..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
*************

LUẬN VĂN

THẠC SỸ KHOA HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƢỢNG THU TÍN HIỆU BẰNG
BỘ CÂN BẰNG KÊNH TURBO

Học viên thực hiện

: ĐÀO ĐỨC TOÀN

Mã đề tài

: KTTT11B-15

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Hữu Trung

HÀ NỘI 03/2014


LỜI CAM ĐOAN
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong

Viện Điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi
trường tốt để tôi học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong
Viện Đào tạo sau đại học đã quan tâm, tạo điều kiện cho các học viên có điều
kiện thuận lợi để hồn thành hết khóa học này. Và đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn
sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Trung đã tận tình hướng dẫn và sửa
chữa cho nội dung của luận văn này.
Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này hoàn tồn do tơi tìm
hiểu, nghiên cứu và viết ra. Tất cả đều được tơi thực hiện cẩn thận, có sự góp ý
và sửa chữa của giáo viên hướng dẫn.
Tơi xin chịu trách nhiệm với tất cả nội dung trong luận văn này.
Tác giả

Đào Đức Toàn


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

LỜI NÓI ĐẦU
***
Với sự tích hợp giữa Internet và các ứng dụng multimedia trong truyền dẫn
không dây thế hệ mới yêu cầu tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao trên nền băng tần rộng.
Nhưng tần số vô tuyến là hữu hạn nên để dẫn tốc độ cao chỉ đạt được khi kỹ thuật
xử lý tín hiệu hiệu quả hơn. Hiện nay, các mạng không dây thế hệ mới như mạng di
động LTE, mạng Wimax... được coi là hệ thống mạng không dây mới nhất được
triển khai. Hệ thống đ i h i phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng
thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền thống
và các phương thức mã hóa kênh cũ khơng c n có khả năng đáp ứng được các yêu
cầu của hệ thống thông tin tương lai.
Những nghiên cứu về lý thuyết thông tin cho thấy bộ cân bằng kênh đã và
đang được sử dụng rộng rãi để khắc phục xuyên nhiễu giữa các ký tự (ISI) và tác

động của pha đinh chọn lọc tần số. Tại các tần số cao, ảnh hưởng của môi trường
truyền dẫn đến chất lượng thu của tín hiệu trở nên ngày càng phức tạp và khó khắc
phục. Việc nghiên cứu kỹ thuật cân bằng nhằm nâng cao chất lượng thu tín hiệu
trong các hệ thống thơng tin số hiện đại là rất cấp thiết với nhu cầu thực tế lớn.
Mã turbo được giới thiệu năm 1993 gồm hai mã xoắn đệ quy RSC kết nối
song song thông qua một bộ hoán vị và được giải mã lặp với chất lượng tiến tới cận
Shannon khoảng vài phần mười dB. Mã Turbo ngày nay được sử dụng trong công
nghệ WiMAX, LTE... nhằm mục đích đưa phẩm chất của hệ thống tiến tới cận
Shannon hơn. Hiện nay, mã turbo được khuyến nghị sử dụng trong các hệ thống
thông tin di động thế hệ 3G, 4G, thông tin vệ tinh, thông tin vũ trụ….
Sau những cố gắng nỗ lực học h i, nghiên cứu, luận văn đã thu được những
kết quả bước đầu về hiểu và đánh giá chất lượng mã turbo. Xây dựng mô ph ng
Page 1


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

bằng phần mềm MATLAB và thực hiện mơ ph ng bộ turbo có bộ hốn bit. Từ đó
đưa ra đánh giá và khuyến nghị cho cơng nghệ LTE sử dụng bộ hốn vị bit cải tiến.
Ngồi ra, kết hợp phương pháp hốn vị bit với cải biên phép ánh xạ điều chế theo
để có độ lợi về mặt cơng suất Eb/N0[dB] và tỷ lệ lỗi bit BER.
Với những nỗ lực thực sự, đồ án đã có được một số kết quả nhất định, mặc
dù vậy, do thời gian có hạn em khơng thể tránh kh i một số thiếu sót cũng như một
số nhiệm vụ chưa hồn thành được. Vì vậy, rất mong những ý kiến đóng góp của
các thầy cơ giáo và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hữu Trung đã tận tình chỉ dẫn
em trong suốt quá trình thực hiện để em có thể hồn thành luận văn tốt nghiệp này.

Page 2



Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

TÓM TẮT LUẬN VĂN
***
Luận văn được tổ chức thành ba phần với nội dung tóm tắt như sau
Nội dung đồ án bao gồm 3 phần :
 Giới thiệu chung
 Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết
Tổng quan về hệ thống thông tin số, tập trung vào các hệ thống thông tin
không dây hiện đại như mạng di động LTE, các khối chức năng cơ bản, tín
hiệu truyền trên kênh truyền chịu ảnh hưởng của nhiễu
 Chƣơng 2: Các kỹ thuật cân bằng (Equalizer)
Trình bày về các phương pháp và kỹ thuật cân bằng trong đó tập trung vào
phương pháp cân bằng thích nghi dựa trên cơ sở lọc theo tiêu chí MMSE dẫn
đến việc chọn kỹ thuật cân bằng hiện đại là cân bằng Turbo.
 Chƣơng 3: Thiết kế, mô ph ng, đánh giá, xây dựng và thực hiện một sơ đồ
cân bằng Turbo với chất lượng tốt và độ phức tạp thấp theo tiêu chí MMSE
cũng như xây dựng cặp mã chập và ánh xạ điều chế đóng vai tr quan trọng
trong mọi sơ đồ cân bằng Turbo.
 Kết luận và hƣớng phát triển

Page 3


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

MỤC LỤC
***


LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................0
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................1
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................3
MỤC LỤC ..................................................................................................................4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................8
CHƢƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................14
Giới thiệu chương ................................................................................................................ 14
1.1 Mơ hình hệ thống thơng tin vô tuyến .............................................................................. 14
1.2 Một số thách thức của kênh vô tuyến băng thông rộng ................................................... 15
1.2.1

Suy hao đường truyền.............................................................................................. 15

1.2.2

Hiệu ứng che khuất .................................................................................................. 18

1.2.3

Fading và các loại fading .......................................................................................... 19

1.2.4

Các loại nhiễu ảnh hưởng đến đường truyền thông tin vô tuyến ........................... 23

1.3 ệ thống M M .............................................................................................................. 28
1.3.1
1.3.2
1.3.3


Mơ hình MIMO ......................................................................................................... 28
ung lư ng hệ th ng

.................................................................................... 29

Phân tập ................................................................................................................... 31

1.4 Mã chập (Convolutional code) ......................................................................................... 38
1.4.1

Bộ mã hóa ................................................................................................................ 38

1.4.2

Giải mã quyết định cứng và giải mã quyết định mềm ............................................. 40

CHƢƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT CÂN BẰNG (EQUALIZER) ...........................48
Giới thiệu chương ................................................................................................................ 48
2.1 Cân bằng thích nghi (Adaptive Equalizer) ......................................................................... 48
2.2 Cân bằng trên cở sở lọc theo tiêu chí MMSE .................................................................... 50
2.3 Cân bằng Turbo (Turbo Equalizer).................................................................................... 54

CHƢƠNG 3 XÂY DỰNG BỘ CÂN BẰNG KÊNH TURBO MMSE TRÊN
MATLAB .................................................................................................................60
3.1 Đặt vấn đề nghiên cứu .................................................................................................... 60
Page 4


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo


3.2 Xây dựng bộ cân bằng Turbo MMSE và so sánh với các bộ cân bằng khác ........................ 61
3.2.1

Xây dựng bộ cân bằng Zeroforcing trong kênh truyền MIMO ................................. 61

3.2.2

Xây dựng bộ cân bằng

3.2.3

Xây dựng bộ cân bằng turbo

SE trong kênh truyền

......................................... 62

SE trên cơ sở lọc.................................................. 64

3.3 Mơ hình kênh .................................................................................................................. 68
3.4 Kết quả mô phỏng và đánh giá ........................................................................................ 69

KẾT LUẬN ..............................................................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................73

Page 5


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo


DANH MỤC HÌNH VẼ
***

Hình 1.1 Mơ hình hệ thống thơng tin số vơ tuyến ....................................................14
Hình 1.2 Q trình truyền trong khơng gian tự do....................................................17
Hình 1.3 Hiệu ứng che khuất trên đường truyền tín hiệu .........................................19
Hình 1.4 Thời gian trễ τ tương ứng với thời gian đáp ứng kênh truyền. ..................20
Hình 1.5 Hàm phân bố Gauss ...................................................................................24
Hình 1.6 Minh họa nguyên nhân của nhiễu ISI ........................................................24
Hình 1.7 Mơ hình hệ thống MIMO sử dụng N t anten phát và N r anten thu ............28
Hình 1.8 N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song .............................................29
Hình 1.9 Mơ hình kết hợp lựa chọn ..........................................................................33
Hình 1.10 Mơ hình kết hợp tối đa hóa tỷ lệ kết hợp .................................................34
Hình 1.11 Mơ hình phân tập phát v ng đóng ...........................................................38
Hình 1.12 Mã chập với bit đầu vào x( i ) và bit đầu ra c( i ) ............................................38
Hình 1.13 Bộ mã chập đơn giản với r=1/2 ................................................................39
Hình 1.14 Giản đồ trạng thái của bộ mã hóa r=1/2 ..................................................40
Hình 1.15 Mơ hình kênh truyền BSC với p là xác suất chéo ....................................42
Hình 1.16 Giải mã quyết định cứng của một ví dụ ...................................................44
Hình 2.1 Lưới truyền dẫn BPSK qua kênh có ISI với H(z) = 1 + z-1+ z-2 ................52
Hình 2.2 Sơ đồ phía phát sử dụng mã chập – hốn vị - ánh xạ.................................55
Hình 2.3 Máy thu sử dụng bộ cân bằng turbo ...........................................................57
Hình 3.1 Tín hiệu phía phát được rời rạc hóa ...........................................................63
Hình 3.2 Cân bằng MMSE trên cơ sở lọc .................................................................65
Hình 3.3 Mơ hình kênh (3 hướng đa đường) ............................................................68
Page 6


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo


Hình 3.4 Hình ảnh kết quả bộ cân bằng ZF ..............................................................69
Hình 3.5 So sánh kết quả bộ cân bằng MMSE và ZF ...............................................70
Hình 3.6 Kết quả mô ph ng sử dụng bộ cân bằng Turbo .........................................71

Page 7


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

DANH MỤC BẢNG BIỂU
***

Bảng 1.1 Các kí hiệu các tham số của kênh truyền vô tuyến....................................16
Bảng 1.2 Các giá trị số đo bit ....................................................................................42

Page 8


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
***

STT

Từ viết tắt

Giải nghĩa tiếng Anh

Giải nghĩa tiếng Việt


1

3G

The third Generation of
mobile communication

Mạng di động thế hệ thứ
3

2

4G

The fourth Generation of
mobile communication

Mạng di động thế hệ thứ
4

3

AGC

Auto Gain Control

Bộ tự động điểu chỉnh độ
lợi


4

APP

A Priori Probability

Xác suất hậu nghiệm

5

ATDE

Adaptive Time Domain
Equalizer

Bộ cân bằng thích nghi
miền thời gian

6

AWGN

Additive White Gaussian
Noise

Nhiễu tạp âm trắng

7

BCJR


Bahl, Cocke, Jelinek and
Raviv

Thuật toán giải mã hậu
nghiệm cực đại trên cơ sở
lưới của Bahl, Cocke,
Jelinek và Raviv

8

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bít

BICM

Bit – Interleaved Coded
Modulation

Điều chế mã với hoán vị
bit

BICM-ID

BICM with Iterative
Decoding


Điều chế mã với hoán vị
bit kết hợp giải mã lặp

11

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế dịch pha nhị
phân

12

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

13

C/I

carrier-to-interference ratio

tỷ số sóng mang trên

9


10

Page 9


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

nhiễu
14

CCF

Cross Corelation Function

Hàm tương quan chéo

15

CCI

Co-channel Interference

Nhiễu đồng kênh

16

CDMA

Code Division Multiple
Access


Đa truy nhập phân chia
theo mã

17

DFE

Decision–Feedback
Equalization

Bộ cân bằng hồi tiếp
quyết định

18

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

19

DS CDMA

Direct Sequence Code
Division Multiplexing
Access


Đa truy nhập phân chia
theo mã chuỗi trực tiếp

20

DVB-T

Digital Video Broadcasting
— Terrestrial

Truyền hình số mặt đất

Enhanced Data rates for
GSM Evolution and
Enhanced Data rates for
Global Channel

Tốc độ số liệu tăng cường
để phát triển GPRS

21
EDGE
22

FCF

Frequency Correlation
Function

Hàm tương quan tần số


23

FDMA

Frequency Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia
theo tần số

24

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi fourier nhanh

25

FFT

Fast Fourier transform

Biến đổi Fourier nhanh

26

FS


Frequency Selective

Chọn lọc theo tần số

Page 10


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

27

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

28

GSM

Global System for Mobile
communications

Hệ thống di động toàn
cầu

HSDPA


High Speed Downlink
Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao
đường xuống

30

IC

Interference Canceller

Bộ khử nhiễu

31

ICI

Interchannel Interference

Nhiễu liên kênh

32

IDFT

Inverse Discrete Fourier
Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

ngược

33

IFFT

Inverse Fast Fourier
Transform

Biến đổi Fourier nhanh
ngược

34

ISI

Intersymbol Interference

Nhiễu liên ký tự

35

LE

Linear Equalizer

Bộ cân bằng tuyến tính

36


LLR

Log – Likelihood Ratio

Tỉ số ước lượng theo hàm
log

37

LMS

Least Mean Square error

Sai số trung bình bình
phương cực tiểu

38

LMS

Least Mean Square

Thuật tốn bình phương
trung bình nh nhất

39

LOS

Line-of-sight


40

LTE

Long Term Evolution

Cải tiến lâu dài

41

MAI

Multiple Access
Interference

Nhiễu đa truy nhập

42

MAP

Maximum a posteriori
Probabilities

Xác suất hậu nghiệm cực
đại

29


Page 11


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

MAP Symbol – by – symbol Bộ phát hiện từng symbol
Detector
theo MAP

43

MAPSD

44

MIMO

Multiple Input Multiple
Output

Hệ thống đa anten phát
thu

45

MLSD

Maximum likelihood
sequence detection


Cấu trúc phát hiện chuỗi
hợp lý cực đại

46

MLSE

Maximum–Likelihood
Sequence Estimation

Ước lượng chuỗi hợp lẽ
cực đại

47

MLVA

Maximum-Likelihood
Viterbi Algorithm

Thuật toán hợp lý cực đại
Viterbi

Minimum Mean Square
Error

Sai lỗi trung bình bình
phương cực tiểu

48


MMSE

49

MMSE - DFE

MMSE – based Decision
Feedback Equalizer

Bộ cân bằng MMSE với
hồi tiếp quyết định

50

MMSE - IC

MMSE – based Interference
Canceller

Bộ khử nhiễu MMSE

51

MMSE - LE

MMSE – based Linear
Equalizer

Bộ cân bằng MMSE

tuyến tính

52

MRC

Maximum Ratio Combining

Kết hợp tỉ lệ cực đại

53

OFDM

Orthogonal Frequency
Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao

54

RF

Radio Frequency

Tần số vơ tuyến

55


RLS

Recursive Least Squares

Thuật tốn bình phương
nh nhất đệ qui

56

SC

Selective Combining

Kết hợp lựa chọn

57

SINR

Signal-to-Interference-plusNoise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
cộng tạp âm

Page 12


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

58


SISO

Single – Input Single Output

Một đầu vào một đầu ra

59

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

60

STBC

Space Time Block Code

Mã hóa khối không gianthời gian

61

TDMA

Time Division Multiple
Access


Đa truy nhập phân chia
theo thời gian

62

V-BLAST

Vertical-Bell Laboratories
Layered Space-Time

Kỹ thuật mã hóa khơng
gian-thời gian

63

WIFI

Wireless Fidelity

Hệ thống mạng khơng
dây

64

WIMAX

Worldwide Interoperability
for Microwave Access

Khả năng tương tác tồn

cầu với truy nhập vi ba

65

ZF

Zero Forcing

Cưỡng ép không

Page 13


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

CHƢƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu chương
Đây là chương cơ bản, trình bày một cách khái quát nhất về hệ thống thông
tin số, cấu trúc, các thành phần cơ bản để người đọc có thể dễ dàng hình dung
được đối tượng mà đồ án hướng đến. Ngoài ra, một số kiến thức cơ bản về các
lĩnh vực có liên quan trong luận văn cũng được trình bày vắn tắt trong chương
này.
1.1 Mơ hình hệ thống thông tin vô tuyến
Tất cả các hệ thống thơng tin số từ trước đến nay đều có thể mơ hình hóa thành
một sơ đồ khối như Hình 1.1. Ngay cả với các hệ thống mạng không dây phức tạp,
tồn bộ hệ thống có thể chia thành các khối liên kết với nhau bao gồm khối phát,
kênh truyền và khối bên thu.


Hình 1.1 Mơ hình hệ thống thơng tin số vơ tuyến

Bên phát nhận các gói tin dưới dạng các bit từ các lớp giao thức cao hơn và chuyển
chúng thành các sóng điện từ để đưa tới bên nhận. Những bước quan trọng trong
thông tin số là mã hóa và điều chế. Bộ mã hóa thơng thường thêm các bit dư thừa
để có thể sửa sai được lỗi ở bên nhận. Bộ điều chế chuẩn bị tín hiệu dạng số cho
kênh vô tuyến và các thông tin điều khiển. Tín hiệu số điều chế được chuyển thành
Page 14


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

các dạng sóng tương tự qua bộ biến đổi số tương tự (DAC) và sau đó lại được
chuyển lên băng tần sóng vơ tuyến (RF). Tín hiệu RF này khi đó được bức xạ
thành sóng điện từ qua anten thích hợp.
Ở bên thu thực hiện các bước ngược lại với bên phát. Sau khi chuyển các sóng vơ
tuyến (RF) xuống tần số thích hợp và lọc ra tín hiệu ở các tần số khác nhau, tín
hiệu ở băng tần cơ sở được chuyển thành tín hiệu số bởi bộ chuyển đổi tương tự
thành số (ADC). Tín hiệu số này có thể được giải điều chế và giải mã bởi một
mạch số tích hợp để có thể khơi phục lại dạng bit như bên phát.
1.2

Một số thách thức của kênh vô tuyến băng thông rộng
1.2.1 Suy hao đường truyền

Sự khác nhau đầu tiên và rõ nhận ra nhất giữa kênh truyền vô tuyến và hữu tuyến
là độ lớn của công suất đến bên nhận là bao nhiêu. Giả thiết chúng ta sử dụng một
anten đẳng hướng, như ở hình dưới, năng lượng của tín hiệu truyền đi dưới dạng
các mặt cầu song song nhau, vì vậy năng lượng nhận được ở anten với khoảng

cách d sẽ tỉ lệ nghịch với diện tích của mặt cầu 4 d2. Theo công thức tổn hao trong
không gian tự do, hoặc công thức Friis, công suất bên nhận được xác định như sau:
Pr  Pt

2 Gt Gr
4d 2

(1.1)

Trong đó Pr và Pt lần lượt là cơng suất thu được và cơng suất phát ra, và

là bước

sóng. Xét với mơ hình TDL của phương trình (1.1), Pr/Pt là giá trị trung bình của
độ lợi kênh, có nghĩa là Pr/Pt = E||h||2 , trong đó E[.] thể hiện cho giá trị mong
muốn, hay ý nghĩa toán học. Nếu anten định hướng được sử dụng ở bên phát hay
bên thu, sẽ có độ lợi Gt hay Gr đạt được, và cơng suất bên máy thu sẽ tăng lên nhờ
độ tăng ích này. Mặt khác ta lại có c  f c     c / f c , như vậy cơng suất nhận
được sẽ tỉ lệ nghịch với bình phương tần số sóng mang. Mặt khác, với cùng một
cơng suất phát, khoảng cách truyền tin sẽ giảm khi sử dụng tần số sóng mang cao
Page 15


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

hơn. Đây là một yếu tố quan trong có hệ thống thơng tin tốc độ cao, bởi vì muốn
có băng thơng lớn thì tần số phải cao.
Mơi trường truyền sóng ở mặt đất khơng phải là khơng gian tự do. Nó là sự phản
xạ từ mặt đất hoặc các vật thể khác sẽ làm tăng cơng suất nhận được bởi vì có
nhiều tia sóng đến bên thu. Tuy nhiên, bởi vì sóng phản xạ thường bị dịch pha

1800, sự phản xạ ở khoảng cách tương đối xa (vài km) nên tạo ra các nhiễu giao
thoa, và phương trình xấp xỉ hai tia được sử dụng tính tốn tổn hao đường truyền
là:
Pr  Pt

Gt Gr ht2 hr2
d4

(1.2)

Với anten đẳng hưởng thì Gt = Gr = 1
Kí hiệu

Tham số
Bậc suy hao
Độ lệch loga chuẩn
Trải tần Doppler,
Kênh thời gian kết hợp,
Độ trải trễ của kênh (lớn nhất)
Độ trải trễ của kênh (RMS)a
Băng thông của kênh truyền,
Độ trải góc (RMS)

Bảng 1.1 Các kí hiệu các tham số của kênh truyền vô tuyến

Page 16


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo


Hình 1.2 Quá trình truyền trong khơng gian tự do

Tín hiệu truyền trong không gian tự do bị suy hao ở một vài điểm. Đầu tiên, chiều
cao của anten đóng một vai trị quan trọng trong q trình truyền dẫn. Bên phát
ln ln đặt ở trạng thái sẵn sàng nhất. Thứ hai, bước sóng hay tần số sóng mang
phụ thuộc khơng xuất hiện từ công thức, điều này không thấy được ở trong thực tế.
Thứ ba, và chủ yếu, khoảng cách độc lập thay đổi theo d-4, kéo theo đó là sự suy
hao năng lượng phụ thuộc nhiều hơn vào khoảng cách trong hệ thống mặt đất hơn
là trong không gian tự do.
Để có một cái nhìn tổng qt hơn về mơi trường truyền, mơ hình thực nghiệm đã
được triển khai sử dụng các số liệu thực tế. Một trong những công thức suy hao
tổng quát và đơn giản nhất của thực nghiệm đó là:
d 
Pr  Pt P0  0 
 d 



(1.3)

Trong cơng thức (1.3) có thêm ba thành phần là P0, d0 và α. P0 là công suất suy
hao đo được trên khoảng cách tham chiếu là d0 và thường được chọn là 1m. Trên
Page 17


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

thực tế, P0 thường được lấy xấp xỉ là một vài dB. α là số mũ suy hao và đại lượng
này được cho trong công thức trên.
1.2.2 Hiệu ứng che khuất

Như chúng ta đã thấy, mơ hình suy hao cố gắng thiết lập mối quan hệ giữa công
suất bên thu và bên phát theo khoảng cách. Tuy nhiên, rất nhiều các yếu tố khác
ngồi khoảng cách có thể ảnh hưởng lớn tới tổng cơng suất ở đầu bên thu. Ví dụ
như, cây cối và các tòa nhà ở giữa bên phát và bên thu có thể gây ra sự suy giảm
tạm thời độ lớn của tín hiệu bên nhận. Khi mơ hình hóa sự xuất hiện của các đối
tượng vật chắn trong môi trường truyền tin là điều khá khó khăn, phương pháp,
phương pháp tiêu chuẩn để đánh giá sự thay đổi của biên độ tín hiệu được giới
thiệu là hiệu ứng thay đổi ngẫu nhiên gọi là sự che khuất. Với hiệu ứng che khuất,
công thức suy hao đường truyền thực tế là:
d 
Pr  Pt P0   0 
 d 



(1.4)

Trong đó  là một mẫu của q trình che khuất ngẫu nhiên. Do đó, cơng suất bên
thu bây giờ được mơ hình là một q trình ngẫu nhiên. Vì vậy, hình dáng qng
đường truyền tin có ý nghĩa quan trọng với công suất ở đầu vào máy thu, trong đó

 gây ra sự sai khác so với giá trị mong đợi. Chúng ta có thể nhấn mạnh rằng vì
hiệu ứng che khuất được gây ra bởi các vật thể lớn, cụ thể so với khoảng cách. Do
vậy, hiệu ứng che khuất thường được cho là fading tỷ lệ lớn.
Giá trị hiệu ứng che khuất  tiêu biểu được mô hình như là biến số ngẫu nhiên
loga chuẩn, đó là:

  10 x /10 , trong đó x ~ N (0, s2 ),

(1.5)


Với N (0, s2 ) là phân bố Gaussian với giá trị trung bình là 0 và bậc tự do là  s2 .
Với công thức này, độ lệch chuẩn  s có đơn vị là dB. Giá trị đặc trưng cho  s
Page 18


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

nằm trong dải 6-12dB. Hiệu ứng che khuất là một hiệu ứng quan trọng trong mạng
vơ tuyến bởi vì nó gây ra SINR bên thu biến đổi theo thời gian dài. Ở một số tế
bào, hiệu ứng này gây ra việc thông tin tốc độ cao với độ tin cậy không đảm bảo.
Việc thiết kế hệ thống cũng như các trạm thu phát phải tuân theo hiệu ứng che
khuất loga chuẩn qua phân tập tối đa, biến thiên theo cơng suất phát.

Hình 1.3 Hiệu ứng che khuất trên đường truyền tín hiệu

Xét trong vùng có phạm vi nh thì hiện tượng suy hao đường truyền và che chắn là
khơng đáng kể và có giá trị cho phép mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng tín
hiệu thu tại máy thu.
1.2.3 Fading và các loại fading
Một trong những yếu tố ảnh hướng của kênh vô tuyến là fading. Không giống như
suy hao đường truyền hoặc hiệu ứng che khuất, gây ra sự suy hao tỷ lệ lớn do
khoảng cách hoặc các vật cản, fading là do bên phía trạm thu nhận được rất nhiều
phiên bản khác nhau của cùng một tín hiệu. Các mẫu tín hiệu khác nhau đến bên
thu là do ảnh hưởng của việc phản xạ, tán xạ… hay c n gọi là hiệu ứng đa đường.
Khi một số tia phản xạ đến gần nhau, hiệu ứng kết hợp như mô tả ở hình dưới. Phụ
thuộc vào sự sai khác về pha giữa các tín hiệu đến, nhiễu có thể được gia tăng hoặc
suy giảm, điều này gây ra sự sai khác rất lớn về biên độ của tín hiệu nhận được cho
dù khoảng cách là ngắn. Mặt khác, khi di chuyển trạm phát và trạm thu một


Page 19


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

khoảng khá ngắn thì có thể ảnh hưởng rất lớn về biên độ của tín hiệu nhận được,
ngay khả khi suy hao đường truyền và hiệu ứng che khuất có thể khơng thay đổi.
Để làm rõ hơn những xem xét này, chúng ta sử dụng mơ hình kênh truyền như
phương trình h[k,t]=h0δ[k,t] + h1δ[k-1,t] + … + hvδ[k-v,t]. Khi trạm phát và trạm
thu có sự dịch chuyển tương đối nhau, đáp ứng kênh truyền h(t) sẽ thay đổi. Đáp
ứng kênh truyền này có thể được xem xét phụ thuộc 2 biến: một biến trễ là τ và
một biến thời gian t, như Hình 1.4. Vì kênh truyền thay đổi theo khoảng cách và
thời gian, các giá trị của h0,h1,…,hv có thể hồn tồn khác ở thời điểm t và thời
điểm t+Δt. Bởi vị kênh truyền biến thiên theo cả τ và t, chúng ta phải sử dụng
phương pháp thống kê để thảo luận xem đáp ứng kênh truyền là gì.

Hình 1.4 Thời gian trễ τ tương ứng với thời gian đáp ứng kênh truyền.

Một hàm quan trọng và nền tảng nhất sử dụng thống kê để mô tả kênh truyền
fading là hàm tự tương quan hai biến, A(Δτ,Δt). Mặc dù nó có nhiều hơn hai biến
và do đó đ i h i phải sử dụng phương pháp vẽ 3 biến, hàm tự tương quan có thể sử
dụng đầy đủ như hàm hai biến đơn giản, At(Δt) và Aτ(Δτ), khi đó cả Δτ và Δt phải
được thiết lập giá trị 0. Hàm tự tương quan được định nghĩa như:
A(Δτ,Δt) = E[h(τ1,t1)h*(τ2,t2)]
= E[h(τ1,t1)h*(τ2,t+Δt)]
Page 20


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo


= E[h(τ,t)h*(τ+Δτ,t+Δt)],

(1.6)

Trong đó ở bước đầu tiên, chúng ta giả thiết rằng đáp ứng kênh truyền là như nhau.
Ở bước thứ hai, chúng ta giả thiết rằng đáp ứng kênh truyền của tín hiệu đến ở thời
gian khác nhau, τ1 và τ2 là không tương quan.
1.2.3.1

Fading phẳng (Flat fading)

Fading phẳng là fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể và hầu
như là hằng số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu. Fading phẳng thường
xảy ra đối với các hệ thống vơ tuyến có dung lượng nh và vừa, do độ rộng băng
tín hiệu khá nh nên fading do truyền dẫn đa đường và do mưa gần như là xem
khơng có chọn lọc theo tần số. Các nguyên nhân có xảy ra fading phẳng có thể do
truyền dẫn đa đường hoặc do hấp thụ.
Do truyền dẫn đa đường (multipath fading): hình thành do phản xạ tại các
chướng ngại cũng như sự thay đổi của độ khúc xạ của khí quyển cường độ trường
thu được ở đầu thu bị suy giảm và di chuyển trong quá trình truyền dẫn. Trong các
hệ thống chuyển tiếp số LOS (Line-Of-Sight), sự biến thiên của độ khúc xạ là
nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng truyền dẫn đa đường mà kết quả của nó
là tổn hao Fading thay đổi theo tần số. Tuy nhiên, hệ thống có băng tín hiệu nh
nên tín hiệu suy hao fading đa đường là nh nên có thể b qua và fading đa đường
được xem là fading phẳng. Đối với fading đa đường, việc thực hiện được đánh giá
bằng đo cơng suất tín hiệu thu được tại một tần số trong băng tín hiệu. Đặc trưng
thống kê của fading phẳng đa đường là phân bố thời gian fading vượt quá một mức
nào đó
Do hấp thụ: Là hiện tượng sóng điện từ bị hấp thụ và bị tán xạ do mưa, tuyết,
sương mù. Hay các phần tử khác tồn tại trong môi trường truyền dẫn nên các tín

hiệu vào đầu thu bị suy giảm. Nói chung hiện tượng fading này thay đổi phụ thuộc
vào thời gian. Ảnh hưởng của flat fading tác động lên toàn bộ dải tần tín hiệu
truyền trên kênh là như nhau, do đó việc tính tốn độ dự trữ fading (fading margin)
Page 21


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

dễ dàng hơn (các tần số trong băng tần đều bị tác động như nhau thì chỉ việc tăng
thêm phát cho tất cả băng tần. Thực tế thì có bộ gọi là tự động điều chỉnh độ lợi AGC (Auto Gain Control) sẽ điều chỉnh mức bù nhiễu này).
1.2.3.2

Fading chọn lọc tần số (Selective fading)

Fading chọn lọc tần số xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thơng của
kênh truyền. Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn
hơn độ rộng kênh) sẽ chịu nhiều tác động của selective fading. Nói chung là đối
với tồn bộ băng thơng kênh truyền thì nó ảnh hưởng khơng đều, chỗ nhiều chỗ ít,
chỗ làm tăng chỗ làm giảm cường độ tín hiệu. Loại này chủ yếu do fading đa
đường gây ra. Tác hại lớn nhất của loại fading này là gây nhiễu liên kí tự (ISI).
Fading chọn lọc tần số tác động lên các tần số khác nhau (trong cùng băng tần của
tín hiệu) là khác nhau, do đó việc dự trữ như flat fading là khơng thể. Do đó để
khắc phục nó, người ta sử dụng một số biện pháp:
Phân tập (diversity): không gian (dùng nhiều anten phát và thu) và thời gian
(truyền tại nhiều thời điểm khác nhau).
Sử dụng mạch cân bằng thích nghi, thường là các ATDE (Adaptive Time
Domain Equalizer) với các thuật tốn thích nghi thơng dụng là Cưỡng ép khơng
ZF (Zero Forcing) và Sai số trung bình bình phương cực tiểu LMS (Least Mean
Square error), minimum mean square error
Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn có thể lớn do selective fading gây nên);

Trải phổ tín hiệu (pha-đinh chọn lọc thường do hiện tượng truyền dẫn đa đường
(multipath propagation) gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp.
Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là OFDM (cái này ngày nay được
ứng dụng khắp nơi, trong di động 3G, trong WIFI, WIMAX, LTE hay trong truyền
hình số mặt đất DVB-T...)

Page 22


Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu số bằng bộ cân bằng kênh Turbo

1.2.3.3

Fading nhanh và fading chậm (fast and slow fading)

Fading nhanh (fast fading) hay cịn gọi là hiệu ứng Dopler, ngun nhân là có sự
chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thu được sẽ bị
dịch tần đi 1 lượng so với tần số phát tương ứng. Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo
vận tốc tương đối giữa máy phát và thu. Do đó hiện tượng này gọi là fading nhanh.
Tuy nhiên, đó khơng phải là tồn bộ nội dung của fading nhanh mà các hiệu ứng
đa đường (multipath) cũng có thể kéo theo sự biến đổi nhanh của mức nhiễu tại
đầu thu gây ra fast fading.
Fading chậm (slow fading): Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền.
Ví dụ như: tịa nhà cao tầng, ngọn núi, đồi…làm cho biên độ tín hiệu suy giảm, do
đó c n gọi là hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy
ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Hay sự khơng ổn định
cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi là suy hao chậm. Vì vậy
hiệu ứng này gọi là Fading chậm (slow fading).
Như vậy, slow fading và fast fading phân biệt nhau ở mức độ biến đổi nhiễu tại
anten thu.

1.2.4 Các loại nhiễu ảnh hưởng đến đường truyền thơng tin vơ tuyến
1.2.4.1

Nhiễu trắng

Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau như thời tiết , do bộ khuếch đại ở
máy thu, do nhiệt độ hay do con người. Nhiễu trắng là quá trình xác suất có mật độ
phổ cơng suất phẳng trên tồn bộ dải tần, có hầm mật độ xác suất tuân theo phân
bố Gauss. Tín hiệu thu được do nhiễu trắng có thể viết như sau:
y(t )  x(t )* h(t )  n(t )

Trong đó y (t ) , x(t ) , h(t ) , n(t ) lần lượt là tín hiệu nhận được, tín hiệu phát, hàm
truyền và nhiễu trắng Gaus theo thời gian. Về mặt toán học, nhiễu trắng n(t ) có thể

Page 23