1 MỞ ĐẦU Môi trường thông tin vô tuyến luôn bị ảnh hưởng bởi tác động của nhiều yếu tố tự nhiên như tạp âm, can nhiễu … khiến tính chất của nó biến đổi liên tục theo thời gian. Trong đó, nguyên nhân chủ yếu làm kênh vô tuyến di động bị biến động rất nhiều là do Phading nhiều đường và trải tần Doppler. Các hiệu ứng này làm phân tán năng lượng của tín hiệu về biên độ, pha và thời gian. Những ảnh hưởng đó sinh ra trong nhiều phiên bản của tín hiệu truyền tới anten thu, tác động tiêu cực rất mạnh lên tỷ lệ lỗi bit trong bất kể loại điều chế nào. Sự truyền theo nhiều đường truyền thường kéo dài thời gian cần thiết cho phần băng gốc của tín hiệu đi tới máy thu làm cho tín hiệu bị méo hay nhòe đi một cách đáng kể do giao thoa giữa các ký hiệu với nhau. Chính vì vậy, các hệ thông tin di động luôn đòi hỏi các kỹ thuật xử lý tín hiệu để cải thiện chất lượng kết nối trong môi trường vô tuyến di động đầy trở ngại. Có nhiều kỹ thuật khác nhau để chống lại các ảnh hưởng trên như kỹ thuật cân bằng, mã kênh … và kỹ thuật phân tập là một trong những kỹ thuật quan trọng giúp nâng cao hiệu suất băng tần, cải thiện chất lượng tín hiệu thu. 2 MỤC LỤC 3 I.Tổng quan các kỹ thuật phân tập: Trong các hệ thống thông tin vô tuyến di động, các kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để giảm ảnh hưởng của Fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông. Kỹ thuật phân tập dựa trên các mô hình mà ở đó tại bộ thu sẽ nhận được các bản sao chép của tín hiệu phát, tất cả các sóng mang sẽ có cùng một thông tin nhưng sự tương quan về Fading thống kê là rất nhỏ. Ý tưởng cơ bản của phân tập là ở chỗ, nếu hai hoặc nhiều mẫu độc lập của tín hiệu được đưa tới và các mẫu đó bị ảnh hưởng của Fading là độc lập với nhau, có nghĩa là trong số chúng, có những tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều, trong khi các mẫu khác bị ảnh hưởng ít hơn. Điều đó có nghĩa là khả năng của các mẫu đồng thời chịu ảnh hưởng của Fading dưới một mức cho trước là thấp hơn nhiều so với khả năng một vài mẫu độc lập bị nằm dưới mức đó. Do vậy, bằng cách kết hợp một cách thích hợp các mẫu khác nhau sẽ dẫn tới giảm ảnh hưởng của Fading và do đó tăng độ tin cậy của việc phát tín hiệu. Một số phương pháp phân tập được sử dụng để có được chất lượng như mong muốn tương ứng với phạm vi phân tập được giới thiệu, các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, tần số và phân tập không gian. Phân tập là một phương pháp dùng trong viễn thông dùng để nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn trong số những tín hiệu thu được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất. Việc này nhằm chống lại fading và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu fading và nhiễu khác nhau. Người ta có thể sử dụng mã sửa lỗi FEC (forward error correction) cùng với kỹ thuật phân tập. Lợi dụng việc truyền trên nhiều kênh mà ta có được độ lợi phân tập, thường được đo bằng dB. Có mấy loại phân tập chính sau đây:  Phân tập không gian: tín hiệu được truyền trên nhiều đường khác nhau. Trong truyền dẫn hữu tuyến, người ta truyền trên nhiều sợi cáp. Trong 4 truyền dẫn vô tuyến, người ta hay sử dụng phân tập ăng ten, chẳng hạn như phân tập phát (transmit diversity)/phân tập thu (receive diversity) là phân tập trên nhiều ăng ten phát/ăng ten thu. Nếu các ăng ten đặt gần nhau khoảng vài bước sóng thì gọi là phân tập gần (microdiversity). Nếu các ăng ten đặt cách xa nhau thì gọi là phân tập xa (macrodiversity).  Phân tập tần số: tín hiệu được truyền trên nhiều tần số khác nhau hoặc trên một dãy phổ tần rộng bị tác động bởi fading lựa chọn tần số (frequencyselective fading). o OFDM: được sử dụng kết hợp với ghép xen và mã sửa lỗi FEC o Trải phổ: ví dụ như trải phổ nhảy tần hoặc trải phổ trực tiếp.  Phân tập thời gian: tín hiệu được truyền đi ở những thời điểm khác nhau. Người ta dùng mã sửa lỗi FEC và trải tín hiệu ra theo thời gian bằng bộ ghép xen (bit-interleaving). II. Phân tập thời gian: Phân tập theo thời gian có thể thu được qua mã hóa và xen kênh. Sau đây ta sẽ so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền rất nhỏ. Hình 2.1: Phân tập theo thời gian. 5 Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x2 bị triệt tiêu bởi Fading nếu không dùng bộ xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể phục hồi lại từ 3 ký tự ít bị ảnh hưởng bởi Fading. Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu Fading không tương quan với nhau. Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ Fading. 1 c = f d v. f c . Mã điều khiển lỗi thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa. Trong truyền thông di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được sự phân tập thời gian. Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian. Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được quy định bởi thời gian xen kênh để thu được Fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã. Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường Fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ. Đối với kênh truyền Fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến trì hoãn đáng kể. III. Phân tập tần số. Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một thông tin. Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading một cách độc lập. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau. Trong truyền thông di động, các phiên bản của tín hiệu phát thường được 6 cung cấp cho nơi thu ở dạng dư thừa trong miền tần số còn được gọi là trải phổ, ví dụ như trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần. Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ. Tuy nhiên, khi băng thông nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu. Trong trường hợp này, trải phổ là không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số. Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số. Không phải tất cả tần số đều bị fadinh. Tín hiệu đầu vào được phát đi đồng thời như 2 máy phát làm việc trên 2 tần số khác nhau là f 1 và f2, bộ lọc ở đầu ra sẽ bên phát sẽ ghép 2 tín hiệu để phát chung trên 1 anten phát. Các tần số f1, f2 cần phải có khoảng cách đủ lớn để thỏa mãn tính không tương quan, tức là nếu f 1 bị fadinh thì f2 sẽ không bị fadinh. Tại đầu thu bộ lọc đầu vào sẽ chia hai tần số khác nhau vào 2 máy thu tương ứng. Tín hiệu đầu ra từ 2 máy thu qua mạch tổng hợp sẽ cho phép nhận được tín hiệu không chịu ảnh hưởng của fadinh.  Nhược: Tốn phổ, phải dung 2 thiết bị thu phát.  Ưu: Không đổi anten, cột anten khôn cần quá cao, tốn kém. IV. Kỹ thuật phân tập theo không gian: Kỹ thuật phân tập theo không gian là phương pháp sử dụng nhiều anten ở máy thu, máy phát hoặc ở cả thu cả phát để tạo nên các nhánh phân tập không gian khác nhau. Khi sử dụng nhiều anten ở máy phát người ta có hệ thống phân tập không gian phát, nhiều anten ở phía thu ta có phân tập không gian thu. 7 Điều kiện: Các kênh xảy ra fading độc lập nhau các anten cách nhau nửa bước song λ/2, càng lớn càng tốt. Tín hiệu vào được phát đi trên tần số f1 tại phần thu, nó sử dụng 2 máy thu làm việc ở cùng tần số f1 cách nhau một khoảng là R. R >100λ, càng lớn càng tốt, đảm bảo tính không tương quan của fadinh theo đường truyền song. Đặc điểm chỉ sử dụng 1 máy phát có phổ tần nhỏ, nhược điểm các máy thu cách xa nhau, không đặt tập chung tại cũng một vị trí được, tốn anten, cột anten cần phải cao, chắc.  Phân tập phát: là kỹ thuật sử dụng hai hay nhiều anten ở phía phát ñể phát tín hiệu, công suất phát ñược chia cho các anten phát.  Phân tập thu: Là kỹ thuật sử sụng nhiều anten khác nhau ở phía thu. Các anten thu sẽ thu ñược nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền. 1. Các kỹ thuật phân tập thu kết hợp: Mô hình hệ thống: Trong kỹ thuật phân tập thu, các ñường truyền fading độc lập của các anten thu được liên kết với nhau để đạt tín hiệu thu thông qua bộ giải điều chế tiêu chuẩn nhằm làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading. Việc kết hợp tín hiệu thu có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau với độ phức tạp và hiệu năng của hệ thống tương ứng cũng khác nhau. Tín hiệu thu được sau phân tập bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản riêng lẻ. Hầu hết các kỹ thuật kết hợp đều là tuyến tính: đầu ra là sự tổng hợp trọng số của những kênh truyền với fading khác nhau. 8 Nếu tại bộ nhân chỉ có 1 thành phần αi ≠ 0, thì tại đầu ra bộ kết hợp sẽ chỉ có một đường tín hiệu, nhưng khi có nhiều hơn 1 thành phần αi ≠ 0, thì bộ kết hợp sẽ tổng hợp các đường tín hiệu lại với nhau, mỗi đường sẽ có một giá trị trọng số khác nhau. Việc kết hợp tín hiệu từ nhiều nhánh khác nhau yêu cầu phải có sự đồng pha giữa các nhánh. Pha θi trên nhánh thứ i sẽ được loại bỏ thông qua việc nhân tín hiệu trên nhánh thứ i với trọng số ai .eji để nhận được giá trị thực ai. Để phát hiện các tín hiệu ñồng pha người ta dùng bộ dò liên kết cho mỗi θi của mỗi nhánh. Nếu không có sự ñồng pha thì tín hiệu không thể cộng dồn tại bộ kết hợp, kết quả làm đầu ra vẫn còn ảnh hưởng của fading do việc tăng cường hoặc giảm bớt các tín hiệu trong tất cả các nhánh. Mục đích chính của việc phân tập thu là kết hợp các tín hiệu thu chịu ảnh hưởng của các kênh fading độc lập làm giảm tác động của fading lên tín hiệu tổng hợp thu được. Tín hiệu thu tại bộ kết hợp gần đúng với tín hiệu phát ban đầu bằng cách nhân các giá trị biên độ phức ngẫu nhiên iri Giá trị biên ñộ phức ngẫu nhiên là kết quả của giá trị SNR tại đầu ra của bộ kế.t hợp. Giá trị là một hàm phụ thuộc vào số lượng đường truyền phân tập, phụ thuộc vào ảnh hưởng của hiệu ứng fading lên mỗi đường cũng như phụ thuộc vào kỹ thuật phân tập thu kết hợp. 1.1. Kỹ thuật phân tập thu lựa chọn kết hợp SC (Selection Combining) Kỹ thuật phân tập thu SC hoạt động trên nguyên tắc lựa chọn tín hiệu có tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR tốt nhất trong số tất cả các tín hiệu nhận ñược từ các nhánh khác nhau rồi đưa vào xử lý. Điều này tương đương với việc chọn nhánh có giá trị Ni cao nhất nếu công suất nhiễu Ni giống nhau cho tất cả các nhánh. Tại 1 thời điểm chỉ có 1 nhánh được sử dụng nên phương pháp SC chỉ yêu cầu máy thu được chuyển đến vị trí anten tích cực (anten có tín hiệu được lựa chọn). Tuy nhên, kỹ thuật này đòi hỏi trên mỗi nhánh của máy thu phải có một bộ theo dõi SNR đồng thời và liên tục, cũng chỉ cần 1 nhánh được đưa vào xử lý nên cũng không cần đến sự đồng pha trong tín hiệu thu. 1.2. K ỹ thuật phân tập thu kết hợp theo ngưỡng (Threshold Combining TC) Nguyên lý của kỹ thuật này là quét tuần tự từng nhánh và xuất ra tín hiệu trên nhánh đầu tiên có SNR lớn hơn mức ngưỡng cho trước. Chú ý rằng 1 nhánh sẽ được lựa chọn mãi cho đến khi nào SNR của nhánh đó thấp hơn giá trị SNR mức ngưỡng mà không cần quân tâm ñến trường hợp tại 1 thời điểm nào đó có thể có 1 nhánh khác có SNR tốt hơn. 9 Vì kỹ thuật này phụ thuộc vào mức ngưỡng đặt ra trong bộ so sánh nên phương pháp có độ lợi phân tập thấp. 1.3. Kỹ thuật phân tập thu kết hợp theo tỷ số tối đa (Maximal Ratio Combining - MRC) Nguyên lý của kỹ thuật MRC: Đối với kỹ thuật phân tập SC và TC, tín hiệu ngõ ra trên bộ kết hợp chính là tín hiệu trên một nhánh riêng biệt nào ñó. Kỹ thuật MRC khác với kỹ thuật SC và TC, kỹ thuật này sử dụng tín hiệu thu từ tất cả các nhánh ñể ñưa vào xử lý. Mỗi tín hiệu ở mỗi nhánh có một trọng số αi ≠ 0 tương ứng với SNR của nó, ñồng thời tín hiệu trên mỗi nhánh phải cùng pha với nhau Kỹ thuật phân tập MRC 1.4. Kỹ thuật phân tập thu kết hợp cùng độ lợi (Equal-gain Combining -EGC) 10 Kỹ thuật phân tập thu kết hợp cùng ñộ lợi ñơn giản hơn kỹ thuật phân tập thu kết hợp theo tỷ số tối đa. Nó cũng đòi hỏi đồng pha các tín hiệu tại các nhánh, tuy nhiên nó chỉ nhân với trọng số = (=1) Kỹ thuật EGC 2. Các kỹ thuật phân tập phát: 2.1. Sơ đồ Alamouti hai anten phát với một anten thu Sơ ñồ Alamouti làm việc cho tất cả các kiểu chùm ký tự x1, x2 khác nhau. Tuy nhiên để đơn giản, ở đây chỉ xét BPSK với truyền 2 bit trong thời gian hai ký tự. Kỹ thuật Alamouti thực hiện ba bước sau: - Mã hóa và truyền dẫn. - Sơ ñồ kết hợp tại máy thu. - Quy tắc quyết ñịnh khả năng cực đại. 2.1.1. Mã hóa và truyền dẫn Trong khoảng thời gian cho trước một ký hiệu, hai ký hiệu được truyền đồng thời từ hai anten phát. Ký hiệu tín hiệu phát từ anten một là (k)= , tín hiệu phát từ anten hai là (k)=. Trong thời gian ký hiệu tiếp theo, (k+1)= -được phát đi từ anten một và (k+1)=- được phát đi từ anten hai Giả thiết fading không ñổi trong th ời gian hai ký t ự phát, có thể viết: 11 2.1.2. Bộ kết hợp (combiner) Giả thiết rằng trạng thái kênh truyền là hoàn hảo. Bộ kết ợp sẽ thực hiện nhân vector thứ y với ma trận chuyển vị Hermitian để có Khai triển (3.16), được x1 và x2 như sau: 2.1.3. Quy tắc quyết định khả năng cực đại (ML) Từ hai tín hiệu đầu ra bộ kết hợp, những tín hiệu kết hợp này sau đó được gửi đến bộ quyết định khả năng cực đại (ML) và sẽ chọn x1 và x2 sao cho: 12 Tính SNR tổng hợp (nếu coi công suất tín hiệu phát chia đều cho hai anten) 2.2. Sơ đồ hệ thống Alamouti hai anten phát và hai anten thu SNR trong trường hợp này được tính như sau: Ta thấy rằng các tín hiệu kết hợp từ hai anten nhận được là phép cộng đơn giản của từng anten thu, nghĩa là sơ đồ kết hợp này giống hệt với một anten thu duy nhất. Vì vậy ta có thể mở rộng hệ thống ra hai anten phát và M anten thu dễ dàng để cải thiện chất lượng hệ thống mà không cần có những tính toán phức tạp. KẾT LUẬN Kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của fading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông. Kỹ thuật phân tập cho phép b ộ thu (receiver) thu ñược nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền. Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như 13 nhau nhưng ít có sự tương quan về fading. Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản riêng lẻ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Fundamentals of Wireless Communication” của David Tse Pramod [2] Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của Phạm Minh Triết. [3] www.dientuvienthong.net. [4] Một số nguồn khác từ internet. Viswanath. [...]... LUẬN Kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của fading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông Kỹ thuật phân tập cho phép b ộ thu (receiver) thu ñược nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như 13 nhau nhưng ít có sự tương quan về fading Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các. .. kết hợp này sau đó được gửi đến bộ quyết định khả năng cực đại (ML) và sẽ chọn x1 và x2 sao cho: 12 Tính SNR tổng hợp (nếu coi công suất tín hiệu phát chia đều cho hai anten) 2.2 Sơ đồ hệ thống Alamouti hai anten phát và hai anten thu SNR trong trường hợp này được tính như sau: Ta thấy rằng các tín hiệu kết hợp từ hai anten nhận được là phép cộng đơn giản của từng anten thu, nghĩa là sơ đồ kết hợp... tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản riêng lẻ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Fundamentals of Wireless Communication” của David Tse Pramod [2] Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của Phạm Minh Triết [3] www.dientuvienthong.net [4] Một số nguồn khác từ internet Viswanath ... nhánh phải pha với Kỹ thuật phân tập MRC 1.4 Kỹ thuật phân tập thu kết hợp độ lợi (Equal-gain Combining -EGC) 10 Kỹ thuật phân tập thu kết hợp ñộ lợi ñơn giản kỹ thuật phân tập thu kết hợp theo... truyền phân tập, phụ thuộc vào ảnh hưởng hiệu ứng fading lên đường phụ thuộc vào kỹ thuật phân tập thu kết hợp 1.1 Kỹ thuật phân tập thu lựa chọn kết hợp SC (Selection Combining) Kỹ thuật phân tập. .. phân tập giới thiệu, kỹ thuật phân tập phân lớp thành phân tập thời gian, tần số phân tập không gian Phân tập phương pháp dùng viễn thông dùng để nâng cao độ tin cậy việc truyền tín hiệu cách