Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VƠ TUYẾN ĐẾN TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU. 2.1. Giới thiệu chương . Khi nghiên cứu hệ thống thơng tin, việc tạo ra các mơ hình kênh đĩng một vai trị quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống. Bản chất biến đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng ,thiệt hại khơng thể lường trước làm cho cấu trúc bộ thu, kỹ thuật sửa lỗi ngày càng phức tạp. Khi nghiên cứu các thuật tốn, giải thuật để hạn chế những ảnh hưởng của kênh truyền,điều cần thiết là phải xây dựng những mơ hình cĩ thể xấp xỉ mơi trường truyền dẫn một cách hợp lý.Chương này giới thiệu những đặc tính,ảnh hưởng của kênh truyền đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình số quảng bá mặt đất DVB_T. 2.2. Tổng quan về kênh vơ tuyến di động (mobile radio channel) Các tín hiệu khi truyền qua kênh vơ tuyến di động sẽ bị phản xạ,khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ,…và do đĩ gây ra hiện tượng đa đường (multipath).Tín hiệu nhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnh hưởng như :suy hao truyền dẫn trung bình (mean propagation loss), fading đa đường (multipath fading) và suy hao đường truyền (path loss). Mean propagation loss xảy ra do các hiện tượng như:sự mở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước,lá cây…và do phản xạ từ mặt đất.Mean propagation loss phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các mobile di chuyển với tốc độ cao. 2.3. Suy hao đường truyền ( pass loss and attenuation). Tại anten phát,các sĩng vơ tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sĩng được mở rộng theo hình cầu).Khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu ,sĩng cũng được mở rộng theo dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đĩ sẽ tập trung vào một vùng nào đĩ do ta thiết kế.Vì thế mật độ cơng suất của sĩng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách.Phương trình (2.1) cho ta cơng suất tín hiệu thu được khi truyền trong khơng gian tự do: (2.1) Trong đĩ : PR là cơng suất thu được (Watts). PT là cơng suất phát (Watts). GT là độ lợi của anten phát, GR là độ lợi của anten thu. λ là bước sĩng của sĩng mang vơ tuyến (m). R là khoảng cách truyền dẫn tính bằng met. Hoặc ta cĩ thể viết lại là : (2.2) Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong khơng gian tự do: Lpt(dB)=PT(dB) - PR(dB) =-10logGT -10log10GR+20logf+20logR-47.6dB (2.3) Nĩi chung truyền trong khơng gian tự do khơng phức tạp lắm,chúng ta cĩ thể xây dựng mơ hình chính xác cho các tuyến thơng tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp như các tuyến liên lạc viba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn.Tuy nhiên ,cho hầu hết các thơng tin trên mặt đất như thơng tin di động, DVB_T, mạng LAN khơng dây,mơi trường truyền phức tạp hơn nhiều do đĩ việc tạo ra các mơ hình cũng khĩ khăn hơn.Ví dụ đối với những kênh truyền dẫn vơ tuyến di động UHF, khi điều kiện về khơng gian tự do khơng được thoả mãn ,chúng ta cĩ thể tính suy hao đường truyền theo cơng thức sau : (2.4) Trong đĩ hBS, hMS << R là độ cao anten trạm phát và anten của MS. 2.4. Fading chậm(slow fading) và fading nhanh(past fading). Slow fading gây ra do sự cản trở của các tồ nhà và địa hình tự nhiên như đồi núi. Đối với các trạm thu, phát, hoặc các vật cản di động sẽ thay đổi suy hao đường truyền do khoảng cách truyền bị thay đổi. Sự thay đổi trong suy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (thường từ 10 – 100 lần bước sĩng) và phụ thuộc vào kích thước vật cản gây nên bĩng mờ hơn là bước sĩng của tín hiệu RF. Vì sự thay đổi này thường xảy ra chậm nên nĩ cịn được gọi là fading chậm. Cơng suất Thời gian truyền Hình 2.1 Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF 1 21 31 41 5 Fast fading gây ra do sự tán xạ đa đường (multipath scatter) ở vùng xung quanh mobile.Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền này sẽ cĩ thời gian truyền khác nhau. Nếu chúng ta truyền một xung RF qua mơi trường đa đường, thì tại đầu thu ta sẽ thu được tín hiệu như hình 2.1. Mỗi xung tương ứng với một đường, cường độ phụ thuộc vào suy hao đường của đường đĩ. Đối với tín hiệu tần số cố định (chẳng hạn sĩng sin), trễ đường truyền sẽ gây nên sự quay pha của tín hiệu. Mỗi một tín hiệu đa đường sẽ cĩ khoảng cách truyền khác nhau và do đĩ cĩ sự quay pha khác nhau. Những tín hiệu này được cộng lại tại bộ thu gây nên nhiễu tăng cường hoặc suy giảm. Nhiễu suy giảm là nhiễu khi kết quả cộng tại bộ thu là bé hơn tín hiệu trực tiếp, cịn nhiễu tăng cường là khi tất cả các tín hiệu cĩ cùng pha và tăng cường lẫn nhau. 2.5. Fading lựa chọn tần số và fading phẳng. Hình 2.9 Minh hoạ fading lựa chon tần số Mặt phản xạ ỉBộ phát ỉBộ thu 17m 8m 10 m Đường 1 Đường 2 Ảnh hưởng đa đường cũng gây nên sự thay đổi fading cùng với tần số, là do đáp ứng pha của các thành phần đa đường sẽ thay đổi cùng với tần số. Pha thu được, tùy theo phía phát của một thành phần đa đường tương đương với số bước sĩng của tín hiệu đã truyền đi từ phía phát. Bước sĩng tỷ lệ nghịch với tần số và vì thế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số. Khoảng cách truyền của mỗi thành phần đa đường khác nhau và như vậy sự thay đổi pha cũng khác nhau. Hình 2.2 biểu diễn một ví dụ truyền dẫn hai đường. Đường thứ nhất hướng trực tiếp khoảng cách 10m, đường thứ hai là hướng phản xạ khoảng cách 25m. Đối với Hình 2.1: Phổ Doppler (fc – fm) fc (fc + fm) bước sĩng 1m, mỗi đường cĩ một số nguyên bước sĩng và pha thay đổi từ phía phát đến phía thu là 00 cho mỗi đường. Ở tần số này, hai đường sẽ tăng cường lẫn nhau. Nếu chúng ta thay đổi tần số để cĩ bước sĩng là 0,9m thì đường một sẽ cĩ 10/ 0,9 = 11,111λ hay cĩ pha là 0,111× 3600 = 400 , trong khi đường thứ hai cĩ 25/ 0,9 = 27,778λ , hay cĩ pha là 0,778× 3600 = 2800 . Điều này làm hai đường khác pha nhau, sẽ làm suy giảm biên độ tín hiệu ở tần số này. Hình 2.2 Minh hoạ fading lựa chon tần số Mặt phản xạ ỉBộ phát ỉBộ thu 17m 8m 10 m Đường 1 Đường 2 Và như thế ta thấy, ở một số tần số nhất định nào đĩ, hiện tượng tín hiệu bị triệt tiêu hồn tồn sẽ xảy ra. Đặc tính fading lựa chọn tần số của một kênh cĩ thể được tĩm tắt bởi băng thơng Coherent của kênh đĩ. Băng thơng Coherent tỷ lệ nghịch với độ trải trễ của kênh. Đường biểu diễn của hai tín hiệu cĩ tần số khơng kết hợp thay đổi nên được cách nhau một khoảng lớn hơn độ rộng băng thơng Coherent Bc của kênh. Băng thơng Coherent cĩ thể được tính xấp xỉ từ hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu cách nhau bởi Δf Hz và Δt giây. Hệ số đường bao kết hợp là: (2.5) với J0 là hàm Bessel bậc khơng, fm là độ dịch Doppler lớn nhất, δ là độ trải trễ của kênh. Bảng 2.1 cho ta một số giá trị phổ biến độ trải trễ của kênh trong các mơi trường khác nhau. Bảng 2.1 Giá trị độ trải trễ của một số mơi trường tiêu biểu Mơi trường Độ trải trể Bên trong các tồ nhà < 0,1 μs Khu vực ngồi trời < 0,2 μs Khu vực ngoại ơ 0,5 μs Khu vực thành thị 3 μs Khi chúng ta xét sự kết hợp chỉ là hàm của khoảng cách tần số và đặt Δt thành khơng, băng thơng Coherent Bc được định nghĩa là độ rộng băng thơng Δf khi hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu bằng phân nữa giá trị lớn nhất của nĩ. (2.6) Kết quả băng thơng Coherent là: (2.7) Đối với các giá trị độ trải trễ cho trong Bảng 2.1, ta sẽ tính được các băng thơng Coherent tương ứng. Nếu độ rộng băng của tín hiệu đã điều chế nhỏ hơn băng thơng Coherent của kênh, tất cả các thành phần tần số của tín hiệu đều cĩ cùng fading, và fading này được gọi là fading (tần số) phẳng. Tương tự trong miền thời gian, nếu độ trải trễ của kênh nhỏ hơn khoảng thời symbol, thì sự ảnh hưởng làm thay đổi hình dạng của xung phát lên kênh đĩ là khơng đáng kể, chỉ cĩ biên độ của xung là bị thay đổi. Mặt khác, nếu băng thơng của tín hiệu điều chế lớn hơn nhiều so với băng thơng Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu cĩ các đặc tính fading khác nhau, và fading này được gọi là fading lựa chọn tần số. Các kênh lựa chọn tần số cũng cịn được gọi là các kênh phân tán thời gian, bởi vì độ trải trễ dài tương ứng với việc kéo dài khoảng thời gian của symbol được phát. Trong trường hợp này, bên cạnh biên độ thì hình dạng của xung phát cũng bị thay đổi. Cần chú ý rằng bĩng mờ (fading chậm) luơn luơn là fading phẳng, trong khi đĩ, fading nhanh do ảnh hưởng đa đường thường gây ra bởi fading lựa chọn tần số. Như vậy, ảnh hưởng của bĩng mờ độc lập với băng thơng của tín hiệu cịn ảnh hưởng của fading nhanh lại phụ thuộc vào băng thơng của tín hiệu. Trong thơng tin di động số, ảnh hưởng của đường truyền lên tín hiệu phụ thuộc rất nhiều vào tỷ số của khoảng thời symbol trên độ trải trễ của kênh vơ tuyến thời gian thay đổi. Nếu tốc độ truyền dẫn bit quá cao đến nỗi mỗi symbol dữ liệu bị trải qua các symbol kế cận một cách nghiêm trọng, nhiều xuyên nhiễu ISI sẽ xuất hiện. Nếu ta muốn nhiễu giữa các symbol kế cận thấp, chúng ta cần cĩ tốc độ symbol phải nhỏ hơn băng thơng Coherent. Do vậy, khi tốc độ symbol tăng lên, ta cần phải giảm nhiễu ISI bằng các bộ cân bằng để cĩ được một tỷ số BER chấp nhận được. Và các khu vực hoạt động nhỏ hơn khơng cĩ nghĩa chỉ là khu vực nhỏ của các khu vực hoạt động lớn hơn, chúng cịn cĩ các đặc tính đường truyền khác nhau. 2.6. Thơng số tán xạ thời gian(time dispertin parameter). Để phân biệt,so sánh tính chất của các kênh truyền dẫn đa đường ,người ta sử dụng các thơng số tán xạ thời gian như độ trễ trung bình vượt mức(mean excess delay) ,trễ hiệu dụng (rms delay spread) và trễ vượt mức(excess delay spread).Các thơng số này cĩ thể được tính từ đặc tính cơng suất truyền tới bộ thu của các thành phần đa đường (power delay profile) .Excess delay,,là khoảng thời gian chênh lệch giữa tia sĩng đang xét với thành phần đến bộ thu đầu tiên .Tính chất tán xạ thời gian(time dispersive) của kênh truyền dẫn đa đường dải rộng được thể hiện qua thơng số mean excess delay,,và rms delay spread,. được định nghĩa là moment cấp một của power delay profile: (2.8) ak, : biên độ,cơng suất thành phần thứ k của tín hiệu đa đường. Rms delay spread () là căn bậc hai moment trung tâm cấp hai của power delay profile: (2.9) với (2.10) 2.7. Phổ Doppler (Doppler spectrum). Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu ảnh hưởng của doppler shift vào việc truyền một sĩng mang chưa điều chế tần số fc từ BS. Một MS di chuyển theo hướng tạo thành một gĩc với tín hiệu nhận được từ thành phần thứ I như hình 2.3. MS di chuyển với vận tốc v,sau khoảng thời gian đi được d=v. .Khi đĩ đoạn đường từ BS đến MS của thành phần thứ I của tín hiệu sẽ bị thay đổi một lượng là . BS d X Y MS v Hình 2.3: Hiệu ứng Doppler Theo hình vẽ ta cĩ : (2.11) Khi đĩ,pha của tín hiệu sẽ bị thay đổi một lượng : (2.12) : Bước sĩng của tín hiệu. Dấu “-“ cho thấy độ trễ pha của sĩng sẽ giảm khi MS di chuyển về phía BS. Tần số Doppler được định nghĩa như là sự thay đổi pha do sự di chuyển của MS trong suốt khoảng thời gian : (2.13) Thay phương trình (2.12) vào phương trình (2.13) ta được: (2.14) Với fm=v/=vfc/c là độ dịch tần doppler cực đại ( từ tần số sĩng mang được phát đi ) do sự di chuyển của MS. Chú ý rằng , tần số Doppler cĩ thể dương hoặc âm phụ thuộc vào gĩc . Tần số Doppler cực đại và cực tiểu là fm ứng với gĩc =00 và 1800 khi tia sĩng truyền trùng với hướng MS di chuyển : =00 ứng với trường hợp tia sĩng đi tới từ phía trước MS. =1800 ứng với trường hợp tia sĩng đi tới từ phía sau MS. Điều này tương tự với sự thay đổi tần số của tiếng cịi xe lửa được tiếp nhận bởi một người đứng ở đường ray khi xe lửa đang tới gần hoặc đi xa dần người đĩ. Trong một mơi trường truyền dẫn thực,tín hiệu đến bộ thu bằng nhiều đường với khoảng cách và gĩc tới khác nhau. Vì vậy, khi một sĩng sin được truyền đi, thay vì bị dịch một khoảng tần số duy nhất (Doppler shift ) tại đầu thu, phổ của tín hiệu sẽ trải rộng từ fc(1-v/c) đến fc(1+v/c) và được gọi là phổ Doppler. Khi ta giả thiết xác suất xảy ra tất cả các hướng di chuyển của mobile hay nĩi cách khác là tất cả các gĩc tới là như nhau (phân bố đều ),mật độ phổ cơng suất của tín hiệu tại bộ thu được cho bởi : với k là hằng số (2.15) Chú ý rằng, khi f=fc => S(f=fc)= f= => S(f= )= Hình dạng của S(f) được mơ tả như hình 2.4: fc+fm fc-fm fc Hình 2.4: Phổ cơng suất Doppler 2.8. Trải phổ doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time). Delay spread và coherence bandwidth là các thơng số mơ tả bản chất tán xạ thời gian của kênh truyền .Tuy nhiên,chúng khơng cung cấp thơng tin về sự thay đổi tính chất theo thời gian của kênh do sự chuyển tương đối giữa MS và BS hoặc do sự di chuyển của các vật thể khác trong mơi trường truyền dẫn.Doppler spread và coherence time là những thơng số mơ tả bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền. Doppler spread BD là thơng số do sự mở rộng phổ gây ra bởi sự thay đổi theo thời gian của kênh vơ tuyến di động và được định nghĩa là khoảng tần số mà phổ tần doppler nhận được là khác khơng.Khi một sĩng hình sin cĩ tần số fC được truyền đi ,phổ tín hiệu nhận được ,phổ doppler,sẽ cĩ các thành phần nằm trong khoảng tần số fc-fd đến fc+fd với fd là độ dịch tần do hiệu ứng doppler. Lượng phổ được mở rộng phụ thuộc vào fd là một hàm của vận tốc tương đối của MS và gĩc giữa hướng di chuyển của MS và hướng của sĩng tín hiệu tới MS.Nếu độ rộng phổ của tín hiệu lớn hơn nhiều so với BD, ảnh hưởng của doppler spread là khơng đáng kể tại bộ thu và đây là kênh fading biến đổi chậm . Coherence time Tc chính là đối ngẫu trong miền thời gian (time domain dual) của doppler spread, dùng để mơ tả sự tán xạ tần số và bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền.Doppler spread và coherence time tỉ lệ nghịch với nhau : Tc1/fm (2.16) Coherence time là khoảng thời gian mà đáp ứng của kênh truyền khơng thay đổi .Nĩi cách, coherence time là khoảng thời gian mà hai tín hiệu cĩ sự tương quan với nhau về biên độ . Nếu nghịch đảo của độ rộng phổ của tín hiệu lớn hơn nhiều so với coherence time của kênh truyền thì khi đĩ kênh truyền sẽ thay đổi trong suốt thời gian truyền tín hiệu và do đĩ gây méo ở bộ thu .Coherence time được định nghĩa là khoảng thời gian mà hàm tương quan lớn hơn 0.5,khi đĩ [2]: (2.17) với fm là tần số doppler cực đại: fm=v/ Trên thực tế, nếu ta tính TC theo phương trình 2.16 thì trong khoảng TC tín hiêụ truyền sẽ bị dao động nhiều nếu cĩ phân bố Rayleigh, trong khi phương trình 2.17 lại quá hạn chế . Vì thế, người ta thường định nghĩa TC là trung bình nhân của hai phương trình trên : (2.18) Định nghĩa thời gian kết hợp ngụ ý rằng hai tín hiệu đến bộ thu khác nhau một khoảng thời gian TC sẽ bị ảnh hưởng khác nhau bởi kênh truyền. Ví dụ, một MS di chuyển với vận tốc 60 m/phút sử dụng sĩng mang tần số 900MHZ, ta cĩ thời gian kết hợp : Khi sử dụng hệ thống kĩ thuật số, nếu tốc độ dữ liệu lớn hơn1/TC =454bps, kênh truyền sẽ khơng tạo ra méo do sự di chuyển của MS . Nếu sử dụng cơng thức (2.18) thì TC=6.77ns và tốc độ dữ liệu phải lớn hơn 150bit/s để tránh hiện tượng méo do tán xạ tần số. 2.9. Kết luận. Sau khi phân tích các tính chất của kênh vơ tuyến, chúng ta thấy được rằng, việc thêm vào khoảng thời bảo vệ và mở rộng chu kỳ đồng thời truyền dẫn sĩng mang con song song sẽ hạn chế được rất nhiều ảnh hưởng của kênh vơ tuyến lên tín hiệu OFDM. Trong chương tiếp theo, để chúng ta hiểu rõ hơn về kĩ thuật điều chế OFDM,sẽ trình bày các vấn đề kĩ thuật trong hệ thống OFDM, việc đồng bộ,ước lượng kênh cũng như các kĩ thuật giảm PAR trong hệ thống OFDM.