intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Bài giảng Chương 1: Kênh truyền vô tuyến

Chia sẻ: Vu Son | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:13

Thêm vào BST
Báo xấu
57
lượt xem 2
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung của bài giảng trình bày khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến, kênh truyền vô tuyến, các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền, kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Chương 1: Kênh truyền vô tuyến

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

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí
65 tài liệu
2431 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2