Tài liệu Mã khối không thời gian trong hệ thông tin băng rộng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ---------------- NGUYỄN THẾ ĐÀN MÃ KHỐI KHÔNG THỜI GIAN TRONG HỆ THÔNG TIN BĂNG RỘNG Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Mã số : 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VIẾT KÍNH HÀ NỘI - 2011 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 2 MỤC LỤC ........................................................................................................ 3 CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................ 6 DANH MỤC HÌNH VẼ.................................................................................... 8 MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI ............................. 1 2. KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN ....................................................................... 1 Chƣơng 1 .......................................................................................................... 3 KÊNH PHA ĐINH TRONG MÔI TRƢỜNG VÔ TUYẾN ........................... 3 1.1. Giới thiệu chƣơng [6] ............................................................................... 3 1.2. Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến [2] .............................................. 3 1.1.1. Miền không gian ....................................................................................................................... 4 1.1.2. Miền tần số ............................................................................................................................... 5 1.1.2.1. Thay đổi tần số: ..................................................................................... 5 1.1.2.2. Chọn lọc tần số ...................................................................................... 5 1.1.3. Miền thời gian ........................................................................................................................... 6 1.1.3.1. Trải trễ trung bình quân phương, RDS .................................................. 6 1.1.3.2. Trễ trội cực đại ...................................................................................... 7 1.1.3.3. Thời gian kết hợp ................................................................................... 7 1.1.4. Quan hệ giữa các miền khác nhau .............................................................................................. 7 1.1.4.1. Băng thông kết hợp và trải trễ trung bình quân phương ........................ 7 1.1.4.2. Thời gian kết hợp và trải Doppler.......................................................... 8 1.2. Vấn đề pha đinh trong môi trƣờng vô tuyến [6] ...................................... 8 1.2.1. Pha đinh là gì?........................................................................................................................... 8 1.2.2. Nguyên nhân gây nên pha đinh .................................................................................................. 8 1.2.3. Phân loại pha đinh ..................................................................................................................... 9 1.2.3.1. Pha đinh đa đường ................................................................................ 9 1.2.3.2. Pha đinh phẳng và pha đinh chọn lọc tần số ....................................... 12 1.2.3.3. Pha đinh chậm và pha đinh nhanh ....................................................... 12 1.2.4. Mô hình pha đinh theo quan điểm thống kê ...............................................................................13 1.2.4.1. Pha đinh Rayleigh ............................................................................... 13 1.2.4.2. Pha đinh Rice ...................................................................................... 13 1.2.5. Tổng kết về pha đinh ................................................................................................................14 1.3. Kết luận chƣơng ...................................................................................... 14 Chƣơng 2 ........................................................................................................ 16 MÃ KHÔNG THỜI GIAN ............................................................................ 16 2.1. Giới thiệu chƣơng .................................................................................... 16 2.2. Phân tập [2] .............................................................................................. 16 2.2.1. Các kỹ thuật phân tập ...............................................................................................................17 2.2.2. Phân tập thu - phát....................................................................................................................18 2.3. Hệ thống mã không gian thời gian [5] .................................................... 20 2.3.1. Xét về mặt hiệu năng ................................................................................................................22 2.3.2. Xét về mặt cấu trúc [5] .............................................................................................................23 2.4. Mã Alamouti ............................................................................................ 23 2.4.1. Mã hóa không thời gian Alamouti. ............................................................................................24 2.4.2. Ma trận kênh ảo tƣơng đƣơng của mã Alamouti ........................................................................26 2.4.3. Tổ hợp và giải mã hợp lý nhất ..................................................................................................26 2.4.4. Nguyên lý Alamouti với nhiều anten thu ...................................................................................27 2.4.5. Mã khối không gian thời gian với các chuỗi tín hiệu thực [5] .....................................................28 2.4.6. Mã khối không thời gian với các chuỗi tín hiệu phức[5] ............................................................29 2.5. Kết luận chƣơng ...................................................................................... 30 Chƣơng 3 ........................................................................................................ 31 Hệ OFDM ....................................................................................................... 31 3.1. Giới thiệu chƣơng[9] ............................................................................... 31 3.2. Tính trực giao .......................................................................................... 31 3.3. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM..................................................... 32 3.3.1. Mô tả toán học tín hiệu OFDM .................................................................................................32 3.3.2. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM ............................................................................................34 3.3.2.1. Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song ............................................. 35 3.3.2.2. Tầng điều chế sóng mang con .............................................................. 36 3.3.2.3. Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian ........................... 36 3.3.2.4. Tầng điều chế sóng mang RF............................................................... 37 3.4. Các thông số đặc trƣng và dung lƣợng hệ thống truyền dẫn OFDM ... 39 3.4.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM ...........................................................................................................39 3.4.2. Các thông số trong miền thời gian TD.......................................................................................40 3.4.3. Các thông số trong miền tần số FD ...........................................................................................41 3.4.4. Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số. ................................................41 3.4.5. Dung lƣợng của hệ thống OFDM ..............................................................................................42 3.5. Các nhân tố ảnh hƣởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống OFDM và cách khắc phục.............................................................................. 43 3.5.1. Ảnh hƣởng của ISI ...................................................................................................................43 3.5.2. Ảnh hƣởng của ICI ...................................................................................................................43 3.6. Kết luận .................................................................................................... 44 Chƣơng 4 ........................................................................................................ 45 STBC – OFDM ............................................................................................... 45 4.1. Giới thiệu chƣơng .................................................................................... 45 4.2. Hiệu năng của STBC trên kênh pha đinh lựa chọn tần số .................... 45 4.2.1. Kênh pha đinh lựa chọn tần số ..................................................................................................45 4.2.2. Phân tích hiệu năng ..................................................................................................................47 4.3. STBC trong hệ thông tin OFDM băng rộng .......................................... 49 4.4. Phân tích hiệu năng của hệ thống STBC-OFDM[5] .............................. 52 4.5. Kết luận chƣơng ...................................................................................... 55 Chƣơng 5 ........................................................................................................ 56 MÔ PHỎNG ................................................................................................... 56 5.1. Giới thiệu chƣơng .................................................................................... 56 5.2. Mô hình mô phỏng hệ thống STBC - OFDM ......................................... 56 5.2.1. Mô hình mô phỏng ...................................................................................................................56 5.2.2. Giới thiệu chƣơng trình mô phỏng ............................................................................................57 5.3. Mô phỏng ................................................................................................. 59 5.3.1. Thiết lập các thông số hệ thống .................................................................................................59 5.3.2. Mô phỏng hệ truyền thông STBC – OFDM (MIMO - OFDM) ..................................................60 5.3.3. Mô phỏng đánh giá hiệu năng STBC – OFDM và OFDM .........................................................66 5.4. Kết luận chƣơng ...................................................................................... 70 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................. 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 72 CÁC TỪ VIẾT TẮT Thuật Từ gốc ngữ Ý nghĩa Asymmetric Digital Subscriber Line Công nghệ kỹ thuật số truyền thông băng rộng không đối xứng BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh CSI Channel State Information Thông tin về trạng thái kênh DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số quảng bá DC Direct Current Dòng một chiều DFT Discrete Fourier Transformation Biến đổi Furrier rời rạc Delay Spread Trải trễ ADSL DS ECVM Equivalent Virtual Channel Matrix Ma trận kênh ảo tƣơng đƣơng FD Frequency Domain Miền tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hƣớng thuận FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh Fourier fast Transformation and Tỷ số giữa thời gian FFT và Symbol time Ratio thời gian ký hiệu HDTV High-Definition Televison Truyền hình độ phân giải cao ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang FSR IFFT Inverse Fast Fourier Transformation Biến đổi Furrier ngƣợc nhanh ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự LS Least Squared Bình phƣơng tối thiểu Maximum Likelihood Detection Tách sóng hợp lẽ tối đa MLD Sai số trung bình bình phƣơng MMSE Minimum Mean Square Error MIMO Multi-Input and Multi-Output Hệ thống đa đƣờng vào đa đƣờng ra Mobile Station Trạm di động MS tối thiểu M-PSK MRC OFDM PAPR M-Phase Shift Keying Khoá dịch pha M trạng thái Maximum Ratio Combining Tổ hợp tỉ số tối đa Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần Multiplexing số trực giao Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PSD Power Spectrum Density Hàm mật độ phổ công suất QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phƣơng QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SM Spatial Multiplexing Ghép kênh theo không gian SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm STC Space-Time Coding Mã hóa không gian-thời gian TD Time Domain Miền thời gian Worldwide Interoperability for Khả năng tƣơng tác toàn cầu Microwave Access với truy nhập vi ba WiMAX DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Tính chất kênh trong miền không gian, ............................................... 3 miền tần số và miền thời gian ............................................................................. 3 Hình 1.2. Khái niệm về đa đƣờng ....................................................................... 9 Hình 1.3. Truyền tín hiệu đa đƣờng giữa máy phát và máy thu. ....................... 10 Hình 1.4. Hàm phân bố mật độ đƣờng bao Rayleigh và .................................... 12 phân bố công suất hàm mũ. .............................................................................. 12 Hình 1.5. Tổng quan về sự suy hao và pha đinh ............................................... 14 Hình 2.1. Chất lƣợng BER của BPSK trên các kênh fading Rayleigh ............... 19 sử dụng phân tập phát. ...................................................................................... 19 Hình 2.2. Mô hình băng cơ sở .......................................................................... 20 Hình 2.3. Sơ đồ khối của bộ phát dùng mã hóa không thời gian Alamouti ....... 24 Hình 2.4. Bộ thu theo sơ đồ Alamouti .............................................................. 25 Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM ............................................ 35 Hình 3.2. Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hóa Gray và tín hiệu 16-QAM truyền qua kênh vô tuyến, SNR=18dB ............................................................. 36 Hình 3.3. Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM ......................................................... 36 Hình 3.4. Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng cơ sở phức ............................ 37 sử dụng kỹ thuật tƣơng tự ................................................................................. 37 Hình 3.5. Điều chế cao tần tin hiệu OFDM băng tần cơ sở phức ...................... 37 sử dụng kỹ thuật số........................................................................................... 37 Hình 3.6. Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian ............................... 38 Hình 3.7. Tín hiệu OFDM dịch DC, W là băng tần tín hiệu, foff tần số dịch từ DC, fc là tần số trung tâm ................................................................................. 39 Hình 3.8. Cấu trúc tin hiệu OFDM ................................................................... 39 Hình 3.9. Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con ....... 41 Hình 4.1. Hệ thống STBC với OFDM .............................................................. 50 Hình 5.1. Mô hình hệ thống STBC – OFDM (alamouti 2x2) ............................ 57 Hình 5.2. Giao diện chính................................................................................. 57 Hình 5.3. giao diện mô phỏng tuyến truyền dẫn STBC - OFDM ...................... 58 Hình 5.4. Giao diện mô phỏng BER (STBC – OFDM và OFDM) .................... 59 Hình 5.5. Chuỗi bit truyền và nhận ................................................................... 61 Hình 5.6. Tín hiệu OFDM miền thời gian......................................................... 61 Hình 5.7. Phổ tín hiệu OFDM (QPSK) ............................................................. 62 Hình 5.8. Giản đồ chòm sao phát và thu trƣớc khi giải điều chế ....................... 62 Hình 5.9. Đáp ứng kênh truyền giữa các cặp anten thu-phát ............................. 63 Hình 5.10. Chuỗi bít truyền và nhận(BPSK) .................................................... 63 Hình 5.11. Tín hiệu OFDM miền thời gian (BPSK) ......................................... 63 Hình 5.12. Phổ tín hiệu OFDM (BPSK) ........................................................... 64 Hình 5.13. Giản đồ chòm sao phát và thu trƣớc khi giải điều chế (BPSK) ........ 64 Hình 5.14. Đáp ứng kênh truyền giữa các cặp anten phat-thu (BPSK) .............. 65 Hình 5.15. Tín hiệu OFDM miền thời gian (16QAM) ...................................... 65 Hình 5.16. Phổ tín hiệu OFDM(16QAM) ......................................................... 65 Hình 5.17. Giản đồ chòm sao phát và thu trƣớc khi giải điều chế (16QAM) .... 66 Hình 5.18. Đáp ứng kênh truyền giữa các cặp anten phat-thu (16QAM) .......... 66 Hình 5.19. Hiệu năng hệ thống STBC-OFDM và OFDM (BPSK).................... 68 Hình 5.20. Hiệu năng hệ thống STBC-OFDM và OFDM (QPSK) ................... 68 Hình 5.21. Hiệu năng hệ thống STBC-OFDM và OFDM (16-QAM) ............... 69 1 MỞ ĐẦU 1. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Trong những năm gần đây, nhu cầu thông tin liên lạc của con ngƣời ngày càng gia tăng và đã có những bƣớc tiến vƣợt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của các loại hình dịch vụ nhƣ Video, thoại và thông tin dữ liệu trên Internet, điện thoại di động, cũng nhƣ nhu cầu về truyền thông đa phƣơng tiện ngày càng một phát triển. Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuôc rất nhiều vào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến nhƣ: Pha đinh, giới hạn về băng thông, điều kiện đƣờng truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác động qua lại của các tín hiệu. Vì vậy vấn đề khám phá tài nguyên, sử dụng hiệu quả tài nguyên nhƣng vẫn đảm bảo chất lƣợng truyền luôn là những chủ đề đƣợc quan tâm nghiên cứu, triển khai. Hai kỹ thuật OFDM và MIMO đƣợc coi là kỹ thuật chủ đạo cho các hệ thống vô tuyến thế hệ sau nhƣ WIMAX và 4G: Từ quan điểm lập luận này, vấn đề có tính chất then chốt là xây dựng các giải thuật để khai thác và xử lý triệt để đặc tính của kênh truyền vô tuyến. Hệ thống MIMO ra đời là một giải pháp hiệu quả để cải thiện dung lƣợng của hệ thống thông tin vô tuyến. Hệ MIMO có ƣu điểm là hiệu suất sử dụng phổ và độ phân tập cao. Một cách tăng phẩm chất, giảm (BER) của MIMO là thực hiện mã hóa không thời gian, một kỹ thuật mã hóa đƣợc thiết kế với nhiều anten phát, thu. Việc sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những dịch vụ này dẫn đến cấu trúc của hệ thống thu phát có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một trong những giải pháp đang đƣợc quan tâm để giải quyết vấn đề này. Vì vậy, em đã chọn đề tài “Mã khối không thời gian trong hệ thông tin băng rộng”. Trong đề tài này em đi sâu vào tìm hiểu một số kỹ thuật về mã hóa, đặc biệt là mã khối trực giao và ảnh hƣởng của nó đối với kỹ thuật OFDM. Với cơ sở lý thuyết này, em đã mô phỏng trực quan chứng minh sự ảnh hƣởng của mã khối đối với hệ thống truyền thông OFDM 2. KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN Luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung của luận văn gồm các chƣơng sau: 2 Chương 1: Kênh pha đinh trong môi trƣờng vô tuyến Chương 2: Mã không gian thời gian Chương 3: Hệ OFDM Chương 4: STBC-OFDM Chương 5: Mô phỏng Tuy đã có nhiều cố gắng nhƣng vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung và phát triển mong quý thầy cô và bạn đọc chỉ bảo thêm. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG, đặc biệt là thầy Nguyễn Viết Kính đã hƣớng dẫn em hoàn thành luận án này. . 3 Chƣơng 1 KÊNH PHA ĐINH TRONG MÔI TRƢỜNG VÔ TUYẾN 1.1. Giới thiệu chƣơng [6] Truyền thông qua các kênh vô tuyến nhất là đối với kênh vô tuyến di động là một hiện tƣợng hết sức phức tạp, đƣợc đặc trƣng bởi các hiệu ứng khác nhau nhƣ hiệu ứng đa đƣờng , hiệu ứng đám mây ... Việc tính toán một cách chính xác để mô tả về các hiện tƣợng này hoặc là chƣa biết hoặc là quá khó để phân tích đối với hệ thống truyền thông. Tuy nhiên, qua những nỗ lực đáng kể cho đến nay đã đƣa ra đƣợc các mô hình trong đó có mô hình thống kê nhằm mô tả đƣợc các đặc điểm của các hiệu ứng khác nhau này. Kết quả là một loạt các mô hình thống kê tƣơng đối đơn giản và chính xác cho các kênh pha đinh phụ thuộc vào các môi trƣờng truyền thông cụ thể và dƣới các kịch bản truyền thông khác nhau đã ra đời. Mục đích chính của chƣơng này là nhằm xem xét các đặc tính của kênh truyền vô tuyến cũng nhƣ các mô hình của kênh pha đinh đối với môi trƣờng vô tuyến. 1.2. Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến [2] Trong thông tin vô tuyến di động, các yếu tố chính hạn chế bắt nguồn từ môi trƣờng vô tuyến về cơ bản có thể kể đến là: Suy hao, che phủ, pha đinh đa đƣờng, phân tán theo thời gian và nhiễu. Các kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi từ các đƣờng truyền thẳng đến các đƣờng bị che chắn đối với các vị trí khác nhau. Do đó, xem xét các đặc tính của kênh truyền vô tuyến ta phải xem xét chúng ở một số đặc tính nhƣ không gian, tần số, thời gian. Hình 1.1. Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời gian 4 Nội dung dƣới đây sẽ trình bày chi tiết về các đặc tính của kênh truyền trong các miền không gian, thời gian và tần số. 1.1.1. Miền không gian Đối với các mô hình truyền sóng truyền thống việc đánh giá công suất thu trung bình tại một khoảng cách cho trƣớc so với máy phát đƣợc gọi là đánh giá tổn hao đƣờng truyền. Khi khoảng cách thay đổi trong phạm vi một bƣớc sóng thì kênh thể hiện các đặc tính ngẫu nhiên rất rõ rệt. Điều này đƣợc gọi là tính chọn lọc không gian. Tổn hao đƣờng truyền Mô hình tổn hao đƣờng truyền mô tả sự suy hao tín hiệu giữa anten phát và anten thu và đƣợc coi nhƣ là một hàm phụ thuộc và 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 mô hình chỉ xét đến tần số và khoảng cách. Chiều cao của anten là một thông số quan trọng. Khi đó tổn hao do khoảng cách truyền dẫn sẽ tuân theo quy luật hàm mũ. Trong đó n là số mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n<2 cho các môi trƣờng trong nhà, n>2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máy thu đến máy phát. Từ lý thuyết và các kết qủa đo lƣờng cho thấy công suất thu trung bình giảm so với khoảng cách theo hàm log đối với môi trƣờng ngoài trời và trong nhà. Hơn nữa tại mọi khoảng cách d, tổn hao đƣờng truyền PL(d) tại một vị trí nhất định là quá trình ngẫu nhiên và có phân bố loga chuẩn xung quanh một giá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảng cách). Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, ta có thể biểu diễn tổn hao đƣờng truyền PL(d) tại khoảng cách d nhƣ sau: Trong đó là tổn hao đƣờng truyền trung bình phạm vị rộng đối với khoảng cách thu phát d, là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình không (đo bằng dB) với độ lệch chuẩn σ (cũng đo bằng dB), d0 là khoảng cách tham chiếu chuẩn giữa máy phát và máy thu, n là số mũ tổn hao đƣờng truyền. Khi các đối tƣợng trong kênh vô tuyến không chuyển động trong một khoảng thời gian cho trƣớc và kênh đƣợc đặc trƣng bởi pha đinh phẳng đối với 5 một độ rộng băng tần cho trƣớc, 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 tƣợng trong miền thời gian (mang tính chọn lọc thời gian). 1.1.2. Miền tần số Trong miền tần số, kênh bị ảnh hƣởng bởi hai yếu tố: điều chế tần số và chọn lọc tần số. 1.1.2.1. Thay đổi tần số: Thay đổi tần số do hiệu ứng Doppler gây ra khi có sự chuyển động tƣơng đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến thay đổi tần số một cách ngẫu nhiên. Do có sự chuyển động tƣơng đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến từng sóng đa đƣờng bị dịch tần số. Dịch tần số trong tần số thu do chuyển động tƣơng đối này đƣợc gọi là dịch tần số Doppler, nó tỷ lệ với tốc độ chuyển động, phƣơng chuyển động của trạm di động (MS: Mobile station) so với phƣơng sóng tới của thành phần sóng đa đƣờng. Dịch Doppler BD có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau: Trong đó ν là tốc độ cuả MS, λ là bƣớc sóng,  là góc giữa phƣơng chuyển động cuả MS và phƣơng sóng tới, c là tốc độ ánh sáng và fc là tần số sóng mang. Từ phƣơng trình trên ta có thể thấy rằng nếu MS di chuyển về phía sóng tới thì dịch Doppler là dƣơng và tần số thu sẽ tăng, ngƣợc lại nếu MS di chuyển rời xa sóng tới thì dịch Doppler là âm và tần số thu đƣợc sẽ giảm. Vì thế các tín hiệu đa đƣờng đến MS từ các phƣơng khác nhau sẽ làm tăng độ rộng băng tần tín hiệu. Khi ν và (hoặc)  thay đổi thì dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler. 1.1.2.2. Chọn lọc tần số Trong khuôn khổ nội dung của luận văn này sẽ phân tích vấn đề chọn lọc tần số cùng với một thông số khác trong miền tần số đó là băng thông kết hợp. Băng thông kết hợp (coherence bandwidth) là một số đo thống kê của dải tần số trên một kênh pha đinh đƣợc coi là kênh pha đinh "phẳng" (là kênh trong đó tất cả các thành phần phổ đựơc truyền qua với độ khuyếch đại nhƣ nhau và tuyến tính về pha). Băng thông kết hợp cho ta dải tần trong đó các thành phần tần số có biên độ tƣơng quan. Băng thông kết hợp xác định kiểu pha đinh xẩy ra trong kênh và vì thế nó đóng vai trò cơ sở trong viêc thích ứng các thông số điều chế và băng thông kết hợp tỷ lệ nghịch với trải trễ. 6 1.1.3. Miền thời gian Sự khác biệt giữa các kênh hữu tuyến và các kênh vô tuyến là các kênh vô tuyến thay đổi theo thời gian, nghĩa là pha đinh chọn lọc thời gian. Ta có thể mô hình hóa kênh vô tuyến di động nhƣ 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. Ta 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,τ) biểu diễn đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đa đƣờng thay đổi theo thời gian, thì ta có thể biểu diễn tín hiệu thu nhƣ là tích chập của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim của kênh nhƣ sau. Trong đó t là biến thời gian, τ là trễ đa đƣờng của kênh đối với một giá trị t cố định. Ảnh hƣởng đa đƣờng của kênh vô tuyến thƣờng đƣợc biết đến ở dạng tán thời hay trải trễ. Phân tán thời gian hay trải trễ xẩy ra khi một tín hiệu đƣợc truyền từ anten phát đến anten thu qua hai hay nhiều đƣờng có các độ dài khác nhau. Một mặt tín hiệu này đƣợc truyền trực tiếp, mặt khác nó đƣợc truyền từ các đƣờng phản xạ (tán xạ) khác nhau có độ dài khác nhau với các thời gian đến máy thu khác nhau. Tín hiệu tại anten thu chịu ảnh hƣởng của phân tán theo thời gian này sẽ bị méo dạng. Trong khi thiết kế và tối ƣu hóa các hệ thống vô tuyến số để truyền dữ liệu tốc độ cao ta cần xét các phản xạ này. 1.1.3.1. Trải trễ trung bình quân phương, RDS Thông số thời gian quan trọng của tán thời là trải trễ trung bình căn quân phƣơng (RDS: Root Mean Squared Delay Spread). RDS là một số đo thích hợp cho trải đa đƣờng của kênh. Ta có thể sử dụng nó để đánh giá ảnh hƣởng của nhiễu (giao thoa) giữa các ký hiệu (ISI: Inter-Symbol Interference). 7 Trong đó Trong đó P(τk) là công suất trung bình đa đƣờng tại thời điểm có trễ τk. 1.1.3.2. Trễ trội cực đại Trễ trội cực đại (XdB) của hồ sơ về trễ công suất đƣợc định nghĩa là trễ thời gian mà ở đó năng lƣợng đa đƣờng giảm XdB so với năng lƣợng cực đại. 1.1.3.3. Thời gian kết hợp Một thông số khác trong miền thời gian là thời gian kết hợp (coherence time). Thời gian kết hợp xác định tính "dừng" của kênh. Thời gian kết hợp là thời gian mà ở đó kênh tƣơng quan rất mạnh với biên độ của tín hiệu thu, ký hiệu Tc. Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh trong khoảng thời gian kết hợp chịu ảnh hƣởng pha đinh nhƣ nhau. Vì thế ta nhận đƣợc một kênh pha đinh khá chậm (khi Tc > độ kéo dài của ký hiệu TB). Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh có thời gian kéo dài lớn hơn thời gian kết hợp TB>Tc sẽ bị ảnh hƣởng pha đinh khác nhau. Khi này ta đƣợc một kênh pha đinh khá nhanh (vấn đề này sẽ đƣợc trình bày chi tiết ở phần sau). Nhƣ vậy, dƣới tác động của pha đinh nhanh, một số phần của ký hiệu sẽ chịu tác động pha đinh lớn hơn các phần khác. Bằng cách ấn định giá trị cho một thông số nhất định cho hệ thống truyền dẫn, ta có thể nhận đựơc kênh pha đinh chậm thay vì kênh pha đinh nhanh và nhờ vậy đạt đƣợc hiệu năng tốt hơn. 1.1.4. Quan hệ giữa các miền khác nhau Ở các phần trƣớc ta đã chỉ ra các đặc tính kênh và các thông số của nó trong các miền không gian, tần số và thời gian. Các đặc tính này không tồn tại một cách độc lập với nhau mà có quan hệ mật thiết tƣơng ứng giữa các miền. Một số thông số trong miền này ảnh hƣởng lên các đặc tính của miền khác, sau đây ta sẽ xem xét mối quan hệ giữa các thông số này. 1.1.4.1. Băng thông kết hợp và trải trễ trung bình quân phương Ta đã biết rằng hồ sơ về trễ công suất và đáp ứng tần số biên của kênh vô tuyến di động quan hệ với nhau qua biến đổi Fourrier. Vì thế, ta có thể trình bầy kênh trong miền tần số bằng cách sử dụng các đặc tính đáp ứng tần số của nó. 8 Tƣơng tự nhƣ các thông số trải trễ trong miền thời gian, ta có thể sử dụng băng thông kết hợp cho đặc trƣng kênh trong miền tần số. Tuy trải trễ trung bình căn quân phƣơng tỷ lệ nghịch với băng thông kết hợp và ngƣợc lại, song quan hệ chính xác cuả chúng là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc đa đƣờng. Nếu ký hiệu băng thông kết hợp là Bc và trải trễ trung bình căn quân phƣơng là  thì hàm tƣơng quan đƣờng bao lớn hơn 90%. Băng thông kết hợp và trải trễ trung bình căn quân phƣơng có mối liên hệ nhƣ sau. Trong đó στ theo (1.5) Nhƣ thế hai thông số trên liên quan chặt chẽ với nhau, vì thế trong quá trình thiết kế hệ thống ta chỉ cần xét một trong hai thông số đó. 1.1.4.2. Thời gian kết hợp và trải Doppler Thời gian kết hợp chịu ảnh hƣởng trực tiếp của dịch Doppler, nó là thông số kênh trong miền thời gian đối ngẫu với trải Doppler. Trải Doppler và thời gian kết hợp là hai thông số tỷ lệ nghịch với nhau và đƣợc cho bởi công thức. Trong đó BDmax theo (1.3) Khi thiết kế hệ thống chỉ cần xét một trong hai thông số nói trên là đủ. 1.2. Vấn đề pha đinh trong môi trƣờng vô tuyến [6] 1.2.1. Pha đinh là gì? Khi tín hiệu đƣợc truyền từ ăng ten phát đến ăng ten thu nó bị phản xạ, tán xạ, khúc xạ và nhiễu xạ bởi những cấu trúc khác nhau trên kênh truyền... Kết quả là tín hiệu tại ăng ten thu là tổng hợp của các tín hiệu này, nếu may mắn thì các tín hiệu này đồng pha và cƣờng độ tín hiệu đƣợc tăng cƣờng. Nhƣng nếu các tín hiệu này triệt tiêu lẫn nhau làm cƣờng độ tín hiệu tại ăng ten thu giảm nghiêm trọng (ngang mức nhiễu) - đó chính là hiện tƣợng pha đinh. 1.2.2. Nguyên nhân gây nên pha đinh Nhƣ đã đề cập ở phần trên, đặc tuyến truyền dẫn không chỉ xác định bởi suy hao. Sự mất mát hay suy hao quan sát đƣợc cũng có thể dao động phụ thuộc vào không gian và thời gian và điều này đƣợc gọi là pha đinh. Chúng ta cũng có thể quan sát và thấy rằng sự suy hao do truyền dẫn dao 9 động xung quanh giá trị trung bình hoặc trung điểm, ở đó tín hiệu thu trở thành tín hiệu ngẫu nhiên theo không gian và thời gian, đƣợc mô tả là pha đinh. Nói cách khác pha đinh là quá trình mô tả sự dao động của tín hiệu thu khi tín hiệu đến đƣợc anten thu. Pha đinh có thể đƣợc miêu tả do những nguyên nhân cơ bản là đa đƣờng hoặc Doppler, sự phân bố của đƣờng bao tín hiệu thu đƣợc. Chúng ta sẽ nhìn nhận sự khác biệt này của pha đinh để hiểu đƣợc nguồn gốc của chúng và những kết quả của chúng. Chúng ta cũng sẽ nhìn vào những hình thức khác nhau của pha đinh để thiết lập mối quan hệ giữa chúng với nhau. 1.2.3. Phân loại pha đinh Về cơ bản có thể phân pha đinh thành các loại sau: - Pha đinh đa đƣờng - Pha đinh phẳng Pha đinh chọn lọc tần số Pha đinh nhanh - Pha đinh chậm 1.2.3.1. Pha đinh đa đường Pha đinh đa đƣờng xảy ra do sự tồn tại của nhiều đƣờng tín hiệu từ máy phát tới máy thu. Khi một tín hiệu rời máy phát nó có thể theo một số đƣờng để đến máy thu nhƣ ở Hình 1.2. Building 1 Building 2 Building 3 BS MU Building 4 Building 5 Building 6 Hình 1.2. Khái niệm về đa đƣờng Đơn vị di đông (MU: Mobile Unit) nhận đƣợc những thành phần tín hiệu mà đã bị tán xạ, nhiễu xạ, khúc xạ bởi những tòa nhà, bởi những cấu trúc nhân tạo cũng nhƣ tự nhiên, tạo ra các đƣờng đi khác nhau. Giả sử rằng những thành phần tín hiệu bị tán xạ bởi những cấu trúc khác nhau này đến đƣợc máy thu và độc lập với nhau nhƣ trình bày ở Hình 1.3. Dƣới 10 những điều kiện này tín hiệu thu đƣợc có thể biểu diễn là vectơ tổng của những thành phần đến từ những cấu trúc này. Giả sử rằng máy thu là dừng theo thời gian. Tín hiệu thu đƣợc có thể đƣợc biểu diễn nhƣ là tổng của các thành phần bị trễ: Với là biên độ của thành phần tán xạ, p(t) là dạng xung phát và là thời gian để xung từ máy phát đến máy thu, N là số lƣợng đƣờng khác nhau của tín hiệu đến máy thu. Chú ý rằng chúng ta cũng giả sử không có sự phản xạ trực tiếp giữa anten phát và anten thu. Thay vì viết biên độ của tín hiệu thu nhƣ là tổng của các thành phần bị trễ chúng ta có thể dùng pha để thay thế cho tín hiệu thu. Với phần pha là là sóng mang: thành phần tín hiệu thứ i có biên độ là và thành . Phƣơng trình (1.11) có thể viết lại theo thành phần cùng pha và vuông pha. Hình 1.3 – Truyền tín hiệu đa đƣờng giữa máy phát và máy thu. Với thành phần tổng ban đầu đƣợc định nghĩa là cùng pha và thành phần sau đƣợc định nghĩa là vuông pha. Giả sử rằng pha có phân bố từ 0 - của tín hiệu thu có thể biểu diễn là. . Với điều kiện là N lớn thì biên độ 11 Với X và Y là độc lập và là biến ngẫu nhiên phân bố gauss. Dƣới những điều kiện này đƣờng bao của tín hiệu thu đƣợc cho bởi có phân bố Rayleigh. Đƣờng bao có thể đƣợc phục hồi thông qua giải điều chế. Hàm phân bố xác suất đƣợc cho bởi. Với thông số là phƣơng sai của biến ngẫu nhiên X,Y, U(.) là hàm nhảy bậc đơn vị. Nếu đƣờng bao của tín hiệu là phân bố Rayleigh thì công suất sẽ phân bố theo hàm mũ và đƣợc cho bởi công thức. Hàm phân bố xác suất theo Rayleigh và hàm mũ đƣợc biểu diễn ở hình 1.4. Đƣờng bao của phân bố Rayleigh có giá trị trung bình cho bởi. Và phƣơng sai đƣợc cho bởi. Chú ý: phân bố Rayleigh là duy nhất theo tỉ lệ của trung bình so với độ lệch chuẩn. 12 Hình 1.4. Hàm phân bố mật độ đƣờng bao Rayleigh và phân bố công suất hàm mũ. 1.2.3.2. Pha đinh phẳng và pha đinh chọn lọc tần số Chọn lọc tần số cũng là một đặc tính quan trọng của kênh pha đinh. Nếu tất cả các thành phần phổ của tín hiệu truyền bị ảnh hƣởng một cách nhƣ nhau, pha đinh đƣợc gọi là không lựa chọn tần số hoặc pha đinh phẳng. Đây là trƣờng hợp cho các hệ thống băng hẹp, trong đó băng thông truyền tín hiệu là nhỏ hơn nhiều so với băng thông kết hợp Bc của kênh. Ngoài ra, băng thông có liên quan chặt chẽ đến trải trễ tối đa τmax đƣợc cho bởi. Mặt khác, nếu các thành phần phổ của tín hiệu truyền bị ảnh hƣởng bởi sự thay đổi của biên độ và pha, thì pha đinh đƣợc gọi là pha đinh chọn lọc tần số. Điều này áp dụng cho các hệ thống băng rộng, trong đó băng thông truyền là băng thông lớn hơn băng thông kết hợp của kênh. 1.2.3.3. Pha đinh chậm và pha đinh nhanh Sự khác biệt giữa pha đinh chậm và pha đinh nhanh là rất quan trọng đối với các mô hình toán học của các kênh pha đinh và để đánh giá hiệu năng làm việc của hệ thống qua các kênh này. Khái niệm này có liên quan đến thời gian kết hợp Tc của kênh, nó đánh giá mức độ biến đổi của kênh, thời gian kết hợp là khoảng thời gian tối thiểu mà biên độ tín hiệu không tƣơng quan với giá trị tại thời điểm trƣớc đó. Thời gian kết hợp cũng liên quan đến trải trễ của kênh, hoặc trải Doppler (fd) và đƣợc cho bởi công thức.