Xem mẫu
- Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
CHƯƠNG 1: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
1.1 Giới thiệu chương
Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông
tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Mạng thông tin vô
tuyến ngày nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho
cuộc sống hiện đại.
Nguồn Kênh tin Nhận tin
tin
Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền
tin
Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền là
một trong ba khâu quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp. Nó là môi
trường để truyền thông tin từ máy phát đến máy thu. Vì thế chương này tìm hiểu
các thông tin về kênh truyền: Đó là, các hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền,
các dạng kênh truyền và các mô hình kênh truyền cơ bản. Ngoài ra chương này
còn giới thiệu khái quát về hệ thống thông tin vô tuyến.
1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến
Hình 1.2 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô
tuyến. Nguồn tin trước hết qua mã hoá nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau
đó được mã hoá kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi
qua mã kênh được điều chế để có thể truyền tải đi xa. Các mức điều chế phải
phù hợp với điều kiện của kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát,
tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với máy phát. Kết
quả tín hiệu được giải mã và thu lại được ở máy thu. Chất lượng tín hiệu thu
phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền và các phương pháp điều chế và mã hoá
khác nhau. Do đó ngày nay các kỹ thuật mới ra đời nhằm cải thiện chất lượng
Trang: 1
- Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
kênh truyền nói riêng và mạng vô tuyến nói chung, một trong những kỹ thuật đó
là MCCDMA.
Mô hình kênh
(Discrete channel)
Nguồn tin Mã hoá nguồn Mã hoá kênh Điều chế
(Source coding) (Channel coding) (Modulation)
ak Kênh vô
tuyến
(Channel)
ak,
Tín hiệu Giải mã hoá nguồn Giải mã hoá kênh Giải điều chế
đích (Source decoding) (Channel decoding) (Demodulation)
(Destination)
Hình 1.2: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến
1.3 Kênh truyền vô tuyến
1.3.1 Giới thiệu
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền,
nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh
truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là
hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được
phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …,
bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và
kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu
phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Do
Trang: 2
- Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
đó việc năm v
́ ưng nh
̃ ưng đăc tinh cua kênh truyên vô tuyên la yêu câu c
̃ ̣ ́ ̉ ̀ ́ ̀ ̀ ơ ban đê
̉ ̉
́ ̉ ̣ ựa môt cach thich h
co thê chon l ̣ ́ ́ ợp cac câu truc cua hê thông, kich th
́ ́ ́ ̉ ̣ ́ ́ ước cua cac
̉ ́
́ ́ ưu cua hê thông
thanh phân va cac thông sô tôi
̀ ̀ ̀ ́ ̉ ̣ ́ .
Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai
loại: Fading tầm rộng (largescale fading) và fading tầm hẹp (smallscale fading).
Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc
độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này
chịu ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng)
giữa máy phát và máy thu. Người ta nói phía thu được bị che khuất bởi các vật
cản cao. Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ
suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách.
Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều
này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước
sóng) giữa phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý sự trải thời
gian (timespreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time
variant) của kênh truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi
theo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi
đường truyền sóng.
Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ
thống di động:
+ Phản xạ xẩy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích
thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF.
+ Nhiễu xạ xẩy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi
một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng. Nhiễu
xạ là hiện tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ
phía phát đến phía thu mà không cần đường truyền thẳng. Nó thường được gọi
là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay
cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua.
Trang: 3
- Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
+ Tán xạ xẩy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm
cho năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng. Trong
môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo
hiệu, tán lá.
1.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền
1.3.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath)
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường
không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xẩy ra là do giữa
nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do
vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác
nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác.
Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation).
Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát.
Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc
vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại
hoặc bị hư hỏng hoàn toàn. Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể
bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc
lập khác nhau. Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse
dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có
thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.
Trang: 4
- Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
Tán xạ
Phản xạ
Truyền thẳng
Khúc xạ
Che khuất
Trạm di động
Trạm
gốc Tán xạ
Hình 1.3: Hiện tượng truyền sóng đa đường
1.3.2.2 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và
máy thu như trình bày ở hình 1.4. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín
hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số
Doppler.
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn,
khi đó tần số Doppler của tuyến này là [5]:
v
f Dn f 0 cos αn (1.1)
c
Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển
động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu αn = 0 thì
Trạm phát
tần số Doppler lớn nhất sẽ là:
Tuyến 1 2 (t )
v
f D,max f0 (1.2)
Vật c Tuyến 2
phản 1 (t )
xạ α1
v
Trang: 5
Hình 1.4: Hàm truyền đạt của kênh
- Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ
ngang hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần
số Doppler được biểu diễn như sau[5]:
A
f f0
2
nếu
1
f max
=
(1.3)
0 các trường hợp còn lại
Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 1.5
Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra
năm 1974. Và được gọi là phổ Jake. Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích
như sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f 0, khi đó tín hiệu thu được
sẽ không nhận được ở chính xác trên tần số sóng màng f0 mà bị dịch đi cả về hai
phía với độ dịch là fD,max như hình ở 1.5. Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự
đồng bộ của nhiều hệ thống.
Trang: 6
- Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
Hình 1.5: Mật độ phổ của tín hiệu thu
1.3.2.3 Suy hao trên đương truyên
̀ ̀
̉ ự suy giam công suât trung binh cua tin hiêu khi truyên t
Mô ta s ̉ ́ ̀ ̉ ́ ̣ ̀ ừ may phat
́ ́
đên may thu.
́ ́ Sự giam công suât do hiên t
̉ ́ ̣ ượng che chăn va suy hao co thê khac
́ ̀ ́ ̉ ́
̣ ̀ ́ ương phap điêu khiên công suât
phuc băng cac ph ́ ̀ ̉ ́.
1.3.2.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà
cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên,
hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm.
Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm.
1.3.3 Các dạng kênh truyền
Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta
có.
+ Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số.
+ Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian.
1.3.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số
Trang: 7
- Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp
ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là
phẳng), khoảng tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên
hình 1.6 là f0.
Hình 1.6a: Kênh truyền chọn lọc tần số (f0 W)
Ngược lại, trên hình 1.6b, kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông
của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu
Trang: 8
- Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
sự suy giảm và dịch pha gần như nhau. Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi
là kênh truyền không chọn lọc tần số hoặc kênh truyền fading phẳng.
1.3.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc
thời gian
Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất
trên
đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới
xuất
hiện và những vật thể cũ mất đi… Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền
phản
xạ, tán xạ … qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay
đổi
theo thời gian.
Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là
coherent time. Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh
truyền thay đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian).
Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với
coherent time thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian.
Ngược lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so
với coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là kênh truyền không chọn lọc
thời gian hay phẳng về thời gian.
1.3.4 Các mô hình kênh cơ bản
1.3.4.1 Kênh theo phân bố Rayleigh
Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng
để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng
thu được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ. Chúng ta biết
Trang: 9
- Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
rằng đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố
Rayleigh. Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất[4],[14]:
r r2
exp (0 r )
p (r ) 2
2 2 (1.4)
0 (r 0)
Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ
tách đường bao (evelope detection). σ2 là công suất trung bình theo thời gian.
Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị
R cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy:
R
R2
P ( R) Pr (r R) p (r )dr 1 exp (1.5)
2 2
0
Giá trị trung bình rmean của phân bố Rayleigh được cho bởi:
rmean E[r ] rp( r )dr 1.2533 (1.6)
0
2
2
Và phương sai r (công suất thành phần ac của đường bao tín hiệu):
2
r E r2 E 2 [r ] r 2 p (r )dr 2 2
2 0.4292 2
(1.7)
0 2 2
Giá trị hiệu dụng của đường bao là 2 (căn bậc hai của giá trị trung bình
bình phương). Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình:
rmedian
1
p p(r)
(r )dr rmedian 1.177
0.6065 / (1.8)
2 0
0 σ 2σ 3σ 4σ 5σ
Trang:10
Hình 1.7: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh
- Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau môt lượng là 0.55dB trong
trường hợp tín hiệu Rayleigh fading. Chú ý rằng giá trị median thường được sử
dụng trong thực tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được đo trong những môi
trường mà chúng ta không thể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào.
Bằng cách sử dụng giá trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so
sánh các phân bố fading khác nhau (có giá trị trung bình khác nhau). Hình 1.7 minh
họa hàm mật độ xác suất Rayleigh.
1.3.4.2 Phân bố Ricean
Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực
tiếp máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần lightofsight) với công
suất vượt trội. Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean. Trong trường hợp
này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau
được xếp chồng lên tín hiệu lightofsight. Tại ngõ ra của bộ tách đường bao,
điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần dc vào các thành phần đa
đường ngẫu nhiên. Giống như trong trường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu
nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu lightofsight (có công suất vượt trội) đến bộ thu
cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố
Ricean rõ rệt hơn. Khi thành phần lightofsight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp
trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh. Vì vậy, phân bố bị
trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần lightofsight mất đi.
Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:
Trang:11
- Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
( r 2 A2 )
r 2 Ar
p (r ) e 2
I0 ( A 0, r 0)
2 2 (1.9)
0 r 0
A: Biên độ đỉnh của thành phần lightofsight.
Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0.
Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là
tỉ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần lightofsight) và công suất các
thành phần đa đường:
A2
k (1.10)
2 2
Hay viết dưới dạng dB: A2 (1.11)
k (dB ) 10 log 2 dB
2
k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean.
Khi A → 0, k 0 ( dB) thành phần lightofsight bị suy giảm về biên độ,
phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh. Hình 1.8 mô tả hàm mật độ xác suất
của phân bố Ricean.
k = dB
p(r)
k = 6 dB
Hình 1.8: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean:
k =dB (Rayleigh) và k = 6 dB. Với k >>1, giá trị trung bình
của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gauss
Trang:12
- Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
1.4 Tổng kết chương
Chương 1 đã nêu lên các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng của kênh
truyền, đó là hiệu ứng đa đường, hiệu ứng Doppler, suy hao đường truyền và
hiệu ứng bóng râm, từ đây muốn cải thiện chất lượng kênh truyền thì cần phải
khắc phục các hiện tượng này, do vậy mà nhiều kỹ thuật đã ra đời.
Chương 1 còn cho ta biết các dạng kênh truyền trong hệ thống thông tin di
động. Và cho ta biết hai mô hình phân bố kênh, đó là Rayleigh và Rice. Tuy nhiên
kỹ thuật MCCDMA được kết hợp từ kỹ thuật CDMA và kỹ thuật OFDM, do
vậy chương sau sẽ tìm hiểu về các kỹ thuật này.
Trang:13
nguon tai.lieu . vn
