Tài liệu Nghiên cứu về dịch tần số và các phương pháp khắc phục trong hệ thống ofdm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ N G U Y ỄN TH A NH HƯƠNG N G H IÊ N C Ứ U V Ề D ỊC H T Ầ N s ố VÀ CÁC PHƯ Ơ NG PH Á P KHẮC PHỤC TR O N G H Ệ T H ốN G OFDM C h u y c n n g à n h : K ỹ thuàt vô tuy ến đ iện tử và th ô n g tin liên lạc M a so: 2 .0 7 .0 0 LUẬN VĂN THẠC s ĩ NGƯỜI HU Ố N G D Ẫ N K H O A HỌC: G S.T SK H PHAN ANH ĐẠI HỌCQUỔC GIA HÀ NỘI V! THuHGTIN.THƯ ĨHuHGTiN.THƯV TRUNGTÂM VIỆN No ' M Ô ÍA .9H - Hà Nội - Năm 2003 MỤC LỤC MỤC LỤC............................................................................................................................................1 Lời CẢM ƠN..........................................................................................................................................3 CÁC TƯVIẼT TẮT.................................................................................................................................4 LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................................................6 CHƯƠNG 1: MÔ HỈNH KÊNH v ồ TUYỂN........................................................................................... 7 1.1. Mô hình kênh trên quy mô lớn......................................................................................... 7 1.1.1. Kênh truyển lý tưởng............................................................................................... 7 1.1.2. Mô hình che khuất loga ch u ẩ n ..............................................................................8 1.2. Mô hình kênh trên quy mô n h ỏ ........................................................................................ 9 1.2.1. Hiệu ứng đa đ ư ờ n g ................................................................................................. 9 1.2.2. Kênh fading và phân loại kênh fa d in g ........................................................... 14 1.2.3. Các phân bố Rayleigh và R ice a n ................................................................... 16 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẾ HỆ THỐNG OFDM............................................................................ 18 2.1. Lịch sử hỉnh thành OFDM............................................................................................... 18 2.2. Cấu trúc hệ thống O FDM ............................................................................................... 19 2.2.1 Á nh xạ tín hiệu .........................................................................................................21 2.2.2. Biến đổi IFFT/FFT................................................................................................. 22 2.2.3. Chèn và loại bỏ dải bảo v ệ .................................................................................. 23 2.2.4. Chuyển đ ổ ip h á ư th u ..............................................................................................25 2.3. Các ưu nhược điểm so với hệ đơn sóng m ang.......................................................... 26 2.3.1. Ưu điểm........................................................................................... 26 2.3.2. Nhược điểm .............................................................................................................28 CHƯƠNG 3: ĐỔNG Bộ VÀ CÁC KỸ THUẬT SỬA LỖI ĐÓNG BỘ................................................... 30 3.1. Giới thiệu chung về đồng b ộ ..........................................................................................30 3.1.1. Lỗi đổng bộ kỷ h iệu ............................................................................................ 30 3.1.2. Lỗi tạp âm pha và lỗi quay pha sóng m a n g ..................................................31 3.1.3. Lỗi tẩn s ố lấy m ẫ u ...............................................................................................32 3.1.4. Lỗi dịch tần s ố sóng mang (CFO ).................................................................. 33 3.2. C ác kỹ thuật đồng b ộ ................................................................................................... 36 3.2.1. Kỹ thuật đổng bộ s ử dụng tiền tố lặp C P .......................................................36 3.2.2. Kỹ thuật đổng bộ s ử dụng các ký hiệu huấn luyện đặc biệt..................... 39 2 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MLE (MAXIMUM LIKELIHOODESTIMATION)........43 4.1. ước lượng độ dịch tần số qua kênh nhiễu cộng Gaussian (AWGN)................... 43 4.2. Kết lu ận ............................................................................................................................48 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 50 3 LỜI CẢM ƠN Trư ớc tiên, tôi xin b à y tỏ lòng biết ơn sâu sắc đ ến G S .T S K H P han A nh, người đã tận tìn h h ư ớ n g dẫn tôi tro ng su ố t thời g ia n làm luận văn vừa qua. Tôi c ũ n g xin c h â n th à n h c ả m ơn ThS. T rần C ao Q u y c n , người đ ã có n h iều ý kiến g ó p ý cho tôi tro n g q u á trình làm lu ận văn. T ô i c ũ n g x in c h â n th à n h c ả m ơn các thầy cô g iá o tro n g k h o a C ô n g n g hệ, Đ ại h ọ c Q u ố c gia H à N ộ i đ ã tạo m ọi đ iều k iệ n h ọc tập và n g h iê n cứu cho tôi tro ng hai n ă m h ọ c vừa qua. T ôi cũ n g x in gửi lời c ả m ơ n tới c ác b ạ n học, các đ ồ n g n g h iệ p v à g ia đ ìn h , tất cả m ọi người dã g iú p đ ỡ tôi rất nhiều, đ ã đ ộ n g v iên v à d à n h thời g ian g iú p ch o tôi h o à n thành b ả n lu ận văn này. D o thời g ia n n g h iê n cứu có hạn và p hải tiếp c ận với m ộ t vấn đề còn m ới, b ản lu ận văn k h ó trá n h kh ỏi có n h ữ ng thiếu sót. T ôi rất m o n g n h ận được sự chỉ b ảo g ó p ý c ủ a m ọi người. H à N ộ i, th á n g 6 n ă m 2 003 N guyỗn T hanh Hương 4 CAC TU M E T TA T A /D A n a lo g to D igital A SD L A s y m m e tr ic Digital S u b crib c r L ine AWGN A d d itiv e W h ite G au ssian N o ise BER Bit E rro r R ate CDMA C o d e D iv isio n M u ltip le A ccess CFO C a rrie r fre q u e n c y offset CP C y c lic P refix D /A D ig ital to A n alo g D A B /D V B D igital A u d io B ro ad cast/ D igital V id e o B ro ad cast DFT D is c re te F o u rie r T ran sfo rm D S -C D M A D ire c t S eq u en ce C ode D iv isio n M u ltip le A c c e s s FDM A F r e q u e n c y D ivisio n M u ltip le A ccess FFT F ast F o u rie r T ra n sfo rm GI G u a rd Interval ICI In te rC a rrie r In te rfere n ce IFFT In v e rs e Fast F o u rier T ra n s fo rm ISI In te rS y m b o l In te rfe re n c e LOS L in e -o f-s ig h t LPF L o w P ass F ilter MAP M a x im u m A P osterio ri P ro b ab ility M C -C D M A M u ltic a r r ie r C ode D iv ision M u ltip le A ccess M LE M a x im u m lik e lih o o d E s tim a tio n OFDM O r th o g o n a l F re q u e n c y D ivisio n M u ltip le x in g P/S P a ra lle l to Serial PAPR P e a k to A v e ra g e P o w er R atio PN P s e u d o -n o is e 5 S/P Serial to Parallel SLM S elected M a p p in g SN R S ig n al-lo -n o ise R atio WLAN W ire le ss L o c al A rea N e tw o rk 6 LỜI NÓI ĐẦU N g à y n ay , nh u c ầu tích hợ p các d ịch vụ n h ư thoại, h ìn h ảnh, d ữ liệu, hội n g h ị tru y ề n h ìn h , tru y n h ậ p In tern et k h ô n g dây... tăn g rất n h a n h . H o n nữa, n h ằ m đ áp ứng c h o k h á c h h à n g về sự tiện d ụ n g và k h ả n ă n g di c h u y ể n thì cũ n g c ầ n dựa vào n h ữ n g ưu đ iể m c ủ a th ô n g tin di đ ộ n g tố c độ cao. V ì vậy, th ô n g tin vô tu y ến di đ ộ n g tốc độ cao được x em n h ư c h ia k h ó a cho vấn đ ề trên. N g u y ê n lý c ủ a O F D M đ ã được đề c ập đ ến vào k h o ả n g n ă m 1966. K ỹ th u ậ t n ày đ ư ợ c sử d ụ n g đ ầu tiên trong m ộ t s ố h ệ th ố n g q u ân sự tần số cao như K I N E P L E X , A N D E F T & K A T H R Y N . N ă m 1971, W e in s te in & E b e rt đ ã áp d ụ n g khai triể n F o u rie r rời rạc (D F T ) vào h ệ th ố n g tru y ề n d ữ liệu so n g song tro n g q u á trình đ iều c h ế và giải đ iều chế. Sau đó, C im ini (1 9 8 5 ) đ ã đ ư a ra kỹ th u ậ t O F D M ch o k ê n h di đ ộ n g số. Sức lôi c u ố n c ủ a O F D M là ở h iệu suất phổ cao, ch ịu đư ợc ảnh hư ởng c ủ a k ê n h fad in g , loại trừ được n h iễu xu ng ... tốt hơn rấ t n h iề u so với kỹ thuật k ỹ thuật đơ n s ó n g m an g . T ừ n hữ ng ưu đ iể m trên, dễ n h ậ n th ấy O F D M rất th ích h ợ p tro n g m ô i trư ờ ng fad in g nh iều tia (R a y le ig h ). O F D M là m ộ t trong n h ữ n g lựa c h ọ n đ ầ y h ứ a hẹn đ ể đạt được tru y ề n d ẫ n tố c độ cao tro n g m ôi trư ờ ng vô tu y ế n di đ ộ n g . V ới O F D M , sẽ có đ ư ợc h iệu q u ả b ă n g rộ n g do các s ó n g m a n g phụ đư ợc g h é p c h ổ n g xcn k ẽ n h au . Tại nơi thu, bộ tư ơ n g q u a n có th ể phân tá c h c á c só n g m a n g phụ vì c h ú n g có tính c h ấ t trực giao. T u y n h iê n , vì tín h iệu O F D M n h ạ y c ả m với lỗi d ịc h tần s ố s ó n g m a n g h ơ n so với h ệ s ó n g m a n g đơn ncn k h ó th iết lập đ ổ n g b ộ tần số ở nơi thu. Từ đ iể m này , lu ận v ă n sẽ n g h iê n cứu chi tiết hơ n v ào v ấn đ ề đ ồ n g b ộ tần số ở hệ th ố n g O F D M tro n g m ô i trư ờ ng vô tu y ến di đ ộ n g. 7 CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN T h ô n g tin vô tu y ế n sử dụ n g k h o ả n g k h ô n g g ian làm m ô i trư ờ n g tru y ền dãn. P hía p h á t b ứ c x ạ c ác tín h iệu th ô n g tin b ằ n g só n g đ iệ n từ, p h ía thu n h ận s ó n g đ iện từ n ày q u a k h ô n g g ian và tách lấy tín h iệu gốc. C ăn c ứ th eo sự thay đổ i k h o ả n g c á c h so với bước só ng có thể lạ m ch ia p h ạ m vi tính to án k ênh tru y ề n th àn h hai loại n h ư sau: - T ín h to án trên q u y m ô lớn (larg e-scale) - T ín h to á n trên q u y m ô nhỏ (sm all-scale) 1.1. Mỏ hình kênh trên quy mô lớn M ô h ìn h tín h to án d ự đ o án cư ờ n g độ tín h iệ u tru n g bìn h đối với m ộ t k h o ả n g cách tu ỳ ý g iữ a nơi thu và nơi p h át rất có lợi tro ng việc ước lượng p h ạ m vi v ù n g phủ só n g và được gọi là cá c m ô h ìn h tính to án q u y m ô lớn. Nó đ ặ c tả cư ờng đ ộ tín h iệ u ở k h o ả n g cách rất lớn (h àn g k m ) g iữ a nơi thu và nơi p h á t (h o ặc k h o ả n g c á c h n à y lớn g ấp hơn 40 lần bư ớ c s ó n g X). M ộ t inô h ìn h k h á c d ù n g dể đặc tả sự d a o đ ộ n g liên tục c ủ a cư ờ n g đ ộ lín hiệu thu ở k h o ả n g cách di c h u y ể n rất n g ắn (vài bước s ó n g ) h o ặ c tron g k h o ả n g thời g ian tồn tại n g ắ n (cỡ vài giây) thì dược gọi là m ô h ìn h fa d in g h a y m ô hình q u y m ô n h ỏ [1]. 1.L1. Kênh truyền lý tưởng K ên h tru y ề n lý tư ởng được x e m n h ư là tru y ề n s ó n g tro n g k h ô n g gian tự do, là k ên h k h ô n g c h ịu tác đ ộ n g c ủ a p h ản xạ, tán xạ, n h iễ u x ạ ...T ru y ề n sóng trên k cn h lý tư ở n g là d ạ n g tru y ền s ó n g cơ bản nhất. Q u a n hệ g iữ a c ô n g suất th u và côn g su ấ t p h á t được m ô tả n h ư sau: 8 (1.1) V ới Pr (d) : c ô n g suất nơi thu tại k h o ả n g c á c h d Pj : c ô n g su ất n g u ồ n phát G , , G r : h ệ s ố tăn g ích củ a an ten p h á t và a n ten thu Ẳ : bước só ng d : k h o ả n g c á c h giữa nơi thu v à nơi phát L : k íc h thư ớc vật ỉý củ a an len, là h ệ số m ấ t m á t c ủ a hệ, k h ô n g liên q u a n đ ế n đ ư ờ n g truyền. H ệ số m ất m á t trên đ ư ờ n g tru y ề n tính theo clB: PL(dB) = 1o[log p. - log p 1= 10lo g ^- = -10 logl"-G-'-C ~ậ pr l_(4^)2í/ (1.2) 1.1.2. M ỏ hìn h che k h u ấ t loga chuẩn Suy h a o d ư ờ n g tru y ề n tăng th eo k h o ả n g c á c h v à th eo lần số. T ro n g k h ô n g gian tự do thì su y h a o n à y tỷ lệ với b ìn h p h ư ơ n g k h o ả n g cách n h ư tro ng c ô n g thứ c (1.1). N h ư n g d o c ác hiệu ứng về c h e k h u ấ t bởi c á c vật cản nên b iên đ ộ tín h iệu Ihu đ ư ợ c sẽ th ă n g g ián g ng ẫu nhiên. Suy h a o th ay đ ổ i th eo k h o ả n g c á c h k h ô n g ph ải là m ộ t g iá trị duy n h ấ t m à th ă n g g iá n g x u n g q u a n h m ộ t giá trị tru n g b ình: __ __ ( ị\ PL(cl) = PL(d) + X ơ = PL(da) + 10» log — + X ơ \ d o) V ới d0 : k h o ả n g c á c h c h u ẩ n từ l m - l k m tu ỳ th eo m ô h ìn h được c h ọ n n : h ệ s ố m ũ su y hao xơ : g iá trị n g ẫ u n h iê n p h ân b ố c h u ẩ n G a u ss, có p h ư ơ n g sai là ơ (1.3) T ro n g th ự c tế, các giá trị n và ơ th ư ờng tính đ ư ợ c b ằ n g p h ư ơ n g p h áp đệ q u y tố i th iể u dự a trê n cơ sở m ộ t số k ế t q u ả đ o cụ thể; ơ thư ờn g có giá trị từ 9 6-lO dB . G iá trị PL(d0) thư ờ ng được tính th eo g iả thiết tru y ề n tro n g k h ô n g gian tự do từ nơi p h á t đ ế n k h o ả n g c ách d 0 . 1.2. M ô hình kênh trên quy mỏ nhỏ 1.2.1. H iệ u ứng đa đường T h ự c t ế q u a n sát kết q u ả đo trư ờ n g vô tu y ế n di đ ộ n g , độ lớn tín hiệu th ă n g g ián g n h a n h v à dải th ă n g g iá n g lớn tro n g k h o ả n g tlìời g ian n h ỏ và q u ãn g đ ư ờng d ịc h c h u y ể n n h ỏ (k h o ả n g 5 - 1 0 lần bước sóng). - L a n tru y ề n q u y m ô n h ỏ g ây nên: + th a y đổi n h a n h độ lớn tín h iệu thu đư ợc + x u ấ t h iệ n đ iề u c h ế tẩn s ố n g ẫu n h iên do sự d ịch tần đ o p p ler (k ết q u ả c ủ a c h u y c n đ ộ n g giữa n g u ồ n th u v à n g u ồ n ph át) + sự p h â n tán thời gian do việc tru y ề n đ a đ ư ờ n g có th ể d ẫ n đ ến g ia o th o a giữa cá c k ý h iệu ISI. - C ác y ếu tố g â y ản h h ư ở n g g ồ m có: + y ế u tố đ a đ ư ờng + y ế u tố tốc độ c h u y ể n đ ộ n g lư ơ ng đ ối c ủ a b ộ th u so với bộ p hát + y ế u tố độ rộ n g p hổ c ủ a tín h iệu + n g o à i ra cò n có ảnh h ư ở n g c ủ a y ếu tố m ô i trường... 1 .2 .1 .1 . D ịc h tầ n D o p p le r (d o p p le r sh ift) N ế u tru y ề n só n g tro n g m ô i trư ờng vô tu y ến m à nơi p h á t và nơi thu lại c h u y ể n đ ộ n g th ì k h i đó cò n phải x ét đ ế n h iệ n tư ợng d ịch tần dop pler. G iả sử b ộ thu c h u y ể n đ ộ n g với vận tố c V từ X đ ế n Y k h o ả n g c á c h d. N g u ồ n p h á t s ở đ ủ x a so với d, g ó c giữa p h ư ơ n g só n g tới với p h ư ơ n g c h u y ể n đ ộ n g là 0 , thời g ia n di c h u y ể n h ế t k h o ả n g c á c h d là Àt . G iả sử n g u ồ n p h á t ở rất xa, có thể coi 0 tại X và Y là n h ư nhau . — H ì n h ỉ .1 M i n h h o ạ t í n h t o á n ¡liệu ứ n g d o p p l e r H iệu đ ư ờ n g tru y ề n s ó n g tại X, Y là: A/ = cl c o s 0 = vầt cos 0 (1.4) Sự lệch p h a c ủ a tín h iệ u nhận: (1.5) (1.6) D ịch tần n à y phụ th u ộ c v ào tốc độ c h u y ể n đ ộ n g V, p h ư ơ n g c ủ a v e c lơ vận tốc với p h ư ơ n g só n g tới và tần số só ng tới. V í du: M á y p h á t có tần s ố f là 1850 M H z, m á y thu c h u y ể n đ ộ n g với vận tốc là 60 m ph thì tần s ố fnhận n h ậ n được trong m ộ t số trư ờ n g h ợ p là: a) T rư ờ n g hợ p m á y th u c h u y ể n đ ộ n g th ẳ n g đ ến m á y p h á t: X = c /f = ( 3 .1 0 8)/( 1 8 5 0 .106) = 0 ,1 6 2 m V = 6 0 m p h = 2 6 ,8 2 m p s co s 0° = 1 U n = f + fd = 1 8 5 0.1 06 + 2 6 ,8 2 /0 ,1 6 2 = 1850, 0 0 0 1 6 M H z b) T rư ờ n g hợp m á y thu c h u y ển đ ộ n g ra xa m á y p h á t: cos 180° = -1 fnhận = f - fd = 18 5 0 .1 0 6 - 2 6 ,8 2 /0 ,1 6 2 = 1849, 9 9 9 8 3 4 M H z c) T rư ờ n g hợp m á y th u ch u y ể n đ ộ n g v u ô n g g ó c với p h ư ơ n g só n g tới: cos 90° = 0 nên k h ô n g có d ịch tần d o p p le r n ên fnhạn = f = 1850 M H z 1 .2 .1 .2 . M ô h ìn h đ á p ứng x u n g của kên h đa đư ờ ng C ác b iến th iê n q u y m ô nhỏ c ủ a m ộ t tín h iệ u vô lu y ến di đ ộ n g có thể liên q u a n trực tiếp với đ áp ứ n g x u n g củ a kênh. Đ á p ứng x u n g là m ộ t h à m đặc trư ng biểu thị tín h ch ất c ủ a kênh, nó chứ a các th ô n g tin cần thiết đ ể m ô p h ỏ n g hay phàn tích q u á trìn h tru y ề n só n g vô tu y ến q u a kênh. G iả s ử có m ộ t m á y thu ch u y ể n đ ộ n g với m ộ t vận l ố c k h ô n g đ ổ i V nào đó. Đ ối với m ộ t vị trí d c ố định, k ê n h giữ a m á y p h át và m á y thu có thổ m ô h ình h oá n h ư m ộ t h ệ tu y ế n tính bất b iến theo thời gian. T u y n h iên , do có các s ó n g c ủ a n h iề u đ ư ờ n g tru y ề n k h á c n h a u , các só n g n ày có s ự trễ khi tru yền , sự trễ n ày th a y đổi tuỳ th u ộ c vào k h ô n g g ian c ủ a m á y thu, m à đ á p ứ ng x u n g củ a các k ê n h tu y ế n tín h b ấ t b iến theo thời g ian sẽ ph ụ th u ộ c vào vị trí c ủ a m á y thu. N h ư vậy, đ á p ứng x u n g c ủ a k ên h có thể đư ợc b iểu thị là m ộ t h à m thay đ ổ i theo thời g ia n v à k h o ả n g c á c h h(d,t). V ới d = vt, vì vận tốc có th ể được x e m là k h ô n g đổi tro n g m ộ t thời gian n g ắn (h oặc m ộ t k h o ả n g cách n g ắn ), n cn chỉ xét đ á p ứng x u n g p h ụ th u ộ c theo thời g ian h(t, x). Biến số t là các b iến thiên th eo thời g ian d o c h u y ể n đ ộ n g còn I là đ ộ trễ c ủ a n h iều đ ư ờ ng tru y ề n củ a kênh đối với g iá trị c ố đ ịn h củ a l. Gọi tín h iệu tru y ề n đi là x(l), tín h iệu n h ận y(t) đư ợc biểu thị n h ư là m ộ t tích ch ậ p c ủ a x(t) với đ áp ứng x u n g c ủ a k ênh: (1.7) 12 Đ ể th u ậ n tiện hơ n C Ỉ10 việc tính toán, tiến h à n h rời rạc h o á trụ c trễ T của đ áp ứ n g x u n g . K ế t q u ả tín h to án có [1]: K ơ . r ) = X tf/('> O e x p l/ 2 /r/;r, ( 0 +t )]5{t - r,.(0) /=0 (1-8) V ớ i Ax = Tị - T0, q u y ước T0 = 0, T] = A t và Tị = i.ÀT, g iả sử k ên h có N đ ư ờ n g th ì i c h ạ y từ 0 đến N - l . Đ á p ứng x u n g h b(t,x) là đ á p ứng x u n g củ a k ê n h đối với tín h iệu b ă n g gốc. C ác thành p h ầ n a, (t,T) v à Tị(t) là các b iên độ thực và các trễ d ư (e x c e s s d elay ) tư ơng ứng c á c th à n h p h ầ n th ứ i c ủ a n h iề u đư ờng tru y ề n ở thờ i đ i ể m t. N h ư vậy, độ trễ dư cực đ ại c ủ a k ê n h sỗ b à n g N.ÀT. Thành p h ầ n p h a \l7ỉfcTl (t) + ệí(, , T)\ trong tru y ề n ih e o k h ô n g (1.8) là đ ộ d ịch p h a d o sự g ia n tự do củ a th àn h p h ầ n th ứ i c ủ a n h iề u đ ư ờ n g truyền, c ộ n g với c á c d ịc h p h a bổ x u n g bất kỳ dược kể đ ến tro ng kênh . N ói chu ng , th à n h p h ầ n p h a n à y có thể được biểu d iễn bởi m ộ t b iến đơ n Gị(t,i). C òn thành p h ần ỗ(.) là h à m x u n g đơ n vị. T r o n g m ô h ìn h ho á củ a k ên h q u y m ô nhỏ, m ộ t th ô n g số c ũ n g hay được q u an tâ m đến , g ọ i là b iên d ạ n g trễ c ô n g suất (p o w e r d e la y profile). T h ô n g số n ày đ ư ợ c tìm b ằ n g c á c h lấy tru n g b in h theo k h ô n g gian c ủ a |/íft(í,r)|2q u a m ộ t v ùn g c ụ c bộ [1]: P ự - T ) * k \ h b(r, T)\ 2 (1.9) T r o n g đ ó k là h ệ số k h u ế c h đại liên h ệ c ô n g s u ấ t p h á i tro n g x u n g th ử p(t) với c ô n g su ất tổ n g c ộ n g thu được tron g m ộ t b iê n d ạ n g trỗ n h iề u đ ư ờ n g tru y ề n (với p(t) g ầ n n h ư là m ộ t h à m delta: p(t) « ô(t - 1 )). ỉ .2 .1 .3 . C á c th ô n g s ố c ủ a k ên h đ a đư ờ ng T ừ b iê n d ạ n g trễ c ô n g suất m à su y ra đư ợc n h iề u th ô n g s ố c ủ a k ê n h đa đ ư ờn g, liê n q u a n đ ế n đ ặc tín h p h â n tán thời gian c ủ a k ê n h có hai th ô n g số sau: 13 - Đ ộ t r ễ d ư tru n g b ìn h củ a k ê n h ( ĩ ) N ế u coi k ê n h đ a đ ư ờ n g c ó N đ ư ờ ng trễ, m ô i trư ờ n g c ó đ á p ứ n g với trễ d ư Tk th ì đ ộ trễ d ư tru n g b ình là thời đ iể m ak , ứng đ ầ u tiên c ủ a b ien d ạ n g trễ c ô n g s u ấ t v à đư ợc đ ịn h nghĩa: ẳ p (T* K - r = ij r — É a* k=ỉ (1-10) k=\ - Đ ộ trả i t r ễ r m s ( ƠT) Đ ộ trải trễ rm s là căn bậc hai củ a m o m e n t h ư ớ n g tâ m b ậc hai củ a b iên d ạ n g trễ c ô n g suất và dược đ ịn h nghĩa: ơ r = yjĩ2 - (r)2 (1.11) M in h h o ạ đ ộ trải trễ rm s: Nhiểu ISI N-1 do đađườn« ► Trải tté ans H ìn h 7.2 T r ả i t r ễ dơ đ ư ờ n g N g o à i ra, tư ơ n g lự vói cá c th ô n g số về độ trễ tro n g m iề n thời gian, đ ộ rộ n g k ê n h k ết h ợ p (c o h e re n c e b a n d w id th ) đư ợc d ù n g để đ ặ c trư n g ch o k ê n h ở lĩnh vực tầ n số. 14 - Đ ộ rộ n g k ê n h k ế t h ợ p ( Bc) Đ ạ i lượng trải trễ rm s về p hư ơng d iện tần s ố sẽ ứng với m ộ t độ rộ n g b ă n g tầ n đ ư ợ c gọi là độ rộ n g k ên h k ết hợp. N ó đư ợ c co i là m ộ t dải tần số đi q ua k ên h có đ á p ứng tư ơ n g đối bằn g p hẳn g, h a y độ tư ơng q u a n c ủ a c ác đáp ứng tần số tro n g d ải là lớn. N ế u coi độ tư ơ ng q u an là 0,9 thì độ rộ n g k ê n h k ế t hợp: c — 50crr (1.12) N ếu coi độ tư ơng q u a n là 0,5 thì độ rộ n g k ên h kết hợp: Sc“ — 5crr (113) T ấ t c ả c á c th ô n g số nêu trên d ù n g để m ô tả tín h c h ấ t k c n h tro n g vùng cục bộ. L iê n q u a n đ ế n sự d ịc h c h u y ển tương đối g iữ a nơi p h á t và nơi thu còn có th ô n g s ố k h á c là độ trải tần d o p p ler (d o p p le r sp read ) và thời g ian kết hợp. - T r ả i tầ n d o p p le r và th ờ i g ia n kết hợp Đ ộ trải d o p p le r B D là m ộ t thô ng số đ án h giá c ủ a sự m ở rộ n g phổ gây ra bởi h iệ u ứ n g d o p p ler. P hổ m ở rộ ng n ày sẽ có c á c th àn h p h ầ n tro n g k h o ả n g từ (f-fd) đ ế n (f+ fd) với fd đ ư ợc tính Iheo c ô n g thứ c (1.6). T h ờ i g ian k ế t h ợ p T c là tính đối n g ẫu tro n g lĩn h vực thời g ian c ủ a độ trải d op pler. Đ â y là hai đại lư ợng tỷ lệ n g h ịc h với nh au . Tc * j Jm (1 .1 4 ) f m là d ịc h c h u y ể n d o p p lc r cực đại cho bởi fm = v/x, 1.2.2. Kênh fadin g và phân loại kênh fading F a d in g là h iệ n tư ợn g tín hiộu thu bị y ếu và bị th ã n g g iá n g tại nơi thu. F a d in g q u y m ô n h ỏ ph ụ th u ộ c vào tính ch ất tín h iệu như: đ ộ rộ n g dải, ch u kỳ 15 lậ p lại, tính c h ấ t k ên h ..., nó được đ án h giá b ằn g đ ộ trải trễ rm s và trải tần d o p p le r (do h iệ u ứng đ a đư ờ ng và c h u y ển đ ộ n g c ủ a bộ p h á t v à b ộ thu) B ản g 1.1: P h â n loại k ênh fadin g P h ân loại M in h h o ạ Đ ặ c đ iểm - T rải tần đ o pp ler cao ị S ig n a l - Thời g ian kết hợp n h ỏ hơn k 1 H nnn F a d in g c h u kỳ ký hiệu nhanh 4-------- F a d in g - Sự b iến đ ổi của k ênh n h a n h d o trải hơn sự b iến đổi của tín hiệu tần 1 ^ Ị - % > Bị. — * fre q - T rải tần d o p p ler thấp d o p p le r - T h ờ i g ian kết hợp lớn hơn chu D o p p le r F a d in g kỳ ký h iệu 8,. -------- > : - châm I S B 0 —* 4_ - Sự b iến đổ i củ a k ê n h c h ậ m freq h ơ n sự biến đổi của ký hiệu - Đ ộ rộ n g b ăn g tần tín h iệ u n h ỏ h ơ n đ ộ rộ n g b ăn g tần k c n h k ết *k r,ị C h an n el F a d in g F a d in g - T rải trễ thời gian n hỏ hơn chu do k ỳ ký h iệu - Đ ộ rộ n g b ã n g tần tín h iệu lớn F a d in g g ia n r— --------- phẳng Irễ thời ị 1 íB , 4 hợp trải ................... “^ S i g r ị a l --------------- > t Channel h ơ n độ rộ n g b ăng tần k ê n h k ết chọn hợp lọc tần - T rả i trễ thời gian lớn hơ n chu số k ỳ k ý hiệu Signal L A e, B, freq 16 Fading phẳng không làm méo ký hiệu, còn fading chọn lọc tần số thì làm méo ký hiệu gây nên ISI. Thế nhưng nhược điểm này sẽ được khắc phục trong hệ thống O FD M , chi tiết hơn được trình bày trong chương 2 của luận văn này. 1.2.3. Các phán bô Rayleigh và Ricean 1.2.3.1. Phân bô'fading Rayleigh Phân bố fading Rayleigh là mô tả thống kê sự thay đổi biên độ của tín hiệu nhận được trong kênh fading phẳng, hay của một thành phần riêng rẽ. Trong kênh này, không có thành phần nào nổi trội, gồm nhiều thành phần đa đường, không có đường truyền nhìn thấy (LOS). Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất là: r í r 2 ''\N 0 < r < 00 0 (1.15) r <0 Trong đó, r là độ lớn biên độ tín hiệu tại nơi thu, ơ2 là công suất Irung bình của tín hiệu theo thời gian. Phương sai của r: ơ ) = £ ( r 2) - E 2( r ) = ị r 1p ( r ) d r = 0,4292cr 2 (1.16) 1.2.3.2. Phân b ố fading Rice an Kênh truyền có fading Ricean xảy ra khi trên nền kênh Rayleigh có thành phần nổi trội, thường đây là đường truyền nhìn thấy (LOS). Các phép thống kê cho dạng hàm mật độ xác suất của biên độ nhận được như sau: A >0 r >0 0 r <0 Với, A: biên độ đỉnh của thành phần trội ỈQ : hàm Bessel loại 1, bậc 0 ( 1 .1 7 ) 17 Hàm phân bố Riccan thường diễn đạt qua thông số K K(dB) =10log( /í ì V 2ơ (1 .1 8 ) J Khi A = 0 thì K (dB ) = - 00 tương đương với phân bố Rayleigh Tóm lại, vì nhiều lý do như trên mà việc truyền tin trong môi trường vô tuyến là rất khó khăn, đặc biệt là thông tin tốc độ cao. Với những ưu điểm của mình, O FD M đã khắc phục được các khó khăn trên. O FD M là hệ thống rất phù hợp với m ôi trường này. f ĐA! HOC 1RUNHTÂ: ¡loiỄ 1X7 1 0 « 18 C H Ư Ơ N G 2: T ổ N G Q U A N V Ể H Ệ T H O N G O F D M O FD M là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, ở đây, dòng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu có tốc độ thấp hơn và chúng được truyền đổng thời trên các sóng mang con. O FD M vừa là một kỹ thuật điều chế, cũng vừa là một kỹ thuật ghép kênh [4]. Do truyền tốc độ thấp trên nhiều sóng mang nên chu kỳ một ký hiệu O FD M sẽ tăng và trải trễ đa đường sẽ giảm. Nhiễu giữa các ký hiệu ISI sẽ bị triệt khi dùng các khoảng bảo vệ thích họp trong m ỗi ký hiệu O FDM . Với nhiều ưu điểm nổi bật, hệ thống O FD M đang ngày càng được triển khai rộng khắp trên thế giới. 2.1. L ịc h sử hìn h thành O F D M Nguyên lý của O FDM đã dược đề cập đến vào khoảng năm 1966. Bắt đầu từ việc Chang ở phòng thí nghiệm BellLab đưa ra bài báo viết về truyền tín hiệu hạn băng trên nhiều sóng mang con. Bài báo này đã chứng minh rằng có thể lách nhiễu ISI mà không cần tới các mạch lọc hoàn hảo. Các kết quả này đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt cả trong giới học thuật và công nghiệp. K ỹ thuật của Chang được sử dụng đầu tiên trong một số hệ thống quân sự tần số cao như K IN E P LE X , A N D E FT & K A T H R Y N . Năm 1967, Saltzberg đã phân tích các kết quả của Chang và gợi ý rằng nhiễu xuyên kề là một hạn chế chính trong các hệ truyền thông song song. Gợi ý quan trọng này đã định hướng cho nhiều nghiên cứu và thiết kế hệ nhằm tránh ISI ... Năm 1971, một bước ngoặt đã xảy ra, đánh dấu một bước phát triển mới của hệ thống O FD M . Weinstein và Ebert đã áp dụng khai triển Fourier rời rạc (DFT) có dùng thuật toán biến đổi Fourier nhanh FFT vào hệ thống truyền dữ liệu song song trong quá trình điều chế và giải điều chế. Hai nhà khoa học trẻ này còn đưa ra khái niệm khoảng bảo vệ G I, nghĩa là chèn vào những đoạn trống trước khi truyền tín hiệu đi. G I có hai chức năng chính: triệt 19 ISI và khống chế ISI. Hầu hết các hệ thống O F D M ngày nay đều dựa trên cấu trúc này. Sau đó, C im ini (1985) đã đưa ra kỹ thuật O FD M cho kênh di động số. Tiếp đến, năm 1989, Pelecl và Ruiz đã cải tiến và dùng tiền tố vòng CP. CP giúp duy trì tính trực giao dù chất lượng kênh không tốt. Với những cải tiến trên, hệ thống O FD M ngày nay đã được dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: D A B /D V B , ASD L và mạng vô tuyến cục bộ W L A N ... Cấu trúc một hệ O FD M được mô tả như sau: 2.2. Cấu trú c hệ thống O F D M Ý tưởng chính trong kỹ thuật O FD M là phân chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N nhánh dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Ánh xạ tín hiệu thực chất là quá trinh điéu chế dữ liệu trên các sóng mang con. Quá trình điều chế thực hiện trên cả pha và biên độ tạo thành các veclơ phức. Các vectơ phức này được điều chế ở dạng băng tần gốc bằng thuật toán IFFT và sau đó được chuyển lại ihành các dữ liệu nối tiếp để truyền dẫn. Dải bảo vệ được chèn vào giữa các ký hiệu để tránh ảnh hưởng của ISI do truyền đa đường. Sau đó các ký hiệu rời rạc này lại được chuyển đổi sang dạng analog băng tần gốc, qua bộ lọc thông thấp và điều chế sóng mang cao tần để phát lên trên kênh vô tuyến. Tại nơi thu tiến hành quá trình ngược lại với quá trình phát để tách lấy tín hiệu thông tin gốc. Sử dụng bộ cân bằng đầu ra (One Tap Equalizer) nhằm sửa lỗ i kcnh truyền. Hệ số đầu ra của bộ lọc được tính toán dựa trên thông tin về kênh.