Đề cương bài giảng Thông tin vô tuyến

Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ......... 4 1.1. Các khái niệm về thông tin vô tuyến .................................................................. 4 1.1.1. Khái niệm về thông tin vô tuyến .................................................................. 4 1.1.2. Lịch sử phát triển của thông tin vô tuyến ..................................................... 4 1.1.3. Khái niệm kênh truyền ................................................................................. 5 1.1.4. Khái niệm về sóng mang ............................................................................. 5 1.1.5. Khái niệm về truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông ....... 6 1.1.6. Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến ................................................... 6 1.1.7. Khái niệm về chuẩn vô tuyến ....................................................................... 6 1.2. Phân chia dải tần số vô tuyến và ứng dụng cho các mục đích thông tin ............. 6 CHƢƠNG 2. LÝ THUYẾT VỀ KÊNH VÔ TUYẾN ................................................... 9 2.1. Khái niệm về kênh truyền dẫn phân tập đa đƣờng .............................................. 9 2.2. Đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh ......................................................... 9 2.2.1. Đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian ..................................... 9 2.2.2. Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian ................................. 10 2.3. Bề rộng độ ổn định về tần số của kênh ............................................................. 10 2.4. Hiệu ứng Doppler ............................................................................................. 11 2.5. Kênh phụ thuộc thời gian ................................................................................. 12 2.6. Bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh ........................................................ 12 2.7. Khái niệm về sóng vô tuyến ............................................................................. 13 2.7.1. Sóng bề mặt ............................................................................................... 13 2.7.2. Sóng không gian ........................................................................................ 13 2.8. Đƣờng truyền lan sóng vô tuyến....................................................................... 14 2.8.1. Sự lan truyền của băng tần số thấp ............................................................. 15 2.8.2. Sự truyền lan của băng tần số cao .............................................................. 15 2.9. Các phƣơng thức truyền lan sóng điện từ ......................................................... 15 2.9.1. Sự truyền lan sóng đất ............................................................................... 16 2.9.2. Sự truyền lan sóng không gian ................................................................... 16 2.9.3. Sự truyền lan sóng trời ............................................................................... 17 2.10. Một số thuật ngữ và định nghĩa truyền sóng ................................................... 18 2.10.1. Tần số tới hạn và Góc tới hạn .................................................................. 18 2.10.2. Độ cao ảo ................................................................................................. 19 2.11. Các nhân tố ảnh hƣởng đến sự truyền lan sóng vô tuyến ................................ 20 2.11.1. Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do ........................................ 20 2.11.2. Ảnh hƣởng của pha đing và mƣa ............................................................. 20 2.11.3. Sự can nhiễu của sóng vô tuyến ............................................................... 21 2.12. Đặc điểm một số dải sóng vô tuyến ................................................................ 21 2.12.1. Sóng cực dài và sóng dài ......................................................................... 21 Nguyễn Thị Huyền Linh 1 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến 2.12.2. Sóng trung................................................................................................ 21 2.12.3. Sóng ngắn (SN) ........................................................................................ 22 2.12.4. Các sóng cực ngắn (SCN) ........................................................................ 23 CHƢƠNG 3. NHIỄU TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ........................................ 25 3.1. Các loại nhiễu trong thông tin vô tuyến ............................................................ 25 3.1.1. Khái niệm về nhiễu trắng (White Gaussian Noise) .................................... 25 3.1.2. Tạp âm nhiệt trắng chuẩn cộng tính (Additive White Gaussian Noise) ..... 26 3.1.3. Khái niệm về nhiễu xuyên ký tự ISI (Inter symbol interference) ............... 27 3.1.4. Khái niệm về nhiễu xuyên kênh ICI (Inter Channel Interference) ............. 29 3.1.5. Khái niệm về nhiễu đồng kênh CCI (Co- Channel Interference) ............... 29 3.1.6. Khái niệm về nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference) ..... 31 3.2. Các phƣơng pháp giảm nhiễu trong thông tin vô tuyến .................................... 31 3.2.1. Tóm tắt về lý thuyết dung lƣợng kênh của Shannon .................................. 31 3.2.2. Định lý giới hạn băng thông Nyquist. ........................................................ 32 3.2.3. Giảm nhiễu xuyên kí hiệu ISI sử dụng các phƣơng pháp lọc ..................... 33 CHƢƠNG 4. KIẾN TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ......................... 36 4.1. Các vấn đề cơ bản trong thiết kế các hệ thống vô tuyến ................................... 36 4.1.1. Nhiệt độ tạp âm hệ thống và hệ số tạp âm ................................................. 36 4.1.2. Độ nhạy thu ............................................................................................... 38 4.1.3. Các hiện tƣợng phi tuyến ........................................................................... 39 4.2. Các chuẩn vô tuyến .......................................................................................... 39 4.2.1. Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G- 1Generation ) .......... 39 4.2.2. Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) ................................... 41 4.2.3. Các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G ............................................... 44 4.2.4. Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) .................................... 45 4.3. Kiến trúc các hệ thống vô tuyến ....................................................................... 46 4.3.1. Hệ thống phát vô tuyến .............................................................................. 46 4.3.2. Kiến trúc máy thu ...................................................................................... 47 CHƢƠNG 5. CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ-GIẢI ĐIỀU CHẾ Ở GIAO DIỆN VÔ TUYẾN ....................................................................................................................... 54 5.1. Kỹ thuật điều chế OFDM ................................................................................. 54 5.1.1. Mở đầu ....................................................................................................... 54 5.1.2. Các ƣu và nhƣợc điểm ............................................................................... 55 5.1.3. Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam ........................................... 55 5.2. Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM ............................. 56 5.2.1. Phƣơng pháp điều chế đơn sóng mang....................................................... 56 5.2.2. Phƣơng pháp điều chế đa sóng mang FDM ............................................... 57 5.2.3. Phƣơng pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ............................. 58 5.3. Lý thuyết về điều chế OFDM ........................................................................... 59 5.3.1. Khái niệm về sự trực giao của hai tín hiệu ................................................. 59 5.3.2. Bộ điều chế OFDM .................................................................................... 60 5.3.3. Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM .......................................................... 62 5.3.4 Phép nhân với xung cơ bản (Basic Impulse) ............................................... 63 Nguyễn Thị Huyền Linh 2 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến 5.3.5. Thực hiện điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT ...................................... 64 5.4. Lý thuyết về giải điều chế OFDM .................................................................... 65 5.4.1. Khái niệm về kênh truyền dẫn phân tập đa đƣờng ..................................... 65 5.4.2. Bộ giải điều chế OFDM ............................................................................. 65 5.4.3. Thực hiện bộ giải điều chế thông qua phép biến đổi nhanh FFT ............... 68 5.5. Phổ tín hiệu OFDM .......................................................................................... 69 5.5.1. Biểu diễn toán học của phổ tín hiệu OFDM ............................................... 69 5.5.2. Hiệu suất phổ tín hiệu của hệ thống OFDM ............................................... 70 CHƢƠNG 6. CẤP PHÁT KÊNH VÔ TUYẾN VÀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN ....................................................................................................................... 73 6.1. Hệ thống thông tin vô tuyến tế bào - cơ sở thiết kế hệ thống ............................ 73 6.1.1. Tế bào và việc phân bổ tần số .................................................................... 73 6.1.2. Nhiễu đồng kênh và dung lƣợng hệ thống vô tuyến tế bào ........................ 73 6.2. Các phƣơng pháp đa truy nhập mạng ............................................................... 74 6.2.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số ............................................................ 74 6.2.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian ....................................................... 77 6.2.3. Đa truy nhập phân chia theo mã ................................................................. 80 6.2.4. Đa truy nhập phân chia theo không gian .................................................... 82 6.3. Các phƣơng thức truyền dẫn ............................................................................. 83 6.3.1. Truyền dẫn có dây ..................................................................................... 83 6.3.2. Truyền dẫn không dây ............................................................................... 85 Nguyễn Thị Huyền Linh 3 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.1. Các khái niệm về thông tin vô tuyến 1.1.1. Khái niệm về thông tin vô tuyến Hình 1.1 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thông thông tin vô tuyến. Mô hình kênh (Discrete Channel) Nguồn tin Mã nguồn Mã kênh Điều chế (source coding) (Channel coding) (Modulation) Kênh vô tuyến (Channel) Tín hiệu đích Giải mã nguồn Giải mã kênh Giải điều chế (Destination) (source decoding) (Channel Decoding) (Demodulation) Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin Nguồn tin trƣớc hết qua mã nguồn để giảm các thông tin dƣ thừa, sau đó đƣợc mã kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh đƣợc điều chế để có thể truyền tải đƣợc đi xa. Các mức điều chế phải phù hợp để với điều kiện của kênh truyền. Sau khi tín hiệu đƣợc phát đi ở máy phát, tín hiệu thu đƣợc ở máy thu sẽ trải qua các bƣớc ngƣợc lại so với máy phát. Kết quả tín hiệu đƣợc giải mã và thu lại đƣợc ở máy thu. Chất lƣợng tín hiệu phụ thuộc vào chất lƣợng kênh truyền, các phƣơng pháp điều chế và mã hóa khác nhau. 1.1.2. Lịch sử phát triển của thông tin vô tuyến Vào đầu thế kỷ 20 Marconi thành công trong việc liên lạc vô tuyến qua Đại Tây dƣơng, Kenelly và Heaviside phát hiện một yếu tố là tầng điện ly hiện diện ở tầng phía trên của khí quyển có thể dùng làm vật phản xạ sóng điện từ. Những yếu tố đó đã mở ra một kỷ nguyên thông tin vô tuyến cao tần đại quy mô. Gần 40 năm sau Marconi, thông tin vô tuyến cao tần là phƣơng thức thông tin vô tuyến duy nhất sử dụng phản xạ của tầng đối lƣu, nhƣng nó hầu nhƣ không đáp ứng nổi nhu cầu thông tin ngày càng gia tăng. Chiến tranh Thế giới lần thứ hai là một bƣớc ngoặt trong thông tin vô tuyến. Thông tin tầm nhìn thẳng - lĩnh vực thông tin sử dụng băng tần số cực cao (VHF) và đã đƣợc nghiên cứu liên tục sau chiến tranh thế giới - đã trở thành hiện thực nhờ sự phát triển các linh kiện điện tử dùng cho HF và UHF, chủ yếu là để phát triển ngành Nguyễn Thị Huyền Linh 4 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến Rađa. Với sự gia tăng không ngừng của lƣu lƣợng truyền thông, tần số của thông tin vô tuyến đã vƣơn tới các băng tần siêu cao (SHF) và cực cao (EHF). Vào những năm 1960, phƣơng pháp chuyển tiếp qua vệ tinh đã đƣợc thực hiện và phƣơng pháp chuyển tiếp bằng tán xạ qua tầng đối lƣu của khí quyển đã xuất hiện. Do những đặc tính ƣu việt của mình, chẳng hạn nhƣ dung lƣợng lớn, phạm vi thu rộng, hiệu quả kinh tế cao, thông tin vô tuyến đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong phát thanh truyền hình quảng bá, vô tuyến đạo hàng, hàng không, quân sự, quan sát khí tƣợng, liên lạc sóng ngắn nghiệp dƣ, thông tin vệ tinh - vũ trụ v.v... Tuy nhiên, can nhiễu với lĩnh vực thông tin khác là điều không tránh khỏi, bởi vì thông tin vô tuyến sử dụng chung phần không gian làm môi trƣờng truyền dẫn. Để đối phó với vấn đề này, một loạt các cuộc Hội nghị vô tuyến Quốc tế đã đƣợc tổ chức từ năm 1906. Tần số vô tuyến hiện nay đã đƣợc ấn định theo "Quy chế thông tin vô tuyến (RR) tại Hội nghị ITU ở Geneva năm 1959. Sau đó lần lƣợt là Hội nghị về phân bố lại dải tần số sóng ngắn để sử dụng vào năm 1967, Hội nghị về bổ sung quy chế tần số vô tuyến cho thông tin vũ trụ vào năm 1971, và Hội nghị về phân bố lại tần số vô tuyến của thông tin di động hàng hải cho mục đích kinh doanh vào năm 1974. Tại Hội nghị của ITU năm 1979, dải tần số vô tuyến phân bố đã đƣợc mở rộng tới 9kHz - 400 Ghz và đã xem xét lại và bổ sung cho Quy chế thông tin vô tuyến điện (RR). Để giảm bớt can nhiều của thông tin vô tuyến, ITU tiếp tục nghiên cứu những vấn đề sau đây để bổ sung vào sự sắp xếp chính xác khoảng cách giữa các sóng mang trong Quy chế thông tin vô tuyến: - Dùng cách che chắn thích hợp trong khi lựa chọn trạm. - Cải thiện hƣớng tính của anten - Nhận dạng bằng sóng phân cực chéo. - Tăng cƣờng độ ghép kênh. - Chấp nhận sử dụng phƣơng pháp điều chế chống lại can nhiễu. 1.1.3. Khái niệm kênh truyền Kênh truyền là môi trƣờng truyền dẫn cho phép truyền lan sóng vô tuyến. Thông tin vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trƣờng truyền dẫn. Tùy thuộc vào môi trƣờng truyền dẫn mà kênh truyền dẫn có các tính chất khác nhau. 1.1.4. Khái niệm về sóng mang Sóng mang là sóng đƣợc nhân với tín hiệu có ích trƣớc khi gửi ra ăngten phát. Sóng mang bản thân nó không mang tín hiệu có ích. Tùy thuộc vào môi trƣờng truyền dẫn Nguyễn Thị Huyền Linh 5 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến và dải tín hiệu cho phép mà ngƣời ta lựa chọn giá trị tần số sóng mang. Thông thƣờng thì sóng mang là sóng trung tâm của dải băng tần cho phép của hệ thống thông tin. 1.1.5. Khái niệm về truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông Truyền dẫn vô tuyến thông thƣờng đƣợc thực hiện ở băng thông , nghĩa là tín hiệu phải đƣợc điều chế bằng một sóng mang nào đó trƣớc khi phát đi. Truyền dẫn ở băng tần có sở là việc truyền dẫn không qua sóng mang. Tín hiệu không qua sóng mang không có khả năng truyền đƣợc đi xa do suy hao lớn. 1.1.6. Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến Các hệ thống thông tin vô tuyến có thể đƣợc phân loại theo sự cung cấp dịch vụ. Ví dụ hệ thống phát thanh và truyền hình, dịch vụ của hai hệ thống là thoại và hình ảnh. Có thể phân loại hệ thống thông tin vô tuyến theo phƣơng thức truyền dẫn nhƣ hệ thống truyền bán song công (bộ đàm) hay song công (hệ thống thông tin di động). Cũng có thể phân loại hệ thống theo môi trƣờng truyền dẫn. 1.1.7. Khái niệm về chuẩn vô tuyến Để xây dựng một hệ thống vô tuyến trong phạm vi đa quốc gia hay toàn cầu ngƣời ta đƣa ra các chuẩn cụ thể cho các hệ thống cụ thể. Các chuẩn này quy định cấu trúc máy phát, máy thu, cấu trúc toàn bộ hệ thống thông tin một cách thống nhất. Các hãng sản xuất thiết bị thông tin sẽ theo các quy chuẩn này để thiết kế hệ thống. Trên thế giới có hai tổ chức lớn thực hiện các vấn đề này đó là Hiệp hội Điện tử Thế giới IEEE và tổ chức quy chuẩn của Châu Âu ETSI. 1.2. Phân chia dải tần số vô tuyến và ứng dụng cho các mục đích thông tin Thông tin vô tuyến đảm bảo việc phát thông tin đi xa nhờ các sóng điện từ . Môi trƣờng truyền sóng (khí quyển trên mặt đất, vũ trụ, nƣớc, ...) là chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến. Việc phân kênh chủ yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số. Phổ tần tổng cộng và miền áp dụng cho chúng đƣợc chỉ ra trên hình 1.2. Dải tần số radio Dải sợi quang Âm Viba, Hồng Tia Tia Tia vũ Hạ Siêu AM TV, vệtinh, nhìn Cực Tia âm thanh âm radio FM rađa ngoại thấy tím X gamma trụ 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 10 10 10 12 10 14 10 16 10 18 10 20 10 22 Tần số (Hz) Hình 1.2 Phổ tần số vô tuyến và ứng dụng Nguyễn Thị Huyền Linh 6 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến Phổ tần kéo dài từ các tần số dƣới âm thanh (vài Hz) đến các tia vũ trụ (10 22 Hz) và đƣợc chia tiếp thành các đoạn nhỏ gọi là các băng tần. Toàn bộ dải tần số vô tuyến (RF) lại đƣợc chia thành các băng nhỏ hơn, có tên và ký hiệu theo Ủy ban tƣ vấn về thông tin vô tuyến quốc tế CCIR. - Các tần số cực kỳ thấp (ELF) có giá trị nằm trong phạm vi 30Hz đến 300Hz, chứa cả tần số mạng điện AC và các tín hiệu đo lƣờng từ xa tần thấp. - Các tần số tiếng nói (VF), có giá trị nằm trong phạm vi 300Hz đến 3kHz, chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn. - Các tần số rất thấp (VLF), có giá trị nằm trong phạm vi 3kHz đến 30kHz, chứa phần trên của dải nghe đƣợc của tiếng nói. Dùng cho các hệ thống an ninh, quân sự và chuyên dụng của chính phủ nhƣ là thông tin dƣới nƣớc (giữa các tàu ngầm). - Các tần số thấp (LF) có giá trị nằm trong phạm vi 30kHz đến 300kHz (thƣờng gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đƣờng hàng hải và hàng không. - Các tần số trung bình (MF) có giá trị nằm trong phạm vi 300kHz đến 3MHz (thƣờng đƣợc gọi là sóng trung), chủ yếu dùng cho phát thanh thƣơng mại sóng trung. Ngoài ra cũng sử dụng cho đƣờng dẫn hàng hải và hàng không. - Các tần số cao (HF) có giá trị nằm trong phạm vi 3MHz đến 30MHz (thƣờng gọi là sóng ngắn). Phần lớn các thông tin vô tuyến hai chiều sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, phát thanh quảng bá,... - Các tần số rất cao (VHF) có giá trị nằm trong phạm vi 30MHz đến 300MHz (còn gọi là sóng mét), thƣờng dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thƣơng mại, truyền hình thƣơng mại. - Các tần số cực cao (UHF) có giá trị nằm trong phạm vi 300MHz đến 3GHz (còn gọi là sóng decimet), dùng cho các kênh truyền hình thƣơng mại, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các hệ thống điện thoại tế bào, một số hệ thống rađa và dẫn đƣờng, các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh. - Các tần số siêu cao (SHF) có giá trị nằm trong phạm vi 3GHz đến 30GHz (còn gọi là sóng centimet), chủ yếu dùng cho vi ba và thông tin vệ tinh. - Các tần số cực kỳ cao (EHF) có giá trị nằm trong phạm vi 30GHz đến 300GHz (còn gọi là sóng milimet), ít sử dụng cho thông tin vô tuyến. - Các tần số hồng ngoại có giá trị nằm trong phạm vi 0,3THz đến 300THz, nói chung không gọi là sóng vô tuyến. Sử dụng trong các hệ thống dẫn đƣờng tìm nhiệt, chụp ảnh điện tử và thiên văn học. Nguyễn Thị Huyền Linh 7 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến - Các ánh sáng nhìn thấy có giá trị nằm trong phạm vi 0,3PHz đến 3PHz, dùng trong hệ thống sợi quang. - Các tia cực tím, tia X, tia gamma và tia vũ trụ rất ít sử dụng cho thông tin. Chú thích: 1 THz (terahertz) = 10 12 Hz 1 PHz (petahertz) = 10 15 Hz 1 EHz (exahertz) = 10 18 Hz Nguyễn Thị Huyền Linh 8 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến CHƢƠNG 2. LÝ THUYẾT VỀ KÊNH VÔ TUYẾN 2.1. Khái niệm về kênh truyền dẫn phân tập đa đƣờng Ăng ten Vật Tuyến 2 (τ2) phản Tuyến 1 (τ1) xạ Máy thu Hình 2.1 Mô hình phản xạ trong truyền dẫn phân tập đa đƣờng Tín hiệu từ ăng ten phát đƣợc truyền đến máy thu thông qua nhiều hƣớng phản xạ hoặc tán xạ khác nhau. Ở hình trên tín hiệu giả sử nhận đƣợc bằng hai luồng tín hiệu. Một luồng là tín hiệu truyền thẳng có trễ truyền dẫn tƣơng ứng là τ1, tuyến thứ hai phản xạ từ vật cản có trễ truyền dẫn là τ2. Tín hiệu ở máy thu là tổng của tín hiệu nhận đƣợc từ 2 tuyến truyền dẫn, tín hiệu thu đƣợc ở luồng τ1 bị suy giảm ở một mức độ khác so với độ suy giảm ở luồng τ2. Do vậy cƣờng độ tín hiệu thu đƣợc ở luồng τ1 khác với tín hiệu ở luồng τ2 cho dù máy phát phát đi hai tín hiệu có cùng biên độ. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiện tƣợng fading ở miền tần số (fading đƣợc hiểu là hiện tƣợng suy hao của tín hiệu phát nhận đƣợc tại máy thu do kênh truyền dẫn gây ra). Kênh truyền dẫn phân tập đa đƣờng gây nên hiệu ứng fading ở miền tần số gọi là kênh phụ thuộc tần số. Thực chất của hiện tƣợng kênh phụ thuộc tần số là hàm truyền đạt của kênh phụ thuộc vào giá trị của tần số của tín hiệu phát. Mô hình tổng quát của truyền dẫn phân tập đa đƣờng không phải chỉ là hai tuyến truyền dẫn mà có thể là vô số các tuyến truyền dẫn khác nhau. Tín hiệu phát có thể là phản xạ, tán xạ hoặc khúc xạ theo nhiều hƣớng khác nhau rồi mới đến máy thu. Trong trƣờng hợp máy phát và máy thu đặt trong tầm nhìn thẳng thì sẽ có một luồng tín hiệu trong tầm nhìn thẳng. Tín hiệu này thƣờng có cƣờng độ lớn hơn hẳn và chất lƣợng tín hiệu thu tốt hơn nhiều. 2.2. Đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh 2.2.1. Đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian a) Khái niệm về kênh không phụ thuộc thời gian Kênh không phụ thuộc thời gian là kênh truyền dẫn trong trƣờng hợp không có sự chuyển động tƣơng đối giữa máy phát và máy thu. Bản chất của hiện tƣợng này là cả đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian. b) Định nghĩa của xung Dirac Xung δ(t) đƣợc định nghĩa là xung Dirac nếu nó thõa mãn hai điều kiện sau : Nguyễn Thị Huyền Linh 9 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến   (t)  0 nếu t ≠ 0 và  (t)  1  c) Khái niệm về đáp ứng xung của kênh Đáp ứng xung của kênh là một dãy xung thu đƣợc ở máy thu khi máy phát phát đi một xung cực ngắn gọi là xung Dirac δ(t). Đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian về mặt toán học đƣợc biểu diễn nhƣ sau : N p h( )  ak . ( k ) k 1 Trong đó : k là chỉ số của tuyến truyền dẫn, h(τ) là đáp ứng xung của kênh, τ là biến trễ truyền dẫn, τk là trễ truyền dẫn tƣơng ứng với biến k, ak là hệ số suy hao và Np là số tuyến truyền dẫn. Hình 2.2 mô tả đáp ứng xung của kênh. h(τ) τ Hình 2.2 Đáp ứng xung của kênh 2.2.2. Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian Chuyển đổi Fourier của đáp ứng xung h(τ) ta đƣợc hàm truyền đạt H(jω) : FT h(τ)  H(jω) Hàm truyền đạt của kênh là :  N p H ( j)  h( )e  j d  ak e  j k  k 1 Dựa vào hàm truyền đạt của kênh ta có thể nhận biết đƣợc ở miền tần số nào tín hiệu bị suy hao hay tƣơng ứng với độ fading lớn, hoặc ở miền tần số nào tín hiệu ít bị suy hao. 2.3. Bề rộng độ ổn định về tần số của kênh Bề rộng độ ổn định về tần số của kênh đƣợc định nghĩa : (f )c   1 max Trong đó, (Δf)c là bề rộng độ ổn định tần số của kênh còn τmax là trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh. Tùy thuộc vào bề rộng băng tần của hệ thống so với bề rộng độ ổn định tần số của kênh mà kênh đƣợc định nghĩa là kênh phụ thuộc tần số hay không. Nguyễn Thị Huyền Linh 10 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến Nếu bề rộng độ ổn định tần số của kênh lớn hơn nhiều so với bề rộng băng tần của hệ thống: (Δf)c >>B thì kênh đƣợc định nghĩa là không phụ thuộc vào tần số. Trong trƣờng hợp ngƣợc lại : (Δf)c <<B thì kênh đƣợc định nghĩa là kênh phụ thuộc tần số. 2.4. Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tƣơng đối giữa máy phát và máy thu nhƣ trên hình 2.3. Ăng ten Vật Tuyến 2: τ2(t) phản Tuyến 1: τ1(t) xạ  1 Máy thu Hình 2.3 Hàm truyền đạt của kênh Bản chất của hiện tƣợng này là phổ của tín hiệu thu đƣợc bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler. Giả thiết góc tới của tuyến k so với hƣớng chuyển động của máy thu là k , khi đó tần số Doppler tƣơng ứng của tuyến này là: fDk   c f0 cos(k ) Trong đó:  là vận tốc chuyển động tƣơng đối của máy phát so với máy thu, c là vận tốc ánh sáng và f0 là tần số sóng mang của hệ thống. Nếu k = 0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là: f D max   c f 0 Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cƣờng độ ngang nhau ở khắp mọi hƣớng, khi đó phổ của tín hiệu tƣơng ứng với tần số Doppler đƣợc biểu diễn nhƣ sau :  A f 0  f D max  f  f 0  f D max  f  f0  1    yy ( j)    f max     cac truong hop con lai  0 Phổ của tín hiệu thu đƣợc biểu diễn trên hình 2.4. Nguyễn Thị Huyền Linh 11 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến (f) yy A fDmax-f0 f0 fDmax+f0 f Hình 2.4 Mật độ phổ của tín hiệu thu Mật độ phổ của tín hiệu thu bị ảnh hƣởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm 1974, nên còn đƣợc gọi là phổ Jake. Ý nghĩa của phổ tín hiệu: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu sẽ không nhận đƣợc chính xác trên tần số sóng mang f0 mà bị dịch đi cả về hai phía với độ dịch là fDmax. Sự dịch tần số này ảnh hƣởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống. Hiệu ứng Doppler còn gây ra sự phụ thuộc thời gian của kênh vô tuyến. 2.5. Kênh phụ thuộc thời gian Sự dịch chuyển tƣơng đối giữa máy phát và máy thu gây ra hiệu ứng Doppler và hiện tƣợng phụ thuộc vào thời gian của kênh. Sự phụ thuộc thời gian của đáp ứng xung kênh vô tuyến đƣợc biểu diễn ở phƣơng trình sau : h( ,t)  ak e j (2f D k t k )  ( k(t)) Thời gian trễ truyền dẫn τ liên quan đến độ dài của tuyến truyền dẫn và vận tốc ánh sáng, còn thời gian tuyệt đối t liên quan đến điểm thời gian quan sát kênh. Điểm thời gian quan sát kênh có thể là ban ngày hay ban đêm, mang ý nghĩa tuyệt đối, còn trễ truyền dẫn đƣợc tính là hiệu số giữa thời điểm nhận đƣợc tín hiệu và thời điểm phát tín hiệu. Đáp ứng xung của kênh là phép biểu diễn toán học của kênh ở miền thời gian. Biến đổi Fourier của đáp ứng xung của kênh cho ta hàm truyền đạt của kênh, vì vậy hàm truyền đạt của kênh là phép biểu diễn toán học của kênh ở miền tần số. Hàm truyền đạt của kênh đƣợc biểu diễn nhƣ sau :  N p H ( j,t)  h( ,t)e  j d  ak e j (2f D k t k ) e  j k (t )  k 1 2.6. Bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh Để đánh giá sự phụ thuộc vào thời gian của kênh, Proakis đƣa ra định nghĩa về bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh nhƣ sau : Nguyễn Thị Huyền Linh 12 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến (t) c  2. f 1 D max Tùy thuộc vào sự so sánh giữa bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh với chu kỳ lấy mẫu tín hiệu sẽ cho ta kết quả liệu kênh vô tuyến đƣợc gọi là kênh phụ thuộc thời gian hay không. Nếu bề rộng sự ổn định về thời gian của kênh lớn hơn nhiều so với độ dài một mẫu tín hiệu của hệ thống : (Δt)c >> Ts thì kênh truyền dẫn của hệ thống đó đƣợc coi là không phụ thuộc thời gian. Trong trƣờng hợp ngƣợc lại, có nghĩa là : (Δt)c << T s thì kênh truyền dẫn của hệ thống đƣợc coi là phụ thuộc thời gian. 2.7. Khái niệm về sóng vô tuyến Sóng vô tuyến là sóng điện từ có tần số từ 30KHz đến 300GHz và đƣợc chia ra các băng tần LF, HF, VHF, UHF và băng tần cao dùng cho thông tin vệ tinh. Có hai loại sóng vô tuyến là sóng dọc và sóng ngang. Sóng dọc là sóng lan truyền theo phƣơng chuyển động của nó (tiêu biểu nhƣ sóng âm thanh lan truyền trong không khí) còn sóng ngang là sóng điện từ có vectơ cƣờng độ điện trƣờng và từ trƣờng vuông góc với nhau và vuông góc với phƣơng truyền sóng. Các sóng vô tuyến có thể đƣợc truyền từ an ten phát đến an ten thu bằng hai đƣờng chính: bằng sóng bề mặt và sóng không gian. 2.7.1. Sóng bề mặt Khi sóng vô tuyến lan truyền dọc theo bề mặt trái đất, thì năng lƣợng truyền dẫn bị tiêu hao. Mức độ tiêu hao này phụ thuộc vào hằng số điện dẫn và điện môi hiệu dụng của đất. Khi tần số sóng trên 30MHz đất có tác dụng nhƣ một dây dẫn kém gây tiêu hao lớn. Do đó, trong thực tế khi truyền sóng trên mặt đất ngƣời ta thƣờng chọn sóng có tần số thấp. 2.7.2. Sóng không gian Là một loại sóng quan trọng trong thông tin VHF,UHF và SHF. Năng lƣợng truyền của sóng không gian từ anten phát đến anten thu theo ba đƣờng truyền tƣơng ứng với sóng trực tiếp, sóng phản xạ từ mặt đất và sóng phản xạ từ tầng đối lƣu. Bầu khí quyển chia ra làm 3 tầng: + Tầng đối lƣu: là lớp khí quyển từ mặt đất lên đến độ cao khoảng (10 - 15)km. Càng lên cao mật độ phân tử khí càng giảm, làm thay đổi phƣơng truyền của các tia sóng. Tầng này thích hợp cho việc truyền sóng ngắn. + Tầng bình lƣu: là lớp khí quyển nằm trong miền từ tầng đối lƣu lên đến độ cao khoảng 60km, tầng này có mật độ phân tử khí thấp, chiết suất khí có tác dụng làm khúc xạ tia sóng, đổi phƣơng truyền, làm cho các tia sóng phát từ mặt đất lên tầng bình lƣu sẽ bị đổi phƣơng truyền quay về mặt đất. Do vậy rất thích hợp cho việc truyền sóng cực ngắn. Nguyễn Thị Huyền Linh 13 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến + Tầng điện ly: là tầng khí quyển cao nằm từ độ cao (80 - 800)km, miền này hấp thụ nhiều tia tử ngoại có năng lƣợng lớn, các tia này có tác dụng phân ly các phần tử khí trở thành các ion tự do, ở tầng này mật độ phân tử khí giảm thấp. Khi tia sóng đƣợc phát lên gần tầng điện ly thì cũng bị phản xạ bẻ cong và quay trở lại mặt đất do vậy rất thích hợp cho việc truyền sóng ngắn. + Sóng trực tiếp Là sóng truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu không bị phản xạ trên đƣờng truyền. Trong điều kiện truyền lan bình thƣờng, nó có biên độ lớn nhất so với các sóng khác đến máy thu. + Sóng phản xạ từ mặt đất Sóng này đến an ten thu sau khi phản xạ một vài lần từ mặt đất hoặc từ các vật thể xung quanh. Sóng phản xạ tới anten thu có biên độ và pha khác với biên độ và pha của sóng trực tiếp, làm tín hiệu thu không ổn định. Nếu hiệu khoảng cách đƣờng truyền của tia phản xạ và tia trực tiếp bằng số lẻ lần nửa bƣớc sóng thì ở anten thu sóng phản xạ lệch pha với sóng trực tiếp một góc 180 0 và kết quả làm suy giảm tín hiệu sóng trực tiếp, đến một mức độ nào đó phụ thuộc vào biên độ của sóng phản xạ. + Sóng phản xạ tầng đối lƣu Do thay đổi chỉ số khúc xạ của không khí theo độ cao so với mặt đất, nên sóng có thể bị phản xạ, tuỳ theo góc sóng tới có thể xảy ra phản xạ toàn phần từ tầng đối lƣu. Trong trƣờng hợp này xuất hiện một biên giới có tác dụng giống nhƣ một bề mặt phản xạ, gửi sóng trở lại mặt đất. Một số tia này sẽ đến an ten thu, có thể làm suy giảm sóng trực tiếp do sự thay đổi pha và biên độ gây ra. Sóng truyền theo tầng đối lƣu có thể lan rộng đến 10 dặm (khoảng 15km). 2.8. Đƣờng truyền lan sóng vô tuyến Sóng vô tuyến không truyền lan theo dạng lý tƣởng khi chúng ở trong không gian do ảnh hƣởng của mặt đất và tầng đối lƣu. Hình 2.5(a) mô tả đƣờng truyền sóng giữa các đầu phát T và đầu thu R và chỉ cho thấy còn có sóng phản xạ từ bề mặt đất để đạt tới trạm thu, ngoài sóng trực tiếp theo đƣờng thẳng. Hình 2.5 Đƣờng đi của Sóng vô tuyến Khi khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu xa nhau hơn, thông tin bằng sóng đi thẳng trở nên không thể đƣợc do độ cong của bề mặt trái đất nhƣ trình bày trong hình 2.5(b) nhƣng vẫn có thể có sóng vô tuyến truyền lan xuống mặt đất do có sóng bề mặt, sóng phản xạ và sóng trời (hình 2.6). Nói chung, sóng bề mặt, sóng trực tiếp và sóng phản xạ, trừ sóng trời, đều đƣợc gọi là sóng đất. Sóng trời là sóng điện từ bị thay đổi hành trình của mình tại tầng điện ly và quay trở về trái đất; tầng điện ly là nơi hội Nguyễn Thị Huyền Linh 14 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến tụ của vô số điện tích, định hình tại độ cao 80-800 Km. Ngoài sóng bề mặt và sóng trời còn có sóng tán xạ - đó là phản xạ do những sự biến đổi mãnh liệt của tầng đối lƣu và điện ly hoặc do sóng điện từ va chạm với các vật chất, chẳng hạn nhƣ các sao băng, và bị tán xạ để rồi đạt tới đầu thu. Sóng tán xạ đƣợc sử dụng trong phƣơng pháp chuyển tiếp qua tán xạ đối lƣu. Hình 2.6 Hành trình của sóng vô tuyến đi qua đƣờng chân trời 2.8.1. Sự lan truyền của băng tần số thấp Sự lan truyền của băng tần số thấp là nhờ vào sóng đất. Do nhiễu xạ sóng điện từ, độ nhiễu xạ tỷ lệ nghịch với bƣớc sóng cho nên tần số sử dụng càng cao, sóng đất càng yếu (để truyền lan tần số thấp). Hiện tƣợng nhiễu xạ có mối tƣơng quan chặt chẽ với độ dẫn điện và hằng số điện môi của đất trong đƣờng lan truyền. Vì cự ly truyền sóng trên mặt biển dài hơn so với mặt đất cho nên tần số thấp đƣợc sử dụng rộng rãi trong thông tin vô tuyến đạo hàng. Trong trƣờng hợp tần số cực thấp, bƣớc sóng lớn hơn nhiều so với chiều cao từ bề mặt trái đất lên tới tầng điện ly. Cho nên, mặt đất và tầng điện ly đóng vai trò nhƣ hai bức tƣờng. Nó đƣợc gọi là chế độ ống dẫn sóng mặt đất - điện ly mà nhờ nó, có thể thông tin tới toàn thế giới. Băng tần số cực thấp đƣợc sử dụng chủ yếu cho thông tin hàng hải và thông tin đạo hàng. 2.8.2. Sự truyền lan của băng tần số cao Thông tin cự ly xa bằng băng tần số cao đƣợc thực hiện nhờ sự phản xạ của sóng trời trên tầng điện ly. Trong phƣơng thức thông tin này, mật độ thu sóng trời phụ thuộc vào tần số vô tuyến và trạng thái của tầng điện ly, trạng thái này thay đổi theo thời gian, theo ngày, theo mùa và theo điều kiện thời tiết. Cho nên việc dự báo trạng thái của tầng điện ly là vô cùng quan trọng đối với thông tin liên lạc sử dụng sóng trời. 2.9. Các phƣơng thức truyền lan sóng điện từ Các sóng bức xạ từ điểm phát có thể đến đƣợc các điểm thu theo những đƣờng khác nhau. Các sóng truyền lan dọc theo bề mặt quả đất gọi là sóng đất hay sóng bề mặt; các sóng đi tới các lớp riêng biệt của tầng ion và phản xạ lại gọi là sóng điện ly hay sóng trời; sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất gọi là sóng không gian (hình 2.7). Nguyễn Thị Huyền Linh 15 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến Khí quyển trái đất Sóng nhìn thẳng Anten phát Anten thu Sóng phản xạ từ đất Sóng bề mặt Bề mặt trái đất Hình 2.7 Các phƣơng thức truyền sóng 2.9.1. Sự truyền lan sóng đất Sóng đất là sóng truyền lan dọc theo bề mặt trái đất, do đó còn đƣợc gọi là sóng bề mặt. Sóng đất là sóng phân cực đứng bởi vì điện trƣờng trong sóng phân cực ngang sẽ song song với bề mặt trái đất, và các sóng nhƣ thế sẽ bị ngắn mạch bởi sự dẫn điện của đất. Thành phần điện trƣờng biến đổi của sóng đất sẽ cảm ứng điện áp trong bề mặt trái đất, tạo ra dòng điện chảy. Bề mặt trái đất cũng có điện trở và các tổn hao điện môi, gây nên sự suy hao sóng đất khi lan truyền. Sóng đất lan truyền tốt nhất trên bề mặt là chất dẫn điện tốt nhƣ nƣớc muối, và truyền kém trên vùng sa mạc khô cằn. Tổn hao sóng đất tăng nhanh theo tần số, vì thế sóng đất nói chung hạn chế ở các tần số thấp hơn 2 MHz. Sóng đất đƣợc dùng rộng rãi cho liên lạc tàu thủy - tàu thủy và tàu thủy - bờ. Sóng đất đƣợc dùng tại các tần số thấp đến 15 kHz. Các nhƣợc điểm của truyền lan sóng đất là: - Sóng đất yêu cầu công suất phát khá cao. - Sóng đất yêu cầu anten kích thƣớc lớn. - Tổn hao thay đổi đáng kể theo loại đất. Các ƣu điểm là: - Với công suất phát đủ lớn, sóng đất có thể dùng để liên lạc giữa 2 điểm bất kì trên thế giới. - Sóng đất ít bị ảnh hƣởng bởi sự thay đổi điều kiện khí quyển. 2.9.2. Sự truyền lan sóng không gian Gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất, truyền trong vài kilomet tầng dƣới của khí quyển. Sóng trực tiếp lan truyền theo đƣờng thẳng giữa các anten phát và thu, còn gọi sóng nhìn thẳng (LOS: Line-Of-Sight). Vì thế, sóng không gian bị hạn chế bởi độ cong của trái đất. Sóng phản xạ từ đất là sóng phản xạ từ bề mặt trái đất khi lan truyền giữa anten phát và thu. Độ cong của trái đất tạo nên chân trời đối với sự truyền lan sóng không gian, thƣờng gọi là chân trời vô tuyến. Có thể kéo dài chân trời vô tuyến bằng cách nâng cao anten phát hoặc anten thu (hay cả hai) bằng tháp hoặc đặt Nguyễn Thị Huyền Linh 16 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến trên đỉnh núi (tòa nhà). Hình 2.8 chỉ ra ảnh hƣởng của độ cao anten đến chân trời vô tuyến. Anten phát Tia nhìn thẳng LOS Anten thu ht dt dr hr d Hình 2.8 Sóng không gian và chân trời vô tuyến Chân trời vô tuyến nhìn thẳng đối với một anten bằng: d  2h trong đó: d = khoảng cách đến chân trời vô tuyến (dặm, 1 dặm = 1,5km), h = độ cao anten so với mực nƣớc biển (feet, 1 feet = 0,304767m). Do đó, khoảng cách giữa anten phát và anten thu là: d  dt  dr  2ht  2hr trong đó: d là tổng khoảng cách (dặm hoặc km), ,dt, dr là chân trời vô tuyến đối với anten phát và anten thu (dặm hoặc kilomet), ht, hr độ cao anten phát và anten thu (phít hoặc mét). Nhƣ vậy, khoảng cách truyền sóng không gian có thể tăng bằng cách tăng độ cao anten phát, anten thu hoặc cả hai. Do các điều kiện ở tầng dƣới khí quyển hay thay đổi nên mức độ khúc xạ thay đổi theo thời gian. Trƣờng hợp đặc biệt gọi là truyền lan trong ống sóng xảy ra khi mật độ đạt mức sao cho các sóng điện từ bị bẫy giữa tầng này và bề mặt trái đất. Các lớp khí quyển hoạt động nhƣ ống dẫn sóng và các sóng điện từ có thể lan truyền rất xa vòng theo độ cong trái đất và trong ống. 2.9.3. Sự truyền lan sóng trời Các sóng điện từ có hƣớng bức xạ cao hơn đƣờng chân trời (tạo thành góc khá lớn so với mặt đất) đƣợc gọi là sóng trời. Sóng trời đƣợc phản xạ hoặc khúc xạ về trái đất từ tầng điện ly, vì thế còn gọi là sóng điện ly. Tầng điện ly hấp thụ một số lƣợng lớn năng lƣợng của tia cực tím và tia X bức xạ của mặt trời, làm ion hóa các phân tử không khí và tạo ra electron tự do. Khi sóng điện từ đi vào tầng điện ly, điện trƣờng của sóng tác động lực lên các electron tự do, làm cho chúng dao động. Khi sóng chuyển động xa trái đất, sự ion hóa tăng, song lại có ít hơn phân tử khí để ion hóa. Do đó, phần trên của khí quyển có số phần trăm phân tử ion hóa cao hơn phần dƣới. Mật độ ion càng cao, khúc xạ càng lớn. Nói chung, tầng điện ly đƣợc phân chia thành 3 lớp: lớp D, E, và F theo độ cao của nó; lớp F lại đƣợc phân chia thành lớp F1, F2 (hình 2.9). Độ cao và mật độ ion hóa của 3 lớp thay đổi theo giờ, mùa và theo chu kì vết đen của mặt trời (11 năm). Tầng điện ly đậm đặc nhất vào ban ngày và mùa hè. Nguyễn Thị Huyền Linh 17 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến km 400 300 F1+F2 Lớp F2 F1+F2 200 Lớp F1 Lớp F 137 100 Lớp E Lớp D (chỉ có ban ngày) 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Giờ trong ngày Hình 2.9 Tầng điện ly và sự thay đổi của chúng theo thời gian trong Lớp D: là lớp thấp nhất, có độ cao 50 ÷ 100 km và nằm xa mặt trời nhất, do đó có ion hóa ít nhất. Nhƣ vậy lớp D ít có ảnh hƣởng đến hƣớng truyền lan sóng vô tuyến. Song các ion ở lớp này có thể hấp thụ đáng kể năng lƣợng sóng điện từ. Lớp D biến mất về đêm. Lớp này phản xạ sóng VLF và LF, hấp thụ các sóng MF và HF. Lớp E: có độ cao 100 ÷ 140 km, còn gọi là lớp Kennelly - Heaviside theo tên của hai nhà bác học khám phá ra nó. Lớp E có mật độ cực đại tại độ cao 70 dặm vào 22 giữa trƣa khi mặt trời ở điểm cao nhất. Lớp E hầu nhƣ biến mất về đêm, hỗ trợ sự lan truyền sóng bề mặt MF và phản xạ sóng HF một chút về ban ngày. Phần trên của lớp E đôi khi đƣợc xét riêng và gọi là lớp E thất thƣờng. Lớp này gây bởi hiện tƣợng nhật hoa và hoạt động của vết đen mặt trời. Đây là lớp mỏng có mật độ ion hoá rất cao, cho phép cải thiện không ngờ cự ly liên lạc. Lớp F: gồm 2 lớp F1 và F2. Lớp F1 có độ cao 140 ÷ 250 km vào ban ngày. Lớp F2 có độ cao 140 ÷ 300 km về mùa đông và 250 ÷ 350 km về mùa hè. Về đêm, 2 lớp này hợp lại với nhau tạo thành một lớp. Lớp F1 hấp thụ và suy hao một số sóng HF, cho qua phần lớn các sóng để đến F2 , rồi khúc xạ ngƣợc về trái đất. 2.10. Một số thuật ngữ và định nghĩa truyền sóng 2.10.1. Tần số tới hạn và Góc tới hạn Các tần số cao hơn dải UHF thực tế không bị ảnh hƣởng bởi tầng điện ly vì bƣớc sóng của chúng cực kì ngắn. Tại các tần số này, khoảng cách giữa các ion là khá lớn, do đó các sóng điện từ đi qua chúng hầu nhƣ không bị ảnh hƣởng. Nhƣ vậy phải tồn tại giới hạn tần số trên đối với sự truyền lan sóng trời. Tần số tới hạn là tần số cao nhất mà sóng điện từ vẫn còn có thể trở về trái đất bởi tầng điện ly. Tần số tới hạn phụ thuộc vào mật độ ion và thay đổi theo giờ và mùa. Nếu góc bức xạ đứng giảm, các tần số lớn hơn hoặc bằng tần số tới hạn còn có thể khúc xạ trở lại bề mặt trái đất, vì chúng sẽ đi khoảng cách dài hơn trong tầng ion và có nhiều thời gian hơn để khúc xạ. Vì thế, tần số tới hạn chỉ đƣợc dùng làm điểm chuẩn so sánh. Mỗi tần số có góc đứng cực đại tại đó nó có thể lan truyền và còn khúc xạ lại bởi tầng ion. Góc này đƣợc gọi là góc tới hạn (hình 2.10). Nhƣ vậy, góc tới hạn liên quan đến mật độ ion Nguyễn Thị Huyền Linh 18 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến của tầng điện ly và tần số của tín hiệu. Góc tới hạn cao cho tần số thấp và thấp cho tần số cao. Xuyên qua tầng ion và biến mất Phản xạ liên tiếp Khúc xạ về trái đất Góc tới hạn Anten phát Bề mặt trái đất Hình 2.10 Góc tới hạn Một kỹ thuật đo lƣờng gọi là thăm dò tầng điện ly bằng âm thanh (ionospheric sounding) đôi khi đƣợc sử dụng để xác định tần số tới hạn. Tín hiệu đƣợc truyền thẳng từ bề mặt đất và tăng dần tần số. Tại các tần số thấp hơn, tín hiệu sẽ bị hấp thụ hoàn toàn bởi khí quyển. Khi tần số tăng dần, một phần sẽ trở lại trái đất. Tại tần số nào đó, tín hiệu sẽ xuyên qua khí quyển, đi vào không gian xa xôi và không trở lại trái đất. Tần số cao nhất sẽ còn trở lại trái đất theo hƣớng thẳng đứng chính là tần số tới hạn. 2.10.2. Độ cao ảo Độ cao ảo là độ cao tại đó sóng khúc xạ cũng chính là sóng phản xạ dự kiến (hình 2.11). Hình 2.11 Độ cao ảo và độ cao thực tế Sóng bức xạ đƣợc khúc xạ lại trái đất theo đƣờng A. Độ cao cực đại thực tế mà sóng đến đƣợc là ha. Đƣờng B là đƣờng dự kiến sao cho sóng phản xạ sẽ đi qua và còn trở về trái đất tại cùng vị trí. Độ cao cực đại mà sóng phản xạ dự kiến này sẽ tới đƣợc chính là độ cao ảo hv. Nguyễn Thị Huyền Linh 19 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến 2.11. Các nhân tố ảnh hƣởng đến sự truyền lan sóng vô tuyến 2.11.1. Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do Khoảng không mà trong đó các sóng truyền lan bị suy hao đƣợc gọi là không gian tự do. Mức suy hao của sóng vô tuyến đƣợc phát đi từ anten phát đến anten thu trong không gian tự do tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa hai anten và tỉ lệ nghịch với độ dài bƣớc sóng. Suy hao này gọi là suy hao truyền lan trong không gian tự do, đƣợc tính nhƣ sau: 4d  2 4fd  2 Lp     c      Trong đó: Lp là suy hao đƣờng truyền không gian tự do (không có thứ nguyên). D là khoảng cách (tính theo mét) f là tần số (Hz) λ là bƣớc sóng (mét) c là tốc độ ánh sáng. Chuyển sang dB ta có:  4fd  4  20lg f  20lg d Lp[dB]  20lg c dB 20lg c   Nếu tần số tính theo MHz và khoảng cách tính theo km, ta có: Lp[dB]  20lg 4 (10 6 )( 8 10 3 )  20lg f(MHz)  20lg d(km) 3.10  32,4  20lg f(MHz)  20lg d(km) Nếu tần số tính theo GHz và khoảng cách tính theo km, ta có: Lp [dB]  92,4  20lg f(GHz )  20lg d(km) 2.11.2. Ảnh hưởng của pha đing và mưa Pha đing đƣợc định nghĩa là sự thay đổi cƣờng độ tín hiệu sóng mang cao tần thu đƣợc do sự thay đổi khí quyển và phản xạ đất, nƣớc trong đƣờng truyền sóng. Thực tế cho thấy ảnh hƣởng do mƣa và pha đing nhiều tia là những ảnh hƣởng lan truyền chủ yếu đối với các tuyến vô tuyến tầm nhìn thẳng trên mặt đất làm việc trong dải tần GHz. Vì chúng quyết định các tổn hao truyền dẫn và do đó quyết định khoảng cách lặp cùng với toàn bộ giá thành của một hệ vô tuyến chuyển tiếp. Pha đing nhiều tia tăng khi độ dài của tuyến tăng tuy nhiên nó không phụ thuộc nhiều vào tần số. Còn tiêu hao do mƣa tăng lên khi tần số tăng. Chẳng hạn, đối với các tuyến sử dụng tần số trên 35GHz thƣờng suy hao do mƣa lớn do đó để đảm bảo chất lƣợng tín hiệu truyền dẫn thì các khoảng cách lặp thƣờng chọn dƣới 20km, ngoài ra việc giảm độ dài đƣờng truyền sẽ làm giảm các ảnh hƣởng của pha đing nhiều tia. Vậy đối với các đƣờng truyền dài và có tần số hoạt động thấp thì pha đing nhiều tia là ảnh hƣởng chính. Còn đối với các tuyến ngắn và có tần số hoạt động cao hơn thì tiêu hao do mƣa là ảnh hƣởng chủ yếu. Nguyễn Thị Huyền Linh 20 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến Suy hao dB/km 6GHz 10GHz 20GHz 40GHz Mƣa vừa 0,25mm/h ≈ 0 ≈ 0 0,013 0,07 Mƣa lớn 5mm/h 0,012 0,08 0,45 1,5 Bão 50mm/h 0,22 1,2 5,5 13 Bão lớn 150mm/h 1,2 5,5 18 27 Bảng 2.1 Kết quả thực nghiệm về suy hao do hơi nƣớc - khí hậu theo tần số sóng vô tuyến của Alcatel 2.11.3. Sự can nhiễu của sóng vô tuyến Thông thƣờng nhiễu xảy ra khi có thành phần can nhiễu bên ngoài trộn lẫn vào sóng thông tin. Sóng can nhiễu có thể trùng hoặc không trùng tần số với sóng thông tin. Chẳng hạn hệ thống Vi ba số đang sử dụng bị ảnh hƣởng bởi sự can nhiễu từ các hệ thống vi ba số lân cận nằm trong cùng khu vực, có tần số sóng vô tuyến trùng hoặc gần bằng tần số của hệ thống này, ngoài ra nó còn bị ảnh hƣởng bởi các trạm mặt đất của các hệ thống thông tin vệ tinh lân cận. 2.12. Đặc điểm một số dải sóng vô tuyến 2.12.1. Sóng cực dài và sóng dài Có thể lan truyền nhƣ sóng đất và sóng không gian. Việc sóng đất ở băng tần này lan truyền đi hàng trăm, thậm chí hàng nghìn kilomet là do cƣờng độ trƣờng của các sóng này giảm theo khoảng cách khá chậm, nói cách khác là năng lƣợng của chúng bị mặt đất hoặc mặt nƣớc hấp thụ ít. Bắt đầu từ khoảng cách 300 ÷ 400 Km so với máy phát xuất hiện sóng điện ly phản xạ từ lớp dƣới của tầng điện ly (từ lớp D cao 60 ÷ 80 Km vào ban ngày hoặc lớp E cao 100 ÷ 130 Km). Do bƣớc sóng lớn hơn nhiều so với chiều cao từ bề mặt trái đất lên tới tầng điện ly, cho nên mặt đất và tầng điện ly đóng vai trò nhƣ hai bức tƣờng. Nó đƣợc gọi là chế độ ống dẫn sóng mặt đất - điện ly mà nhờ nó liên lạc toàn cầu ở các sóng này thực hiện bằng các sóng truyền lan trong ống sóng hình cầu tạo bởi mặt đất và tầng điện ly. Các sóng này có thể xuyên sâu vào nƣớc và truyền lan trong một số loại đất. Bức xạ hiệu quả sóng dài và cực dài chỉ đạt đƣợc với các anten rất cồng kềnh, có kích thƣớc xấp xỉ bƣớc sóng, bởi vậy ngƣời ta thƣờng tăng công suất phát đến hàng trăm KW hoặc hơn để bù lại. - Nhƣợc điểm cơ bản của sóng dài và cực dài: Dung lƣợng tần số nhỏ. - Miền ứng dụng thực tế: Thông tin với các đối tƣợng dƣới nƣớc, thông tin theo các đƣờng trục toàn cầu và thông tin dƣới mặt đất. 2.12.2. Sóng trung • Tính chất truyền lan: Bị hấp thụ nhiều hơn sóng dài và cực dài khi truyền lan theo mặt đất, còn các sóng đến đƣợc tầng điện ly bị hấp thụ mạnh bởi lớp D (khi D tồn tại) và phản xạ tốt bởi lớp E. Nguyễn Thị Huyền Linh 21 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến • Cự ly liên lạc: Về ban ngày mùa hè thì bị hạn chế (chỉ bằng sóng đất), về ban đêm mùa đông và mùa hè thì cự ly thông tin tăng rõ rệt. • Dung lƣợng tần số: Cao hơn nhiều sóng dài và cực dài song do có nhiều đài phát thanh công suất lớn nên gặp nhiều khó khăn trong việc tận dụng dung lƣợng. • Miền ứng dụng thực tế: Nhiều nhất là trong các vùng bắc cực để làm dự phòng khi thông tin sóng ngắn bị tổn hao lớn do nhiễu từ nhiễu khí quyển. • Anten: Khá hiệu quả và có kích thƣớc chấp nhận đƣợc. 2.12.3. Sóng ngắn (SN) • Tính chất truyền lan: Bao gồm cả sóng đất và sóng điện ly • Cự ly liên lạc: Với sóng đất và công suất không lớn lắm, cự ly liên lạc không vƣợt quá vài chục kilomet vì sóng đất bị hấp thụ mạnh trong đất (tăng theo tần số). Sóng điện ly do phản xạ một hoặc nhiều lần từ tầng điện ly có thể lan truyền xa tuỳ ý. Sóng này bị hấp thụ yếu bởi các lớp D và E, phản xạ tốt bởi các lớp trên (chủ yếu là F2). Hiển nhiên điều kiện tốt nhất cho các tần số giữa ngày và tối sẽ khác nhau, chu kỳ vòng quanh lúc mặt trời mọc và lúc mặt trời lặn là hết sức không ổn định, với điều kiện tốt nhất cho các tần số liên lạc tăng nhanh ít giờ lúc mặt trời mọc và giảm ít giờ lúc mặt trời lặn. Đối với nguyên nhân này, một số liên lạc định kỳ trong thời gian này bao gồm một số kênh để kiểm tra độ rộng tần số khác nhau. Việc liên lạc tƣơng tự giảm dần bắt buộc thay đổi một vài MHz cao hơn hoặc thấp hơn. • Dung lƣợng tần số: Lớn hơn nhiều các sóng trên do đó đảm bảo sự làm việc đồng thời của số lƣợng lớn các máy thu phát vô tuyến. • Anten: Với kích thƣớc nhỏ vẫn có hiệu quả khá cao và hoàn toàn áp dụng đƣợc cho các đối tƣợng cơ động. Vì sóng ngắn chiếm vị trí đặc biệt trong thông tin vô tuyến nên ta xét kỹ hơn: - Thông tin vô tuyến bằng các sóng điện ly có thể thực hiện đƣợc nếu các tần số sử dụng nằm thấp hơn các giá trị cực đại xác định bởi mức độ ion hoá của các lớp phản xạ đối với mỗi cự ly liên lạc. Ngoài ra thông tin chỉ có thể có nếu công suất máy phát với hệ số khuếch đại của các anten đƣợc sử dụng bảo đảm cƣờng độ trƣờng cần thiết tại điểm thu với sự hấp thụ năng lƣợng đã cho ở trong tầng ion. Điều kiện đầu hạn chế giới hạn trên của tần số sử dụng, điều kiện sau - giới hạn dƣới. Vì vậy thông tin SN bằng sóng điện ly chỉ có trong một khoảng tần số nhất định. Bề rộng của khoảng này phụ thuộc vào tầng điện ly, nghĩa là phụ thuộc vào thời gian của một ngày đêm, vào mùa, vào chu trình hoạt động của mặt trời. Cho nên việc dự báo trạng thái của tầng điện ly là vô cùng quan trọng đối với thông tin liên lạc sử dụng sóng trời. - Hiện tƣợng pha đinh trong thông tin SN: Hiện tƣợng này làm giảm nhiều chất lƣợng thông tin SN bằng sóng điện ly. Pha đinh xuất hiện do sự thay đổi cấu trúc của các lớp phản xạ ở tầng ion, do sự nhiễu loạn của tầng ion và do sự truyền sóng theo nhiều tia. Bản chất của pha đinh về cơ bản là sự giao thoa của một vài tia tới điểm thu với pha thay đổi liên tục do sự thay đổi trạng thái của tầng điện ly. Pha đinh còn có thể xảy ra do sự thăng giáng phân cực các sóng khi phản xạ từ tầng điện ly, dẫn tới sự thay đổi mới quan hệ giữa các thành phần đứng và ngang của Nguyễn Thị Huyền Linh 22 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến trƣờng điện từ tại nơi thu. Pha đinh phân cực xảy ra hiếm hơn nhiều pha đinh giao thoa (10 ÷15% tổng số). - Các bão từ và bão ion có thể ảnh hƣởng đáng kể đến trạng thái thông tin SN. Đây là các nhiễu loạn của tầng điện ly và của từ trƣờng quả đất dƣới tác động của các dòng hạt điện tích do mặt trời phun ra. Các dòng hạt này thƣờng phá huỷ lớp phản xạ cơ bản F2. Các nhiễu loạn tầng ion xảy ra có chu kỳ và liên quan đến thời gian mặt trời quay quanh trục của mình (ngày đêm). - Các vụ nổ hạt nhân do con ngƣời thực hiện trong khí quyển có thể gây ra sự ion hoá nhân tạo tầng khí quyển và kéo theo sự ảnh hƣởng tình trạng thông tin SN. 2.12.4. Các sóng cực ngắn (SCN) Bao gồm một loạt các đoạn tần số có dung lƣợng lớn. • Tính chất truyền lan: Năng lƣợng SCN bị hấp thụ mạnh bởi mặt đất (nói chung là tỉ lệ với bình phƣơng của tần số), vì vậy sóng đất bị suy giảm rất nhanh. SCN không có sự phản xạ đều đặn từ tầng ion, do đó thông tin SCN chủ yếu dựa trên sóng đất và sóng trực tiếp. • Cự ly thông tin: Cự ly thông tin bằng sóng đất phụ thuộc nhiều vào bƣớc sóng. Cự ly lớn nhất là ở các sóng mét gần với dải SN (lƣu ý rằng với sự tăng tần số hiệu quả của hệ thống anten tăng lên nhờ đó bù lại tổn hao năng lƣợng trong đất). SCN có ý nghĩa lớn đối với thông tin trong không gian tự do, tức là trong vùng tổn hao năng lƣợng rất nhỏ. Cự ly thông tin giữa các thiết bị bay trang bị máy thu phát công suất nhỏ có thể đạt tới vài trăm kilomet. • Miền ứng dụng thực tế: Thông tin vũ trụ, thông tin trong mạng cơ sở đặc biệt là giữa các đối tƣợng cơ động. Sóng cực ngắn dùng nhiều trong thông tin điều hành nên ta xét chi tiết hơn một số đặc điểm của chúng: - Các sóng mét (SM) có tính chất nhiễu xạ, nghĩa là có thể uốn cong theo địa hình. Hiện tƣợng khúc xạ tầng đối lƣu làm tăng cự ly thông tin SM. Sự thay đổi hệ số khúc xạ theo độ cao của khí quyển gây ảnh hƣởng đến sóng không gian. Khí quyển tiêu chuẩn là một khí quyển lý tƣởng có một tỉ lệ biến đổi hệ số khúc xạ theo độ cao một cách đều đặn, bởi vì nó có một hệ số thay đổi cố định của áp suất khí quyển theo độ cao, nhiệt độ và độ ẩm. Khi trạng thái của tầng đối lƣu bình thƣờng (giảm đều đặn nhiệt độ với chiều cao), tia sóng nối các máy thu phát đang liên lạc bị uốn cong về phía trên do đó bảo đảm đƣợc thông tin trên các tuyến bị che khuất (đài phát không nhìn thấy đài thu). Vì có sự biến đổi hệ số khúc xạ một cách liên tục, cho nên đƣờng đi thực tế của sóng không gian là khác với đƣờng trực tiếp (thẳng). Để bù lại sự khác nhau này, cự ly thông tin cực đại thực tế đƣợc tính toán theo đƣờng trực tiếp dựa trên quy định bán kính hiệu quả của trái đất KR (K = 4/3 trong khí quyển tiêu chuẩn). Hệ số khúc xạ tầng đối lƣu thay đổi theo thời gian do các thay đổi các điều kiện khí tƣợng, điều này dẫn tới pha đinh tín hiệu (khác với pha đinh ở SN, chúng xảy ra rất chậm và không sâu) - SM nhiều khi lan truyền rất xa. Đó là do: Nguyễn Thị Huyền Linh 23 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến + Sự hình thành các đám mây ion hoá thất thƣờng ở độ cao vài chục kilomet dƣới lớp D (lớp thất thƣờng FS) FS có thể xuất hiện vào bất kỳ thời gian nào. Đặc điểm của các đám mây này là nồng độ ion hoá rất cao, đôi khi đủ để phản xạ các sóng của cả dải SCN. Lúc này cự ly giữa phát và thu có thể là 2000 ÷ 2500 km. Cƣờng độ tín hiệu phản xạ FS rất lớn ngay cả khi công suất phát nhỏ. + Sự tồn tại thƣờng xuyên của lớp FS trong những năm mặt trời hoạt động mạnh nhất. Cự ly liên lạc có thể đạt tới phạm vi toàn cầu. + Các vụ nổ hạt nhân ở trên cao: lúc này xuất hiện một miền phía trên (ở mức lớp FS) SM xuyên qua miền dƣới, bị hấp thụ một ít, phản xạ từ miền trên và quay trở lại mặt đất. Khoảng cách bao trùm nằm trong phạm vi 100 ÷ 2500 km. Các tần số thấp nhất bị hấp thụ mạnh nhất ở các miền ion hoá phía dƣới, các tần số cao nhất bị phản xạ không toàn phần từ miền trên. Nhƣ vậy, việc lan truyền của sóng vô tuyến nhờ hiệu ứng tán xạ đối lƣu của khu vực khí quyển rộng lớn trong tầng đối lƣu đƣợc dùng cho trên VHF. Phƣơng pháp này có nhiều ƣu điểm của thông tin bǎng rộng và ghép kênh cũng nhƣ thông tin đồng thời cho một khu vực rộng. Mặt khác nó cũng đòi hỏi công suất phát lớn và máy thu có độ nhậy cao. Nguyễn Thị Huyền Linh 24 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến CHƢƠNG 3. NHIỄU TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 3.1. Các loại nhiễu trong thông tin vô tuyến Nhiễu là một vấn đề rất quan trọng trong thông tin vô tuyến, ảnh hƣởng đến chất lƣợng của tín hiệu, khi xử lý tín hiệu và khi truyền tín hiệu làm gây méo tín hiệu hoặc xuất hiện các tạp âm trong các thiết bị tái tạo lại tín hiệu. Vì vậy ta phải giám sát đƣợc chúng và tìm biện pháp khắc phục tín hiệu nhiễu đến mức tối đa để tăng chất lƣợng của của tín hiệu. 3.1.1. Khái niệm về nhiễu trắng (White Gaussian Noise) Nhiễu trắng là quá trình xác xuất có mật độ phổ công suất phẳng (không đổi) trên toàn bộ dải tần. Nhiễu trắng là một loại nhiễu có hàm mật độ xác suất tuân theo phân bố Gauss. Về mặt toán học,nguồn nhiễu trắng n(t) có thể mô hình bằng một biến xác suất Gauss với giá trị kì vọng μ =0 và độ lệch chuẩn là σ 2   Ex 0  2  E(x  )2  Phân bố Gauss nhƣ trên hình 3.1: Hình 3.1 Hàm phân bố Gauss Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra : - Nhiễu sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các điện tử trong các linh kiện bán dẫn. - Những âm thanh nhƣ tiếng gió, tiếng nƣớc cũng là những nguồn nhiễu trắng - Các vấn đề nhƣ thời tiết, con ngƣời Tín hiệu thu do vậy đƣợc viết lại nhƣ sau: y(t)=x(t)*h(τ)+n(t) n(t) x(t) y(t) h(τ) Tín hiệu phát H(jω) Tín hiệu thu Hình 3.2 Môi trƣờng truyền dẫn với sự có mặt của nhiễu trắng Mô hình kênh nhƣ trên hình 3.2. Nguyễn Thị Huyền Linh 25 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến 3.1.2. Tạp âm nhiệt trắng chuẩn cộng tính (Additive White Gaussian Noise) a) Nguyên nhân tạp âm Do dòng điện của máy thu ngoài chịu tác động của sức điện động (tạo điện trƣờng để điện tử chuyển động) còn chịu tác động của chuyển động nhiệt (chuyển động hỗn loạn của các điện tử). Tức là ngoài dòng điện do điện áp tín hiệu gây nên còn chịu tác động của dòng điện do chuyển động nhiệt gây nên, đó là tác động không mong muốn tƣơng đƣơng với tạp âm (hình 3.3 a). Đƣờng liền nét tƣơng ứng dòng điện tử chuyển động có hƣớng (dòng điện của máy thu). Đƣờng đứt nét tƣơng ứng với tác động nhiệt. Khi đó I  E R Dòng I(t) đƣợc minh họa trên đồ thị hình 3.3 b. I0 i(t) I0 E i(t) in(t) R in(t) t Hình 3.3 a Hình 3.3 b Trong đó I0  E R , trên đồ thị ta thấy i(t) không bằng phẳng mà nhấp nhô, ta có thể coi: i(t) = I0 + in(t). Ngoài tác động của dòng điện còn có tác động của dòng lạ do chính hệ thống gây nên (do chuyển động nhiệt bên trong mạch). b) Tính chất của tạp âm nhiệt - Tính cộng vào tín hiệu : i(t) = I0 + in(t) - Do va chạm của các điện tử với tần suất 10 9 ÷ 10 11 (nên tƣơng đƣơng việc nhận một chuỗi xung có tần số f = 10 9 ÷ 10 11 Hz), vì thế bề rộng phổ của tạp âm xấp xỉ 10 9 ÷ 10 11 Hz. Băng thông của tín hiệu thông thƣờng khoảng vài chục MHz. Khi điều chế, tín hiệu đƣợc đƣa lên miền tần số cao, biên độ còn 1 nữa và độ rộng băng thông tăng gấp đôi nhƣng cũng chỉ khoảng mấy chục MHz. Đồng thời tín hiệu đƣợc trộn và điều chế đến đâu thì tạp âm cũng đƣợc trộn lên đến đó với bề rộng phổ rất rộng. Về nguyên tắc, fc đi đến đâu cũng có nhiễu, vì phổ tạp âm trải dài nên trong đoạn băng thông coi nhƣ phổ tạp âm là thẳng (hình 3.4). Nguyễn Thị Huyền Linh 26 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến S( f ) Điều chế/trộn Tạp âm f Vài chục MHz Hình 3.4 Phổ tạp âm fc Để thuận tiện tính toán, ta có thể mô hình hóa tạp âm đƣợc quy ra đầu vào nhƣ một nguồn tạp trắng tức có hàm mật độ phổ công suất từ 0 đến ∞ ( thực chất không tiến đến ∞ nhƣng vì tín hiệu đi đến đâu cũng gặp tạp âm nên coi nhƣ ∞). Do đó, tính chất của tạp âm này là tạp âm mô hình hóa (giả định) có phổ phẳng từ -∞ đến +∞ giống phổ ánh sáng trắng nên gọi là tạp âm trắng. - Nhiễu là tổng của 10 9 ÷ 10 11 xung điện khác phƣơng khác chiều, ta có : 1 N in  N i1 ii là dòng điện trung bình của tổng các dòng điện gây ra bởi các xung con. Với mọi ii cực bé, đóng góp phần rất yếu trong ii, có phƣơng chiều hoàn toàn ngẫu nhiên, thời gian tồn tại khác nhau. Định lý giới hạn trung tâm phát biểu nhƣ sau : « nếu x là tổng của một số rất lớn các biến xi độc lập thống kê với nhau và mọi x i có tác động rất yếu thì biến x có phân bố chuẩn » . Theo định lý giới hạn trung tâm thì in là biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn. Tạp âm nhiệt in(t) là tạp âm có giá trị biên độ tại bất kỳ thời điểm quan trắc nào cũng là một biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn. Tính chất này cho thấy tạp âm nhiệt là tạp âm có phân bố chuẩn. Từ ba tính chất trên nên tạp âm có tên gọi là tạp âm nhiệt trắng chuẩn cộng tính AWGN (Additive White Gaussian Noise). 3.1.3. Khái niệm về nhiễu xuyên ký tự ISI (Inter symbol interference) Nhiễu xuyên ký tự, viết tắt là ISI, đƣợc coi nhƣ hệ quả tất yếu của hệ thống thông tin vô tuyến lẫn hữu tuyến. ISI đã đƣợc chú ý đến ngay từ thời kỳ đầu của truyền dẫn thông tin. Đối với tín hiệu tại đầu thu chúng có khuynh hƣớng trải rộng ra (spreading) về mặt thời gian và suy giảm (smearing) về mặt biên độ nhƣ minh họa trên hình 3.5 Nguyễn Thị Huyền Linh 27 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến Biên độ Thời gian kí hiệu a) Thời gian Biên độ Trải trễ b) Thời gian Hình 3.5 a) Tín hiệu phát, b) Tín hiệu thu Hiện tƣợng này là do tính chất của môi trƣờng thông tin và khoảng cách truyền dẫn. Một giải pháp đơn giản để khắc phục hiện tƣợng này là sử dụng các trạm trung gian (các trạm lặp) giúp hạn chế sự biến thiên độ rộng xung và biên độ tín hiệu. Để có thể hình dung về ISI, ta khảo sát trƣờng hợp nhiễu giữa các bit kề cận: chuỗi bit đƣợc truyền là 101101, sử dụng xung vuông (Thực tế dạng của những xung vuông này đƣợc biểu thị bằng đƣờng đứt nét) nhƣ trên hình 3.6 Biên độ 1 3 4 6 2 Thời gian 5 Hình 3.6 Hình dạng xung của chuỗi bit 101101 đƣợc truyền Tín hiệu nhận đƣợc tại đầu thu sẽ có dạng nhƣ hình 3.7 Biên độ Nhiễu từ bit 1 sang bit 2 và 3 1 3 4 6 2 5 Thời gian Hình 3.7 Hiện tƣợng trải thời gian và suy giảm biên độ Từ hình 3.7 ta thấy bit 1 ảnh hƣởng tới bit 2 và 3, bit 2 ảnh hƣởng tới bit 3 và 4, Nhƣ vậy 1 bit bị ảnh hƣởng bởi 2 bit trƣớc đó. Do đó, mức độ chính xác của tín hiệu sau khi khôi phục phụ thuộc vào mức tại các thời điểm lấy mẫu tƣơng ứng với đầu phát. Nhiễu xuyên ký tự chính là hiện tƣợng trải ra về mặt thời gian và suy giảm về mặt biên độ - nói cách khác là sự biến đổi độ rộng và biên độ - từ một ký tự sang các ký tự lân cận, gây khó khăn trong việc khôi phục tin tức tại đầu thu. Hiện tƣợng ISI có Nguyễn Thị Huyền Linh 28 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến thể do nhiều nguyên nhân, trong đó có thể kể đến nhƣ: lọc sai, pha đinh (đặc biệt là pha đinh lựa chọn tần số), hoặc do các thiết bị phi tuyến, ISI không xảy ra đối với một vài hệ thống, ảnh hƣởng nhiều đối với thông tin vô tuyến 3.1.4. Khái niệm về nhiễu xuyên kênh ICI (Inter Channel Interference) Nhiễu xuyên kênh do các thiết bị phát trên các kênh liền nhau gây ra. Hình 3.8 Nhiễu kênh xuyên kênh f Nhiễu xuyên kênh thƣờng xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bị dịch tần gây can nhiễu sang các kênh kề nó. Để khắc phục nhiễu liên kênh có hai biện pháp : - Bố trí các kênh liên lạc ở cách nhau một đƣờng sóng. Ví dụ, với GSM thì các sóng mang của hệ thống cách nhau 0,2MHz. Nếu hai sóng mang ở liền nhau thì nhiễu là rất lớn vì thế 2 sóng mang trong cùng 1 tế bào bắt buộc cách nhau 0,4MHz tức cách nhau một đƣờng sóng. - Phải lọc thật chặt nhƣng việc này làm giảm công suất phát dẫn đến giảm cùng phủ sóng. 3.1.5. Khái niệm về nhiễu đồng kênh CCI (Co- Channel Interference) Nhiễu đồng kênh CCI gây bởi các nguồn nhiễu từ các hệ thống khác có tần số bằng hoặc gần bằng với tần số đang xét. Ví dụ về CCI : 1) Các hệ thống vi ba số ở dải siêu cao tần (sóng cực ngắn): UHF: f ≥ 300MHz, bƣớc sóng dải dm SHF: f ≥ 3GHz, bƣớc sóng dải cm EHF: f ≥ 30GHz, bƣớc sóng dải mm Sóng càng ngắn thì càng dễ bị chắn vì vật chắn sóng phải có kích thƣớc so sánh đƣợc với bƣớc sóng, vì vậy để truyền đƣợc sóng siêu cao tần thì phải có các trạm tiếp sóng. Vi ba làm việc trong tầm nhìn thẳng và đƣợc phân bố tần số nhƣ sau trên hình 3.9 f Hình 3.9 Phân bố tần số của Viba Ngƣời ta cho phép sử dụng cùng lúc hai loại phân cực trên một tần số để có thể truyền hai luồng tin khác nhau, kí hiệu H là phân cực ngang (điện trƣờng di chuyển song song với bề mặt trái đất) và V là phân cực đứng (điện trƣờng di chuyển vuông Nguyễn Thị Huyền Linh 29 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến góc với bề mặt trái đất). Nếu ở trên là phân cực ngang thì dƣới là phân cực đứng và ngƣợc lại. Khi đó phổ tần số có dạng nhƣ trên hình 3.10. H(V) V(H) Nhiễu CCI f Hình 3.10 Phổ tần số của Viba khi sử dụng phân cực Do trên thực tế không tạo đƣợc 2 phân cực hoàn toàn vuông góc với nhau và phân cực ngang chịu tổn hao nhiều hơn phân cực đứng nên hình chiếu của phân cực này lên phân cực kia chính là ảnh hƣởng giữa hai luồng tin và đƣợc goi là nhiễu đồng kênh CCI. CCI gây bởi các kênh cùng tần số và khác phân cực, những can nhiễu này là rất yếu. Giả sử công suất phát là 1 thì nhiễu chỉ là 1/10000, tổn hao công suất là 40dB. Khi trên cùng một tần số có hai kênh liên lạc, tức có nhiễu CCI thì ở đầu thu phải có bộ triệt xuyên nhiễu (XPIC) phân cực chéo. Để tác động của nhiễu CCI nhỏ thì chiều cao của anten thấp, góc ngẩng của anten lớn và khoảng cách truyền lớn. 2) Với thông tin di động : do phổ tần nhỏ nên số tần số sóng mang sử dụng rất bé. Để phủ sóng, ngƣời ta chia vùng địa lý thành các cell (tế bào), mỗi cell có một trạm gốc nhƣ trên hình 3.11. 1 f1 2 f2 3 f1 Hình 3.11 Các tế bào sóng mang Do số tần số sóng mang quá ít không đủ cho mỗi tế bào (mỗi trạm) sử dụng một tần số nên phải sử dụng lại tần số, nhƣ vậy sẽ gây nhiễu nếu ở gần nhau. Do vậy, các tế bào lân cận không sử dụng tần số trùng nhau. Tuy nhiên, giả sử trạm 1 và 3 sử dụng cùng tần số f1, nếu trạm 1 có cột anten cao và đặc biệt giữa 1 và 3 có mặt nƣớc gây phản xạ mạnh thì 3 vẫn nhận đƣợc sóng từ 1 đó chính là nhiễu CCI. Nhƣ vậy, với thông tin di động, CCI gây bởi nhiễu vƣợt chặng do các tế bào ở xa có cùng tần số gây nên. Nhƣ vậy, nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát trên cùng một tần số hoặc trên cùng một kênh. Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu đƣợc cả hai tín hiệu với cƣờng độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát. Nhiễu CCI không thể triệt đƣợc nên ngƣời ta giảm nhiễu bằng cách: Nguyễn Thị Huyền Linh 30 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến - Phát với công suất vừa đủ. - Điều chỉnh chiều cao ăngten và góc ngẩng của ăngten để đảm bảo nhiễu CCI nhỏ. 3.1.6. Khái niệm về nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference) Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các ngƣời sử dụng giao thoa với nhau, là yếu tố ảnh hƣởng trực tiếp đến dung lƣợng của hệ thống. Trong các hệ thống đa truy nhập: - TDMA: Đa truy nhập phân chia theo thời gian Trong TDMA là sự giao thoa của các tín hiệu ở khe thời gian này với khe thời gian khác do sự không hoàn toàn đồng bộ gây ra. Ngƣời ta phải có khoảng bảo vệ (guard time) để giảm xác suất ngƣời dùng bị giao thoa nhƣng cũng đồng thời làm giảm hiệu suất sử dụng phổ. - FDMA: Đa truy nhập phân chia theo tần số Các hiệu ứng Doppler làm dịch phổ tần số dẫn đến có sự giao thoa giữa các dải tần con. Dải tần bảo vệ để giảm xác xuất giao thoa giữa các kênh kề nhau dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng phổ. - CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã Trong CDMA ngƣời ta sử dụng tính trực giao của mã nên hầu nhƣ không có nhiễu giữa các ngƣời sử dụng. Để khử MAI ngƣời ta thƣờng dùng các phƣơng pháp trực giao nhƣng trên thực tế không thể có sự trực giao hoàn toàn. Do đó, MAI vẫn tồn tại trong các hệ thống đa truy nhập 3.2. Các phƣơng pháp giảm nhiễu trong thông tin vô tuyến 3.2.1. Tóm tắt về lý thuyết dung lượng kênh của Shannon Các mã sửa lỗi có thể giúp giảm bớt một số lỗi, nhƣng không thể phát hiện ra tất cả lỗi trong hệ thống truyền kĩ thuật số. Lý thuyết của Shannon xác định rằng việc truyền không lỗi là có thể xảy ra miễn là dung lƣợng của thiết bị truyền không vƣợt quá dung lƣợng của kênh truyền. Shannon chỉ ra rằng dung lƣợng của một kênh truyền có nhiễu đƣợc cho bởi công thức sau: Trong đó: C là dung lƣợng của kênh truyền (Kbps) B là băng thông S là biên độ của tín hiệu ở thiết bị phát N là biên độ của nhiễu nhận ở đích Nguyễn Thị Huyền Linh 31 C=B.log2(1+S/N) Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến Ví dụ 3.2.1.1: Kênh điện thoại với băng thông B=3 kHz và S/N=1000 dung lƣợng của kênh truyền theo Shannon sẽ là: C = 3000 . log 2 (1 + 1000) = 30 kbps 3.2.2. Định lý giới hạn băng thông Nyquist. Để giảm ảnh hƣởng của ISI, kênh truyền dẫn cần phải có dải thông đủ rộng, tuy nhiên khi đó tạp âm sẽ tăng lên do nhiệt, giao thoa tần số vô tuyến. Do đó dải thông của thiết bị cần phải đƣợc thiết kế tốt về độ rộng, độ dốc để chống các can nhiễu, tuy nhiên phải đạt một giá trị tối ƣu để không tạo ra ISI do giới hạn dải làm xung dao động kéo dài và độ dốc tăng tạo ra độ trễ nhóm lớn. Nếu ta đƣa một xung Dirắc δ(t) vào bộ lọc thông thấp lý tƣởng thì đáp ứng nhận đƣợc tại đầu ra có dạng nhƣ trên hình 3.12 Vout(t) -2T0 -T0 T0 2T0 t Hình 3.12 Đáp ứng xung Ngoại trừ giá trị đỉnh tại trung tâm, các giá trị khác đều bằng không ở mọi thời điểm nT0, trong đó n là số nguyên dƣơng khác không . Khoảng cách T0 đƣợc gọi là khoảng cách Nyquist. Đáp ứng này đƣợc định nghĩa là tín hiệu không có ISI. Ký hiệu tớn hiệu khụng cú ISI là VN(t) và thời điểm lấy mẫu bằng nT0 (trong đó n là số nguyên và T0 là chu kỳ lấy mẫu) khi đó định nghĩa đƣợc biểu diễn dƣới dạng toán học là:  VN (t).  (t  nT0 )  VN (0). (t) n Đặc tính triệt tiêu các xung của xung không có ISI đƣợc mô tả trên hình 3.13. Các tín hiệu nhƣ vậy sẽ triệt tiêu mọi xung của hàm lấy mẫu ngoại trừ tại một điểm. Nguyễn Thị Huyền Linh 32 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến δ(t-nT0) -2T0 -T0 0 T0 2T0 t VN(t) × -2T0 -T0 T0 2T0 t = VN(0).δ(t) -2T0 -T0 0 T0 2T0 t Hình 3.13 Nếu ta phát đi một dãy xung Đirắc δ(t) gồm các xung kim cách nhau một khoảng Nyquist, thì có thể tránh đƣợc nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu, tín hiệu nhận đƣợc nhƣ trên hình 3.14. Vout(t) -2T0 -T0 T0 2T0 t Hình 3.14 Nếu khoảng cách giữa các xung Đirắc T nhỏ hơn khoảng cách Nyquist T0, thì sự chồng lấn của các xung này làm ta không thể phân biệt đƣợc chúng. Nói một cách khác độ rộng băng tần cần thiết để phân biệt các xung (các ký hiệu) có tốc độ ký hiệu Rs= 1/T với 2f0 = 1/T thỡ : f0  R 2 s Đây chính là định lý giới hạn băng thông Nyquist. 3.2.3. Giảm nhiễu xuyên kí hiệu ISI sử dụng các phương pháp lọc Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là một vấn đề khá nan giải. Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian kí hiệu, do vậy, nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này, tức là giảm khoảng kí hiệu, vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ tƣơng đối. Lúc này hệ thống rất nhạy với trải trễ. Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI. Để giảm nhiễu xuyên kí hiệu ngƣời ta phải làm thế nào hạn chế dải thông mà vẫn không gây ra ISI. Khi dải thông bị giới hạn, xung sẽ có đỉnh tròn thay vì đỉnh phẳng. Nguyễn Thị Huyền Linh 33 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến H0 ( f ) -fN 0 +fN f RO(f) + 0 f = H ( f ) 0 f Δf Hình 3.15 Minh họa định lý đối xứng của Nyquist Định lý Nyquist 1 định nghĩa điều kiện đối xứng trên H(f) nó cần phải đƣợc thõa mãn để hiểu rõ đáp ứng xung dải gốc không có ISI. Định lý Nyquist 1: “Nếu một bộ lọc có modul hàm truyền là tổng modul hàm truyền bộ lọc lý tƣởng và một hàm uốn đối xứng tâm tại ±fN thì đáp ứng xung của bộ lọc đó sẽ thõa mãn tiêu chuẩn Nyquist.” Minh họa định lý này trên hình 3.15. Định lý này có thể khái quát hóa cho các bộ lọc có đáp ứng xung thông thấp không có ISI. H ( f )  H0 ( f )  RO( f ) Trong đó: H0 ( f ) là modul hàm truyền của bộ lọc thông thấp lý tƣởng. RO(f) là hàm uốn đối xứng tâm tại ±fN. Δf gọi là lƣợng mở rộng phổ.  f gọi là lƣợng mở rộng phổ tƣơng đối. fN Hàm uốn có thể là cung tròn hay đƣờng cong bất kì, để dễ tính toán ngƣời ta coi là một đoạn hàm cos. Trong thực tế kỹ thuật, ngƣời ta thƣờng tính toán với sƣờn của bộ lọc là một đƣờng cos đƣợc nâng lên. Khi đó bộ lọc đƣợc gọi là bộ lọc cosin nâng. Đáp ứng biên độ của bộ lọc cosin nâng có dạng sau: 1   1  cos  H ( f ) 1    2  2fN     0 f  ( fN f )  f  f0    (fN f )  f  ( fN f )  f  ( fN f ) Nguyễn Thị Huyền Linh 34 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến Về lý thuyết  0,1 nhƣng trên thực tế thì  0.2,0.75 α càng lớn thì bộ lọc càng dễ chế tạo nhƣng tốn băng thông, α nhỏ tiết kiệm đƣợc băng thông nhƣng khó chế tạo. Khi α=1 bộ lọc đƣợc gọi là cosin nâng đầy và trong trƣờng hợp này đáp ứng biên độ sẽ trở nên đơn giản hơn: 1   f   2  f       2 fN    2 fN   1  cos   f cos   f H ( f ) 2  2 fN    4 fN  0   f  2 f 0 f  2 fN  H  f  N  Biến đổi Fourier ngƣợc của ta đƣợc đáp ứng xung của bộ lọc cosin nâng đầy: sin 2fN t.cos 2fN t h(t)  2 f N 2fN t.1  4 fN t2  Khi này độ rộng băng tần cần thiết để phân biệt các xung hay độ rộng băng tần Nyquist đƣợc xác định theo công thức sau: BN = fN(1+ α) = Rs(1+ α)/2 Trong đó Rs là tốc độ truyền dẫn các ký hiệu. Nguyễn Thị Huyền Linh 35 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến CHƢƠNG 4. KIẾN TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 4.1. Các vấn đề cơ bản trong thiết kế các hệ thống vô tuyến Khi phân tích và thiết kế hệ thống máy thu-phát vô tuyến (transceiver), các tham số sau cần đƣợc phân tích và tính toán: - Các tham số tuyến tính - Các tham số về tạp âm - Các tham số về công suất - Các tham số phi tuyến Tổ hợp các tham số này cho ta biết sự ảnh hƣởng của tín hiệu và tạp âm đối với tính năng của hệ thống. Hình 4.1 trình bày sơ đồ khối của một hệ thống vô tuyến. Kênh vô tuyến Mixer BPF BPF PA LO Máy phát Kênh vô tuyến Mixer LPF ADC Amp Mixer BPF BPF BPF DSP LO2 LNA 900 LO1 Amp LPF ADC Hình 4.1 Sơ đồ khối của một hệ thống vô tuyến Chi tiết chức năng và nguyên lý hoạt động của các khối trong máy phát và máy thu sẽ đƣợc trình bày ở trong phần sau. Trong phần này, giả thiết máy phát nhƣ một nguồn phát tín hiệu lý tƣởng. Hạn chế chủ yếu khi tín hiệu thu yếu là mức độ tạp âm nhiệt thu bởi ăngten và tạo ra chính trong máy thu. Ba thông số đặc trƣng cho hiện tƣợng này là : hệ số tạp âm của máy thu, nhiệt độ tạp âm hệ thống và độ nhạy máy thu. Trong trƣờng hợp tín hiệu thu và nhiễu mạnh hạn chế là do máy thu có các phần tử phi tuyến nhƣ các bộ khuếch đại, các bộ trộn tần, bộ chuyển đổi tƣơng tự số. Bộ trộn tần trong máy thu sẽ tạo ra các tần số mới có thể hoặc trong băng tần sử dụng và do đó sẽ làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm và do đó giảm độ nhạy máy thu. 4.1.1. Nhiệt độ tạp âm hệ thống và hệ số tạp âm Tạp âm ở đây đƣợc coi nhƣ là tạp âm trắng Gaussian đƣợc đặc trƣng bởi quá trình ngẫu nhiên Gaussian có trị số trung bình bằng không và có mật độ phổ công suất Nguyễn Thị Huyền Linh 36 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến không đổi bằng N0/2 (W/Hz). Giả sử các tạp âm (tạp âm khí quyển, mặt trời, thiên hà) thu bởi anten là tạp âm nhiệt , thậm chí mật độ phổ công suất của chúng không phải là một hằng số không đổi. Tạp âm này ảnh hƣởng đến tín hiệu theo cách cộng (AWGN). Liên quan đến anten ta có: N 2 0  kT 2 a Với k = 1,38.10 -23 J/K là hằng số Boltzmann Ta là nhiệt độ tạp âm anten (K : Kelvin) Trong trƣờng hợp anten và máy thu đƣợc phối hợp trở kháng trong một băng thông hiệu dụng của tạp âm B. Công suất tới máy thu sẽ là : PN = N0.B = k.Ta.B Tạp âm nền đƣợc định nghĩa bởi công suất này. Đối với một nguồn tạp âm ở nhiệt độ chuẩn 290K, công suất tạp âm nền ở đầu vào máy thu biểu diễn theo đơn vị dBm sẽ là : PN(dBm) = -174 + 10lg10B. Trong một hệ thống gồm một anten và một máy thu có độ khuếch đại công suất G, tạp âm của máy thu PN rx và băng thông hiệu dụng tạp âm B nhƣ trên hình 4.2. Máy thu Z0 G, P N rx , B PN out Nguồn tạp âm Ta Hình 4.2 Nguồn tạp âm ở anten và máy thu Công suất tạp âm nền ở đầu ra máy thu sẽ là : P N out P N out  G.k.Ta .B  PN rx  P   N rx   G.k.BTa   G.k.B(Ta  Te )  G.k.B.Ts  G.k.B  Trong đó : T  P N rx đƣợc gọi là nhiệt độ tạp âm hiệu dụng hệ thống. e GKB Ta + Te = T s đƣợc gọi là nhiệt độ tạp âm của hệ thống chuẩn hóa ở đầu vào máy thu. Một tham số khác xác định mức độ tạp âm gây ra trong một bốn cực (mỗi tầng trong máy thu có thể coi là một bốn cực) là hệ số tạp âm F. Hệ số tạp âm F đƣợc xác định là tỷ số giữa công suất tạp âm nền ở đầu ra và công suất tạp âm ở đầu ra của bốn cực phản hồi không nhiễu với giả thiết rằng nguồn tạp âm đầu vào có nhiệt độ tạp âm Nguyễn Thị Huyền Linh 37 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến chuẩn T0 (thƣờng lấy 290K). Hệ số tạp âm F cũng có thể đƣợc xem nhƣ là sự suy giảm tỷ số tín hiệu-tạp âm (S/N) giữa đầu vào và đầu ra của bốn cực. F  GkT0 B  PN rx T  1  e GkT B T 0 0 Hay Te = T0(F-1) Trong trƣờng hợp một máy thu gồm n tầng (mỗi tầng coi nhƣ một bốn cực) mắc nối tiếp nhƣ trên hình 4.3. Z0 Tầng 1 Tầng 2 Tầng n G1, T , F1 G2, Te , F2 Gn, Te , Fn . e1 2 n Ta Đầu vào chuẩn hóa Hình 4.3 Hệ số tạp âm của máy thu gồm n tầng mắc nối tiếp Hệ số tạp âm của hệ thống đƣợc tính theo công thức sau : F  F F2 1  ...  Fn 1 1 G1 G1.G2...Gn 1 Trong đó : Gi là hệ số khuếch đại của tầng thứ i Tei là nhiệt độ tạp âm hiệu dụng của tầng thứ i. Fi hệ số tạp âm của tầng thứ i. Do đó nhiệt độ tạp âm hiệu dụng có thể viết dƣới dạng : T  T  T e2  ...  T en ee G1 G1.G2...Gn1 1 Ngoài ra, hệ số tạp âm của một bốn cực suy giảm bằng chính hệ số suy giảm L : F = L 4.1.2. Độ nhạy thu Độ nhạy của máy thu là công suất tối thiểu ở đầu vào máy thu cho phép đạt một mức tỷ số sóng mang – tạp âm (C/N) nhất định ở đầu vào bộ giải điều chế hoặc tỷ số tín hiệu – tạp âm (S/N hay SNR) ở đầu ra với một mức tỷ số lỗi bit BER khi phƣơng thức điều chế đƣợc lựa chọn. Hay nói cách khác độ nhạy của máy thu đƣợc xác định là mức tín hiệu thu nhỏ nhất mà hệ thống có thể thu đƣợc với một tỷ số tín hiệu – nhiễu chấp nhận đƣợc. Để tính toán độ nhạy thu, theo định nghĩa hệ số tạp âm ta có : F  SNRin  P sig / P RS SNR out SNR out Trong đó : SNRin là tỷ số tín hiệu – tạp âm ở đầu vào. SNRout là tỷ số tín hiệu – tạp âm ở đầu ra. Nguyễn Thị Huyền Linh 38 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến Psig là công suất tín hiệu vào trên 1 đơn vị băng thông (1 Hz) PRS là công suất tạp âm gây ra bởi điện trở nguồn trên 1 Hz Ở nhiệt độ phòng, PRS đƣợc tính nhƣ sau : PRS(dBm) = k.T0 = -174dBm/Hz Do đó : Psig = PRS.F.SNRout Khi xét trên toàn bộ băng thông B, ta có : Psig.total = PRS.F.SNRout.B Phƣơng trình trên dự đoán độ nhạy thu là mức tín hiệu tối thiểu đƣa vào máy thu mà vẫn đảm bảo ở đầu ra một tỷ số tín hiệu – tạp âm nhất định. Biểu diễn bằng đơn vị dBm, ta có : Pinmin (dBm)  PRS (dBm / Hz)  F (dB)  SNRmin (dB)  10lg B Ở đây, Pinmin là công suất tín hiệu đầu vào tối thiểu để đạt đƣợc tỷ số SNRmin và B là băng thông (Hz). Vậy : Pinmin 174  F  10lg B  SNRmin Ba thành phần đầu tiên ở vế phải của thành phần trên là tổng của tạp âm tích hợp của hệ thống và thƣờng đƣợc gọi là tập âm nền. Ngoài ra ta còn thấy Pinmin không phụ thuộc vào độ khuếch đại của hệ thống. Khi nhiệt độ của nguồn tạp âm không phải là T0, độ nhạy thu đƣợc trên nhiệt độ tạp âm của hệ thống Ts. 4.1.3. Các hiện tượng phi tuyến Một hệ thống là tuyến tính nếu đầu ra của nó có thể đƣợc biểu diễn là một sự kết hợp tuyến tính của các kích thích đặt ở đầu vào. Giả sử, Vin1 ,Vin2 là hai đầu vào, Vout1 ,Vout2 là hai đầu ra tƣơng ứng. Khi đó, nếu đầu vào là aVin1 (t)  bVin2 (t) thì đầu ra tƣơng ứng sẽ là aVout1 (t)  bVout2 (t) . Trong đó a, b là các hằng số. Bất kỳ hệ thống nào không thõa mãn điều kiện này là hệ thống phi tuyến. Máy phát và máy thu vô tuyến có chứa các phần tử tuyến tính và phi tuyến, các phần tử phi tuyến sẽ gây ra các hiện tƣợng làm suy giảm các tính năng của hệ thống hoặc sẽ làm thay đổi các tham số nào đó của hệ thống hoặc tạo ra các thành phần tín hiệu ký sinh nhƣ các hài, Hiện tƣợng này xảy ra trong các phần tử tích cực nhƣ transistor, diode, bộ chuyển mạch, bộ trộn tần, bộ khuếch đại, Ngoài ra, hiện tƣợng phi tuyến cũng có thể gặp phải trong các thiết bị tuyến tính do việc giới hạn băng tần làm cho các tín hiệu bị méo. 4.2. Các chuẩn vô tuyến 4.2.1. Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G- 1Generation ) Các hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên trên thế giới gồm : - Hệ thống AMPS (Avanced Mobile Phone Service) : Hệ thống dịch vụ điện thoại di động tiên tiến. Nguyễn Thị Huyền Linh 39 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến - Hệ thống TACS (Total Access Communication System) : Hệ thống thông tin truy cập tổng thể. - Hệ thống NMT (Nordic Mobile Telephone) : Hệ thống thông tin di động Bắc Âu Các thông số kỹ thuật chính của các hệ thống này nhƣ sau : - Hệ thống AMPS : Dải tần : Dải tần thu : 869 – 894 MHz Dải tần phát : 824 – 849 MHz. Phƣơng pháp truy nhập kênh : FDMA Phƣơng pháp điều chế : điều tần FM. Độ rộng kênh vô tuyến : 30kHz. Số lƣợng kênh : 832 Phƣơng pháp ghép kênh : FDD. - Hệ thống TACS : Hệ thống này có hai loại : ETACS và NTACS Dải tần : Dải tần thu : 916-949 MHz và 860-870 MHz Dải tần phát : 871-904 MHz và 915-925 MHz. Phƣơng pháp truy nhập kênh : FDMA Phƣơng pháp điều chế : điều tần FM. Độ rộng kênh vô tuyến : 25kHz và 12,5kHz. Số lƣợng kênh : 1000 và 400. Phƣơng pháp ghép kênh : FDD. - Hệ thống NMT : Trong đó có chuẩn : NMT 400 và NMT 900 Dải tần : Dải tần thu : 463-486 MHz và 935-960 MHz Dải tần phát : 453-458 MHz và 890-915 MHz. Phƣơng pháp truy nhập kênh : FDMA Phƣơng pháp điều chế : điều tần FM. Độ rộng kênh vô tuyến : 25kHz và 12,5kHz. Số lƣợng kênh : 200 và 1999. Phƣơng pháp ghép kênh : FDD. Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất đã không còn ứng dụng trên thị trƣờng do nhiều hạn chế của chúng nhƣ giá các thiết bị đầu cuối của hệ thống cao và hạn chế về dung lƣợng phổ. Hạn chế chính là do sử dụng phƣơng pháp điều chế tƣơng tự FM trong hệ thống đã hạn chế đáng kể số lƣợng ngƣời sử dụng với các hệ thống dùng phƣơng pháp điều chế số. Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống analog và yêu cầu chuyển dữ liệu chủ yếu là âm thanh. Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba. Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lƣợng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lƣợng âm thanh kém, không có chế độ bảo mậtdo vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng . Nguyễn Thị Huyền Linh 40 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến 4.2.2. Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai có nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với các hệ thống thông tin di động tƣơng tự 1G. Các ƣu điểm vƣợt trội đó là việc ứng dụng các công nghệ số cho phép cải thiện chất lƣợng thông tin và tăng đáng kể số lƣợng ngƣời sử dụng. - Hệ thống hay chuẩn GSM. Năm 1992, hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ thứ 2 xuất hiện ở Châu Âu đó là hệ thống GSM (Global System for Mobile Communication) hay còn gọi là thông tin di động toàn cầu. Đây là hệ thống thông tin ở Châu Âu đầu tiên sử dụng các kỹ thuật điều chế số. Ở đây chỉ giới thiệu các thông số kỹ thuật đặc trƣng cơ bản của chuẩn GSM. Dải tần: Dải tần thu: 935-960 MHz Dải tần phát: 890-915 MHz Phƣơng pháp truy nhập kênh: TDMA và FDMA Phƣơng pháp điều chế: GMSK 1bit/symbol (1bit/1 ký hiệu). (khóa dịch pha cực tiểu) Độ rộng kênh vô tuyến: 200kHz. Số lƣợng kênh: 124, mỗi kênh cho 8 ngƣời sử dụng. Phƣơng pháp ghép kênh: FDD. Mã hóa thoại: 13kbps. Tốc độ bit: 270833Kbps. Bộ lọc sử dụng : Bộ lọc Gauss hệ số 0,3. Với sự tăng trƣởng về số lƣợng ngƣời sử dụng và đặc biệt là sự phát triển của các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao nhƣ internet tốc độ cao, điện thoại hìnhtrong khi đó yêu cầu kết nối không chỉ kết nối giữa các thuê bao di động với nhau mà còn kết nối từ các thuê bao đến các nhà cung cấp dịch vụ internet, các công tytrong đó lớn nhất là các nhà cung cấp dịch vụ internet, các mạng internet sẽ đòi hỏi một mạng thông tin di động tốc độ cao. Ngoài ra, với dữ liệu, mạng phải đáp ứng đƣợc tốc độ tùy theo yêu cầu của ngƣời sử dụng và việc thanh toán cƣớc phí phải đƣợc tính theo số lƣợng thông tin. Tuy nhiên, mạng GSM dựa trên chuyển mạch kênh nguyên thủy để kết nối không thể đáp ứng các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao nhƣ trên. Để tăng tốc độ bit, nhiều giải pháp đã đƣợc đƣa ra cho mạng thông tin di động GSM nhƣ hệ thống dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Packet Radio Services) trên nền tảng của GSM hoặc hệ thống EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution). Các hệ thống này còn đƣợc gọi là hệ thống 2G+ hoặc 2,5G. - Hệ thống DCS : Hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ thứ hai, hệ thống DCS (Digital Communication System : Hệ thống thông tin số), xuất hiện ở Châu Âu năm 1993. Hệ thống này có các thông số kỹ thuật chính giống nhƣ hệ thống GSM nhƣng ở tần số 1800 MHz. Do đó ở một số nƣớc Châu Âu ngƣời ta còn gọi chuẩn này là GSM 1800. Các thông số kỹ thuật đặc trƣng nhƣ sau: Dải tần : Dải tần thu: 1805-1880 MHz Nguyễn Thị Huyền Linh 41 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến Dải tần phát: 1710-1785 MHz Phƣơng pháp truy nhập kênh: TDMA và FDMA Phƣơng pháp điều chế: GMSK Độ rộng kênh vô tuyến: 200kHz. Số lƣợng kênh: 1600, mỗi kênh cho 3 ngƣời sử dụng. Phƣơng pháp ghép kênh: FDD. Mã hóa thoại: 13kbps. Tốc độ bit cơ sở: 270833Kbps. Bộ lọc sử dụng: Bộ lọc Gauss hệ số 0,3. - Hệ thống DECT: Năm 1993, cũng tại Châu Âu xuất hiện một hệ thống điện thoại không dây thế hệ thứ hai, hệ thống DECT (Digital European Cordless Telephone : Hệ thống điện thoại không dây số Châu Âu). Hệ thống này sử dụng phƣơng pháp điều chế tần số GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), bộ lọc sử dụng là bộ lọc Gaussian có hệ số 0,5. Các thông số kỹ thuật đặc trƣng đƣợc tóm tắt nhƣ sau : Dải tần : 1880-1900 KHz Phƣơng pháp truy nhập kênh : TDMA và FDMA Phƣơng pháp điều chế : GMSK Độ rộng kênh vô tuyến : 1,728 kHz. Số lƣợng kênh : 100, mỗi kênh cho 24 ngƣời sử dụng. Phƣơng pháp ghép kênh : TDD. Mã hóa thoại : 32kbps. Tốc độ bit cơ sở: 1152Mbps. Bộ lọc sử dụng : Bộ lọc Gauss hệ số 0,3. - Hệ thống IS-54 : Cùng vào thời điểm 1992 ở Bắc Mỹ, hệ thống điện thoại tế bào thế hệ thứ 2 (IS- 54 hoặc NADC North American Digital Cellular : Hệ thống điện thoại vô tuyến tế bào số Bắc Mỹ) xuất hiện. Cũng giống nhƣ GSM ở Châu Âu, các bƣớc tiến triển tiếp theo của hệ thống IS-54 cũng đã đƣợc nghiên cứu và phát triển. Hệ thống NADC sử dụng phƣơng thức điều chế pha  4 DQPSK, bộ lọc sử dụng là bộ lọc cosin nâng với hệ số truy cập băng hệ số roll-off bằng 0.35. Các thông số kỹ thuật chính của chuẩn IS-54 : Dải tần : Dải tần thu : 869-894 MHz Dải tần phát : 824-849 MHz Phƣơng pháp truy nhập kênh : TDMA và FDMA Phƣơng pháp điều chế :  4 DQPSK 2bit/1 symbol Độ rộng kênh vô tuyến : 30kHz. Số lƣợng kênh : 832. Phƣơng pháp ghép kênh : FDD. Mã hóa thoại : 8kbps. Nguyễn Thị Huyền Linh 42 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến Tốc độ bit cơ sở: 48,6Kbps. Bộ lọc sử dụng : Bộ lọc cosin nâng. - Hệ thống IS-95 hay CDMA One : Cũng năm 1992 ở Châu Mỹ, một hệ thống điện thoại tế bào khác xuất hiện, đó là hệ thống IS-95 hay CDMA one. Các thông số kỹ thuật chính của IS-95. Dải tần : Dải tần thu : 869-894 MHz Dải tần phát : 824-849 MHz Phƣơng pháp truy nhập kênh : CDMA và FDMA Phƣơng pháp điều chế : QPSK 2bit/1 symbol Độ rộng kênh vô tuyến : 1250kHz. Số lƣợng kênh : 20. Phƣơng pháp ghép kênh : FDD. Mã hóa thoại : < 9,6kbps. Bộ lọc sử dụng : Bộ lọc cosin nâng. - Hệ thống IS-136 : Hệ thống IS-136 hay còn gọi là hệ thống điện thoại di động số tiên tiến (Digital Advanced Mobile Phone System) là sự phát triển của hệ thống tƣơng tự AMPS có thể sử dụng băng tần 800 MHz của chuẩn IS-54 và băng tần 1900 MHz của hệ thống PCS. Các thông số kỹ thuật chính của IS-136 : Dải tần : Dải tần thu : 869-894 MHz Dải tần phát : 824-849 MHz Phƣơng pháp truy nhập kênh : TDMA và FDMA Phƣơng pháp điều chế :  4 DQPSK Độ rộng kênh vô tuyến : 30kHz. Số lƣợng kênh : 832. Phƣơng pháp ghép kênh : FDD. Mã hóa thoại : 8kbps. Tốc độ bit cơ sở : 48,6 kbps. Bộ lọc sử dụng : Bộ lọc cosin nâng. - Hệ thống PHS : Đây là một chuẩn không dây thế hệ thứ hai của Nhật Bản xuất hiện năm 1993. Hệ thống PHS (Personal Handy Phone System : hệ thống điện thoại vô tuyến cầm tay) sử dụng điều chế  4 DQPSK, bộ lọc sử dụng là bộ lọc cosin nâng với hệ số truy cập băng là 0,5. Các thông số kỹ thuật chính của PHS : Dải tần : 1895-1918 MHz. Phƣơng pháp truy nhập kênh : TDMA và FDMA Phƣơng pháp điều chế :  4 DQPSK Độ rộng kênh vô tuyến : 30kHz. Số lƣợng kênh : 300. Nguyễn Thị Huyền Linh 43 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến Phƣơng pháp ghép kênh : TDD. Mã hóa thoại : 32kbps. Tốc độ bit cơ sở : 384 kbps. Bộ lọc sử dụng : Bộ lọc cosin nâng. 4.2.3. Các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G Do sự tăng trƣởng về số lƣợng ngƣời sử dụng và sự phát triển mạnh các dịch vụ đa phƣơng tiện nhƣ Internet, điện thoại hội nghị, đòi hỏi các hệ thống thông tin di động có tốc độ truyền dẫn cao. Tuy nhiên, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 không cung cấp tốc độ bit đủ lớn để đáp ứng các yêu cầu cao này, do đó yêu cầu phải nâng cấp và phát triển mạng GSM hiện hữu. Ngƣời ta đã đề xuất nâng cấp hệ thống GSM Châu Âu lên thành các dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Packet Radio Services) và hệ thống EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution). Các hệ thống 2,5G này nhƣ là sự sát nhập hệ thống 2G lên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G). Ƣu điểm của các hệ thống này là tận dụng đƣợc cơ sở vật chất sẵn có của mạng GSM, chỉ yêu cầu thay đổi rất ít để có thể khai thác đƣợc. - Hệ thống GPRS Một sự phát triển đầu tiên của hệ thống GSM để đạt đƣợc tốc độ bit thích hợp với các ứng dụng yêu cầu tốc độ bit trung bình là việc dựa trên nền GSM sẵn có và thêm một lớp trong thủ tục thông tin cho phép vận chuyển các dữ liệu dạng gói với tốc độ bit khoảng 115kbit/s và giữ nguyên kiểu chuyển mạch cho các tốc độ bit thấp khoảng chục kbit/s. Hệ thống này có tên là GPRS. Bằng việc sử dụng lại các tần số, khung truyền dẫn và các cơ sở vật chất có sẵn của mạng GSM, chỉ có duy nhất có thay đổi về phần mềm trong việc cài đặt hệ thống. Chuẩn GPRS sử dụng khung truyền dẫn TDMA của chuẩn GSM. Tùy theo số lƣợng bit thông tin cần truyền đi, có thể một khe thời gian hoặc nhiều khe thời gian đƣợc sử dụng để chuyển các gói tin. Do đó, ở kiểu chuyển mạch kênh đƣợc sử dụng để truyền thông tin có tốc độ bit thấp nhƣ tiếng nói và kiểu chuyển mạch gói để truyền thông tin tốc độ bit cao hơn nhƣ truyền các gói dữ liệu. GPRS đã kết hợp các khe thời gian, tạo ra tốc độ bit cao hơn so với GSM. GPRS cho phép tăng tốc độ truyền dữ liệu lên 8 lần nếu sử dụng cả 8 khe thời gian của tần số sóng mang. - Hệ thống EDGE Một giải pháp kỹ thuật khác để đạt đƣợc tốc độ bít tƣơng thích với các ứng dụng truyền thông đa phƣơng tiện tốc độ cao đó là giải pháp EDGE (Enhanced Enhanced Data Rate for GSM Evolution).Giải pháp này sử dụng lại các đặc trƣng phổ của chuẩn GSM cho phép tốc độ bit đạt tới 384kbit/s. Chuẩn EDGE cho phép đạt đƣợc tốc độ bit này bằng việc kết hợp sử dụng phƣơng thức điều chế pha 8PSK và sử dụng hay kết hợp nhiều khe thời gian trong quá trình truyền dẫn nhƣ trong mạng GPRS thay vì chỉ sử dụng khe thời gian nhƣ trong mạng GSM. Bằng việc có thể sử dụng lại hầu hết các cơ cở vật chất của mạng GSM, giải pháp này cho phép giảm giá thành đầu tƣ. Phƣơng thức điều chế 8PSK, có nghĩa là trong đó kết hợp 3 bit cho một ký hiệu sẽ tăng tốc độ bit lên 3 lần so với điều chế GMSK của chuẩn GSM với cùng một dải phổ chiếm dụng. Nguyễn Thị Huyền Linh 44 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến Tốc độ bit cơ sở chuyển từ 270kbps lên 810kbps hoặc tốc độ truyền số liệu 384kbps cho chuẩn EDGE thay vì 9,6kbps cho chuẩn GSM. Tuy nhiên hiệu suất công suất của phƣơng thức điều chế 8PSK trong mạng EDGE chỉ bằng 4/9 của phƣơng thức điều chế GMSK trong mạng GSM. Do đó công suất của máy phát EDGE phải lớn gấp đôi so với GSM, điều này sẽ ảnh hƣởng tới việc chế tạo thiết bị đầu cuối và các trạm thu phát công suất nhỏ nhƣ Micro BTS, pico BTS. Để khắc phục khó khăn về công suất của máy đầu cuối ngƣời ta đã đƣa ra giải pháp trong đó máy đầu cuối ở đƣờng lên sẽ phát tín hiệu sử dụng phƣơng thức điều chế GMSK còn trạm thu phát vô tuyến gốc BTS sẽ phát ở đƣờng xuống tín hiệu điều chế 8PSK với lí do phần lớn các ứng dụng tốc độ cao đều nằm ở đƣờng xuống (nhƣ truy cập internet, ứng dụng dịch vụ đa phƣơng tiện), giải pháp này nhằm hạn chế tính phức tạp cho máy đầu cuối. Hệ thống EDGE tuy nhiên vẫn dựa vào chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói và hạn chế tốc độ 384kbps nên sẽ khó khăn cho việc ứng dụng các dịch vụ đòi hỏi việc chuyển mạch linh động hơn và tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn (khoảng 2Mbps), khi đó buộc phải sử dụng hệ thống thông tin di động thứ ba hoặc bốn 4.2.4. Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) Các dịch vụ vô tuyến di động thế hệ thứ ba không tƣơng ứng với một giao diện thông tin duy nhất và toàn cầu, mà tƣơng ứng với sự kết hợp các hệ thống có nhiều giao diện với nhau. Sự kết hợp này đƣợc gọi là IMT2000 và nó kết hợp hệ thống UMTS (Universal Mobile Telephone System), hệ thống UWC-136 và CDMA 2000. Ở Mỹ, đã phát triển hệ thống CDMA 2000 tƣơng ứng với sự tiến triển của hệ thống IS- 95 và hệ thống UWC-136 là một tiến triển của IS-136. Ở Châu Âu, các hệ thống đã đƣợc phát triển tƣơng ứng với chuẩn UMTS. Chuẩn UMTS và CDMA 2000 sử dụng phƣơng pháp truy cập theo mã CDMA, trong khi chuẩn UWC-136 dựa trên phƣơng pháp truy cập theo thời gian TDMA. Mục đích của các chuẩn này là cho phép các dịch vụ truyền thông tin đa phƣơng tiện tốc độ cao qua mạng internet và để mở ra một mạng thông tin chung trên toàn thế giới. Các chuẩn 3G phải tƣơng thích với các hệ thống 2G và 2,5G. Do đó, kỹ thuật thông tin sử dụng băng tần kép hoặc đa băng đƣợc sử dụng. - Hệ thống UMTS UMTS là một hệ thống đƣợc lựa chọn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba. UMTS đƣợc quản lý bởi liên đoàn viễn thông thế giới ITU trong khuôn khổ dự án IMT-2000 toàn cầu. Năm 1998, dự án UMTS đã mở rộng đến các đối tác, các tổ chức ở Mỹ, Nhật và Hàn Quốc. Dự án này có tên là GPP (Third Generation Group Project Partnership). Viện các tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu ETSI (European Telecommunication Standards Institute) là cơ quan tổ chức chuẩn hóa các giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS, công việc đã thực hiện bởi nhóm 3GPP. Mục đích của UMTS là để phát triển vùng phủ sóng tốt nhất, tăng số lƣợng thuê bao, cải tiến sự hội tụ giữa điện thoại cố định và di động. UTRA (UMTS Terestrial Radio Access) là giao diện vô tuyến của UTMS. UTRA có hai kiểu hay phƣơng thức đa truy cập : truy cập theo mã băng rộng W-CDMA (Wide Band Code Division Multiple Access) dành cho Nguyễn Thị Huyền Linh 45 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến mode FDD và phƣơng pháp phân bố theo mã trong miền thời gian TD-CDMA (Time Division Code Division Multiple Access) cho mode TDD. Phƣơng thức điều chế đƣợc sử dụng cho mỗi kênh là QPSK. Tùy theo nhu cầu sử dụng phổ và tốc độ bit truyền, hệ số trải phổ sẽ thay đổi cho phù hợp. Kỹ thuật điều chế và trải phổ đƣợc kết hợp gọi là HPSK. Các thông số kỹ thuật chính của chuẩn UMTS nhƣ sau : Dải tần : Dải tần thu : 1920-1980MHz và 1850 – 1910MHz Dải tần phát : 2110-2170 MHz và 1930-1990MHz Phƣơng pháp truy nhập kênh : WCDMA và TD-CDMA Phƣơng pháp điều chế : QPSK Độ rộng kênh vô tuyến : 5MHz, 10MHZ và 20MHz. Phƣơng pháp ghép kênh : FDD. Tốc độ bit cơ sở : 144 kbps, 384kbps và 2048kbps. Bộ lọc sử dụng : Bộ lọc cosin nâng. Tốc độ bit dữ liệu thay đổi tùy theo vận tốc di chuyển và hệ thống UMTS hoạt động theo phƣơng thức truyền dẫn không đồng bộ. Tốc độ dữ liệu thay đổi và hệ thống cho phép giảm các ảnh hƣởng fading trong kênh vô tuyến. 4.3. Kiến trúc các hệ thống vô tuyến 4.3.1. Hệ thống phát vô tuyến Có hai kiểu kiến trúc máy phát đó là : - Máy phát trực tiếp hay còn gọi là máy phát không qua trung tần - Máy phát hai tầng hay còn gọi là máy phát có trung tần a) Máy phát trực tiếp không qua trung tần Hình 4.4 giới thiệu sơ đồ khối chức năng của một máy phát trực tiếp. DAC LPF 900 DSP BPF BPF Match PLL PA DAC LPF Hình 4.4 Kiến trúc máy phát trực tiếp Phía phát, có thể là tiếng nói, dữ liệu,đƣợc mã hóa và sắp xếp để giảm thiểu giao thoa giữa các ký hiệu và hạn chế bề rộng băng thông bởi một khối xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing). Sau khi qua bộ chuyển đổi số tƣơng tự DAC (Digital to Analog Converter) và bộ lọc thông thấp LPF (Low pass filter), các tín hiệu băng tần cơ bản I (tín hiệu đồng pha) và Q (tín hiệu lệch pha 90 0 ) đƣa đến đầu vào của hai bộ trộn tần cho phép thực hiện điều chế I/Q. Hai nhánh đƣợc nhân với hai tín hiệu trực giao đến từ bộ giao động nội ( vòng khóa pha PLL : Phase Locked Loop). Sau điều chế tín hiệu đƣợc lọc bởi bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter) và đƣa đến bộ khuếch đại công suất PA sau đó đƣợc lọc lại để loại bỏ các hài bậc cao gây ra do sự Nguyễn Thị Huyền Linh 46 Đề cƣơng bài giảng Thông tin vô tuyến phi tuyến của bộ khuếch đại công suất trƣớc khi đƣa tới hệ thống phối hợp trở kháng Match (Matching) để đƣa ra ăngten phát đi. Trong cấu trúc này, tần số của tín hiệu cao tần phát bằng với tần số của dao động nội trong điều chế, do đó máy phát này có tên là máy phát trực tiếp. b) Máy phát có trung tần (máy phát hai tầng) Với máy phát không qua trung tần thì có nhƣợc điểm là nhiễu giữa bộ khuếch đại công suất và bộ tạo dao động nội, vì thế máy phát có trung tần thực hiện trộn tín hiệu ở băng tần cơ bản theo hai tầng để cho phổ của tín hiệu ở đầu ra bộ PA khác xa với các tần số của bộ dao động nội. Hình 4.5 giới thiệu sơ đồ khối chức năng của máy phát hai tầng. DAC I LPF Sinω1t DSP 90 0 BPF2 Match BPF1 PLL1 PA Q cosω1t DAC PLL2 LPF Hình 4.5 Sơ đồ khối chức năng máy phát 2 tầng Bộ điều chế I-Q chuyển tín hiệu ở băng tần cơ bản (BF : Base Frequency) lên tần số trung gian hay còn gọi là trung tần (IF : Intermedia Frequency) f1, sau đó qua bộ lọc thông dải thứ nhất BPF1 và đƣợc đƣa đến khối nâng tần thứ hai, f2. Tín hiệu điều chế sau khối nâng tần này và sau khi qua bộ lọc thông dải thứ 2 BPF2 có tần số là f1+f2. Bộ lọc thông dải thứ nhất BPF1 để loại bỏ các hài của tín hiệu ở tần số trung tần, trong khi bộ lọc thông dải thứ hai để loại bỏ tín hiệu ở tần số f1-f2. Tầng đầu tiên thực hiện việc điều chế và nâng tần lên tần số trung tần IF. Tần số trung tâm thấp hơn tần số cao tần phát, do đó máy phát hai tầng có những ƣu điểm so với máy phát trực tiếp nhƣ sau : - Sự mất cân bằng về biên độ và pha giữa hai tín hiệu I và Q nhỏ hơn nhiều so với máy phát trực tiếp, do đó giao thoa giữa hai tín hiệu I và Q nhỏ. - Bộ lọc kênh có thể sử dụng ở trung tần thay vì ở cao tần để hạn chế tạp âm và các tín hiệu ký sinh phát trong các kênh lân cận. Khó khăn gặp phải trong kiểu máy phát này là việc thiết kế bộ lọc thông dải thứ hai. Bộ lọc này phải loại bỏ các băng tần không mang muốn với m