô thị đông đúc với những tòa nhà cao tầng.
Trong fading, những tín hiệu phản xạ bị trễ được cộng vào tín hiệu chính và gây ra hoặc là tăng cường độ mạnh của tín hiệu hoặc là fading sâu (deep fades). Khi xảy ra fading sâu thì gần như tín hiệu bị mất, mức tín hiệu quá nhỏ để bộ thu có thể nhận biết dữ liệu thu được là gì.
Trong trường hợp kênh truyền Rayleigh fading thì sẽ không có tín hiệu chính (LOS), tất cả các thành phần đều là tín hiệu phản xạ.
Độ trải trễ cực đại được xem như là độ trải trễ của tín hiệu trong môi trường.Độ trải trễ này có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn thời gian ký tự.Trong cả hai trường hợp đều gây ra những loại suy biến (degradetion) tín hiệu khác nhau.Độ trải trễ của tín hiệu thay đổi khi môi trường thay đổi.
Hình 2.27: (a) flat fading, (b) fading chọn lọc tần số, (c) với truyền dẫn OFDM thì dữ liệu được truyền trong nhiều sóng mang con, nên tại tần số bị fading thì chỉ một tập
Hình 2.27 Cho ta thấy phổ tín hiệu, đường đen đậm là đáp ứng kênh truyền.Có thể tưởng tượng đáp ứng kênh truyền như một cánh cửa để tín hiệu có thể truyền qua. Nếu cánh cửa đủ lớn thì tín hiệu truyền qua mà không bị uốn cong hay méo dạng. Đáp ứng fading được mô tả nhưng hình 2.27b, ta lưu ý rằng tại một vài tần số trong dải tần thì kênh truyền sẽ không cho phép truyền thông tin đi qua, vì thế những tần số này được gọi là tần số fading sâu (deep fades frequency). Dạng đáp ứng tần số kênh truyền này được gọi là fading chọn lọc tần số (frequency seclective fading) bởi vì nó không xảy ra đều trên toàn dải tần mà chỉ xảy ra tại một vài tần số mà kênh truyền chọn lọc. Nếu kênh truyền thay đổi thì đáp ứng của nó cũng thay đổi theo.
Rayleigh fading là một thuật ngữ được dùng khi không có thành phần tín hiệu truyền thẳng từ nơi phát đến nơi thu (Light of sight) và tất cả các tín hiệu đến đều là tín hiệu phản xạ. Loại môi trường này được gọi là Rayleigh fading.
Nhìn chung khi thời gian trải trễ nhỏ hơn thời gian một ký tự, ta có kênh truyền fading phẳng (flat fading). Khi thời gian trải trễ lớn hơn thời gian một ký tự thì kênh truyền này gọi là kênh truyền chọn lọc tần số.
Tín hiệu OFDM có thuận lợi khi truyền trong kênh chọn lọc tần số. Khi gặp fading thì chỉ một vài sóng mang con bị ảnh hưởng còn các sóng mang khác hoàn toàn không bị ảnh hưởng gì. Thay vì mất toàn ký tự thì chỉ mất một vài ký tự nhỏ của (1/N) bít. Nếu ta sử dụng mã hóa ở chuỗi bít phát thì tại bộ thu có thể sửa được các bít sai.
2.4.3 Hiện tƣợng Multipath
Nếu RF truyền qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian, va chạm vào 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 đập vào các bề mặt bằng phẳng được thể hiện trên hình 2.28
Hình 2.28: Hiện tượng phản xạ
Tán xạ (scaterring): Khi sóng đập vào các bề mặt không bằng phẳng và các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng (hình 2.29).
Hình 2.29: Hiện tượng tán xạ
Nhiễu xạ (diffraction): Khi sóng va chạm vào các vật có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng.
Hình 2.30: Hiện tượng nhiễu xạ
Hình 2.31: Các hiện tượng xảy ra trong kênh truyền vô tuyến
Ngoài ra, cũng còn có hiện tượng hấp thụ sóng và hiện tượng khúc xạ sóng điện từ cũng gây ra sự suy giảm tín hiệu đáng kể trong mô trường vô tuyến di động.
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 khác nhau tức là độ trễ pha giữa các thành phần này 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 addtion) khi các bản sao ngược pha.
Hình 2.32: Tín hiệu gốc và 2 thành phần Multipath
Tùy theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có thể có kênh truyền chọn lọc tần số (frequency seclective fading channel) hay kênh truyền phẳng (frequency nonseclective fading channel), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow fading channel). Tùy 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.
Hình 2.33 mô tả đáp ứng kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian, khi ta lần lượt phát các xung vuông ra kênh truyền tại những thời điểm khác nhau, tín hiệu thu được có dạng xung khác ban đầu và khác nhau khi thời điểm kích xung khác nhau.
2.4.4 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền phẳng do trải trễ đa đƣờng gây ra.
Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau trên một dải tần số, tức là đáp ứng tần số không bằng phẳng trong toàn bộ dải tần đó, do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi qua kênh truyền sẽ có sự suy hao và xoay pha khác nhau. Một kênh truyền có bị xem là chọn lọc tần số hay không còn phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền đi. Nếu trong toàn khoảng băng thông của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói kênh truyền không chọn lọc tần số (frequency nonselective fading channel), hay kênh truyền phẳng (flat fading channel), ngược lại nếu đáp ứng tần số của kênh truyền phẳng, không giống nhau trong băng thông tín hiệu, ta nói kênh truyền là kênh chọn lọc tần số (frequency selective fading channel). Mọi kênh truyền vô tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó.
Hình 2.34a cho thấy kênh truyền sẽ là chọn lọc tần số đối với tín hiệu truyền có băng thông lớn nằm từ 32MHz đến 96MHz. Hình 2.37b cho thấy nếu tín hiệu có băng thông nhỏ khoảng 2MHz thì kênh truyền sẽ là kênh truyền fading phẳng.
Hình 2.34b: Đáp ứng tần số của kênh truyền phẳng
Trên đây chúng ta mô tả định tính kênh truyền, bây giờ ta sẽ xét định lượng các thông số của kênh truyền.
Hình 2.35: Tín hiệu tới phía thu theo L đường
Tín hiệu tại máy thu là tổng các thành phần tín hiệu đến từ L đường như hình 2.35 chưa tính đến nhiễu có dang như sau:
𝑦 𝑡 = ↑∝𝑖 𝑥(𝑡 − 𝜏𝑖)
𝐿
𝑖=1
(2.35)
𝛼𝑖=𝛼𝑖∠𝜙𝑖(𝑡) : Hệ số suy hao có giá trị phức (suy hao biên độ và xoay pha).
𝑦 𝑡 = 𝑥 𝑡 − 𝜏 . 𝑡, 𝜏 𝑑𝜏 = 𝑥 𝑡 ∗ (𝑡, 𝜏) ∞ −∞ (2.36) Với 𝑡, 𝜏 = 𝐿 𝛼𝑖 𝑡 . 𝛿[𝜏 − 𝜏𝑖 𝑡 ] 𝐼=1 (2.37)
𝑡, 𝜏 là đáp ứng xung thay đổi theo thời gian của kênh truyền. Từ (2.37) ta có hàm truyền thay thay đổi theo thời gian
𝐻 𝑡, 𝑓 =
∞
−∞
(𝑡, 𝜏)𝑒−𝑗 2𝜋𝑓𝑡𝑑𝜏 (2.38)
Mỗi kênh truyền đều có một đáp ứng xung, do đó mỗi kênh truyền có thể đặc trưng bằng hàm tự tương quan ACF (Auto Correlation Function) .
𝑅 𝑡1, 𝑡2, 𝜏1, 𝜏2 = 𝐸 ∗ 𝑡1, 𝜏2 . 𝑡2, 𝜏2