Chương 1: Tổng quan về VOFDM Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại đễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tự (ISI). Do đó, phần này có thể được lặp lại, gọi là tiền tố lặp (CP: Cyclic Prefix).6 Các sóng mang trực giao Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang con khác. Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT nên hệ thống VOFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc xử lý băng tần gốc. Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao.
Từ phân tích trên, ta có thể rút ra kết luận: Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp ứng kênh cần dùng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông, do vậy ảnh hưởng không lớn của đáp ứng kênh đến dữ liệu nói chung. Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng phải có khoảng bảo vệ để tránh can nhiễu giữa các sóng mang. Tuy nhiên, để tận dụng tốt nhất thì dùng các sóng mang trực giao, khi đó các sóng mang có thể trùng lắp nhau vẫn không gây can nhiễu.TS Phạm Hồng Liên 7 HVTH: Mạc Hải Vân Luận văn Thạc sĩ Chương 2: Kênh truyền trong hệ thống VOFDM CHƯƠNG 2 KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG VECTOR OFDM 2.1 Giới thiệu chương Kênh truyền tín hiệu VOFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu. Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm nhìn thẳng.
Tuy nhiên trong tực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thay đổi bởi những hiệu ứng như suy hao đường truyền, fading phẳng, fading chọn lọc tần số, hiệu ứng Doppler… Một đặc điểm Vector OFDM so với OFDM là làm giảm ảnh hưởng của sự dịch tần và hiệu ứng Doppler.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống VOFDM 2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) Sự suy gảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường.1 cho thấy một số nguyên nhân làm suy giảm tín hiệu. Bất kỳ một vất cản nào trên đường truyền đều có thể làm suy giảm tín hiệu.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên 8 HVTH: Mạc Hải Vân Luận văn Thạc sĩ Chương 2: Kênh truyền trong hệ thống VOFDM 2.2 Hiệu ứng đa đường Rayleigh fading: Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ… sinh ra nhiều đường tín hiệu dến máy thu (hiệu ứng đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tin hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm.2 chỉ ra một số trường hợp mà tín hiệu đa đường có thể xảy ra.2 Tín hiệu đa đường Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là nguyên nhân gây ra nhiễu có cấu trúc hay không có cấu trúc. Điều này được tính trên các khoảng cách rất ngắn (thông thường là một nửa khoảng cách sóng mang), vì vậy ở đây gọi là fading nhanh.
Mức thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi rong khoảng từ 10-30dB trên một khoảng cách ngắn.3 mô tả các mức suy giảm khác nhau có thể xảy ra do fading.TS Phạm Hồng Liên 9 HVTH: Mạc Hải Vân Luận văn Thạc sĩ Chương 2: Kênh truyền trong hệ thống VOFDM Hình 2.3 Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900 MHz) Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của công suất tín hiệu thu. Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading.1 chỉ ra xác suất của mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh.1 Sự phân bố tích lũy đối với phân bố Rayleigh Mức tín hiệu Xác suất của mức tín hiệu (dB) nhỏ hơn giá trị cho phép (%) 10 99 0 50 -10 5 -20 0.05 Fading lựa chọn tần số: Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu. Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa đường của công suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tín hiệu thu GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên 10 HVTH: Mạc Hải Vân Luận văn Thạc sĩ Chương 2: Kênh truyền trong hệ thống VOFDM do nhiễu. Toàn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng hẹp nếu không có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền.
Có thể khắc phục bằng hai cách: - Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như CDMA nhằm giảm bớt suy hao. - Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh hẹp, mỗi kênh có một sóng mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu VOFDM). Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phổ xảy ra tại tất cả tần số sóng mang. Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất.
Thông tin trong các sóng mang bị mất có thể khôi phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC. Trải trễ (Delay Spread): Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi… Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn. Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thẳng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu. Trong hệ thống số, trả trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI.
Điều này do tín hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với tín hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kenh phân chia theo thời gian TDMA.4 Trải trễ đa đường GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên 11 HVTH: Mạc Hải Vân Luận văn Thạc sĩ Chương 2: Kênh truyền trong hệ thống VOFDM Hình 2.4 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên ký tự. Khi tốc độ bit truyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể. Ảnh hưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time).2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác nhau. Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp xỉ là 20 , do đó nhiễu liên ký tự có thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps.2 Các giá trị trải trễ thông dụng Môi trường Trải trễ Chênh lệch quãng đường đi lớn nhất của tín hiệu Trong nhà 40ns – 200ns 12m – 60m Bên ngoài 1 − 20 300m – 6km Nhiễu ISI có thể được tối thiếu hóa bằng nhiều cách: Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh (như chia băng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM).
Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA.3 Dịch Doppler Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tầ só tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống. Đây gọi là hiệu ứng Doppler. Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc và mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng.
Độ dịch Doppler có thể được tính theo công thức: ∆ ≈± (2.1) Trong đó: ∆ : là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu. : là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát. : là tần số tín hiệu, là tốc độ ánh sáng. Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải nếu như kỹ thuật truyền sóng lại nhiễu với dịch tần số sóng mang (như OFDM chẳng hạn) hoặc là tốc độ tương đối giữa thu và GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên 12 HVTH: Mạc Hải Vân Luận văn Thạc sĩ Chương 2: Kênh truyền trong hệ thống VOFDM phát cao như trong trường hợp vệ tinh quay quanh trái đất quỹ đạo thấp.
Trong Vector OFDM do kích thước IFFT/FFT giảm đi M lần nên tín hiệu chỉ trải trên môt băng thông, chống chồng chập phổ vì thế hạn hế sự dịch tần và ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, cũng như ảnh hưởng giữa tốc độ của máy phát và máy thu. Đây cũng là 1 ưu điểm của VOFDM so với OFDM.4 Nhiễu AWGN Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (inter- cellular interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion).
Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống. Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn. Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng. Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn.
Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác dộng thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng. Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhễu Gaussian, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hất hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.5 Nhiễu liên ký tự ISI Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênh truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng.
Như đã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do trải trễ đa đường. Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu. Nhưng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh. Do đó giải pháp này là không thể thực hiện GVHD: PGS.
