CHƯƠNG 1 HỆ ĐA SÓNG MANG, ĐA NGƯỜI DÙNG 1.1 Giới thiệu Mọi hệ truyền thông đều có mục đích là làm cho tin tức truyền đi nhanh hơn, xa hơn, tin cậy hơn, rẻ hơn. Để đạt được mục đích này, người ta đã dùng rất nhiều kỹ thuật khác nhau tác động lên các khối tạo nên các hệ thông tin. Từ kỹ thuật mã hoá (mã nguồn, mã sửa và phát hiện lỗi các loại, mã bảo mật, …) đến kỹ thuật điều chế (biên độ, pha, tần số, vi sai, …) kỹ thuật làm bằng với các thuật toán như: LMS, MSE, DFE, thích nghi. Các kỹ thuật này đã được kiểm chứng về ưu điểm, nhược điểm trong hệ thông tin đơn sóng mang.
Để đạt được các yêu cầu của hệ truyền thông, người ta nghĩ có thể có một cách tiếp cận khác đó là truyền thông đa sóng mang, có nhiều ưu điểm hơn hệ truyền thông đơn sóng mang. Điều chế đa sóng mang chia dữ liệu thông tin thành nhiều kênh con song song. Tốc độ bit của mỗi kênh con nhỏ hơn nhiều tốc độ bit tổng cộng. Mỗi kênh con có thể được thiết kế để có băng tần nhỏ hơn độ rộng dải kết hợp của kênh.
Vì vậy có thể giả sử rằng mỗi kênh con là kênh fading phẳng và bộ điều chế có thể được thực hiện mà không cần bộ cân bằng. Truyền thông đa sóng mang được thực hiện trong một vài hệ thống thực tế như hệ thống quảng bá âm thanh số ở Châu Âu (DAB) và đường dây thuê bao số không đối xứng (ADSL). Các kỹ thuật truyền thông đa sóng mang sử dụng rộng rãi nhất là Coded OFDM và đa âm rời rạc (DMT) 1.2 Nguyên lý của kỹ thuật điều chế đa sóng mang 1.1 Lịch sử phát triển. Nguồn gốc của điều chế đa sóng mang hiện nay bắt nguồn từ những năm 50 60 của thế kỷ thứ XX với tên gọi là hệ truyền dẫn dữ liệu song song.
Kỹ thuật điều chế đồng bộ các sóng mang hẹp với phổ chồng nhau đã được dùng trong quân sự với các hệ cao tần kiểu Collins Kineplex , DEFT và KATHRYN, trong đó dùng tới 34 sóng mang con [18]. Năm 1966, Chang sử dụng kỹ thuật OFDM, trong đó tổ hợp các hàm trực giao có độ rộng dải giới nội bằng cách dùng các mạch lọc Nyquist kiểu cosin tăng. Các kênh hẹp được tạo ra bằng cách như vậy coi như là phẳng có khả năng chống nhiễu xung, ít ảnh hưởng ISI và ICI. Bản quyền phát minh OFDM được đăng ký vào năm 1970 [5].
Năm 1971, Weinstein và Ebert đã áp dụng phép biến đổi Fourier nhanh thuận nghịch trong việc điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM làm cho việc thu phát tín LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 hiệu đa sóng mang trở nên đơn giản, hiệu quả hơn. Việc thêm các tiền tố tuần hoàn (Cyclix prefix) giúp cho việc loại bỏ nhiễu ISI và ICI rất hiệu quả. Năm 1981, Hirosaki đưa ra một hệ đa sóng mang số giải giới nội, trong đó mở rộng việc sử dụng phép biến đổi Fourier nhanh với các mạch lọc băng gốc để đưa ra lý thuyết ghép kênh trực giao số QAM (O-QAM) và có nhiều ứng dụng trong các modem tốc độ cao, ghi âm, ghi hình chất lượng tốt [5]. Năm 1985, Cimini đề nghị áp dụng OFDM trong truyền thông với kênh thông tin di động.
Tiếp đó, OFDM cũng được đề nghị ứng dụng trong phát thanh quảng bá số với các xung chữ nhật và khoảng bảo vệ, nhờ đó biến các kênh băng rộng chọn lọc tần số thành một số lớn các kênh băng hẹp không chọn lọc tần số, ta có WOFDM dùng trong mạng WLAN theo chuẩn IEEE 801.11a tốc độ thông tin đạt tới 45Mbit/s với cách chọn sơ đồ mã hoá thích hợp, hệ thông tin vô tuyến loại này gọi là COFDM được dùng trong hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T [19]. Trong hệ thống truyền tin có dây, điều chế đa sóng mang thường mang tên điều chế đa âm rời rạc (DMT) được dùng trong tiêu chuẩn mới cho đường dây thuê bao số tốc độ cao bất đối xứng ADSL – VDSL từ 6Mbit/s đến 100 Mbit/s. Trong những năm gần đây, nhiều công trình nghiên cứu nhằm tăng cường khả năng kết hợp kỹ thuật đa sóng mang với các kỹ thuật khác như kết hợp giữa đa sóng mang với đa truy cập theo mã MC-CDMA, … dùng cho các kênh hướng xuống trong hệ thống thông tin di động thế hệ 1. Đồng thời, người ta cũng hướng nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật cũng như các thuật toán làm giảm bớt những nhược điểm của hệ đa sóng mang như vấn đề tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAR) lớn, vấn đề đồng bộ.2 Nguyên tắc điều chế đa sóng mang Về nguyên lý, một hệ điều chế đa sóng mang (MCM) có sơ đồ khối như hình 1.1 Trong đó, Cnk là các ký hiệu phức được truyền đi trong khoảng thời gian nTs (n 1)Ts (Ts là chu kỳ lấy mẫu) trên tần số sóng mang f k kf c.
Khoảng tần số f c cho ta thấy là khoảng cách giữa 2 sóng mang cạnh nhau, g(t) là hàm hình bao tạo dạng xung. Tín hiệu đa sóng mang truyền trên kênh là v(t) có thể viết dưới dạng: N 1 v(t ) Cnk g (t nTs )e j 2f k t (1.1) n k 0 Cách biểu diễn dưới dạng này gọi là biểu diễn dưới dạng băng gốc. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 Ci0 g(t) g(-t) Zi0 e j 2f0t n(t) e j 2f0t Ci1 g(t) g(-t) Zi1 …… e j 2f1t v(t) h(t ) z(t) e j 2f1t …… Cik g(t) g(-t) Zik …… …… e j 2fk t e j 2fk t Ci(N-1) g(t) g(-t) Zi(N-1) e j 2f N 1t e j 2f N 1t Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ điều chế đa sóng mang Định nghĩa nhóm hàm cơ sở: nk (t ) g (t nTs )e j 2f t k (1.2) thì tín hiệu đa sóng mang được biểu diễn là tổ hợp tuyến tính các hàm cơ sở nk (t ) : N 1 v(t ) Cnk nk (t ) (1.3) n k 0 Tín hiệu này khi truyền qua kênh có hàm đáp ứng xung của kênh là h( , t ) không bất biến theo thời gian, đồng thời thêm nhiễu Gauss n(t) cộng tính, ở nơi thu tín hiệu là z(t) có dạng: z(t ) h( , t ) * v(t ) n(t ) (1.5) Việc giải điều chế được thực hiện bằng cách chiếu tín hiệu thu lên thành phần liên hợp phức của các hàm cơ sở (tích vô hướng của vector cơ sở với vector tín hiệu ở nơi thu trong không gian tín hiệu): z il z (t ) il* (t )dt (1.6) thay giá trị của z(t) từ (1.6) ta có: zil (t )Cnk il* (t )dt n(t ) il* (t )dt (1.7) n k LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Nếu ta cho rằng kênh là không thay đổi theo thời gian trong phạm vi thời gian bằng độ kéo dài của một ký hiệu (ví dụ kênh fading Rayleigh chậm) thì (t ) nk là một hằng số, khi đó: zil nk Cnk nk (t ) (t )dt n(t ) il* (t )dt * il (1.8) n k Do tính chất trực chuẩn của các hàm cơ số: znk nk Cnk w nk (1.9) Kết quả này cho ta thấy, hệ đa sóng mang có thể coi như N kênh Gauss song song theo mô hình sau: n,0 Wn ,0 Cn ,0 zn ,0 n ,1 Wn ,1 Cn ,1 zn ,1 ……………. n, N 1 Wn, N 1 Cn, N 1 zn, N 1 Hình 1.2: Mô hình N kênh Gauss song song 1.3 Tính chất của hàm cơ sở trong không gian pha (thời gian, tần số) Các hàm cơ sở nk (t ) (với n , là chỉ số thời gian, và k=[0,N-1] là chỉ số về số sóng mang) là những hàm khả tích dạng xung vuông-chúng tạo nên một mạng rời rạc trong không gian pha- không gian gồm 4 trục thời gian, một trục tần số (hình 1.3) coi là một thực thể đơn nhất.
Hàm nk (t ) thu được từ hàm g(t) bằng cách dịch chuyển về mặt thời gian một thời khoảng nTs, và dịch chuyển về mặt tần số khoảng là k. Vì chúng được tạo nên từ một hàm có năng lượng giới nội, đơn nhất g(t) bằng cách dịch chuyển trong không gian pha (n, k) – chúng được gọi là các trạng thái kết hợp. Kết quả là nếu hàm g(t) đặt tại tâm (0,0) trong không gian pha, thì nk (t ) sẽ có tâm ở (nTs, k. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Mạng rời rạc đại diện cho vị trí thực của các ký hiệu truyền đi trong mạng không thời gian Tâm của hàm thời gian được chuẩn hoá (có nghĩa năng lượng của nó bằng 1) được xác định theo: tˆ t.10) Việc điều chế có thể coi như một cách tạo dạng xung của tín hiệu trong không gian pha, trong khi phép giải điều chế coi là việc chiếu tín hiệu ở phần thu z(t) lên mạng rời rạc (nTs, k .8) ta thu được hai tính chất quan trọng của các hàm cơ sở. * Truyền dẫn đa sóng mang đòi hỏi các hàm cở sở phải trực giao để tránh ICI và ISI. Tính chất cốt lõi này phụ thuộc vào hàm hình bao và xác định mật độ của 1 mạng k .Ts * Một sự định vị tốt hàm cơ sở - có nghĩa là năng lượng trải ra trong không gian pha là cực tiểu - là cần thiết để tránh cho năng lượng của ký hiệu bị “nhoè” đi qua kênh bị phân tán theo thời gian và gây ra can nhiễu các ký hiệu xung quanh. Ta sẽ xét kỹ hơn hai tính chất này: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Về tính trực giao: một hàm số không rõ ràng Trong truyền dẫn đa sóng mang, các hàm cơ sở phải trực giao (ngay cả trong trường hợp môi trường truyền không có sự phân tán) để tránh ISI và ICI.
Điều kiện trực giao là: (t ) (t )dt * nk il ni kl Với 1 n=i ni (1.11) 0 với n khác Viết các hàm cơ sở theo các dạng nguyên thuỷ ta có: nk (t ) il (t )dt g (t ) g (t pTs )e * * j 2 qf t c dt (1.12) Trong đó p=n-i và q=l-k Điều này cho ta thấy phía trái của (1.