Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN OFDM 1.1 Tổng quan hệ thống truyền thông số 1.1 Sơ đồ khối của hệ thông truyền thông số Đặc trưng cơ bản của hệ thống truyền thông số là: Các tín hiệu được xủ lý và truyền đi trong hệ thống là tin hiệu số.1 Mô tả sơ đồ khối hệ thống truyền thông số đơn giản. Nguồn tin đầu vào của hệ thống truyền thông số (tiếng nói, hình ảnh, âm thanh…) là tín hiệu tương tự nên cần được biến đổi sang dạng tín hiệu số thông qua các bộ chuyển đổi. Tín hiệu này sau đó được truyền tới bộ mã hóa nguồn nhằm mực đích làm giảm số bít dư thừa không cần thiết, giúp cho băng thông đường truyền được sử dụng hiệu quả hơn. Sau đó tín hiệu được đưa đến bộ mã hóa kênh, tại đây các bít được thêm vào tín hiệu số theo một quy luật nhất định, nhằm giúp cho bên thu có thể phát hiện và sủa lỗi xảy ra trên kênh truyền.
Bộ điều chế tạo ra các tín hiệu dạng sóng để có thể truyền qua kênh. Tại phía thu các quá trình được thức hiện ngược lại.Tín hiệu thu từ kênh truyền được đưa qua bộ giải điều chế chuyển thành dãy bít, dãy bít này được đưa tới bộ giải mã kênh, tín hiệu từ bộ giải mã kênh được chuyển tới bộ giải mã nguồn, sau bộ giải mã nguồn thu được tín hiệu ra.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền thông số đơn giản Kênh truyền là phương tiện truyền tải tin cho phép truyền tín hiệu từ đầu phát đến đầu thu. Do tác động của nhiễu tạp trên đường truyền, tín hiệu đến đầu thu thường bị méo, điều đó dẫn tới dãy bit thu có thể bị lỗi. Các yếu tố tác động gây méo tín hiệu điển hình là nhiễu Gauss và pha-đinh.
Khi chỉ xét tác động của thành phần nhiễu 4 Gauss thì kênh truyền đƣợc gọi là kênh Gauss, là loại nhiễu có hàm mật độ xác suất phân bố chuẩn (phân bố Gauss). Trong hệ thống thông tin vô tuyến, ngoài tác động của nhiễu Gauss, tín hiệu truyền trên kênh còn chịu ảnh hƣởng của pha-đinh. Ảnh hƣởng của pha-đinh tác động rất lớn đến chất lượng của tín hiệu thu và được gọi là kênh pha-đinh, có hàm mật độ xác suất phân bố theo hàm Rice hoặc Rayleigh.2 Môi trường truyền dẫn 1.1 Đặc tính sóng vô tuyến Đối với các đường truyền tín hiệu vô tuyến lý tưởng, thì tín hiệu nhận chỉ bao gồm các đường truyển tín hiệu đơn trực tiếp do vậy khi khảo sát ta chỉ tính đến suy hao trên kênh AWGN (Additive White Gaussian Noise). Tuy nhiên, trên thực tế đối với hệ thống thông tin di động, tín hiệu sẽ luôn bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, khi đó ta phải tính đến các vấn đề về pha đinh.
Khi nghiên cứu thiết kế các hệ thống thông tin, điểm khởi đầu được thực hiện là khảo sát chất lượng của hệ thống đó trên kênh nhiễu Gauss trắng cộng tính AWGN. Đây là một kênh bao gồm các mẫu nhiễu có phân bố độc lập thống kê làm sai lạc các dữ liệu, không tính đến ISI. Về bản chất, nhiễu trắng được gây bởi các nguồn tạp âm nhiệt tại chính bản thân máy thu. Tuy vậy, các nguồn nhiễu bên ngoài do máy thu nhận được qua anten lại lớn hơn nhiều so với tạp âm nhiệt.
Các tạp âm này được coi là có phổ rộng vô cùng với mật độ phổ công suất bằng phẳng trên mọi dải tần tín hiệu (hay có hàm mật độ công suất PDF trung bình bằng 0). Trong trường hợp nếu các đặc trưng truyền dẫn của kênh chưa xác định được thì người ta coi môi trường truyền sóng là môi trường tự do, đồng đều và không hấp thụ. Khoảng cách từ đường truyền dẫn tới trái đất cũng được xem là xa vô cùng, khi đó sự phản xạ từ trái đất coi như không đáng kể. Trong mẫu không gian tự do lý tưởng hoá này, công suất tín hiệu nhận được hoàn toàn có thể ước lượng được.
Hệ số suy giảm công suất phát đi tỉ lệ thuận với bình phương khoảng cách và được xác định theo công thức: 5 4d 2 L2(d) = (1.1) Trong đó d: Khoảng cách giữa máy phát và máy thu. : Bước sóng tín hiệu truyền dẫn. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp thực tế, việc truyền dẫn tín hiệu diễn ra trong tầng khí quyển và gần với mặt đất do đó mẫu giả thiết truyền dẫn trong không gian tự do trên là không thoả đáng để mô tả đặc tính của kênh và dự đoán kết quả của hệ thống. Trong một hệ thống thông tin di động, thực tế tín hiệu được truyền từ máy phát tới máy thu theo nhiều đường khác nhau và được gọi là truyền dẫn đa đường.
Hiện tượng truyền dẫn đa đường gây ra sự thăng giáng ngẫu nhiên về biên độ, pha và góc tới của tín hiệu thu gọi là pha đinh đa đường. Việc xây dựng mô hình từ đầu cuối- đầu cuối và kết hợp các biện pháp nhằm hạn chế các ảnh hưởng của pha đinh đa đường là một thách thức lớn hơn rất nhiều so với suy giảm chất lượng do nhiễu trắng cộng tính AWGN. Ba cơ chế gây ra truyền dẫn đa đường trong thông tin di động là sự phản xạ (Reflection), nhiễu xạ (Diffraction) và tán xạ (Scattering), được mô tả trong Hình 1. Hiện tượng phản xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng nhẵn có kích cỡ rất lớn so với bước sóng.
Trong thực tế phản xạ thường gây bởi các toà nhà, biển quảng cáo. Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che khuất bởi các vật cản có kích cỡ lớn hơn so với bước sóng, gây ra các tia thứ cấp phía sau vật cản. Nhiễu xạ là trường hợp tính đến năng lượng truyền từ máy phát đến máy thu không theo tia truyền thẳng. Do đó nhiễu xạ còn được gọi là hiện tượng che khuất.
Nhiễu xạ thường gây bởi các vật thể như nhà cửa, ô tô.2: Mô tả các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ và phân tán Hiện tượng tán xạ xảy ra khi sóng vô tuyến va chạm vào một bề mặt gồ ghề hay các vật thể có kích cỡ tương đương hoặc nhỏ hơn kích cỡ bước sóng làm đường truyền tín hiệu bị phân tán ra nhiều phía. Trong các đô thị, các vật gây ra tán xạ thường là cột điện, biển quảng cáo, lá cây.2 Suy hao đường truyền Khởi đầu, Okumura đã tiến hành đo đạc về suy hao đường truyền theo chiều cao anten và khoảng cách cho các ứng dụng VTĐ di động. Sau đó Hata đã chuyển những số liệu của Okumura sang dạng các công thức toán học. Các kết quả trong kênh truyền dẫn trong nhà và ngoài trời đều cho thấy độ suy hao đường dẫn trung bình L(d) là một hàm theo khoảng cách d giữa máy thu và máy phát, tỷ lệ theo hàm mũ của d so với khoảng cách tham chiếu do: n d L p d (1.2) 0 d Thông thường Lp(d) được viết dưới dạng dB như sau: Lp(d) (dB) =Ls(d0) (dB) +10 n log (d/d0) (1.3) -Khoảng cách tham chiếu d0 được chọn tương ứng theo từng điểm so với anten phát.
Điển hình d0 được chọn bằng 1km cho các large cell, 100m cho microcell và 1m cho các kênh indoor. 7 - n: hệ số mũ suy hao - Ls(d0) được xác định theo biểu thức (1.1) hoặc bằng các phép đo cụ thể. -Lp(d) là tổn hao đường truyền trung bình (trên các địa điểm khác khau) đối với một giá trị d cho trước. Khi biểu diễn Lp(d) theo các khoảng cách d lớn hơn nhiều so với d0 trên thang log, ta sẽ có một đường tuyến tính với độ dốc bằng10n dB/decade.
Giá trị của số mũ n phụ thuộc vào tần số, chiều cao các anten và môi trường truyền dẫn. Suy hao đường truyền tăng theo khoảng cách và theo tần số. Trong không gian tự do thì suy hao đường truyền tỷ lệ với bình phương khoảng cách tức là n=2 như theo công thức (1. Trong các môi trường có đặc tính định hướng sóng (như các phố của đô thị), n có thể thấp hơn 2.
Tuy nhiên do các hiệu ứng về che khuất bởi các vật cản nên biên độ tín hiệu thu được sẽ thăng giáng ngẫu nhiên và vì vậy n sẽ lớn hơn. Độ suy hao đường truyền theo khoảng cách theo công thức (1.3) là một phép lấy trung bình, do đó nó không đủ để mô tả cho một đường dẫn cụ thể. Vì vậy cần có các biến về sự trung bình vì môi trường tại các vị trí khác nhau có thể khác nhau. Các đo đạc chỉ ra rằng với bất kỳ một giá trị nào của d, độ tổn hao đường truyền Lp(d) là một biến ngẫu nhiên có phân bố chuẩn logarit về giá trị khoảng cách trung bình Lp(d).
Như vậy, độ tổn hao đường truyền Lp(d) có thể được biểu diễn qua Lp(d) theo biểu thức (1.3) cộng với một biến ngẫu nhiên X như sau: Lp(d) (dB) = Ls(d0) (dB) + 10n log10 (d/ d0) + X (dB) (1.4) Trong đó: - X biểu thị một biến ngẫu nhiên Gauss, có kỳ vọng 0, phương sai (theo dB). X là biến phụ thuộc vào khoảng cách và vị trí đo đạc cụ thể. Vì X và Lp(d) là các biến ngẫu nhiên, nếu biểu thức (1.4) được dùng làm cơ sở để tính toán và dự đoán tổn hao đường truyền hay lề pha đinh thì trước tiên cần phải chọn một giá trị X nào đó. Việc chọn lựa giá trị này thường dựa vào các đo đạc tiến hành theo các vị trí khác nhau của máy thu và máy phát.
Thông thường X lấy 8 các giá trị 6-10 dB hoặc lớn hơn. Vì vậy, các tham số cần xác định để biểu diễn thống kê độ suy hao đường truyền tại vị trí tuỳ ý giữa máy thu và máy phát là: khoảng cách tham chiếu, số mũ tổn hao và phương sai của X.3 Pha đinh Truyền dẫn vô tuyến có những tiện lợi rất lớn, bên cạnh đó cũng có những hạn chế không nhỏ làm ảnh hưởng đến sự truyền dẫn sóng vô tuyến. Không giống như các kênh truyền dẫn hữu tuyến là ổn định, có thể biết trước thì các kênh truyền dẫn vô tuyến là rất ngẫu nhiên và rất khó khăn cho việc phân tích, tính toán. Khái niệm pha đinh Trong thông tin vô tuyến, tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu có thể được truyền đồng thời trên hai nhiều đường truyền sóng do các hiện tượng vật lý như phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ,….
Tín hiệu từ các sóng đa đường sẽ chịu các ảnh hưởng khác nhau, có biên độ và pha khác nhau, khi tổng hợp lại gây nên thăng giáng tín hiệu một cách liên tục.