Tài liệu Kỹ thuật phân tập thời gian và thiết kế mã quay

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ---------- ĐÀO THỊ MƠ KỸ THUẬT PHÂN TẬP THỜI GIAN VÀ THIẾT KẾ MÃ QUAY LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội – 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÀO THỊ MƠ KỸ THUẬT PHÂN TẬP THỜI GIAN VÀ THIẾT KẾ MÃ QUAY Ngành: Chuyên ngành: Mã số: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Kỹ thuật điện tử 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.Trịnh Anh Vũ Hà Nội – 2012 iii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương 1: PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu chương .............................................. ................................ 1 1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến .......................................... 1 1.3 Đường truyền vô tuyến ....................................................................... 2 1.3.1 Giới thiệu............................................................................................... 2 1.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền ....................... 5 1.3.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath) ...................................................... 5 1.3.2.2 Hiệu ứng Doppler............................................................................... 6 1.3.2.3 Suy hao trên đường truyền ................................................................. 7 1.3.2.4 Hiệu ứng chắn (Shadowing)............................................................... 8 1.3.3 Các dạng kênh truyền ............................................................................ 8 1.3.3.1 Kênh suy giảm phẳng ......................................................................... 9 1.3.3.2 Kênh suy giảm chọn lọc tần số .......................................................... 9 1.3.3.3 Kênh suy giảm nhanh ......................................................................... 10 1.3.3.4 Kênh suy giảm chậm .......................................................................... 10 1.3.4 Các mô hình kênh cơ bản ...................................................................... 10 1.3.4.1 Kênh theo phân bố Rayleigh .............................................................. 10 1.3.4.2 Phân bố Ricean................................................................................... 11 1.4 Tổng kết chương ...................................................................................... 14 Chương 2: KỸ THUẬT PHÂN TẬP iv 2.1 Tín hiệu qua kênh Gauss và fading .......................................................... 15 2.2 Phân tập thời gian………….................................................................... 16 2.3 Phân tập không gian ................................................................................. 16 2.4 Phân tập tần số ......................................................................................... 17 2.4.1 Khái niệm cơ bản .................................................................................. 17 2.4.2 Đơn sóng mang với bộ cân bằng ........................................................... 22 2.4.3 Trải phổ chuỗi trực tiếp ......................................................................... 23 2.4.4 Ghép kênh phân chia tần số trực giao ................................................... 24 Chương 3: PHÂN TẬP THỜI GIAN VÀ MÃ QUAY 3.1 Tách tín hiệu trong kênh fading Rayleigh................................................ 27 3.1.1 Tách không đồng bộ .............................................................................. 27 3.1.2 Tách đồng bộ ......................................................................................... 28 3.1.3 Từ BPSK đến QPSK: sử dụng bậc tự do .............................................. 32 3.2 Mã lặp lại.................................................................................................. 34 3.3 Mã quay .................................................................................................... 42 Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ 4.1 Kịch bản mô phỏng, tiêu chuẩn đánh giá……………………………..... 43 4.2 Kết quả mô phỏng tín hiệu qua kênh Gauss và Raleigh..................... ..... 43 4.3 Kết quả mô phỏng tín hiệu QPSK qua kênh Raleigh và Gauss ............... 44 4.4 Kết quả mô phỏng tín hiệu QPSK và QPSK quay qua kênh Rayleigh và Gauss .................................................................................................. 45 4.5 Nhận xét kết quả................................................................................. ..... 45 Kết luận.......................................................................................................... 47 Tài liệu tham khảo.......................................................................................... 48 Phụ lục........................................................................................................... 49 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT AWGN aditive white Gaussian noise Nhiễu Gauss trắng cộng tính BER Tỷ lệ lỗi bít BW BPSK bit error rate band width binary phase shift keying Độ rộng băng thông Khóa dịch pha nhị phân CDMA Code division multiple access DTM Discrete Multi Tone Đa truy nhập phân chia theo mã DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Furie rời rạc DSSS Direct sequence Speading spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống viễn thông di động toàn cầu FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh theo tần số FHSS Frequency-Hopping Spreading Spectrum Trải phổ nhảy tần ISI inter-symbol interference Giao thoa giữa các ký hiệu IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biển đổi Furie rời rạc ngược LAN local area network Mạng LAN Đa hài rời rạc MAP maximum a posteriori Xác suất cực đại MIMO multiple input multiple output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra MISO Multiple input single output Nhiều đầu vào một đầu ra ML maximum-likelyhood Xác suất có thể OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing Đa truy nhập phân chia tần số trực giao PAM Pulse amplitude Modulation Điều chế biên độ xung PN pseudo noise sequence Chuỗi giả ngẫu nhiên SIMO Single input multiple output Một đầu vào nhiều đầu ra SNR SS signal-to-noise ratio Spread spectrum Tỷ số tín hiệu trên nhiễu TDMA Time division multiple access THSS Time-Hopping Spreading Spectrum Trải phổ Đa truy nhập phân chia thời gian Trải phổ nhảy tần vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Các bộ phận của một hệ truyền tin ...........……… ……………………. 1 Hình 1.2: Sóng phát ra từ một nguồn nhưng theo nhiều đường khác nhau.……… 3 Hình 1.3: Phương thức truyền phụ thuộc vào bước sóng………………….……… 3 Hình 1.4: Sóng truyền theo nhiều phương thức khác nhau ………………….…… 4 Hình 1.5: Hiện tượng truyền sóng đa đường…………… ………………….…… 6 Hình 1.6: Minh họa hiệu ứng Doppler …………… ………………….………… 7 Hình 1.7: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh ……………….…….......... 11 Hình 1.8: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean ……………….……………..12 Hình 2.1: Tín hiệu qua kênh Gauss và fading…………………..……………….....15 Hình 2.2: Từ mã được truyền qua các ký hiệu liên tiếp (trên) và ghép xen ..….......16 Hình 2.3: Phân tập ăng ten ……………… ………………………………………..19 Hình 2.4: (a)Trong 1×2 kênh, không gian tín hiệu một chiều, mở rộng ra bởi h. ...20 Hình 2.4: (b)Trong các kênh 2x2, không gian tín hiệu hai chiều, mở rộng ra bởi h1 và h2 .........................................................................................................................20 Hình 2.5: So sánh kỹ thuật đa sóng mang trong OFDM và FDM…………………25 Hình 2.6 Phổ của một sóng mang, và phổ của tín hiệu OFDM..…………………26 Hình 3.1: Tách tín hiệu không trực giao trên véc tơ y dựa vào hai véc tơ truyền trực giao xA và xB và so sánh độ dài giữa chúng…………………………...…………...27 Hình 3.2: Đồ thị so sánh giữa kênh AWGN và Rayleigh đối với tín hiệu BPSK….30 Hình 3.3: QPSK so với 4-PAM……………………………………………………33 Hình 3.4: Hình ảnh điều chế trực giao, Tín hiệu được thực hiện trên một chiều thực, nhưng hai lần ký hiệu được sử dụng ………………………………………………34 Hình 3.5 : Xác suất lỗi là một hàm của L nhánh phân tập khác nhau.......................38 Hình 3.6a: So sánh điều chế BPSK với mã lặp lại....................................................39 Hình 3.6b: So sánh điều chế BPSK với mã lặp lại...................................................40 Hình 3.7 Hàm mật độ xác suất của ||h||2 cho L giá trị khác nhau..............................40 Hình 3.8: a) Từ mã của mã quay...............................................................................42 Hình 3.8: b) Từ mã của mã lặp lại............................................................................42 Hình 3.9: Băng tần 25Mhz của một hệ thống GSM..................................................46 Hình 3.10: Tóm tắt cấu trúc đan xen………………………………………………47 vii MỞ ĐẦU Trong những thập kỷ qua kỹ thuật truyền thông đã có những bước phát triển mạnh mẽ cả về tốc độ và độ tin cậy. Điều này cho phép tạo ra nhiều loại hình dịch vụ truyền tin phát triển, song cũng đi kèm theo là các yêu cầu về chất lượng dịch vụ ngày càng khắt khe hơn. Tác động ngược lại của sự phát triển này lại tiếp tục đòi hỏi kỹ thuật truyền tin phải có những biện pháp hữu hiệu để đảm bảo chất lượng dịch vụ, đặc biệt khi khách hàng sử dụng kết nối với đường truyền vô tuyến. Đường truyền vô tuyến với nhiều tạp nhiễu và phading luôn luôn là một thách thức đối với các kỹ thuật truyền tin tin cậy. Một trong các kỹ thuật then chốt để vượt qua đường truyền khó khăn này là kỹ thuật phân tập trong đó đơn giản nhất là phân tập thời gian. Tuy nhiên bên cạnh hệ số phân tập một thiết kế mã tinh vi còn nhắm đến cả hệ số mã tốt nhằm sử dụng hiệu quả tài nguyên trong truyền tin là công suất và băng tần. Với mục tiêu đi sâu tìm hiểu về thiết kế mã phân tập thời gian kết hợp độ lợi mã tốt, nhất luận văn đã chọn đề tài là: “Kỹ thuật phân tập thời gian và thiết kễ mã quay” Sau phần trình bày tổng quan về kỹ thuật phân tập thời gian và mã quay là những kết quả mô phỏng kèm theo để chứng tỏ truyền tin phân tập theo thời gian kết hợp mã quay cho kết quả tốt hơn truyền tin chỉ sử dụng kỹ thuật phân tập thời gian và chỉ rõ góc quay tối ưu phù hợp với tính toán lý thuyết. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có bốn chương với nội dung như sau: Chương 1: Đường truyền vô tuyến Chương 2: Kỹ thuật phân tập Chương 3: Phân tập thời gian và thiết kế mã quay Chương 4: Kết quả mô phỏng và thảo luận 1 CHƯƠNG 1: ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu chương Các phương tiện thông tin được chia thành hai loại: thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Môi trường truyền sóng là một bộ phận không thể thiếu của kênh thông tin vô tuyến, vì vậy bên cạnh việc quan tâm đến tính năng và chất lượng của thiết bị đầu cuối (phát và thu sóng) ta còn phải lưu ý đến đặc điểm của đường truyền sóng. 1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến [2] HỆ TRUYỀN TIN Nguồn tin Khối phát Khối thu Người dùng tin Ước lượng tín hiệu tin Tín hiệu tin Kênh truyền Tín hiệu phát Tín hiệu thu Hình 1.1: Các bộ phận của một hệ truyền tin Ở hình 1.1 là mô hình hệ thống thông tin vô tuyến. Hệ thống này luôn có ba phần cơ bản đó là: khối phát, kênh truyền và khối thu. Khối phát chuyển tín hiệu tin tạo ra từ một nguồn tin thành tín hiệu phát dạng thích hợp để truyền trên kênh truyền. Tín hiệu thu được sau kênh truyền là một phiên bản của tín hiệu phát bị là méo do kênh truyền. Nhiệm vụ của bộ thu là phải tạo lại tín hiệu gốc (tín hiệu tin) như bên phát từ phiên bản nhận được này, rồi từ đó tạo lại bản tin nguồn. Quá trình truyền tin là quá trình truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác theo yêu cầu: xa, nhanh, tin cậy. Ba yêu cầu bình thường này không phải luôn được mọi người hiểu chính xác và lịch sử cũng đòi hỏi bao cuộc cách mạng kỹ thuật mời ngày càng thực hiện tốt hơn những điều này. Chúng ta phác họa chúng như sau: Khi truyền tin với khoảng cách xa. Phương tiện truyền tin hiện đại đáp ứng yêu cầu này không là gì khác ngoài trường điện từ. Trường điện từ có thể lan truyền trong không gian tự do, trong dây dẫn điện hoặc dưới dạng ánh sáng trong sợi quang.....với tốc độ hàng trăm triệu m/s. 2 Khi truyền tin phải đảm bảo tốc độ. Nhanh ở đây không những chỉ là đạt được tốc độ càng cao càng tốt, mà còn ở chỗ tốc độ truyền thông tin thỏa mãn thời gian thực đối với yêu cầu sử dụng. Điều này có liên quan đến băng thông (độ rộng băng tần) của đường truyền hoặc cách tổ chức một mạng truyền dẫn cho nhiều người dùng. Kết quả của việc truyền tin phải đáp ứng được độ tin cậy. Trong truyền tin khái niệm này cũng không được hiểu với nghĩa chính xác tuyệt đối một trăm phần trăm mà phải hiểu với tỷ lệ sai sót ít nhất, sai sót mà yêu cầu sử dụng có thể chấp nhận được. Thông thường tỷ lệ này là 10-6 đến 10-7 Hạn chế và cản trở ba yêu cầu truyền tin nói trên là các yếu tố công suất, độ rộng băng tần kênh truyền và can nhiễu (can nhiễu do ồn, can nhiễu đặc thù khác ảnh hưởng đến truyền tin như can nhiễu do chuyển động, do các hiệu ứng đa đường truyền...). Công suất phát càng lớn thì truyền tin càng đi xa. Băng tần truyền càng rộng thì tốc độ truyền tin càng nhanh và cuối cùng càng ít can nhiễu thì càng ít lỗi xảy ra. Vậy bằng cách nào mà người ta có thể khắc phục và vượt qua những cản trở này? Có nhiều phương án để giải quyết vấn đề này, một trong những phương án đó được trình bày trong luận văn này. 1.3 Đường truyền vô tuyến [2] 1.3.1 Giới thiệu Khác với 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. Khi tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố: 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. Kéo theo kết quả là tại nơi nhận tin, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Vì vậy việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cần thiết để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống. Sóng có thể truyền theo nhiều phương thức khác nhau như: Sóng đất (truyền sát mặt đất), sóng trời (phản xạ qua các tầng điện ly), sóng truyền thẳng. Ngoài ra, 3 do sự giao thoa giữa các phương thức truyền, mà tại nơi thu có thể bị nhiễu hoặc Fading Hướng truyền thẳng Hướng không truyền thẳng Hình 1.2 Sóng phát ra từ một nguồn nhưng theo nhiều đường khác nhau. Môi trường truyền sóng cho tín hiệu vô tuyến có cấu trúc tương đối phức tạp. Vùng khí quyển truyền sóng có thể chia thành 3 vùng cơ bản : Bước sóng km Hm Dam m dm cm mm VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Sóng đất Sóng phản xạ tầng điện ly Sóng khúc xạ tầng đối lưu Sóng tán xạ tầng đối lưu Sóng truyền thẳng Hình 1.3 Phương thức truyền phụ thuộc vào bước sóng Tầng đối lưu (troposphere) độ cao dưới 15 Km, có nhiều gió, mây. Nhiệt độ và mật độ không khí giảm nhanh theo độ cao. Nó có tác dụng giống như chiết suất giảm dần, dẫn đến tác động uốn cong đường truyền sóng điện từ hướng về mặt đất. Tầng bình lưu (Stratosphere) độ cao từ 15-40 Km, có nhiều hơi nước. Nhiệt độ tăng theo độ cao rồi ổn định tại một mức. 4 Tầng điện ly (Ionosphere) độ cao từ 40-500 Km, có nhiều ion, có mật độ thay đổi theo điều kiện thời tiết, theo mùa và tác động ngoài không gian. Đây là vùng tán xạ, phản xạ, hấp thụ sóng điện từ Sóng truyền theo nhiều phương thức khác nhau Tầng điện ly Sóng trời Sóng đất Hình 1.4 Sóng truyền theo nhiều phương thức khác nhau Fading là hiện tượng tại nơi thu nhận được đồng thời 2 hay nhiều sóng cùng đến 1 lúc, các sóng này xuất phát cùng 1 nguồn nhưng đi theo nhiều đường khác nhau. Tuỳ thuộc vào hiệu các đường đi mà hiệu pha của chúng cũng khác nhau: Nếu hiệu pha = 2n.π thì cường độ chúng tăng cường nhau Nếu hiệu pha = (2n+1).π thì cường độ chúng triệt tiêu nhau Hiện tượng Fading gây ra sự thu chập chờn, gây gián đoạn thông tin trong một thời gian ngắn, trong kỹ thuật truyền hình, tạo ra hiện tượng bóng ma. Để khắc phục Fading, người ta sử dụng kỹ thuật phân tập Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được chia thành hai loại: Suy giảm kích thước lớn (large-scale fading) và suy giảm kích thước nhỏ (small-scale fading). Suy giảm kích thước lớn (large-scale fading) xảy ra do mất đường đi của tín hiệu và khi xảy ra hiện tượng chắn, che khuất (shadowing) của các tòa nhà, ngọn đồi, núi, cây cối…với mô hình này cho phép dự đoán được mức tín hiệu thu trung bình tại một khoảng cách xác định với nguồn phát. Điều này xảy ra khi điện thoại di động di chuyển thông qua khoảng cách xa giữa các tế bào, thường là tần số độc lập. 5 Suy giảm kích thước nhỏ (small-scale fading) xảy ra khi có quá nhiều đường đi tín hiệu giữa máy phát và máy thu, tín hiệu thu khi được xê dịch vị trí thu một khoảng nhỏ (vài bước sóng) hoặc trong thời gian nhỏ (cỡ giây), trong trường hợp này tần số là phụ thuộc. Công suất thu được (hoặc đối ngược là công suất mất mát) là thông số quan trọng nhất trong việc dự đoán theo mô hình lan truyền kích thước lớn dựa trên ba cơ chế vật lý: Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ, suy giảm kích thước nhỏ và hiệu ứng đa đường cũng có thể được mô tả bởi 3 cơ chế này. Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ đập vào đối tượng có kích thước lớn so với bước sóng truyền. Chẳng hạn phản xạ tại bề mặt trái đất, tại các tòa nhà, đồi núi, cây cổ thụ hay các bức tường. Nhiễu xạ xảy ra khi giữa bộ phát và thu bị cản trở bởi bề mặt có cạnh sắc giới hạn (gờ tường, cạnh tòa nhà). Sóng thứ cấp tạo nên tại nơi cắt của bề mặt này chạy theo mọi hướng thậm chí vòng vào phía sau vật chắn nên sóng có thể nhận được ngay cả khi bộ phát không nhìn bộ thu (no line of sight path). Tại tần số cao nhiễu xạ và phản xạ phụ thuộc vào hình học của đối tượng cũng như biên độ, pha, cực tính của sóng tới tại điểm nhiễu xạ. Tán xạ xảy ra khi môi trường truyền sóng có những vật cản nhỏ so với bước sóng và số những vật cản này trên đơn vị thể tích là lớn. Chẳng hạn sóng bị phản xạ trên bề mặt xù xì, lá cây, cột đèn, cột chỉ đường tạo nên tán xạ sóng trong thông tin di động. 1.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền [3] Có 3 hiệu ứng quan trọng là: - Sự thay đổi nhanh độ mạnh của tín hiệu trên cự ly nhỏ hay trong khoảng thời gian ngắn. - Tín hiệu bị điều tần do độ dịch Doppler trên các đường truyền khác nhau. - Sự lệch thời gian (tiếng vọng) gây nên bởi trễ đa đường 1.3.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath) Trong các vùng đô thị suy giảm xảy ra do chiều cao của ăng ten di động thấp hơn các công trình xây dựng nên không có đường truyền truyền thẳng từ trạm cơ sở 6 đến máy thu, thậm chí khi tồn tại đường truyền thẳng, đa đường vẫn xảy ra do phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Tín hiệu thu được tại máy di động gồm số lớn sóng phẳng có phân bố biên độ, pha và góc tới ngẫu nhiên. Thậm chí máy di động đứng yên, tín hiệu nhận được vẫn có thể suy giảm do sự chuyển động của các vật cản trong kênh radio. Khi các vật cản đứng yên, chỉ có máy di động chuyển động, tín hiệu thu là một hàm của biến không gian, nếu máy thu chuyển động với tốc độ không đổi thì có thể coi là hàm của biến thời gian. Do tính giao thoa sóng mà máy có thể di chuyển qua các điểm cực tiểu hay cực đại của tín hiệu, nghiêm trọng hơn là máy thu có thể dừng lại tại một vị trí cực tiểu xác định, mặc dù xe cộ đi lại trong vùng của máy thu làm nhiễu loạn trường sóng và giảm thiểu khả năng suy giảm sâu tín hiệu trong thời gian dài. Tán xạ Phản xạ Truyền thẳng Khúc xạ Che khuất Trạm gốc Trạm di động Tán xạ Hình 1.5: Hiện tượng truyền sóng đa đường 1.3.2.2 Hiệu ứng Doppler Xét máy di động chuyển động với tốc độ v từ X đến Y (XY = d), trong khi sóng tới từ nguồn xa S hợp với XY góc θ (véc tơ sóng tới và véc tơ vận tốc góc máy thu có góc là π-θ). Sai khác đường truyền từ nguồn S đến X, Y là: Δl=dcosθ=vΔcosΔ (1.1) 7 trong đó Δt là khoảng thời gian máy di động chuyển động từ X sang Y, do S ở xa nên góc của sóng tới coi như không đổi, vẫn bằng θ. Sai khác pha do sai khác đường truyền là:   2l   2vt  cos (1.2) Do đó sự dịch tần biểu kiến (hay dịch tần Doppler) cho bởi fd là: fd  1  v  cos 2 t  (1.3) fd sẽ cộng vào (làm tăng) hay trừ đi (làm giảm) tần số sóng tới tạo nên tần số biểu kiến. S Δl θ X θ v d Y Hình 1.6: Minh họa hiệu ứng Doppler 1.3.2.3 Suy hao trên đường truyền Được mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu. Trong một số trường hợp việc giảm công suất do hiện tượng che khuất và suy hao có thể khắc phục bằng các phương pháp điều khiển công suất. Suy giảm công suất thu so với công suất phát tại điểm cách nguồn phát khoảng cách d, của sóng mang có tần số f là: Ls  ( 4d  Ls  (df ) 2 )2  ( 4df 2 ) c (1.4) 8 Nhận xét: Suy hao công suất của sóng trong không gian tự do tỷ lệ thuận với bình phương tần số và khoảng cách lan truyền của sóng. 1.3.2.4 Hiệu ứng chắn (Shadowing) Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, cây cổ thụ,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Mặc dù vậy, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn và tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy, hiệu ứng này thường được gọi là fading chậm. 1.3.3 Các dạng kênh truyền [3] Chúng ta đã biết tùy thuộc thông số của tín hiệu lan truyền (dải rộng, chu kỳ ký hiệu…) và các thông số của kênh (trải trễ rms và độ trải Doppler) mà tín hiệu chịu sự suy giảm khác nhau. Trong khi trải trễ đa đường gây nên phân tán thời gian và suy giảm chọn lọc tần số thì độ trải Doppler gây nên phân tán tần số và suy giảm chọn lọc thời gian. Hai cơ chế này độc lập với nhau, ta có sơ đồ phân loại sau: Suy giảm kích thước nhỏ do trễ đa đường Suy giảm phẳng Suy giảm chọn lọc tần số 1. BW tín hiệu < BW kênh 1. BW tín hiệu > BW kênh 2. Trải trễ < Chu kỳ tín hiệu 2. Trải trễ > Chu kỳ tín hiệu Suy giảm kích thước nhỏ do trải Doppler Suy giảm nhanh Suy giảm nhanh 1. Trải Doppler cao 1. Trải Doppler chậm 2. Thời gian kết hợp Chu kỳ ký hiệu hiệu 3. Biến đổi kênh nhanh hơn thay đổi 3. Biến đổi kênh chậm hơn thay đổi tín tín hiệu băng cơ sở hiệu băng cơ sở 1.3.3.1 Kênh suy giảm phẳng Còn gọi là kênh biên độ thay đổi (đôi khi còn gọi là kênh băng hẹp vì dải rộng tín hiệu là hẹp hơn độ rộng băng của kênh). Thông thường loại kênh này gây nên suy giảm sâu và cần 20-30dB công suất thêm cho bộ phát để đạt được tốc độ lỗi bít như kênh không có suy giảm. Phân bố hệ số kênh của suy giảm phẳng là rất 9 quan trọng cho thiết kế ghép nối. Phân bố phổ biến nhất là phân bố Rayleigh. Tóm lại trong kênh suy giảm phẳng: BS < BC TS < στ (1.6) TS là nghịch đảo độ rộng dải BS của tín hiệu (chu kỳ tín hiệu). στ là độ trải trễ rms và độ rộng băng kết hợp của kênh. 1.3.3.2 Kênh suy giảm chọn lọc tần số Nếu kênh có hệ số không đổi và pha tuyến tính trong một khoảng tần số nhỏ hơn dải rộng tín hiệu truyền thi kênh sẽ gây suy giảm chọn lọc tần số. Khi đó trải trế đa đường lớn hơn nghịch đảo dải rộng tín hiệu, tín hiệu thu được gồm nhiều phiên bản cảu dạng sóng phát bị suy giảm và là trễ khác nhau gây nên méo tín hiệu. Suy giảm chọn lọc tần gây méo ký hiệu truyền còn gọi là giao thoa giữa các ký hiêu (ISI). Kênh này khó mô hình hơn kênh suy giảm phẳng vì mỗi đường truyền phải được mô hình và kênh phải được xét như bộ lọc tuyến tính. Do nguyên nhân này phép dò kênh đa đường dải rộng phải được thực hiện và mô hình được phải triển từ các phép đo này. Khi phân tích các hệ thống thông tin di động, các mô hình đáp ứng xung thông kê chẳng hạn như mô hình Rayleigh 2 tia (đáp ứng xung là hai xung dạng hàm delta, suy giảm độc lập và trễ giữa 2 xung đủ để tạo nên suy giảm chọn lọc đối với tín hiệu được cấp) được máy tính tạo ra hay từ các phép đo nói chung được đụng để phân tích suy giảm chọn lọc tần số là do trễ đa đường hay vượt quá chu kỳ ký hiệu truyền, kênh này cũng gọi là kênh băng rộng (vì dải rộng tín hiệu lớn hơn độ rộng kênh). Khi thời gian thay đổi, kênh thay đổi hệ số và pha suốt phổ tín hiệu gây méo thay đổi theo thời gian. Tóm lại ở kênh này: BS>BC TS < στ Một quy tắc chung là: kênh sẽ là chọn lọc tần số nếu στ>0.1TS dẫu rằng điều này là độc lập với cách điều chế cụ thể. 1.3.3.3 Kênh suy giảm nhanh Tùy thuộc vào tín hiệu băng cơ sở thay đổi nhanh hay kênh thay đổi nhanh hơn mà ta có suy giảm chậm hay nhanh. Kênh suy giảm nhanh là kênh có đáp ứng xung thay đổi nhanh trong khoảng thời gian ký hiệu tức là thời gian kết hợp của 10 kênh là nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu. Điều này gây nên phân tán tần số (còn gọi là suy giảm chọn lọc thời gian) do sự trải Doppler dẫn đến méo tín hiệu: TS>TC hay BS < BD (1.7) Chú ý là kênh suy giảm nhanh hay chậm độc lập với tính chất phẳng hay chọn lọc tần số của kênh. Ví dụ kênh suy giảm phản và nhanh được mô hình như đáp ứng xung là hàm Delta, song biện độ của hàm Delta thay đổi nhanh hơn tín hiệu băng cơ sở. Kênh suy giảm chọn lọc tần, nhanh là biện độ, pha, trễ của các thành phần đa đường thay đổi nhanh hơn tín hiệu băng cơ sở. 1.3.3.4 Kênh suy giảm chậm Đáp ứng xung của kênh thay đổi chậm hơn tín hiệu băng cơ sở. Kênh được coi là tĩnh trên một hay vài lần nghịch đảo dải rộng tín hiệu. trong miền tần số điều này được hiểu là độ trải Doppler của kênh nhỏ hơn dải rộng của tín hiệu: TS BD (1.8) 1.3.4 Các mô hình kênh cơ bản [3] 1.3.4.1 Kênh theo phân bố Rayleigh Trong kênh radio di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để mô tả bản chất thống kê theo thời gian của đường bao tín hiệu suy giảm phẳng ngoài việc dịch Doppler hay đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ. Chúng ta biết rằng đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao vuông góc có phân bố Rayleigh. Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất là:  r  r2   (0  r   )  2 exp  2  p ( r )    2   0 ( r  0)  (1.9) Ở đó σ là giá trị rms (hiệu dụng) của tín hiệu thế nhận được và σ2 là công suất trung bình của tín hiệu thu trước khi tách đường bao. Xác suất để đường bao của tín hiệu thu được không vượt qua một giá trị R xác định tương ứng là hàm phân bố tích lũy:  R2  P(R)  Pr (r  R)   p(r)dr  1 exp  2     2rmean Giá trị trung bình của0 phân bố Rayleigh được tính: R  rmean  E[r ]   rp (r )dr   0  2  1.2533 (1.10) (1.11) 11 Và phương sai  r 2 (công suất thành phần AC của đường bao tín hiệu):   r 2  E r 2  E 2 [ r ]   r 2 p ( r ) dr   2 0 Giá trị rms của đường bao là  2     2  2    0 .4292  2 2  (1.12) 2 (căn bậc hai của giá trị trung bình bình phương). Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình: 1  2 rmedian  p ( r ) dr  r median  1 .177  (1.13) 0 p(r) 0.6065/σ 0 Σ 2σ 3σ 4σ 5σ Hình 1.7: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh Tức là giá trị trung bình và trung tâm của r chỉ khác nhau 0.55dB trong tín hiệu suy giảm Rayleigh. Trong thực tế giá trị trung tâm hay được dùng vì thích hợp với phép đo. 1.3.4.2 Phân bố Ricean Khi có một thành phần đa đường mạnh vượt trội và dừng, ví dụ như đường LOS, phân bố đường bao suy giảm kích thước nhỏ là phân bố Ricean, các thành phần đa đường ngẫu nhiên tới bộ thu theo các góc khác nhau sẽ chồng chất thêm vào tín hiệu dừng này, tại lối ra bộ thu sẽ có hiệu ứng cộng thêm thành phần DC và đa đường ngẫu nhiên. Giống như trường hợp tách sóng sin trong ồn nhiệt, sóng nổi trội tới cùng các tín hiệu đa đường yếu hơn sẽ cho phân bố Ricean. Khi thành phần nổi trội yêu đi sẽ trở lại phân bố Rayleigh. Công thức phân bố như sau: 12 Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:  r  ( r  A2 )  Ar  2  I 0  2  ( A  0, r  0) p ( r )   2 e    0 r0  2 2 (1.14) A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight. I0: 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 light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường: A2 2 2 2 A Hay viết dưới dạng dB: k (dB )  10 log 2 dB 2 k (1.15) (1.16) k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean. Thông số K được hiểu như phần tử Ricean, xác định hoàn toàn phân bố Ricean Khi A → 0, k  0 (   dB) thành phần light-of-sight 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 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. 13 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 Gauss. Có thể khắc phục các hiện tượng trên bằng một số kỹ thuật trong đó có kỹ thuật phân tập, do vậy chương sau sẽ tìm hiểu về các kỹ thuật này.