Tài liệu đồ án tốt nghiệp mô phỏng truyền dẫn ofdm thích ứng trong thông tin vô tuyến (hv công nghệ bưu chính viễn thông)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG 1 --------o0o--------- CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc --------o0o--------- ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ và tên : Lớp : Khoá : Ngành : Dương Minh Khiêm D2001-VT 2001 – 2006 Điện tử – Viễn thông TÊN ĐỀ TÀI: "MÔ PHỎNG TRUYỀN DẪN OFDM THÍCH ỨNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN" NỘI DUNG ĐỒ ÁN : Phần I: Đặc tính kênh truyền vô tuyến Phần II: Nguyên lý hoạt động của OFDM và AOFDM Phần V: Chương trình mô phỏng Ngày giao đề tài: 27/07/2005 Ngày nộp đồ án: 27/10/2005 Hà Nội, ngày tháng năm 2005 Giáo viên hướng dẫn Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng Ks. Nguyễn Viết Đảm NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Điểm: (Bằng chữ: ) Hà Nội, Ngày tháng năm 2005 Giáo viên hướng dẫn Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng Ks. Nguyễn Viết Đảm NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Điểm: (Bằng chữ: ) Ngày tháng năm 2005 Giáo viên phản biện Lời nói đầu Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Thấy rõ, hiệu quả sản xuất kinh doanh, chắt lọc tinh hoa văn minh nhân loại, tốc độ phát triển khoa học kỹ thuật, cơ hội rút ngắn khoảng cách phát triển, cơ hội để đi tắt đón đầu, cũng như cơ hội tìm kiếm đầu tư của các nhà đầu tư.... đã và đang được khẳng định nhờ vào việc trao đổi thông tin. Thêm nữa trước sức ép của xu thế toàn cầu hoá, hội nhập, cạnh tranh thì xã hội hoá thông tin là vấn đề toàn xã hội quan tâm. Điều này thể hiện rất rõ qua các chương trình: thương mại điện tử, chính phủ điện tử....Trong xã hội thông tin đó nổi bật nhất là thông tin vô tuyến đặc biệt là thông tin di động do tính linh hoạt, mềm dẻo, di động, tiện lợi của nó. Như vậy nhu cầu về sử dụng hệ thống thông tin di động ngày càng gia tăng điều này đồng nghĩa với nhu cầu chiếm dụng tài nguyên vô tuyến gia tăng, hay nói cách khác tồn tại mâu thuẫn lớn giữa nhu cầu chiếm dụng tài nguyên và tài nguyên vốn có của thông tin vô tuyến. Nhưng do đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tài nguyên hạn chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào môi trường: địa hình, thời tiết... dẫn đến làm hạn chế triển khai đáp ứng nhu cầu của xã hội của các nhà công nghiệp và dịch vụ viễn thông. Trước mẫu thuẫn này, đặt ra bài toán cho các nhà khoa học và các ngành công nghiệp có liên quan phải giải quyết. Chẳng hạn khi nói đến vấn đề tài nguyên vô tuyến, lịch sử phát triển đã cho thấy chúng được giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, sự kết hợp giữa chúng ở đó đã tìm mọi cách để khai thác triệt để tài nguyên ở dạng thời gian, tần số, không gian, mã. Tuy nhiên chưa tìm thấy ở các hệ thống di động trước đây một phương pháp sử dụng tối ưu phổ tần, một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến. Giá trị tài nguyên phổ tần có thể được thấy qua cuộc bán đấu giá đăng ký phổ tần vô tuyến cho 3G tại Châu Âu bắt đầu trong năm 1999. Anh quốc chỉ với 90 MHz đã kết thúc cuộc bán đấu giá với 22.5 tỷ bảng Anh [5]. Đối với Đức kết quả cũng tương tự, với 100 MHz băng tần chi phí lên đến 46 tỷ USD [6]. Điều này tương đương với 450 triệu USD/MHz. Thời gian sử dụng phổ tần chỉ kéo dài 20 năm [7]. Vì thế sử dụng hiệu quả phổ tần triệt để cho hệ thống truyền thông vô tuyến là cực kỳ quan trọng. Trong bối cảnh như vậy OFDM được xem là giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống di động trước đây. Chu kỳ ký hiệu lớn cho phép công nghệ OFDM có thể truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến. Mặt khác OFDM sử dụng các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, điều này tạo cho OFDM sử dụng băng tần kênh tối ưu. Tuy nhiên các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM hiện nay như: DAB, DVB, HDTV, HiperLAN2... đều không dùng cơ chế thích ứng, do đó chưa tối ưu hiệu năng, thông lượng cũng như chưa đối phó hiệu quả đối với những ảnh hưởng bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động. Trên đây là những nét cơ bản về chuyên ngành vô tuyến mà bản thân quan tâm, lĩnh hội được trong quá trình học tập tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Với các kiến thức cơ bản về chuyên môn lĩnh hội được cùng với sự định hướng của thầy giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm, đồ án đã chọn chủ đề nghiên cứu giải pháp điều chế thích ứng tín hiệu số trong hệ thống truyền dẫn số nhằm có được hiệu suất sử dụng băng tần cao. Từ đó xây dựng chương trình mô phỏng, cụ thể là : "Mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến". Ý tưởng thích ứng là: khi điều kiện kênh truyền tốt sẽ truyền dữ liệu tốc độ cao, vì thế sẽ được lợi Dương Minh Khiêm, D2001VT i Lời nói đầu Đồ án tốt nghiệp Đại học về thông lượng (BPS). Khi điều kiện kênh tồi sẽ truyền dữ liệu tốc độ thấp hơn để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS). Nhưng trước tiên cần xác định được đặc tính môi trường truyền dẫn (kênh truyền), trên cơ sở đó sẽ thích ứng các tham số điều chế theo kênh truyền. Theo đó đồ án được tổ chức thành 6 chương như sau. Chương 1: Giới thiệu chung Giới thiệu các hệ thống di động hiện hành, phân tích các ưu nhược điểm của chúng và giải thích tại sao xu thế tất yếu sử dụng công nghệ OFDM. Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động Đề cập một số khái niệm cơ bản đặc trưng cho truyền lan sóng vô tuyến, phân tích các ảnh hưởng và các thông số đặc trưng của đường truyền vô tuyến, các yêu cầu đối với mô hình kênh, kênh và phân loại chúng, các thông số đặc trưng này làm cơ sở để xây dựng các thuật toán thích ứng chương 5. Chương 3: Nguyên lý hoạt động của OFDM Trình bày những nguyên lý chung nhất về OFDM, trình bày mô hình hệ thống OFDM, phân tích các thông số đặc trưng của OFDM, phân tích các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng của hệ thống truyền dẫn OFDM và giải pháp khắc phục. Trình bày khả năng tiết kiệm phổ tần của bộ lọc băng thông. Chương 4: Ước tính chất lượng và cân bằng kênh Thấy rõ, để tối ưu các máy thu cần phải xác định được chất lượng kênh. Từ đó xây dựng các giải pháp đối phó phù hợp chẳng hạn như bộ lọc thích ứng. Theo đó chương này trình bầy một số phương pháp đối phó với những bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động như sử dụng bộ cân bằng: ZF, LMSE, đồng thời phân tích vai trò của việc ước tính kênh chính xác. Qua đó, đưa ra giải pháp ước tính kênh bằng PSAM. Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng Trình bày nguyên lý điều chế thích ứng, vai trò của điều chế thích ứng, xây dựng giải thuật thích ứng cho truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến, phân tích ưu nhược điểm của từng cơ chế thích ứng, trên cơ sở đó lựa chọn hai cơ chế thích ứng: thích ứng theo mức điều chế (AQAM) và thích ứng chọn lọc sóng mang. Trình bày mô hình giải thuật và lưu đồ thuật toán thích ứng cho cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang. Chương 6: Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng Dựa trên các kết quả nghiên cứu, xây dựng mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng phục vụ cho mô phỏng. Tiến hành thiết kế các phần tử trong hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng. Trên cơ sở liên kết các phần tử, xây dựng chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng. Đánh giá hiệu năng giữa các hệ thống dùng cơ chế thích ứng và giữa hệ thống thích ứng với hệ thống không dùng cơ chế thích ứng thông qua chất Dương Minh Khiêm, D2001VT ii Lời nói đầu Đồ án tốt nghiệp Đại học lượng ảnh ban đầu và ảnh truyền qua hệ thống OFDM. Đồng thời so sánh hiệu năng (BER) và hiệu năng thông lượng (BPS) giữa các hệ thống này thông qua kết quả mô phỏng. Được sự quan tâm, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu của thầy giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm và ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cùng với sự nỗ lực của bản thân, đồ án được hoàn thành với nội dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và các bạn đọc, đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung cho hướng phát triển tiếp theo. Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm, các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến, khoa viễn thông I và các bạn đã tận tình giúp đỡ trong thời gian học tập và làm đồ án. Hà nội, ngày 15 tháng 10 năm 2005 Người làm đồ án Dương Minh Khiêm Dương Minh Khiêm, D2001VT iii Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Mục lục Chương 1: Giới thiệu chung ......................................................................................... 1 1.1. Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành ................................................................. 2 1.2. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM .............................................. 3 Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động ................................................................ 4 2.1. Mở đầu .................................................................................................................. 4 2.2. Miền không gian ................................................................................................... 5 2.3. Miền tần số............................................................................................................ 6 2.3.1. Điều chế tần số ............................................................................................... 6 2.3.2. Chọn lọc tần số ............................................................................................... 7 2.4. Miền thời gian ....................................................................................................... 7 2.4.1. Trễ trội trung bình quân phương .................................................................... 7 2.4.2. Trễ trội cực đại ............................................................................................... 8 2.4.3. Thời gian nhất quán........................................................................................ 8 2.5.Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau ........................................... 8 2.5.1. Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương ............................ 8 2.5.2. Thời gian nhất quán và trải Doppler .............................................................. 9 2.6. Các loại pha đinh phạm vi hẹp ............................................................................. 9 2.7. Phân bố Rayleigh và Rice ................................................................................... 10 2.7.1. Phân bố pha đinh Rayleigh .......................................................................... 10 2.7.2. Phân bố Pha đinh Rice ................................................................................. 12 2.8. Các mô hình kênh trong miền thời gian và miền tần số ..................................... 13 2.8.1. Mô hình kênh trong miền thời gian.............................................................. 13 2.8.2. Mô hình kênh trong miền tần số .................................................................. 15 2.9. Ảnh hưởng của thừa số K kênh Rice và trải trễ lên các thuộc tính kênh trong miền tần số..................................................................................................................16 2.10. Kết luận ............................................................................................................. 19 Chương 3: Nguyên lý hoạt động của OFDM ............................................................ 21 3.1. Mở đầu ................................................................................................................ 21 3.2. Tính trực giao ...................................................................................................... 21 3.3. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM ................................................................. 24 3.3.1. Mô tả toán học tín hiệu OFDM ........................................................................ 24 3.3.2. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM ................................................................... 25 3.2.2.1. Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song ................................................. 28 3.3.2.1. Tầng điều chế sóng mang con ................................................................... 28 3.3.2.3. Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian ............................... 29 3.3.2.4. Tầng điều chế sóng mang RF .................................................................... 29 3.4. Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM.................. 31 3.4.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM .............................................................................. 31 3.4.2. Các thông số trong miền thời gian TD ......................................................... 32 3.4.4. Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số. ................ 33 3.4.5. Dung lượng của hệ thống OFDM ................................................................ 34 3.5. Các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống truyền dẫn OFDM và các giải pháp khắc phục.............................................................................35 Dương Minh Khiêm, D2001VT iv Mục lục Đồ án tốt nghiệp Đại học 3.5.1. ISI và giải khắc phục .................................................................................... 35 3.5.2 Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục .................................................. 38 3.5.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống truyền dẫn trên cơ sở kết hợp mã hoá Gray ... 41 3.5.4 Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống truyền dẫn OFDM 43 3.5.4.1 Phương pháp dùng bộ lọc băng thông........................................................ 44 3.5.4.2 Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng ............................................ 48 3.6 Kết luận ................................................................................................................ 51 Chương 4: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh ......................................... 52 4.1 Giới thiệu ............................................................................................................. 52 4.2 Ước tính kênh bằng PSAM .................................................................................. 52 4.2.1 Nội suy Gauss ............................................................................................... 53 4.2.2 Nội suy FFT .................................................................................................. 53 4.2.3 Nội suy Wienner ........................................................................................... 55 4.3 Kỹ thuật cân bằng đáp ứng kênh ......................................................................... 55 4.3.1 Bộ cân bằng cưỡng bức không ...................................................................... 56 4.3.2 Bộ cân bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE ......................... 57 4.4 Kết luận ................................................................................................................ 59 Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng ...................................................................... 60 5.1 Giới thiệu ............................................................................................................. 60 5.2 Mô hình hệ thống truyền dẫn điều chế thích ứng ................................................ 61 5.2.1 Khái niệm cơ bản về điều chế thích ứng ....................................................... 61 5.2.2 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích ứng ........................................ 62 5.2.3 Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều chế thích ứng ......................................... 63 5.3 Xây dựng giải thuật thích ứng cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng ......... 63 5.3.1 Thuật toán thích ứng theo SNR phát trên mỗi sóng mang con ..................... 64 5.3.2 Thuật toán thích ứng dựa theo mức điều chế ................................................ 65 5.3.3 Thuật toán thích ứng dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang .......................... 67 5.6 Kết luận ................................................................................................................ 73 Chương 6: Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng ........ 74 6.1 Giới thiệu ............................................................................................................. 74 6.2 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng ................................. 74 6.2.1 Mô hình mô phỏng ........................................................................................ 74 6.2.2. Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng ................................................... 77 6.3 Chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng ........................................ 85 6.3.1 Giao diện chương trình mô phỏng ................................................................ 85 6.3.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng .................................................. 88 6.3.2.1 Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích ứng ...................................... 88 6.3.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng mức điều chế ........................... 90 6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang ................ 93 6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng kết hợp hai cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế và chọn lọc sóng mang ........................................................................................... 95 6.4 Đánh giá hiệu năng của các cơ chế thích ứng thông qua kết quả mô phỏng ....... 98 6.5 Kết luận .............................................................................................................. 106 Kết luận ...................................................................................................................... 107 Tài liệu tham khảo ..................................................................................................... 108 Dương Minh Khiêm, D2001VT v Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng Danh mục bảng Bảng 1.1. Đặc tính dịch vụ của UMTS..............................................................................1 Bảng 1.2. Tham số đặc trưng của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM.....................2 Bảng 2.1. Các loại pha đinh phạm vi hẹp..........................................................................9 Bảng 2.2. Các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gian................. 20 Bảng 3.1. Mối quan hệ giữa các tham số OFDM ............................................................32 Bảng 3.2 Mã hoá Gray các bit nhị phân.......................................................................... 41 Bảng 3.3 Tham số khoảng bảo vệ RC của IEEE 802.11a............................................... 48 Bảng 5.1 Điều khiển mức điều chế dựa trên các mức SNR thu ......................................65 Bảng 6.1Thông số hệ thống dùng cho mô phỏng tín hiệu OFDM................................... 76 Bảng 6.2 Thông số mô phỏng hệ thống OFDM thích ứng.............................................. 79 Bảng 6.2 Tham số BER điều khiển chuyển mức điều chế...............................................89 Dương Minh Khiêm, D2001VT vi Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ Danh mục hình vẽ Hình 2.1. Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời gian.........................5 Hình 2.3 Phân bố xác suất Gauss trong không gian.....................................................................11 Hình 2.4 Phân bố xác suất Rayleigh trong không gian,  2  1 ..................................................12 Hình 2.5 Phân bố xác suất Rice với các giá trị K khác nhau,  2  1 .........................................13 Hình 2.6. Mô hình lý lịch trễ công suất trung bình......................................................................15 Hình 2.7 Phổ tín hiệu OFDM truyền qua mô hình kênh pha đinh Rice, với số sóng mang = 100, kích thước FFT = 300...................................................................................................................17 Hình 2.8. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh miền tần số vào tần số và RDS.....................18 Hình 2.9. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào K và tần số.............................................18 Hình 2.10. Hàm truyền đạt của kênh khi RDS=30ns với các giá trị K khác nhau.......................19 Hình 3.1 Dạng sóng của một tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số.............................23 Hình 3.2 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM.....................................................................................................................23 Hình 3.3 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng mang con.............24 Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM........................................................................26 Hình 3.5. Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hoá Gray, và tín hiệu 16-QAM truyền qua kênh vô tuyến, SNR = 18 dB................................................................................................................27 Hình 3.6. Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM....................................................................................28 Hình 3.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự..................................................................................................................................................28 Hình 3.8 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số.................29 Hình 3.9. Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian.........................................................29 Hình 3.10 Tín hiệu OFDM dịch DC, W là băng tần tín hiệu, foff tần số dịch từ DC, fc là tần số trung tâm......................................................................................................................................30 Hình 3.11 Cấu trúc tín hiệu OFDM.............................................................................................30 Hình 3.12 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con................................32 Hình 3.13. Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM.........................................................35 Hình 3.14. Cấu trúc tín hiệu OFDM trong miền thời gian...........................................................35 Hình 3.15 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI.................................................................36 Hình 3.16 Hiệu quả của khoảng bảo vệ để loại bỏ ISI................................................................37 Hình 3.17 Nhiễu nền do ICI đối với số sóng mang con khác nhau............................................38 Hình 3.18 Ảnh hưởng của ICI tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu........................................................38 Hình 3.19 Công suất ICI chuẩn hoá đối với tín hiệu OFDM. N=102..........................................39 Hình 3.20 Công suất ICI chuẩn hoá cho sóng mang con trung tâm (fdT=0,2)............................40 Hình 3.21 Sơ đồ IQ điều chế 16-QAM và 16-PSK sử dụng mã hoá Gray..................................41 Hình 3.22 Biểu đồ IQ cho tín hiệu 64-PSK và 128-PSK.............................................................42 Dương Minh Khiêm, D2001VT vii Danh mục hình vẽ Đồ án tốt nghiệp Đại học Hình 3.23 Biểu đồ IQ cho tín hiệu 64 QAM và 1024-QAM.......................................................42 Hình 3.24 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser với ft = 0.2 Hz, ft = 0.4 Hz, β = 3.4,............... 44 Hình 3.25 Cấu trúc của cửa sổ Kaiser với   10 , và   50 ...................................................44 Hình 3.26 Phổ của tín hiệu OFDM 52 sóng mang (a) và 1536 sóng mang con (b), không dùng bộ lọc...........................................................................................................................................45 Hình 3.27 Phổ tín hiệu OFDM 20 sóng mang không dùng bộ lọc (a) và dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser với   10 (b)...................................................................................................................45 Hình 3.28 Phổ tín hiệu OFDM 20 sóng mang, dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser với   50 ........46 Hình 3.29 SNR của mỗi sóng mang con của tín hiệu OFDM khi sử dụng bộ lọc.......................47 Hình 3.30 Cấu trúc của khoảng bảo vệ RC..................................................................................47 Hình 3.31 Đường bao ký hiệu OFDM với một khoảng bảo vệ phẳng và một khoảng bảo vệ RC chồng lấn......................................................................................................................................48 Hình 3.32 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 20 sóng mang con, với chiều dài khoảng bảo vệ RC thay đổi..........................................................................................................49 Hình 3.33 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 100 sóng mang con, với chiều dài khoảng bảo vệ RC thay đổi..........................................................................................................49 Hình 3.34 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 4000 sóng mang con, với chiều dài khoảng bảo vệ RC thay đổi..........................................................................................................49 Hình 4.1 Khuân dạng một khung truyền dẫn OFDM có gắn các ký hiệu hoa tiêu.....................51 Hình 4.2 Giải thuật FFT...............................................................................................................52 Hình 4.3 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn.............................................................................................53 Hình 4.4 Sơ đồ bộ cân bằng trung bình lỗi bình phương tuyến tính............................................56 Hình 5.1 Quá trình phát triển của các công nghệ đi ều chế thích ứng.........................................60 Hình 5.2 Lưu đồ thuật toán điều chế thích ứng............................................................................61 Hình 5.3 Kiến trúc của các hệ thống điều chê thích ứng..............................................................61 Hình 5.4 Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế thích ứng theo sơ đồ điều chế..........................65 Hình 5.5 Mô hình thuật toán thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống truyền dẫn OFDM..........................................................................................................................................69 Hình 5.6 Lưu đồ thuật toán của khối quyết định..........................................................................70 Hình 5.7 Lưu đồ thuật toán của khối điều khiển chèn.................................................................71 Hình 6.1 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng..........................................75 Hình 6.2 Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số sóng mang.....................................77 Hình 6.3 Tương thích giữa kích thước FFT và số sóng mang.....................................................78 Hình 6.4 Sắp xếp các mẫu tần số trong ký hiệu OFDM trước khi biến đổi IFFT........................79 Hình 6.5 Mô phỏng tín hiệu OFDM trong miền thời gian...........................................................79 Hình 6.6 Đáp ứng xung kim của kênh.........................................................................................82 Hình 6.7 Hình dạng hàm truyền đạt của kênh..............................................................................82 Dương Minh Khiêm, D2001VT viii Thuật ngữ Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt AC AM AOFDM Alternating Current Adapting Multi-access scheam AWGN BER BPS CCI CF CINR Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Bit per symbol Co-channel interference Crest Factor Carrier to interference plus Noise ratio CIR COFDM Channel impulse response Coding Orthogonal Frequency Divistion Multiplex DAB DAC DC DFT DDS DFE DMT DSP DS DVB FEC FFT FIR HDTV HiperLAN2 Digital Audio Broadcast system Adaptive Orthogonal Division Multi-Access Frequency Digital Analog Converter Direct Current Discreat Fourier Transformation Direct Digital Synthesis Decision Feed back Equalizer Discete Multi-Tone Digital Signal Process Delay Spread Digital Video Broadcast Forward Error Correction Fast Fourier Transformation Finite Impulse Response Hight Difinition Television High Performance Radio Local Area Network, WLAN standard (Europe) based on OFDM, with maximum data rate of 54 Mbps Inter-Carrier Interference ICI IEEE802.11a WLAN standard (U.S) based on OFDM, with a maximum data rate of 54 Mbps. IEEE802.11b WLAN standard (U.S) based on DSSS, with maximum data rate of 11 Mbps Inverse Fast Fourier IFFT Transformation Inter-Modulation Distortion IMD Inphase Quadrature IQ Inter-Symbol Interference ISI Dòng xoay chiều (tần số khác ‘0’) Thích ứng lược đồ đa truy nhập Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao thích ứng Tạp âm Gauss trắng cộng Tỷ số bit lỗi Số bit trên một ký hiệu Nhiễu đồng kênh Tham số Crest Tỷ số sóng mang trên nhiễu và tạp âm Đáp ứng xung kim kênh Mã hoá ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Hệ thống phát thanh số Bộ chuyển đổi số sang tương tự Dòng một chiều (tần số bằng ‘0’) Biến đổi Fourier rời rạc Đồng bộ số trực tiếp Phản hồi quyết định Đa tần rời rạc Xử lý tín hiệu số Trải trễ Truyền hình số Sửa lỗi trước Biến đổi Fourier nhanh Đáp ứng xung kim hữu hạn Truyền hình độ nét cao Chuẩn WLAN của Châu Âu cho OFDM với tốc độ dữ liệu tối đa là 54 Mbps Nhiễu giao thoa giữa các sóng mang Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM với tốc dộ dữ liệu tối đa là 54 Mbps Tiêu chuẩn WLAN dựa trên DSSS với tốc độ dữ liệu tối đa là 11 Mbps Biến đổi Fourier ngược nhanh Nhiễu điều chế nội Đồng pha vuông pha Nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu ix Dương Minh Khiêm, D2001-VT Thuật ngữ JPEG LM-MSE Đồ án tốt nghiệp Đại học Joint Photographic Experts Group Định dạng file ảnh tĩnh ở chế độ nén (Image compress standard) LinEariry-Mean Square error Bộ cân bằng sai số bình phương cực Equalizer tiểu tuyến tính LOS MIMO MMSE Line Of Sight Multi-Input and Multi-Output Maximum Mean Square error Estimation MPEG Moving Picture Experts Group (Video compress standard) M-PSK MSE OFDM M-Phase Shift Keying Mean Square Error Orthogonal Frequency Division Multiplex PAPR Peak to Average Power Ratio PSD PSAM Power Spectrum Density Pilot Symbol Assisted Modulation QAM QoS RC RF RMS Quadrature Amplitude Modualtion Quality of Service Rised Cosin Radio Frequency Root Mean Squared value SF SINR Spread Factor Signal to Interference Plus Noise Ratio Signal to Noise Ratio Universal Mobile Telecommunications System SNR UMTS W-CDMA Wide Band Code Division Multi-Access WLAN ZF Wireless Local Area Network Zero Forcing equalizer Dương Minh Khiêm, D2001-VT Đường nhìn thẳng Hệ thống đa đường vào đa đường ra Ước tính cực đại trung bình lỗi bình phương Định dạng file ảnh động ở chế độ nén Khoá dịch pha M trạng thái Trung bình lỗi bình phương Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình Hàm mật độ phổ công suất Điều chế được hỗ trợ bởi ký hiệu hoa tiêu Điều chế biên độ cầu phương Chất lượng dịch vụ Khoảng bảo vệ cosin tăng Tần số vô tuyến Giá trị căn bậc hai trung bình quân phương Tham số trải phổ Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và tạp âm Tỷ số tín hiệu trên tạp âm Hệ thống viễn thông di động toàn cầu Đa truy nhập phân chia theo mã băng tần rộng Mạng không dây nội vùng Bộ cân bằng cưỡng bức không x Chương 1: Giới thiệu chung Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1 Giới thiệu chung Do tính di động và tính tiện dụng mà các hệ thống truyền thông vô tuyến đã mang lại hiệu quả cao trong việc sử dụng, khai thác trao đổi thông tin cho người dùng. Vì thế nhu cầu sử dụng, chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng gia tăng nhanh chóng, yêu cầu ngày càng nhiều các nhà khai thác, công nghiệp viễn thông tập trung khai thác thế mạnh này ở nhiều hình thức khác nhau. Kết quả đã mang lại nguồn thu và kích thích thúc đẩy tăng trưởng kinh tế đặc biệt trong xu thế hội nhập cạnh tranh. Theo đó, ngày càng xuất hiện nhiều hình thức dịch vụ, tính đa dạng của các công nghệ mới nhằm khai thác triệt để tài nguyên và đối phó hiệu quả những ảnh hưởng vốn có của môi trường vô tuyến, ví dụ như mạng không dây nội hạt (WLAN). Tuy nhiên với sự tăng trưởng theo hàm mũ của Internet đã đòi hỏi những phương pháp mới để có mạng không dây dung lượng lớn. Hệ thống di động thế hệ thứ ba, hệ thống truyền thông di động toàn cầu (UMTS) và CDMA2000 [1] hiện đang được triển khai tại nhiều quốc gia trên thế giới và bước đầu đạt được những thành công đáng kể. Bảng 1.1 sẽ liệt kê đặc tính của các dịch vụ mà UMTS hỗ trợ: Bảng 1.1 Đặc tính dịch vụ của UMTS Dịch vụ Bản tin ngắn (email, chat…) Thoại Duyệt Web Hội nghị truyền hình Camera theo dõi Tiếng chất lượng cao Truy nhập cơ sở dữ liệu Tốc độ dữ liệu yêu cầu Chất lượng dịch vụ yêu cầu Cao Yêu cầu tính thời gian thực Không Thấp (4-20 kbps) Khả biến (>10 kbps cho đến 100 kbps) Cao (100 kbps-1 Mbps) Thấp (BER < 10-3) Cao (BER < 10-9) Trung bình Có Thông thường là không Có Trung bình (50-300 kbps) Cao (100-300 kbps) Trung bình Trung bình Không Có Cao (> 30 kbps) Rất cao Không Thấp (1-10 kbps) Đối với những ứng dụng trong môi trường di động ô, thấy rõ trong tương lai gần một sự hội tụ của công nghệ điện thoại di động, máy tính, truy cập Internet, và nhiều ứng dụng tiềm năng khác như video và audio chất lượng cao, với sự thêm vào khả năng gửi và nhận dữ liệu sử dụng máy tính sách tay và điện thoại di động. Khi đó chỉ với một chiếc điện thoại nhỏ bé người dùng có thể xem truyền hình theo yêu cầu (VOD), hội nghị truyền hình và nghe nhạc, xem film chất lượng cao trực tuyến…, nhưng tốc độ dữ liệu yêu cầu sẽ >30 Mbps. Với tốc độ cao như vậy thì các hệ thống di động thế hệ ba hiện Dương Minh Khiêm, D2001-VT 1 Chương 1: Giới thiệu chung Đồ án tốt nghiệp Đại học nay chưa đáp ứng được. Vì thế yêu cầu được đặt ra là cải thiện nhiều hơn hiệu quả phổ tần và tốc độ truyền dữ liệu của các hệ thống di động. Hiện nay các hệ thống WLAN, HiperLAN/2, IEEE 802.11a, IEEE 802.11b đã được triển khai thực tế và cung cấp tốc độ truyền dữ liệu rất cao. Điều đặc biệt là các hệ thống trên đều dựa trên cơ sở công nghệ OFDM. Bảng 1.2 dưới đây sẽ liệt kê các thông số đặc trưng của những hệ thống này: Bảng 1.2 Tham số đặc trưng của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM Tham số hệ thống Tần số sóng mang Băng thông Tốc độ truyền dữ liệu tối đa Số lượng sóng mang con Kích thước FFT DAB VHF 1.54 MHz 1.7 Mbps DVB-T VHF và UHF 7-8 MHz 31.7 Mbps IEEE 802.11 5 GHz 20 MHz 54 Mbps HiperLAN/2 5 GHz 20 MHz 54 Mbps 192-1536 1705-6817 52 52 256-2048 2048-8196 64 64 Ta thấy ưu thế nổi bật của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM là thông lượng lớn, hiệu quả sử dụng phổ tần cao và đối phó hiệu quả những nhược điểm của môi trường vô tuyến (sẽ được đề cập ở phần sau). 1.1. Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành  Kỹ thuật đơn sóng mang Các kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có khả năng chống lại pha đinh và nhiễu [2], song tồn tại những yêu cầu không thực hiện được chẳng hạn: nếu người dùng cần có tốc độ 20 Mbps ở giao diện vô tuyến và hệ số trải phổ là 128 (giá trị điển hình hiện nay), dẫn đến phải xử lý tốc độ 2,56 Gbps theo thời gian thực vì thế cần có độ rộng băng tần lớn không thực tế. Mặt khác, thấy rõ  Do tài nguyên phổ tần hạn hẹp, vì vậy cần phải sử dụng hiệu quả.  Do những khó khăn liên quan đến hiệu ứng gần xa và có sự tiêu thụ công suất lớn. Ngoài ra, các kỹ thuật đơn sóng mang đối phó kém hiệu quả đối với pha đinh và truyền lan đa đường đặc biệt trong trường hợp tốc độ bit rất cao. Ở các phương pháp điều chế truyền thống M-QAM, M-PSK…, khi tốc độ dữ liệu truyền cao thì kéo theo độ rộng ký hiệu sẽ giảm, đến một giá trị mà độ rộng ký hiệu < trải trễ cực đại của kênh, khi đó kênh sẽ là kênh lựa chọn tần số và gây ISI cho tín hiệu thu. Đây là một nhược điểm chính khiến các hệ thống sử dụng các phương pháp điều chế truyền thống không thể truyền dữ liệu với tốc độ cao, hoặc giá thành rất cao đối với những dịch vụ yêu cầu tốc độ dữ liệu cao. Dương Minh Khiêm, D2001-VT 2 Chương 1: Giới thiệu chung Đồ án tốt nghiệp Đại học  Kỹ thuật đa sóng mang trực giao OFDM OFDM là một công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước đây, cho phép khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang. 1.2. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật điều chế có thể thay thế cho CDMA. OFDM có ưu điểm vượt trội so với những hệ thống CDMA và cung cấp phương pháp truy cập không dây cho hệ thống 4G. Ý tưởng của OFDM là chia toàn bộ băng tần truyền dẫn thành nhiều sóng mang con trực giao nhau để truyền các tín hiệu trong các sóng mang con này song song. Theo đó, luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn làm cho chu kỳ ký hiệu tăng theo số sóng mang con.  Ưu điểm  OFDM là giải pháp phân tập tần số. OFDM chia nhỏ băng tần kênh và tiến hành truyền dữ liệu độc lập trên các băng tần kênh con này.  OFDM đạt hiệu quả sử dụng phổ tần cao, do tính trực giao của các thành phần sóng mang con.  OFDM là ứng cử viên hứa hẹn cho truyền dẫn tốc độ cao trong môi trường di động. Sở dĩ OFDM làm được như vậy bởi vì, chu kỳ ký hiệu tăng cho nên dung sai trải trễ của hệ thống tăng và hiệu quả sử dụng phổ tần cao của công nghệ OFDM.  OFDM cho phép giảm được ảnh hưởng của trễ đa đường và kênh pha đinh chọn lọc tần số chuyển thành kênh pha đinh phẳng. Vì vậy, OFDM là giải pháp đối với tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh. Thuận lợi này của OFDM cho phép cân bằng kênh dễ dàng.  Do trải rộng pha đinh tần số trên nhiều ký hiệu, nên làm ngẫu nhiên hoá lỗi cụm (do pha đinh Rayleigh gây ra), nên thay vì một số ký hiệu cạnh nhau bị méo hoàn toàn là một số ký hiệu cạnh nhau bị méo.  Tính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để công nghệ xử lý tín hiệu số và công nghệ vi mạch VLSI.  Nhược điểm  OFDM nhậy cảm với dịch Doppler cũng như lệch tần giữa các bộ dao động nội phát và thu. Do tính trực giao của các sóng mang con rất nhậy cảm với kênh truyền có dịch Doppler lớn.  Vấn đề đồng bộ thời gian. Tại máy thu khó quyết định thời điểm bắt đầu của ký hiệu FFT. Dương Minh Khiêm, D2001-VT 3 Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2 Đặc tính kênh vô tuyến di động 2.1. Mở đầu Trong thông tin vô tuyến di động, các đặc tính kênh vô tuyến di đông có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng. Trong các hệ thống vô tuyến thông thường (không phải các hệ thống vô tuyến thích ứng), các tính chất thống kê dài hạn của kênh được đo và đánh giá trước khi thiết kế hệ thống. Nhưng trong các hệ thống điều chế thích ứng, vấn đề này phức tạp hơn. Để đảm bảo hoạt động thích ứng đúng, cần phải liên tục nhận được thông tin về các tính chất thống kê ngắn hạn thậm chí tức thời của kênh. Các yếu tố chính hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến. Các yếu tố này là:  Suy hao: cường độ trường giảm theo khoảng cách. Thông thường suy hao nằm trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách  Che tối: các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm tín hiệu  Pha đinh đa đường và phân tán thời gian: phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ làm méo tín hiệu thu bằng cách trải rộng chúng theo thời gian. Phụ thuộc vào băng thông của hệ thống, yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference).  Nhiễu: các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận khác gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn. Đôi khi nhiễu được coi là tạp âm bổ sung. Có thể phân các kênh vô tuyến thành hai loại: "pha đinh phạm vi rộng" và "pha đinh phạm vi hẹp". Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất trung bình thu được tại các khoảng cách cho trước so với máy phát. Đối với các khoảng cách lớn (vài km), các mô hình truyền sóng phạm vi rộng được sử dụng. Pha đinh phạm vi rộng được biểu thị bằng tổn hao do truyền sóng khoảng cách xa. Pha đinh phạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng nhanh sóng vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong khoảng thời gian ngắn hay trên cự ly di chuyển ngắn. Pha đinh trong trường hợp này gây ra do truyền sóng đa đường. Các kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi từ các đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn nghiêm trọng đối với các vị trí khác nhau. Hình 2.1(a) cho thấy rằng trong miền không gian, một kênh có các đặc trưng khác nhau (biên độ chẳng hạn) tại các vị trí khác nhau. Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc không gian (hay phân tập không gian) và pha đinh tương ứng với nó là pha đinh chọn lọc không gian. Hình 2.1(b) cho thấy trong miền tần số, kênh có các đặc tính khác nhau tại các tần số khác nhau. Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) và pha đinh tương ứng với nó là pha đinh chọn lọc tần số. Hình 2.1(c) cho thấy rằng trong miền thời gian, kênh có các đặc tính khác nhau tại các thời điểm khác nhau. Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian) và pha đinh do nó gây ra là pha Dương Minh Khiêm, D2001-VT 4 Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động Đồ án tốt nghiệp Đại học đinh phân tập thời gian. Dựa trên các đặc tính trên có thể phân chia pha đinh kênh thành: pha đinh chọn lọc không gian (pha đinh phân tập không gian), pha đinh chọn lọc tần số (pha đinh phân tập tần số), pha đinh chọn lọc thời gian (phân tập thời gian ). Chương này sẽ xét các tính chất kênh trong miền không gian, thời gian và tần số. (a) (b) (c) Hình 2.1. Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời gian Trong chương này đồ án sẽ phân tích các đặc tính của kênh để sử dụng chúng trong các giải thuật điều chế thích ứng của mình. 2.2. Miền không gian Các thuộc tính trong miền không gian gồm: tổn hao đường truyền và chọn lọc không gian. Tổn hao đường truyền thuộc loại pha đinh phạm vi rộng còn chọn lọc không gian thuộc loại pha đinh phạm vi hẹp. Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất thu trung bình tại một khoảng cách cho trước so với máy phát, được gọi là đánh giá tổn hao đường truyền. Khi khoảng cách thay đổi trong phạm vi một bước sóng, kênh thể hiện rõ các đặc tính ngẫu nhiên. Điều này được gọi là tính chọn lọc không gian (hay phân tập không gian).  Tổn hao đường truyền Mô hình tổn hao đường truyền mô tả suy hao tín hiệu giữa anten phát và anten thu là một hàm phụ thuộc vào khoảng cách và các thông số khác. Một số mô hình xét chi tiết về địa hình để đánh giá suy hao tín hiệu, trong khi đó một số chỉ xét tần số và khoảng cách. Chiều cao anten là một thông số quan trọng. Tổn hao do khoảng cách truyền dẫn sẽ tuân theo quy luật hàm mũ. PL d-n (2.1) trong đó n là mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n<2 cho các môi trường trong nhà, a>2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máy thu đến máy phát. Từ lý thuyết và các kết quả đo lường cho thấy công suất thu trung bình giảm so với khoảng cách theo hàm log đối với môi trường ngoài trời và trong nhà. Hơn nữa tại mọi khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) tại một vị trí nhất định là quá trình ngẫu Dương Minh Khiêm, D2001-VT 5 Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động Đồ án tốt nghiệp Đại học nhiên và có phân bố log chuẩn xung quanh một giá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảng cách). Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, có thể biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) tại khoảng cách d như sau: ________ _________  d  PLd  dB  PLd  X   PLd 0  10 n lg    X   d0  (2.2) _______ Trong đó PLd  là tổn hao đường truyền trung bình phạm vị rộng đối với khoảng cách phát thu d; X là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình không (đo bằng dB) với lệch chuẩn  (cũng đo bằng dB), d0 là khoảng cách tham chuẩn giữa máy phát và máy thu, n là mũ tổn hao đường truyền. Khi các đối tượng trong kênh vô tuyến không chuyển động trong một khoảng thời gian cho trước và kênh được đặc trưng bởi pha đinh phẳng đối với một độ rộng băng tần cho trước, các thuộc tính kênh chỉ khác nhau tại các vị trí khác nhau. Nói một cách khác, pha đinh chỉ đơn thuần là một hiện tượng trong miền thời gian (mang tính chọn lọc thời gian). Từ phương trình 2.2 thấy tổn hao đường truyền của kênh được đánh giá thống kê phạm vi rộng cùng với ảnh hưởng ngẫu nhiên. Ảnh hưởng ngẫu nhiên xẩy ra do pha đinh phạm vi hẹp trong miền thời gian và thể hiện cho tính chọn lọc thời gian (phân tập thời gian). Ảnh hưởng của chọn lọc không gian có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng nhiều anten. MIMO (Multiple Input Multiple Output: Nhiều đầu vào nhiều đầu ra) là một kỹ thuật cho phép lợi dụng tính chất phân tập không gian này để cải thiện hiệu năng và dung lượng hệ thống. 2.3. Miền tần số Trong miền tần số, kênh bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố: điều chế tần số và chọn lọc tần số. 2.3.1. Điều chế tần số Điều chế tần số do hiệu ứng Doppler gây ra, khi có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến thay đổi tần số một cách ngẫu nhiên. Do chuyển động tương đối giữa BTS và MS, các thành phần sóng đa đường bị dịch tần số. Dịch tần số trong tần số thu do chuyển động tương đối này được gọi là dịch tần số Doppler, nó tỷ lệ với tốc độ chuyển động, phương chuyển động của MS so với phương sóng tới của thành phần sóng đa đường. Dịch Doppler BD có thể được biểu diễn như sau: BD    cos  f c cos  c (2.3) Trong đó  là tốc độ của MS,  là bước sóng,  là góc giữa phương chuyển động của MS và phương sóng tới, c là tốc độ ánh sáng và fc là tần số sóng mang. Từ phương trình cho trên thấy nếu MS di chuyển về phía sóng tới dịch Doppler là dương và tần số thu sẽ tăng, ngược lại nếu MS di chuyển rời xa sóng tới thì dịch Doppler là âm và tần số thu được sẽ giảm. Vì thế các tín hiệu đa đường đến MS từ các phương khác nhau sẽ làm tăng độ rộng băng tần tín hiệu. Khi  và (hoặc ) thay đổi dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler. Dương Minh Khiêm, D2001-VT 6 Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động Đồ án tốt nghiệp Đại học 2.3.2. Chọn lọc tần số Đồ án sẽ phân tích chọn lọc tần số cùng với một thông số khác trong miền tần số: băng thông nhất quán. Băng thông nhất quán là một số đo thống kê của dải tần số trên một kênh pha đinh được coi là kênh pha đinh "phẳng" (là kênh trong đó tất cả các thành phần phổ được truyền qua có khuếch đại như nhau và pha tuyến tính). Băng thông nhất quán cho ta dải tần trong đó các thành phần tần số có biên độ tương quan. Băng thông nhất quán xác định kiểu pha đinh xẩy ra trong kênh và vì thế có ý nghĩa cơ sở trong việc thích ứng các thông số điều chế. Băng thông nhất quán tỷ lệ nghịch với trải trễ (xem phần 2.5). Pha đinh chọn lọc tần số rất khác với pha đinh phẳng. Trong cùng một kênh pha đinh phẳng, tất cả các thành phần tần số truyền qua băng thông kênh đều chịu ảnh hưởng của pha đinh. Ngược lại pha đinh chọn lọc tần số (còn gọi là pha đinh vi sai), một số đoạn phổ của tín hiệu qua kênh pha đinh bị ảnh hưởng nhiều hơn các phần khác, thể hiện rõ tính chọn lọc tần số của kênh này. Nếu băng thông nhất quán kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần của tín hiệu được truyền qua kênh này, thì tín hiệu này chịu ảnh hưởng của pha đinh chọn lọc ( phân tập tần số). Pha đinh này sẽ làm méo tín hiệu. 2.4. Miền thời gian Sự khác biệt giữa các kênh hữu tuyến và các kênh vô tuyến là kênh vô tuyến thay đổi theo thời gian, nghĩa là pha đinh chọn lọc thời gian. Có thể mô hình hóa kênh vô tuyến di động như là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim thay đổi theo thời gian. Mô hình kênh truyền thống sử dụng mô hình đáp ứng xung kim, đây là một mô hình trong miền thời gian. Có thể liên hệ quá trình thay đổi tín hiệu vô tuyến phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến di động. Nếu x(t) là tín hiệu phát, y(t) là tín hiệu thu và h(t,) là đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đa đường phụ thuộc vào thời gian, thì tín hiệu thu là tích chập của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim của kênh như sau: y t     xt ht, d  x t   ht,  (2.4)  Trong đó t là biến thời gian,  là trễ đa đường của kênh đối với một giá trị t cố định, ‘*’ là ký hiệu tích chập. Ảnh hưởng đa đường của kênh vô tuyến thường được biết đến ở dạng phân tán thời gian hay trải trễ. Phân tán thời gian (tán thời), hay trải trễ xẩy ra khi một tín hiệu được truyền từ anten phát đến anten thu qua hai hay nhiều đường có các độ dài khác nhau. Một mặt tín hiệu này được truyền trực tiếp, mặt khác nó được truyền từ các đường phản xạ khác nhau có độ dài khác nhau với các thời gian đến máy thu khác nhau. Vì vậy tín hiệu tại anten thu chịu ảnh hưởng của tán thời này sẽ bị méo dạng. Khi thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống vô tuyến số để truyền số liệu tốc độ cao ta cần xét các phản xạ này. Tán thời có thể được đặc trưng bởi trễ trội, trễ trội trung bình hay trễ trội trung bình quân phương. 2.4.1. Trễ trội trung bình quân phương Thông số thời gian quan trọng của tán thời là trải trễ trung bình quân phương (RDS: Root Mean Square Delay Spread): căn bậc hai môment trung tâm của lý lịch trễ công Dương Minh Khiêm, D2001-VT 7