3.2.5.1. Các nguồn nhiễu
Hầu hết có sự can nhiễu vào các hệ thống thông tin số từ các hệ thống thông tin khác hay các thiết bị máy móc bên ngoài. Ví dụ như sự xuyên âm trên các đường dây truyền thông (dây điện thoại) cũng thuộc vào loại can nhiễu, hay ồn do các thiết bị đánh điện từ các động cơ xe máy, ô tô.
Hình 3.10 Sự c n nhiễu trên dây truyền thông
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, nguồn can nhiễu chủ yếu là từ các người sử dụng ng với phổ tần vô tuyến khác nhau. Chẳng hạn như khi thiết bị phát tần số của một người sử dụng nào đó phát ra tần số rất gần với dải tần hoạt động của người sử dụng lân cận thì có thể bộ thu của người dùng lân cận này bắt được tần số không mong muốn đó. Hiện tượng này sẽ gây ra sự can nhiễu gọi là nhiễu cận kênh. Trường hợp thứ hai là trong các ứng dụng di động tế bào, mỗi máy di động tại các vị trí địa lý (ô tế bào) khác nhau được hệ thống gán cho tần số hoạt động như nhau. Vì vậy nếu khoảng cách giữa các máy hoạt động cùng tần số này mà gần nhau quá thì cũng có thể dẫn đến nhiễu đồng kênh
Hình 3.11 Nhiễu đồng kênh trong thông tin di động tế b o
Trong cả hai trường hợp thông tin vô tuyến hay phát truyền hình, thường chịu ảnh hưởng của nhiễu đa đường, các tín hiệu đi theo nhiều
đường khác nhau để đến máy thu do đó gây ra các độ trễ khác nhau, vấn đề này làm xuất hiện hình bóng trên màn hình ti vi.
3 2 5 2 hắc phụchiện tượng c n nhiễu
Do hầu hết sự can nhiễu trong các hệ thống thông tin được gây ra do ảnh hưởng của các thiết bị khác nhau nên trong quá trình thiết kế, cần phải tối thiểu các ảnh hưởng này ở mức thấp nhất. Điều này có thể thực hiện được bằng cách lựa chọn khéo léo các phương thức điều chế và mã hóa phù hợp để có thể hạn chế được mỗi loại nhiễu có thể xuất hiện.
Vấn đề nhiễu xuyên âm trên các đường dây điện thoại có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng đường dây dẫn chất lượng hơn hay có thể thay thế bằng sợi quang, vì sợi quang không chịu ảnh hưởng của sự tán xạ tia lửa điện từ bên ngoài.
Hiện tượng xuấn hiện “bóng ma” (hay hình bóng) trên màn hình ti vi bởi yếu tố fading đa đường có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng các anten định hướng để ngăn ngừa sự phản xạ nhiều hướng của tín hiệu trước khi đến máy thu. Một số trạm phát gốc tế bào hiện đại hay một số thiết bị di động xách tay thường sử dụng anten địng hướng tránh sự phân tán năng lượng tín hiệu ra nhiều hướng và bởi vậy có thể tập trung được gần như toàn bộ năng lượng của tín hiệu thu mong muốn tại máy thu.
Hình 3.12. Sử dụng nten định hướng trong truyền thông vô tuyến
3 2 5 3 Các nguồn tạp âm
Không giống như nhiễu, phần lớn tạp âm (noise) sinh ra do chính các đường truyền thông và thường có phân bố ngẫu nhiên, bởi thế rất khó có thể loại bỏ được nó. Tùy thuộc vào đặc tính của mỗi đường truyền, tạp âm có thể xuất hiện ở dạng tạp âm nhiệt, tạp âm hạt (shot noise), tạp âm do áp suất khí quyển,
Tạp âm nhiệt thường gây ảnh hưởng nhiều hơn trong các hệ thống thông tin và nguồn gốc của loại tạp âm này là do sự chuyển động xáo trộn của các điện tử trong vật dẫn. Sự chuyển động của các hạt mang điện này tăng nhanh khi nhiệt độ của vật dẫn tăng. Vì vậy làm xuất hiện dòng điện và kéo theo là điện áp đáng kể, hình thành một dạng sóng ngẫu ngẫu nhiên có phổ công suất trung bình bằng phẳng trên mọi thành phần tần số. Thuộc tính này của tạp âm nhiệt được gọi là tạp âm trắng (white noise).
Công suất trung bình của tạp âm nhiệt được xác định bởi:
N av kTB
Trong đó, k là hằng số Boltzman k 1.38 10 23 watts / Hz /o K ;T là hằng số nhiệt độ tuyệt đối tính theo o
K là độ rộng băng thông của kênh dẫn. Có thể loại bỏ tạp âm nhiệt bằng cách làm lạnh các thiết bị dẫn hay làm lạnh nguồn gây ra tạp âm nhiệt. Nguyên lý này cũng thường được sử dụng trong các bộ thu vô tuyến để nâng cao độ nhạy máy thu.
Tạp âm hạt (shot noise) được sinh ra tại các lớp tiếp giáp bán dẫn khi các điện tử (electrons) đi qua hàng rào điện thế. Trong khi công suất tạp âm nhiệt tỷ lệ với độ tăng nhiệt độ của vật dẫn thì công suất tạp âm hạt là tỷ lệ với dòng điện phân cực trong chất bán dẫn.
3 2 5 4 Các đặc tính c tạp âm
Tạp âm thường được phân loại thành tạp âm trắng hoặc tạp âm hỗn hợp phụ thuộc vào mật độ phổ công suất theo tần số của tạp âm. Tạp âm trắng được hiểu là tạp âm có mật độ phổ công suất bằng phẳng trên toàn trục tần số.
Hình 3.14 Mật độ phổ công su t c tạp âm trắng
Tạp âm hỗn hợp có mật độ phổ công suất phân bố không đồng đều. Vì vậy, với một độ rộng băng hạn chế tương ứng với một kênh truyền duy nhất, mật độ phổ công suất có thể được coi như là phẳng và do đó được hiểu là ồn Gauss trắng băng tần giới hạn.
3.3. ột số kỹ thuật nâng cao phẩm chất hệ thống thông tin số
3.3.1. KỸ THUẬT OFDM
3 3 1 1 hái niệm về OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) là một công nghệ điều chế không dây được sử dụng song song với công nghệ CDMA. OFDM có một khả năng vượt trội hơn về dung lượng so với các hệ thống CDMA và cung cấp các phương thức truy nhập không dây cho các hệ thống 4G.
OFDM là cách điều chế mà cho phép dữ liệu số được truyền qua một kênh radio với chất lượng và độ tin cậy cao, thậm chí khi truyền trong môi trường nhiều đường truyền. Hệ thống OFDM truyền dữ liệu bằng cách sử dụng một số lượng lớn các sóng mang băng hẹp. Các sóng mang này chiếm các khoảng trống thứ tự tần số và tạo thành một khối phổ. Khoảng cách tần số và thời gian đồng bộ của các sóng mang này được chọn sao cho chúng trực giao với nhau, nghĩa là các sóng mang này không gây nhiễu lẫn nhau mặc dù chúng được xếp chồng nhau ở miền tần số. Trong thực tế, dữ liệu số được gửi đi bằng cách dùng rất nhiều sóng mang mà mỗi sóng mang có một tần số khác nhau (ghép kênh phân chia theo tần số) và các sóng mang này trực giao với nhau, do vậy mà còn gọi là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM).
3 3 1 2 Các ưu điểm v nhược điểm
Bên cạnh những ưu điểm kể trên của kỹ thuật OFDM, các hệ thống sử dụng kỹ thuật này còn có những ưu điểm cơ bản khác:
- Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.
- Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
- Hệ thống có cấu trúcc bộ thu đơn giản.
Tuy nhiên, kỹ thuật điều chế OFDM c ng có một v i nhược điểm cơ bản đó l :
- Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng. Điều này gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất phía phát và thu. Cho đến nay, nhiều kỹ thuật khác nhau đã được đưa ra để khắc phục nhược điểm này.
- Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang tin có ích.
- Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần và dịch thời gian do sai số đồng bộ.
3 3 1 3 Ứng dụng c OFDM
Tại Việt Nam, kỹ thuật OFDM được ứng dụng trước tiên là trong hệ thống Internet băng rộng ADSL. Sự nâng cao tốc độ đường truyền của hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM. Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ gi a các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với mạng cung cấp dịch vụ Internet thông thường.
Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, heienj đã được ứng dụng rất rộng rãi ở Việt Nam, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt đất DVB-T, hệ thống phát thanh số DAB và DRM cũng đã và đang được khai thác sử dụng. Các mạng máy tính không dây như HiperLAN/2, IEEE80 2.11a, g cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi tại Việt Nam. Kỹ thuật OFDM do vậy là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến, có ý nghĩa rất thực tế không chỉ trên thế giới mà còn ở trong nước.
Đặc biệt kỹ thuật OFDM hiện nay còn được đề xuất làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng WiMax theo tiêu
chuẩn IEEE.802.16a và hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G). Kỹ thuật OFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và đa anten thu (MIMO) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hơp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập của mạng.
Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ xảy ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM.
3.3.1.2. Phương pháp điều chế đ sóng m ng trực gi o OFDM
Điều chế đa sóng mang là một phương pháp đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM với các sóng mang phụ được lựa chọn sao cho mỗi sóng mang phụ là trực giao nhau với các sóng mang phụ còn lại. Nhờ sự trực giao này mà phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lên nhau. Điều này làm hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu của toàn bộ hệ thống tăng rõ rệt. Sự chồng lấn về phổ tín hiệu của các kênh con được mô tả như hình dưới đây:
Hình 3.15. So sánh phổ đơn sóng m ng v đ sóng m ng
Hình vẽ trên minh họa một cách đơn giản về nguyên lý trực giao, trong đó phổ tín hiệu của một kênh con có dạng tín hiệu hàm sinc(x). Các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của kênh con lân cận.
Điều này làm nguyên lý trực giao thỏa mãn và cho phép máy thu khôi phục lại tín hiệu mặc dù phổ của các kênh con chồng lấn lên nhau.
Ưu điểm của phương pháp điều chế trực giao OFDM không chỉ là sự hiệu quả về sử dụng băng tần mà còn có khả năng loại trừ được nhiễu xuyên tín hiệu ISI thông qua sự sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard interval). Do vậy tín hiệu OFDM trước khi phát đi được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên tín hiệu ISI.
a. Chèn khoảng thời gi n bảo vệ
Do các vật cản trên đường truyền, tín hiệu tới máy thu sẽ bị nhiễu bởi các tín hiệu trễ. Nếu tổ hợp thu được trải dài nhiều symbol thì không những chỉ có giao thoa ký hiệu ISI mà còn có nhiễu giao thoa xuyên kênh ICI. Việc chia giải thông thành nhiều sóng mang có thể giảm được trễ dài nhiều symbol nhưng giao thoa symbol cạnh nhau là không thể tránh nổi.
Để khắc phục ISI giữa symbol cạnh nhau người ta thêm vào đầu mỗi symbol một khoảng thời gian bảo vệ TG (Guard interval – GI). Do tất cả các sóng mang tuần hoàn chu kỳ TU nên các tín hiệu được điều chế cũng tuần hoàn và khoảng bảo vệ sẽ giống với phần cuối của chu kỳ symbol (nên còn gọi đoạn thêm vào là: Cyclic Prefix – CP). Như vậy nếu trễ symbol trước đó nhiều hơn TG thì nó không ảnh hưởng tới symbol hiện tại.
Hình 3.16 Chèn khoảng bảo vệ b Phép nhân với xung cơ bản
Trong bất kỳ hệ thống truyền dẫn vô tuyến nào, tín hiệu trước khi được truyền đi đều được nhân với xung cơ bản. Mục đích của phép nhân này là giới hạn phổ của tín hiệu phát sao cho phù hợp với bề rộng cho phép của kênh truyền. Trong trường hợp bề rộng của phổ tín hiệu phát lớn hơn bề rộng của kênh truyền cho phép thì tín hiệu phát này sẽ gây ra nhiễu xuyên kênh đối với các hệ thống khác. Trong hệ thống OFDM, tín hiệu trước khi phát đi được nhân với xung cơ bản là s’(t). Xung cơ bản có bề rộng đúng bằng bề rộng của một mẫu tín hiệu OFDM. Sau khi chèn chuỗi bảo vệ thì xung cơ bản ký hiệu là s(t) có độ rộng làTS /TG . Dạng xung cơ bản đơn giản nhất là xung vuông.
Trong thực tế, xung cơ sở thường
được sử dụng là bộ lọc cosin nâng. Các
c Đánh giá về phương pháp điều chế
Tập trung vào kỹ thuật điều chế, ta nhận thấy rằng kỹ thuật điều chế OFDM khắc phục được rất nhiều nhược điểm của các kỹ thuật điều chế tương tự và số trước đó như điều chế đơn sóng mang, đa sóng mang, ASK , PSK , FSK , QAM,…. và chất lượng của hệ thống OFDM khi các sóng mang phụ sử dụng các mức điều chế QAM khác nhau cũng mang lại chất lượng hệ thống khác nhau.
Về khả năng ứng dụng của OFDM là rất rộng rãi và mạng lại nhiều triển vọng. Kỹ thuật OFDM đã và đang được ứng dụng trong rất nhiều các hệ thống truyền thông như: truyền hình số mặt đất, phát thanh số, mạng Internet băng rộng ADSL và đặc biệt là ứng dụng trong các mạng không dây như HiperLAN/2 và WiMax. Mặc dù có rất nhiều những ưu điểm vượt trội trong phương thức điều chế OFDM sử dụng phép biến đổi Fourier nhanh FFT, song vẫn không tránh khỏi được một nhược điểm cơ bản của kỹ thuật này đó là OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ. Quá trình giải điều chế của một tín hiệu OFDM với một độ lệch tần số có thể dẫn đến tỷ số BER cao. Điều này có nguyên nhân từ việc mất tính trực giao giữa các sóng mang con do nhiễu ICI và sự thiếu chuẩn xác trong quay pha của các vector dữ liệu được thu nhận. Các lỗi tần số xảy ra do hai nguyên nhân chính. Đó là lỗi do bộ tạo xung dao động cục bộ và hiệu ứng di tần Doppler. Tuy nhiên nhược điểm trên cũng có thể khắc phục được nếu như có sự cải tiến hơn trong phương pháp điều chế OFDM. Thật may mắn là sự phát triển mạnh mẽ, không ngừng của xử lý tín hiệu số đã mang lại giải pháp để khắc phục nhược điểm trên của OFDM, đó là thay thế biến đổi FFT bằng phép biết đổi Wavelet trong điều chế OFDM. Tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn này, chỉ dừng lại ở phép biến đổi Fourier nhanh FFT .
Các khả năng ứng dụng của OFDM cho đến nay đã và đang có nhiều tiến triển trong tương lai. Đã có khá nhiều ứng dụng của OFDM trong thực tế
như: hệ thống truyền hình số mặt đất, phát thanh số, Internet tốc độ cao ASDL, HiperLAN/2 đặc biệt là hệ thống WiMax đang được đưa vào thử nghiệm tại Việt Nam.
Tóm lại
Điểm nổi bật ở phương pháp điều chế OFDM là sử dụng tính trực giao của các sóng mang con và áp dụng phép biến đổi Fourier nhanh FFT trong