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

Bài giảng truyền dẫn vô tuyến - Nguyễn Viết Đàm

Chia sẻ: Nguyen Quang Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:623

Thêm vào BST
Báo xấu
467
lượt xem 94
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG   BÀI GIẢNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ Chuyên ngành Điện tử Viễn thông (Lưu hành nội bộ ) Biên soạn: Ths. Nguyễn Viết Đảm Hà Nội - 7/2010 Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triền nhanh chóng của công nghệ thông tin vô tuyến trong những năm qua và dự báo sự bùng phát của công nghệ này trong những năm tới sẽ dẫn tới sự thiếu hụt nguồn nhân lực có trình độ và kinh nghiệm cao trong lĩnh vực này. Các trường đại học trên thế giới đã...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng truyền dẫn vô tuyến - Nguyễn Viết Đàm

  1. TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG   BÀI GIẢNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ Chuyên ngành Điện tử Viễn thông (Lưu hành nội bộ ) Biên soạn: Ths. Nguyễn Viết Đảm Hà Nội - 7/2010
  2. Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triền nhanh chóng của công nghệ thông tin vô tuyến trong những năm qua và dự báo sự bùng phát của công nghệ này trong những năm tới sẽ dẫn tới sự thiếu hụt nguồn nhân lực có trình độ và kinh nghiệm cao trong lĩnh vực này. Các trường đại học trên thế giới đã và đang nghiên cứu nhiều chương trình và biện pháp để có thể đào tạo các chuyên gia và các kỹ sư vô tuyến có trình độ cao. Do đặc điểm cơ bản của truyền dẫn vô tuyến là: (i) tài nguyên vốn có bị hạn chế; (ii) chất lượng bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi phađinh ngẫu nhiên, trong khi đó nhu cầu chiến dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng gia tăng cũng như yêu cầu về tính đa dạng, chất lượng về dịch vụ ngày càng cao. Từ lịch sử phát triển cũng như xu thế tất yếu của các hệ thống truyền dẫn vô tuyến là khám phá tài nguyên, khai thác triệt để & hiệu quả tài nguyên, các giải pháp nhằm tăng dung lượng nhưng vẫn đảm bảo chất lượng, cũng như bài toán phân bổ tài nguyên công bằng mềm dẻo,v,v.... sự chắt lọc, tích hợp các kỹ thuật cơ bản cùng với các kỹ thuật tiên tiến, tính khả thi nhờ các công nghệ như FPGA...sẽ được hội tụ trong các hệ thống vô tuyến thế hệ sau. Học phần "Truyền dẫn vô tuyến số" là một trong những học phần liên quan đến lĩnh vực công nghệ vô tuyến được giảng dậy tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Mục đích của học phần này là cung cấp các kiến thức cơ sở về truyền dẫn vô tuyến số để sinh viên có thể học được các học phần tiếp theo của công nghệ vô tuyến như: Thông tin di động, và các chuyên đề tự chọn. Cuốn sách này được biên soạn trên cơ sở sinh viên đã học các hoc phần như: Anten và truyền sóng, và các học phần cơ sở liên quan. Sách được tổ chức bao gồm các bài giảng về học phần học "Truyền dẫn vô tuyến số" được biên soạn theo chương trình đại học công nghệ viễn thông của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông theo hướng trên. Cuốn sách chia thành 9 chương có bố cục hợp lý cùng với nhiều bài tập và đáp án cụ thể cho từng bài tập để sinh viên có thể tự học. Hơn nữa, nhiều chương trình mô phỏng được viết trên Matlab có tính Modul, mở, và hệ thống, cho phép sinh viên nghiên cứu sâu cũng như phát khẳ năng sáng tạo. Do hạn chế của thời lượng nên chỉ bao gồm các kiến thức căn bản về truyền dẫn vô tuyến số. Để nâng cao kiến thức về lĩnh vực này sinh viên có thể tìm hiểu thêm các tài liệu tham khảo, và các đề tài nghiên cứu khoa học cuối sách. Cũng do hạn chế về thời lượng, chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, kính mong nhận được sự đóng góp của đồng nghiệp, cũng như các chuyên gia trong lĩnh vực này để hiệu chuẩn và làm sâu rộng hơn nữa. Hà nội ngày………tháng……..năm 2010 Giảng viên Nguyễn Viết Đảm -i-
  3. Mục lục MỤC LỤC Chương 1. Tổng quan về truyền dẫn vô tuyến số……………………………………….. 1 1.1. Giới thiệu chung…………………………………………………………………….. 1 1.2. Vai trò của truyền dẫn vô tuyến số trong mạng viễn thông…………………............. 1 1.3. Đặc điểm cơ bản của truyền dẫn vô tuyến số………………………………………… 2 1.4. Các kỹ thuật nâng cao dung lượng và chất lượng truyền dẫn vô tuyến điển hình…… 4 1.5. Cấu hình hệ thống truyền dẫn vô tuyến số và phân loại ……………………............. 7 1.6. Tổng kết………………………………………………………………………............ 10 Chương 2. Các dạng tín hiệu trong truyền dẫn vô tuyến số…………………….............. 11 2.1. Giới thiệu chung……………………………………………………………………… 11 2.2. Tín hiệu, phổ tín hiệu, phân loại tín hiệu…………………………………….............. 11 2.3. Kênh vô tuyến, các tham số đặc trưng của kênh vô tuyến và phân loại……………... 15 2.4. Đặc tính của kênh băng tần hạn chế, méo kênh, nhiễu giữa các ký hiệu ISI…... 16 2.5. Ảnh hưởng của hạn chế băng tần và định lý Nyquist………………………….. 19 2.6. Truyền dẫn tín hiệu ở băng gốc và ở băng thông………………………………… 22 2.7. Thiết kế và truyền dẫn tín hiệu qua kênh băng tần hạn chế…………………… 25 2.8. Ảnh hưởng của các đặc tính đường …………………………………….…….. 29 2.9. Phương pháp biểu diễn và phân tích đánh giá tín hiệu điển hình......................... 37 2.10. Tổng kết………………………………………………………………………... 39 Chương 3. Không gian tín hiệu và điều chế……………………………………….. 40 3.1.Giới thiệu chung……………………………………………………………................. 40 3.2. Điều chế số và các khuôn dạng điều chế số………………………………………….. 42 3.3. Không gian tín hiệu và biểu diễn tín hiệu…………………………………................. 44 3.4. Đáp ứng của các bộ tương quan lên tạp âm……………………….............................. 50 3.5. Tách sóng khả giống nhất……………......................................................................... 53 3.6. Xác suất lỗi truyền dẫn trong kênh tạp âm Gaussơ trắng cộng, AWGN…………….. 54 3.7. Biểu diễn tín hiệu điều chế ở dạng phức…………………………………………….. 55 3.8. Kỹ thuật điều chế và giải điều chế PSK hai trạng thái nhất quán, BPSK……………. 56 3.9. Kỹ thuật điều chế và giải điều chế bốn trạng thái nhất quán…………………….…... 61 3.10. Kỹ thuật điều chế và giải điều chế M trạng thái nhất quán………………………. 78 3.11. Kỹ thuật điều chế OFDM…………………………………………………………… 87 3.12. Mật độ phổ công suất của các tín hiệu được điều chế……………………... 95 -ii-
  4. Mục lục 3.13. So sánh tính năng của các kỹ thuật điều chế………………………………. 98 3.14. Đồng bộ sóng mang và đồng bộ ký hiệu………………………………….. 103 3.15. Tổng kết……………………………………………………………………. 103 Chương 4. Kênh vô tuyến và dung lượng kênh vô tuyến………………………… 105 4.1. Giới thiệu chung…………………………………………………………….. 105 4.2. Các khái niệm cơ bản……………………………………………………….. 105 4.3. Kênh vô tuyến và đặc tính kênh vô tuyến………………………………… 107 4.4. Dung lượng kênh, phương pháp nâng cao dung lượng kênh vô tuyến……………..... 117 4.5. Phân bổ tài nguyên vô tuyến điển hình……………………………………... 120 4.6. Tổng kết……………………………………………………………………... 125 Chương 5. Mã hóa kênh kiểm soát lỗi ở vô tuyến số…………………………………….. 127 5.1. Giới thiệu chung……………………………………………………………………… 127 5.2. Các nguyên tắc mã hóa kênh kiểm soát lỗi…………………………………………... 127 5.3. Mã khối tuyến tính…………………………………………………………………… 131 5.4. Mã xoắn……………………………………………………………………............... 141 5.5. Mã Turbo…………………………………………………………………………….. 161 5.6. Kết hợp mã hóa kênh kiểm soát lỗi và đan xen…………………………….............. 173 5.7. Tổng kết……………………………………………………………………............... 173 Chương 6. Giảm cấp chất lượng đường truyền dẫn và biện pháp chống pha đinh….. 175 6.1. Giới thiệu chung……………………………………………………………………. 175 6.2. Giảm cấp chất lượng đường truyền............................................................................. 175 6.3. Méo kênh truyền dẫn do thiết bị.................................................................................. 176 6.4. Méo kênh truyền dẫn do truyền sóng.......................................................................... 183 6.5. Phân biệt phân cực vuông góc..................................................................................... 188 6.6. Các kỹ thuật chống pha đinh và giảm cấp................................................................... 190 6.7. Tổng kết....................................................................................................................... 207 Chương 7. Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số................................................... 208 7.1. Giới thiệu chung…………………………………………………………………….. 208 7.2. Cấu hình hệ thống truyền dẫn vô tuyến số.................................................................. 208 7.3. Xử lý tín hiệu và các phần tử của thiết bị vô tuyến số................................................. 210 7.4. Máy phát thu vô tuyến với ghép song công…………………………………………. 220 7.5. Khai thác, quản lý và bảo dưỡng hệ thống truyền dẫn vô tuyến số............................. 222 7.6. Tổng kết....................................................................................................................... 233 -iii-
  5. Mục lục Chương 8. Phân tích đường truyền vô tuyến số…………………………………………. 234 8.1. Giới thiệu chung…………………………………………………………………….. 234 8.2. Phân tích đường truyền vô tuyến số………………………………………………… 234 8.3. Phân tích, tính toán đường truyền vô tuyến số mặt đất……………………………… 239 8.4. Phân tích, tính toán đường truyền vệ tinh……………………………………………. 242 8.5. Tổng kết……………………………………………………………………………… 246 Chương 9. Hệ thống truyền dẫn băng siêu rộng…………………………………………. 247 9.1. Giới thiệu chung……………………………………………………………………… 247 9.2. Các tính chất cơ bản của tín hiệu và hệ thống UWB………………………………… 247 9.3. Tạo tín hiệu UWB……………………………………………………………………. 248 9.4. Kênh UWB và máy thu UWB……………………………………………….............. 249 9.5. Tổng kết……………………………………………………………………………… 255 Phụ lục..................................................................................................................................... 257 Câu hỏi và bài tập.................................................................................................................. 403 Hướng dẫn giải bài tập…………………………………………………………………….. 423 Thuật ngữ viết tắt………………………………………………………………………….. 620 Tài liệu tham khảo................................................................................................................. 624 -iv-
  6. Chương 1: Tổng quan về truyền dẫn vô tuyến số Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG  Các chủ đề được trình bầy trong chương  Vai trò của truyền dẫn vô tuyến số trong mạng viễn thông  Khái niệm và đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến số  Các kỹ thuật nâng cao chất lượng và dung lượng truyền dẫn vô tuyến số  Sơ đồ khối chung của một kênh truyền dẫn vô tuyến số  Mục đích chương  Hiểu vai trò của truyền dẫn vô tuyến số trong mạng viễn thông  Biết ưu nhược điểm và các biện pháp cải thiện hiệu năng truyền dẫn vô tuyến số  Hiểu được tổng quan những vấn đề sẽ nghiên cứu ở các chương sau trong tài liệu. 1.2. VAI TRÒ CỦA TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ TRONG MẠNG VIỄN THỐNG Các hệ thống vô tuyến số được sử dụng làm các đường truyền dẫn số giữa các phần tử khác nhau của mạng viễn thông như:  Đường trung kế số nối giữa các tổng đài số.  Đường truyền dẫn nối tổng đài chính với các tổng đài vệ tinh.  Đường truyền dẫn nối các thuê bao với tổng đài chính hoặc tổng đài vệ tinh.  Bộ tập trung thuê bao vô tuyến.  Kết nối các máy di động với mạng viễn thông trong mạng thông tin di động.  Kết nối máy cầm tay vô tuyến với tổng đài nội hạt trong hệ thống điện thoại không dây số. Hệ thống truyền dẫn vô tuyến số là phần tử quan trọng của mạng viễn thông, đặc biệt khi các công nghệ thông tin vô tuyến mới như thông tin di động được dùng rộng rãi. Sơ đồ tổng quát của mạng viễn thông số công cộng hình 1.1 thể hiện các vai trò cơ bản nói trên. Từ hình 1.1 cho thấy các tổng đài nội hạt (LS: Local Switching Center) được nối với nhau trong mạng liên tổng đài qua tổng đài quá giang (TS: Transit Switching Center) nhờ mạng truyền dẫn số. Môi trường truyền dẫn có thể là: quang, vô tuyến số mặt đất hoặc vệ tinh. Trước hết các luồng số ra từ tổng đài được ghép chung thành một luồng tổng tốc độ cao nhằm chiếm dụng hết dung lượng kênh truyền dẫn được cấp phát, sau đó được đưa lên các thiết bị đầu cuối quang, vô tuyến số mặt đất hoặc vệ tinh rồi phát vào môi trường truyền dẫn tương ứng (nhằm sử dụng được các môi trường truyền dẫn vào mục đích truyền thông). Mạng nội hạt là mạng cho phép kết nối các máy đầu cuối (TE: Terminal Equipment) với tổng đài nội hạt. Việc kết nối này thường thông qua trạm tập trung thuê bao xa (RSC Remote Subscriber Concentrator) hay tổng đài vệ tinh. Trước hết lưu lượng từ các thuê bao được tập trung thành các luồng số tốc độ cao, sau đó được truyền đến tổng đài nội hạt LS qua đường truyền dẫn như: quang, vi ba số mặt đất hoặc vệ tinh. Bộ tập trung có thể là hữu tuyến hoặc vô tuyến. Bộ tập trung vô tuyến (Radio Concentrator) thường dùng nguyên tắc -1-
  7. Chương 1: Tổng quan về truyền dẫn vô tuyến số đa truy nhập như: FDMA (Frequency Division Multiple Access: đa truy nhập phân chia theo tần số), TDMA (Time Division Multiple Access: đa truy nhập phân chia theo thời gian) và CDMA (Code Division Multiple Access: đa truy nhập phân chia theo mã) để tập trung lưu lượng số từ các thuê bao vào tổng đài nhằm chiếm dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến khan hiếm. Loại thiết bị đầu cuối rất tiện lợi và ngày càng phổ biến là máy vô tuyến cầm tay, nó có thể là thiết bị cầm tay của hệ thống di động hoặc máy điện thoại không dây số của mạng nội hạt, chúng được kết nối với tổng đài nội hạt LS qua đường truyền dẫn vô tuyến số mặt đất hoặc vệ tinh nhờ trạm thu/phát gốc vô tuyến (BS: Base Station). Công nghệ thường được dùng để kết nối các máy vô tuyến cầm tay với tổng đài là: FDMA, TDMA hoặc CDMA, OFDMA. Trong tương lai các máy cầm tay vô tuyến có thể chiếm 50% các máy đầu cuối TE. ®iÖn tho¹i kh«ng d©y ®iÖn tho¹i kh«ng d©y Th«ng tin di ®éng/ Th«ng tin di ®éng/ GhÐp kªnh GhÐp kªnh H H BS BS GhÐp kªnh GhÐp kªnh Hình 1.1. Sơ đồ tổng quát mô tả ứng dụng truyền dẫn vô tuyến số trong mạng viễn thông Sở dĩ truyền dẫn vô tuyến số đóng một vai trò rất quan trọng trong mạng viễn thông hiện tại cũng như trong tương lai là vì hai lợi thế cơ bản: linh hoạt và di động. Tuy nhiên, truyền dẫn vô tuyến cũng tồn tại rất nhiều nhược điểm đòi hỏi các nhà thiết kế hệ thống cần có các biện pháp, giải pháp đối phó nhược điểm cũng như sử dụng dụng hiệu quả phương thức truyền dẫn này. 1.3. ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ  Nhược điểm và hạn chế của truyền dẫn vô tuyến số Do môi trường truyền dẫn là môi truờng hở và băng tần hạn chế, nên hệ thống truyền dẫn vô tuyến số tồn tại rất nhiều hạn chế. Môi trường truyền dẫn hở dẫn đến các ảnh hưởng cơ bản sau: -2-
  8. Chương 1: Tổng quan về truyền dẫn vô tuyến số  Chịu ảnh hưởng rất lớn vào môi trường truyền dẫn như: khí hậu thời tiết.  Chịu ảnh hưởng rất lớn vào địa hình như: mặt đất, đồi núi, nhà cửa cây cối...  Suy hao trong môi trường lớn  Chịu ảnh hưởng của các nguồn nhiễu trong thiên nhiên như: phóng điện trong khí quyển, phát xạ của các hành tinh khác (khi thông tin vệ tinh)...  Chịu ảnh hưởng của nhiễu công nghiệp từ các động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện  Chịu ảnh hưởng nhiễu từ các thiết bị vô tuyến khác.  Dễ bị nghe trộm và sử dụng trái phép đường truyền thông tin Ảnh hưởng rất nguy hiểm ở các đường truyền dẫn vô tuyến số là pha đinh. Từ giáo trình truyền sóng và anten cho thấy: phađinh là hiện tượng thăng giáng thất thường (ngẫu nhiên) của cường độ điện trường ở điểm thu. Nguyên nhân pha đinh thường là do sự thay đổi ngẫu nhiên trong môi trường như thời tiết và địa hình làm thay đổi điều kiện truyền sóng. Pha đinh nguy hiểm nhất là pha đinh nhiều tia, xẩy ra khi máy thu nhận được tín hiệu không chỉ từ tia đi thẳng mà còn từ nhiều tia khác (phản xạ, tán xạ,…trong môi trường truyền sóng). Để đối phó với các ảnh hưởng này, các hệ thống truyền dẫn vô tuyến số thường được trang bị các hệ thống và thiết bị chống pha đinh hữu hiệu. Truyền dẫn vô tuyến số được thực hiện ở giải tần từ 1GHz đến vài trục GHz, trong khi đó truyền dẫn quang được thực hiện ở tần số vào khoảng 2.106GHz (tại λ=1500nm) vì thế băng tần truyền dẫn vô tuyến số rất hẹp so với truyền dẫn quang. Nếu coi băng tần truyền dẫn chiếm 5%=0,05 tần số mang trung tâm, thì: (1) đối với truyền dẫn vô tuyến ở tần số 10GHz, độ rộng băng tần truyền dẫn cho phép vào khoảng 10GHz  0, 05  0,5GHz ; (2) đối với truyền dẫn quang tại bước sóng =1500nm hay tần số f  C = 150010 8 3  10 9 = 2.10 Hz = 2.10 GHz băng tần truyền dẫn cho phép vào khoảng 2.10 GHz  0,05  10 GHz . 14 5 5 4 Từ ví dụ này cho thấy, độ rộng băng tần cho phép truyền dẫn quang gấp 10 5 lần độ rộng băng tần truyền dẫn vô tuyến. Ngoài ra dải tần số thấp (từ 1 đến 6 GHz) được ưa dùng hơn vì suy hao ở vùng tần số này thấp hơn. Điều này dẫn đến dung lượng truyền dẫn của các đường truyền dẫn vô tuyến số rất bị hạn chế.  Ưu điểm: Tuy nhiên truyền dẫn vô tuyến số có hai ưu điểm tuyệt vời mà không hệ thống truyền dẫn nào có thể sánh được:  Linh hoạt: Cho phép triển khai rất nhanh hệ thống truyền dẫn số chẳng hạn truyền hình di động,v.v….. Ưu điểm này cho phép các nhà khai thác phát triển mạng viễn thông nhanh chóng ở các vùng cơ sở hạ tầng viễn thông chưa phát triển với vốn đầu tư thấp nhất.  Di động: Chỉ có truyền dẫn vô tuyến mới đáp ứng được thông tin mọi nơi mọi thời điểm. Nhu cầu này không ngừng gia tăng ở thế kỷ 21 khi nhu cầu đi lại của con người ngày càng tăng. Ngoài các ưu điểm trên thông tin vô tuyến là phương tiện thông tin duy nhất cho các chuyến bay vào các hành tinh khác, thông tin đạo hàng, định vị.... Để phát huy được các ưu điểm và đối phó các nhược điểm của truyền dẫn vô tuyến số các nhà thiết kế các thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số phải sử dụng các biện pháp công nghệ xử lý số và các công nghệ vô tuyến hiện đại. Dưới đây ta sẽ đề cập ngắn gọn các công nghệ này. -3-
  9. Chương 1: Tổng quan về truyền dẫn vô tuyến số 1.4. CÁC KỸ THUẬT NÂNG CAO DUNG LƯỢNG VÀ CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN ĐIỂN HÌNH Do đặc điểm của truyền thông không dây là: (i) Tài nguyên vốn có bị hạn chế; (ii) Chất lượng bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi phađinh ngẫu nhiên từ địa hình, thời tiết,...đặc biệt với tín hiệu băng rộng, trong khi đó nhu cầu chiến dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng gia tăng cũng như yêu cầu tính đa dạng, chất lượng dịch vụ ngày càng cao. Vì vậy, vấn đề khám phá tài nguyên, sử dụng hiệu quả tài nguyên nhưng vẫn đảm bảo chất lượng truyền luôn là những chủ đề được quan tâm nghiên cứu triển khai. Dưới đây ta đề cập các kỹ thuật điển hình nhất. 1.4.1. Các biện pháp khắc phục các nhược điểm của môi trường truyền sóng để nâng cao chất lượng truyền dẫn vô tuyến điển hình Để khắc phục các ảnh hưởng lên truyền dẫn vô tuyến số do môi trường truyền dẫn hở, các biện pháp kỹ thuật sau đây thường được sử dụng:  Tổ chức quy hoạch sử dụng tài nguyên vô tuyến hợp lý  Tổ chức cấu hình hệ thống hợp lý  Sử dụng các công nghệ xử lý số phức tạp  Hoàn thiện các mạch điện vô tuyến  Tổ chức quy hoạch sử dụng tài nguyên vô tuyến Để các thiết bị vô tuyến số không gây nhiễu cho nhau các thiết bị này không được sử dụng đồng thời các tài nguyên vô tuyến mà phải sử dụng chúng một cách luân phiên. Ba tài nguyên vô tuyến sau đây cần được chia sẻ chung cho các thiết vô tuyến số để chúng không gây nhiễu cho nhau: tần số, thời gian và năng lượng. Các hệ thống vô tuyến số sử dụng luân phiên tài nguyên: (i) tần số được gọi là phân chia theo tần số (FD: Frequency Division); (ii) thời gian được gọi là phân chia theo thời gian (TD: Time division); (iii) mã hay phân chia năng lượng (CD: Code Division). Ngoài ra, các hệ thống vô tuyến số sử dụng tài nguyên không gian (SD Space Division) như trường hợp hệ thống dùng MIMO. Để thực hiện phân chia theo tần số ITU-R và các tổ chức vô tuyến lớn khác của quốc tế như: FCC của Mỹ (Federal Communication Commission: Uỷ ban thông tin liên bang), ARIB của Nhật (Association of Radio Industry and Bussiness: Liên hiệp kinh doanh và công nghiệp vô tuyến) đưa ra các khuyến nghị quy hoạch tần số. Các khuyến nghị này quy định các kênh tần số được sử dụng, khoảng cách giữa các kênh này, phân cực giữa các kênh... Dựa trên các khuyến nghị này các quốc gia sẽ quy hoạch tần số cho mình. Có thể nói rằng: Các hệ thống ghép kênh tạo ra các tài nguyên (tần số, thời gian, mã, không gian) có tính duy nhất và khai thác triệt để tính duy nhất vào mục đích truyền thông. Tuy nhiên, ghép kênh chỉ cho phép chiếm dụng hết tài nguyên nhưng không sử dụng hiệu quả tài nguyên. Để khắc phục nhược điểm này, các hệ thống vô tuyến dùng các phương pháp đa truy nhập, các phương pháp đa truy nhập được xây dựng trên cơ sở phân chia tài nguyên vô tuyến cho các người dùng khác nhau. Theo đó, tồn tại các phương pháp đa truy nhập như: đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, đa truy nhập phân chia theo mã CDMA, đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA. Việc tổ chức hợp lý các phương pháp đa truy nhập này thường được dùng trong các mạng thông tin di động và vô tuyến số nội hạt sẽ cho phép tăng đáng kể dung lượng của các hệ thống vô tuyến số. Do tài nguyên vô tuyến bị hạn chế (băng tần truyền dẫn hẹp) để tiết kiệm tài nguyên này các phương pháp quy hoạch tài nguyên vô tuyến phải cho phép tái sử dụng tốt nhất các tài nguyên vô tuyến. -4-
  10. Chương 1: Tổng quan về truyền dẫn vô tuyến số Xu hướng tất yếu của mạng thế hệ sau NGN, đặc biệt là mạng vô tuyến di động: Sử dụng hết, sử dụng hiệu quả tài nguyên và đảm bảo chất lượng dẫn đến khái niệm phân chia tài nguyên khả dụng, gán, cấp phát, phân bổ, định tuyến một cách hiệu quả, cũng như các cơ chế động & thích ứng. Nó cho phép đa dạng hóa về loại hình dịch vụ. Tuy nhiên, lại tăng tính phức tạp trong quản lý tài nguyên (định tuyến, điều khiển luồng, tài nguyên địa chỉ).  Tổ chức cấu hình hợp lý Tổ chức cấu hình cho các hệ thống truyền dẫn vô tuyến số đảm bảo sự hoạt động của các hệ thống này trong trường hợp xẩy ra sự cố. Thường xẩy ra hai loại sự cố sau:  Sự cố thiết bị  Sự cố đường truyền (gây ra do phađinh) Để đảm bảo truyền dẫn tin cậy, các hệ thống này thường được trang bị thêm các thiết bị hay hệ thống bảo vệ. Đối với trường hợp sự cố thiết bị, bên cạnh thiết bị công tác còn có thiết bị dự phòng để tiếp nhận truyền tin từ thiết bị công tác khi thiết bị này bị sự cố. Đối với trường hợp sự cố đường truyền, một hay nhiều đường truyền dẫn truyền dẫn dự phòng được lập cấu hình bên cạnh các hệ thống thống công tác. Khi đường truyền dẫn ở hệ thống công tác bị sự cố, thông tin ở các hệ thống này sẽ được chuyển sang truyền ở các đường truyền dự phòng. Phân tập được hiểu là: cùng một tín hiệu được truyền trên các đơn vị tài nguyên khác nhau hoặc được truyền trên các đường truyền khác nhau. Vì vậy, các đường truyền dự phòng ở các hệ thống này được gọi là các đường phân tập. Tồn tại các phương pháp phân tập sau đây ở các hệ thống truyền dẫn vô tuyến số:  Phân tập không gian  Phân tập tần số  Phân tập phân cực  Phân tập góc  Phân tập thời gian Ở dạng phân tập không gian, ta lợi dụng khả năng (xác suất) đồng thời xẩy ra phađinh ở hai điểm không tương quan trong không gian là rất nhỏ. Vì thế nếu ở phía thu ta đặt hai anten thu ở hai điểm không tương quan trong không gian thì ta có thể luôn luôn thu được tín hiệu tốt và bằng các kết hợp (hoặc chọn) tín hiệu giữa hai đường truyền này ta sẽ được một tín hiệu tốt. Tương tự, ở dạng phân tập tần số, ta lợi dụng khả năng đồng thời xẩy ra phađinh ở hai tần số không tương quan với nhau là rất nhỏ. Vì thế nếu sử dụng hai hệ thống truyền dẫn số ở hai tần số khác thì ta có thể luôn luôn thu được tín hiệu tốt và bằng các kết hợp (hoặc chọn) tín hiệu giữa hai đường truyền này ta sẽ được một tín hiệu tốt. Các dạng phân tập thứ ba và bốn cũng sử dụng thêm một hệ thống dự phòng ở phân cực và góc khác với hệ thống chính để kết hợp (hoặc chọn) tín hiệu giữa hai đường truyền tạo nên một tín hiệu tốt. Đối với dạng phân tập cuối cùng, luồng số cần truyền được chia thành các khối bản tin khác nhau, các khối bản tin này được truyền lặp ở một số thời điểm khác nhau để phía thu có thể chọn ra các khối bản tin tốt nhất. Tuy nhiên, từ quan điểm sử dụng hiệu quả tài nguyên, thì ở chừng mực nhất định phương pháp phân tập chiếm dụng tài nguyên không hiệu quả. -5-
  11. Chương 1: Tổng quan về truyền dẫn vô tuyến số  Sử dụng các công nghệ xử lý tín hiệu số phức tạp Để đối phó với ảnh hưởng của môi trường hở, các công nghệ xử lý tín hiệu số phức tạp hơn thường được dùng như:  Mã hoá kênh kiểm soát lỗi  Đan xen  Ngẫu nhiên hoá  Cân bằng thích ứng  Mật mã hoá tín hiệu để bảo mật thông tin và chống lại các kẻ truy nhập trái phép đường truyền. Chúng được thực hiện ở phần xử lý băng tần gốc để tăng khả năng chống phađinh và nhiễu. Để tiết kiệm độ rộng băng tần truyền dẫn ngoài các biện pháp quy hoạch tài nguyên vô tuyến hợp lý như đã nói ở trên, cần lựa chọn kỹ thuật điều chế thích hợp. Kỹ thuật điều chế kết hợp mã hoá là kỹ thuật được quan tâm nhiều nhất cho mục đích này.  Hoàn thiện các mạch điện vô tuyến Các mạch điện vô tuyến ngày càng hoàn thiện để hoạt động có hiệu quả hơn và tiêu tốn ít năng lượng hơn. Các công nghệ bán dẫn mới được đưa vào sử dụng trong các mạch điện siêu cao tần cho phép giảm kích cỡ thiết bị, tiêu thu ít năng lượng, tăng cường độ nhậy và lọc nhiễu. 1.4.2. Kỹ thuật nâng cao dung lượng và chất lượng truyền dẫn vô tuyến điển hình Từ lịch sử phát triển đã cho thấy vấn đề sử dụng hiệu quả tài nguyên nhưng vẫn đảm bảo chất lượng truyền dẫn vô tuyến số được giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, sự kết hợp giữa chúng, ở đó đã khai thác khá triệt để tài nguyên thời gian, tần số, không gian, mã. Vấn đề giải quyết ở đây được hiểu là việc khám phá tài nguyên vốn có (tập các tham số đặc trưng, các tính chất, các nhược điểm hạn chế của môi trường truyền), từ đó các giải pháp được đề xuất để khắc phục đối phó nhược điểm, đưa ra các công nghệ, giải pháp kỹ thuật để sử dụng hiệu quả tài nguyên. Các cơ chế, các công nghệ thích ứng, phân bổ (cấp phát) tài nguyên động, cơ chế điều khiển luồng, công nghệ IP, máy thu phát thông minh, vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR, vô tuyến khả tri....là những minh họa điển hình cho vấn đề này. Chẳng hạn dựa vào các đặc tính kênh trong các miền được xét, đề xuất các giải pháp công nghệ điển hình như: Điều chế QAM thích ứng (AQAM); Mã hóa kênh thích ứng; Cân bằng kênh thích ứng; CDMA thích ứng; Chia sẽ mã động; Anten thích ứng; MIMO thích ứng; Phân bổ tài nguyên thích ứng trong các hệ thống OFDM (trên cơ sở các đặc tính kênh trong miền tần số, phân chia tài nguyên phổ tần của môi trường truyền và đưa ra các giải thuật cấp phát kênh con và phân bổ công suất cho các người dùng); Tạo búp sóng; Ghép kênh không gian... Thích ứng cho phép sử dụng hiệu quả tài nguyên (tăng dung lượng) của hệ thống nhưng vẫn đảm bảo chất lượng BER cũng như việc dung hòa các tham số đối lập của hệ thống. Trong một phạm vi nhất định, thích ứng được hiểu là thay đổi các tham số đặc trưng của hệ thống theo kịch bản kênh truyền sao cho đạt được hiệu năng tốt nhất. Các hệ thống này đều đạt được hiệu năng tốt nhất hay hiệu quả sử dụng tài nguyên tốt nhất cũng như khắc phục nhược điểm vốn có của môi trường truyền thông. Vì vậy một cách sơ bộ có thể thấy rằng, một hệ thống thông minh sẽ phải có tính thích ứng cao, và cũng là xu hướng tất yếu của các hệ thống truyền tin hiệu đại, ở đó sẽ khẳng định sự hội tụ các công nghệ phần cứng cũng như phần mềm, hội tụ các tinh túy của các giải pháp kỹ thuật. Một trong những kỹ thuật thích ứng điển hình như điều chế và mã hóa kênh thích ứng AMC. -6-
  12. Chương 1: Tổng quan về truyền dẫn vô tuyến số Như vậy, từ lịch sử phát triển cũng như xu thế tất yếu của các hệ thống truyền thông thế hệ mới là sử dụng hiệu quả tài nguyên, đặc biệt là thông tin vô tuyến, các giải pháp nhằm tăng dung lượng truyền dẫn nhưng vẫn đảm bảo chất lượng, cũng như bài toán đảm bảo tính công bằng mềm dẻo trong việc phân bổ tài nguyên, bài toán phân bổ tài nguyên thích ứng trong mạng viễn thông và nhân tố ảnh hưởng lên vấn đề phân bổ tài nguyên. Sự hội tụ và tích hợp các giải pháp kỹ thuật tiên tiến, tính khả thi nhờ các công nghệ như FPGA...Hai kỹ thuật OFDM và MIMO được coi là kỹ thuật chủ đạo cho các hệ thống vô tuyến thế hệ sau như WIMAX và 4G: 1.5. CẤU HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ VÀ PHÂN LOẠI 1.5.1. Cấu hình hệ thống truyền dẫn vô tuyến số Sơ đồ khối chung của một kênh truyền dẫn vô tuyến số được cho ở hình 1.2. Vai trò của các khối chức năng trong sơ đồ hình 1.2 như sau: 1.5.1.1. Phía phát  Khối KĐ và giao diện đường số có các chức năng sau:  Phối kháng với đường số  Khuyếch đại và cân bằng cáp đường truyền số  Biến đổi mã đường vào mã máy  Tái sinh tín hiệu số  Khôi phục xung đồng hồ  Khối xử lý số băng gốc phát:  Ghép thêm các thông tin điều khiển và quản lý đường truyền  Mật mâ hoá các thông tin quan trọng  Mã hoá kênh chống lỗi  Ngẫu nhiên hoá tín hiệu số trước khi đưa lên điều chế  Khối điều chế và biến đổi nâng tần:  Điều chế sóng mang bằng tín hiệu số để chuyển đổi tín hiệu số này vào vùng tần số cao thuận tiện cho việc truyền dẫn  Đối với các máy phát đổi tần với điều chế thực hiện ở trung tần khối biến đổi nâng tần cho phép chuyển tín hiệu trung tần phát vào tần số vô tuyền trước khi phát.  Khối khuyếch đại công suất:  Khuyếch đại công suất phát đến mức cần thiết trước khi đưa phát vào không trung. 1.5.1.2. Phía thu:  Khuyếch đại tạp âm nhỏ:  Khuyếch đại tín hiệu thu yếu trong khi khuyếch đại rất ít tạp âm  Biến đổi hạ tần, khuyếch đại trung tần và giải điều chế:  Đối với máy thu đổi tần trước khi giải điều chế tín hiệu thu được biến đổi vào trung tần thu nhờ khối biến đổi hạ tần. Trong quá trình biến đổi hạ tần do suất hiện tần số ảnh gương nên khối biến đổi hạ tần thường làm thêm nhiệm vụ triệt tần số ảnh gương.  Đối với các máy thu đổi tần sau biến đổi hạ tần là khuyếch đại trung tần. Nhiệm vụ của khối chức năng này là khuyếch đại, lọc nhiễu kênh lân cận và cân bằng thích ứng ở vùng tần số cũng như cân bằng trễ nhóm ở các phần tử của kênh truyền dẫn. -7-
  13. Chương 1: Tổng quan về truyền dẫn vô tuyến số  Giải điều chế tín hiệu thu để phục hồi tín hiệu số  Xử lý số băng tần gốc thu: Thực hiện các chức năng ngược với khối xử lý số băng gốc phát như:  Giải ghép xen  Giải mã kênh  Giải ngẫu nhiên  Phân luồng cho luồng số chính và luổng số điều khiển quản lý đường truyền  Cân bằng thích ứng ở vùng thời gian để giảm thiểu ảnh hưởng của phađinh  Khuyếch đại và giao điện đường số:  Khuyếch tín hiệu số đến mức cần thiết trước khi đưa ra ngoài máy  Biến đổi mã máy vào mã đường  Phối kháng với đường số 1.5.1.3. Giao diện môi trường truyền dẫn Hệ thống anten-phiđơ và các thiết bị siêu cao tần cho phép các máy thu và máy phát giao tiếp với môi trường truyền dẫn vô tuyến. Giao diện môi trường truyền dẫn và một số mạch siêu cao tần được khảo sát ở các giáo trình Anten-truyền sóng và kỹ thuật siêu cao tần. Hình 1.2. Sơ đồ khối chung của một kênh truyền dẫn vô tuyến số 1.5.2. Các mô hình kênh truyền thông, và phân loại Trong quá trình thiết kế các hệ thống truyền thông để truyền tin thông qua các kênh vật lý, ta cần phải xác định, phân loại, lựa chọn mô hình kênh truyền, từ đó xây dựng các mô hình toán sao cho phản ánh các đặc tính quan trọng nhất của môi trường truyền. Vì thế, mô hình toán được dùng trong việc thiết kế bộ lập mã kênh, bộ điều chế cũng như bộ giải mã kênh, bộ giải điều chế ở máy phát và máy thu tương ứng. Dưới đây, ta đề cập vắt tắt -8-
  14. Chương 1: Tổng quan về truyền dẫn vô tuyến số các mô hình kênh thường được dùng để đặc tính hoá các kênh vật lý. Ta cần lưu ý rằng, mức độ phức tạp của thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số cũng như mức độ phức tạp của các giải pháp, biện pháp đối phó nhược điểm, giải pháp sử dụng hiệu quả tài nguyên khan hiếm chủ yếu phụ thuộc bởi đặc tính của môi trường truyền cũng như mô hình kênh truyền thông.  Kênh tạp âm cộng Mô hình đơn giản nhất là kênh tạp âm cộng (hình 1.3a). Trong đó, tín hiệu phát s(t) bị nhiễu bởi quá trình tạp âm ngẫu nhiên cộng x(t). Về mặt vật lý, quá trình tạp âm cộng có thể do các linh kiện điện tử và các bộ khuyếch đại ở máy thu hoặc do tạp âm đường truyền (được xét chi tiết ở chương 2). Nếu tạp âm được tạo ra do các linh kiện điện tử và các bộ khuyếch đại ở máy thu, thì nó thường được đặc tính hoá là tạp âm nhiệt. Ở dạng thống kê, loại tạp âm này được đặc tính hoá là quá trình ngẫu nhiên phân bố Gausơ. Vì vậy mô hình toán cho loại kênh này được gọi là kênh AWGN. y(t)   .s(t)  x(t) (1.1) trong đó  là hệ số suy giảm  Kênh lọc tuyến tính Nhiều kênh vật lý như kênh điện thoại hữu tuyến, thường dùng bộ lọc để giới hạn phổ tần của tín hiệu trong dải tần mong muốn nhằm tránh gây nhiễu cho các kênh khác. Các kênh này thường được mô hình hóa ở dạng kênh lọc tuyến tính cùng với tạp âm cộng như được minh hoạ ở hình 1.3b. Vì vậy, quan hệ tín hiệu vào/ra của kênh này được cho bởi. y(t)  s(t)  h(t)  x(t)  (1.2)   h( )s(t   )d  x(t)  trong đó: h(t) là đáp ứng xung kim của bộ lọc tuyến tính;  ký hiệu cho tích chập  Kênh lọc tuyến tính thay đổi theo thời gian Các kênh vật lý như kênh âm thanh dưới nước, kênh vô tuyến tầng điện ly,... môi trường truyền lan sóng đa đường thay đổi theo thời gian thường được đặc tính hoá bởi các bộ lọc tuyến tính thay đổi theo thời gian. Các bộ lọc này được đặc tính hoá bởi đáp ứng xung kim kênh thay đổi theo thời gian h(;t), trong đó h(;t) là đáp ứng của kênh tại thời điểm t khi xung kim (t) được đưa vào kênh tại thời điểm t-. Vì vậy,  thể hiện cho trễ thời gian. Kênh lọc tuyến tính thay đổi theo thời gian cùng với tạp âm cộng được cho ở hình 1.3c. Quan hệ tín hiệu vào/ra của kênh được xác định bởi. y(t)  s(t)  h( ; t)  x(t) (1.3) Mô hình cho môi trường truyền sóng đa đường là đáp ứng xung kênh được xác định bởi. L h( ; t)   a k (t). (   k ) (1.4) k 1 trong đó: a k ( t ) thể hiện cho các hệ số suy giảm phụ thuộc vào thời gian đối với đường truyền sóng thứ k; L là số đường truyền lan đa đường;  k  là trễ thời gian của đường  truyền sóng thứ k so với tia đi thẳng. Tín hiệu thu khi này có dạng. -9-
  15. Chương 1: Tổng quan về truyền dẫn vô tuyến số L y(t)   a k (t)s(t   k )  n(t) ( 1.5) k 1 Vì vậy, tín hiệu thu gồm L thành phần đa đường, trong đó mỗi thành phần bị suy hao bởi a k (t) và bị trễ bởi  k .  s( t ) y(t)  s(t)  n(t) s( t ) y(t)  s(t)  h(t)  n(t) h(t) n(t) n(t) a) Kênh tạp âm cộng b) Kênh lọc tuyến tính với tạp âm cộng s( t ) y(t)  s(t)  h( ; t)  n(t) h( ; t) n(t) c) Kênh lọc tuyến tính phụ thuộc thời gian với tạp âm cộng Hình 1.3. a)Kênh tạp âm cộng; b) kênh lọc tuyến tính cùng với tạp âm cộng; c) Kênh lọc tuyến tính phụ thuộc thời gian cùng với tạp âm cộng 1.6. TỔNG KẾT Chương này, ta đã tóm tắt vai trò và đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến số trong mạng viễn thông. Các khái niệm cơ bản trong truyền dẫn vô tuyến số. Các kỹ thuật nâng cao dung lượng và chất lượng truyền dẫn vô tuyến số điển hình được đề cập. Cấu hình hệ thống truyền dẫn vô tuyến số và phân loại. -10-
  16. Chương 2: Các dạng tín hiệu trong truyền dẫn vô tuyến số Chương 2 CÁC DẠNG TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG  Các chủ đề được trình bày trong chương  Tín hiệu, phổ tín hiệu, phân loại tín hiệu  Kênh vô tuyến, các tham số đặc trưng của kênh vô tuyến và phân loại  Đặc tính của kênh băng tần hạn chế, méo kênh, nhiễu giữa các ký hiệu ISI  Ảnh hưởng của hạn chế băng tần và định lý Nyquist  Truyền dẫn tín hiệu ở băng gốc và băng thông  Thiết kế và truyền dẫn tín hiệu qua kênh băng tần hạn chế  Ảnh hưởng của các đặc tính đường truyền  Phương pháp biểu diễn và phân tích đánh giá tín hiệu điển hình  Mục đích chương  Hiểu được cách sử dụng các hàm để biểu diễn tín hiệu trong truyền dẫn vô tuyến số  Hiểu được các đặc tính của kênh truyền và ảnh hưởng lên chất lượng truyền dẫn vô tuyến số.  Hiểu quá trình thiết kế và truyền dẫn tín hiệu trên kênh có băng tần hạn chế.  Hiểu Phương pháp biểu diễn và phân tích đánh giá tín hiệu điển hình.  Mô hình hóa và mô phỏng một số dạng tín hiệu điển hình. 2.2. TÍN HIỆU, PHỔ TÍN HIỆU, PHÂN LOẠI TÍN HIỆU 2.2.1. Khái niệm cơ bản và phân loại Việc trình bày khái niệm về tín hiệu, các tính chất cũng như phân loại chúng là rất đa dạng và phong phú tùy vào mục đích xét. Tuy nhiên, với mục đích của môn học và đặc trưng của truyền dẫn vô tuyến số ta phân loại tín hiệu như sau: 1. Giá trị của hàm tín hiệu thay đổi theo thời gian 2. Mức độ có thể mô tả hoặc dự đoán tính cách của hàm tín hiệu 3. Thời gian tồn tại hàm tín hiệu 4. Hàm tín hiệu có kiểu năng lượng hay kiểu công suất  Loại một được chia thành:  Tương tự: là một hàm liên tục nhận các giá trị dương, không hoặc âm. Thay đổi xẩy ra từ từ và tốc độ thay đổi hữu hạn.  Số: là một hàm nhận một tập hữu hạn các giá trị dương, không hay âm. Thay đổi giá trị tức thì và tốc độ thay đổi vô hạn ở thời điểm thay đổi, còn ở các thời điểm khác bằng không. Hàm số thường được sử dụng trong viễn thông là hàm nhị phận - chỉ có hai trạng thái: 1 và 0.  Loại hai được chia thành:  Tất định: ở mọi thời điểm hàm xác định thể hiện giá trị (gồm cả không) liên quan đến các thời điểm lân cận ở mức độ rõ ràng để có thể biểu diễn giá trị này một cách chính xác. -11-
  17. Chương 2: Các dạng tín hiệu trong truyền dẫn vô tuyến số  Xác suất: hàm có giá trị tương lai được mô tả ở các thuật ngữ thống kê. Đối với hàm này, khi ta biết trước một tập giá trị của nó trong quá khứ, ta vẫn không thể biết chắc chắn giá trị của nó ở một thời điểm nhất định trong tương lai, cũng như cho trước một giá trị nào đó ta không thể nói chắc chắn thời điểm tương lai sẽ xẩy ra giá trị này. Các giá trị tương lai chỉ được ước tính bằng thống kê liên quan đến các giá trị quá khứ và với giả thiết rằng tính cách tương lai của nó có liên hệ với quá khứ. Một nhóm quan trọng của các hàm xác suất là các hàm ngẫu nhiên.  Ngẫu nhiên: là hàm xác suất có các giá trị giới hạn ở một dải cho trước. Trong một khoảng thời gian dài mỗi giá trị trong dải này sẽ xẩy ra nhiều hơn các giá trị khác.  Loại ba được phân chia thành:  Quá độ: Hàm chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian hữu hạn  Vô tận: Hàm tồn tại ở mọi thời điểm. Thường để mô tả hoạt động của một hệ thống thông tin trong trạng thái ổn định. Một nhóm của hàm này là hàm tuần hoàn.  Tuần hoàn: là hàm vô tận có các giá trị được lặp ở các khoảng quy định.  Loại bốn được phân chia thành hàm kiểu năng lượng và kiểu công suất: Để tiện xét các hàm này ta sẽ coi rằng hàm s(t) được đo bằng các đơn vị tín hiệu (dòng điện hoặc điện áp) ở điện trở 1 , công suất được đo bằng Watt còn năng lượng được đo bằng Joule.  Hàm kiểu năng lượng: Hàm tín hiệu xác định s(t) được coi là một hàm tín hiệu kiểu năng lượng nếu năng lượng của nó hữu hạn, nghĩa là  E     s (t)dt   2 (2.1)   Hàm kiểu công suất: Hàm tín hiệu s(t) được gọi là hàm tín hiệu công suất nếu năng lượng của nó vô hạn nhưng công suất trung bình hữu hạn, nghĩa là  T 1 P     lim  s 2 (t)dt (2.2) T  T  Như vậy hàm tín hiệu kiểu năng lượng sẽ có công suất P[] bằng không. Đối với tín hiệu tuần hoàn sp(t), việc lấy trung bình trên một chu kỳ (T0) cũng giống như lấy trung bình trên toàn bộ thời gian, nên  T0 1 P  T0    s 2 (t)dt  s P (t)  P    P 2 (2.3) T0  Lưu ý rằng, mọi tín hiệu tuần hoàn đều là tín hiệu công suất. Chẳng hạn tín hiệu U(t)- 1, t  0 U(t-10) trong đó U(t)   và e-2t U(t) là tín hiệu năng lượng. Các sóng hàm sin, chữ 0, t  0 nhật và các tín hiệu không đổi là các tín hiệu công suất. Một số tín hiệu như etU(t) và tU(t) không phải là tín hiệu năng lượng cũng như tín hiệu công suất. 2.2.2. Tự tương quan và mật độ phổ  Tự tương quan và mật độ phổ của tín hiệu kiểu công suất -12-
  18. Chương 2: Các dạng tín hiệu trong truyền dẫn vô tuyến số Đối với tín hiệu tất định kiểu công suất s(t), hàm tự tương quan (ACF: Autocorrelation Function) chuẩn hóa được xác định như sau:  T 1 R S ()  lim T  T   s(t)s *(t  )dt, víi -
  19. Chương 2: Các dạng tín hiệu trong truyền dẫn vô tuyến số Bình phương biến đổi Fourier của tín hiệu s(t) được gọi là mật độ phổ năng lượng (ESD: Energy spectral density) và được ký hiệu là |S(f)|2, trong đó S(f) là biến đổi Fourier của s(t). Biến đổi Fourier của hàm tự tương quan R S ( )   (f ) cũng là mật độ phổ năng lượng của tín hiệu s(t). Mật độ phổ năng lượng cho ta biết năng lượng của một tín hiệu được phân bố ở vùng tần số. Năng lượng của một tín hiệu bằng tích phân của mật độ phổ năng lượng:    E[]=R S (0)=   |S(f)|2 df     (f )df (2.10)  -  0 -  2.2.3. Tín hiệu ngẫu nhiên Do bản chất của tín hiệu và hệ thống truyền tin có tính ngẫu nhiên, việc biểu diễn cũng như công cụ hữu hiệu để biến đổi và xử lý, đánh giá hiệu năng hệ thống là rất quan trọng. Muốn vậy, ta cần phải hiểu rõ các vấn đề cơ bản như: Biến ngẫu nhiên; Trung bình theo tập hợp; Quá trình ngẫu nhiên; Trung bình thống kê của quá trình ngẫu nhiên; Quá trình dừng; Tự tương quan của quá trình dừng nghĩa rộng WSS; Trung bình thời gian và quá trình Ergodic v.v.... Tại đây ta tóm tắt một số vấn đề cơ bản hữu dụng cho các chương sau: Một tín hiệu ngẫu nhiên (quá trình ngẫu nhiên) X(t) là tập hợp các biến ngẫu nhiên được đánh chỉ số theo t. Nếu ta cố định t, chẳng hạn t=t1, thì X(t1) chính là một biến ngẫu nhiên. Sự thể hiện thống kê của các biến ngẫu nhiên thường được trình bầy bằng hàm mật độ xác suất (pdf: Probability density function) liên hợp của chúng, và sự thể hiện của một quá trình ngẫu nhiên có thể được trình bầy bằng các hàm mật độ xác suất (pdf) liên hợp tại các thời điểm khác nhau. Tuy nhiên, trong thực tế ta không nhất thiết phải biết pdf liên hợp mà chỉ cần biết thống kê bậc 1 (trung bình) và thống kê bậc 2 (hàm tự tương quan) là đủ. Trung bình của một quá trình ngẫu nhiên X(t) là kỳ vọng (trung bình tập hợp) của X(t):  m X (t)  E  X(t)   x.p X(t ) (x)dx (2.11)  trong đó PX(t ) (x) là pdf của X(t) tại thời điểm t. Ta có thể định nghĩa hàm tự tương quan của một tín hiệu ngẫu nhiên giống như trường hợp của một tín hiệu được xác định ở phần trước nếu thay thế lấy trung bình bằng kỳ vọng. Khi này hàm tự tương quan của một quá trình ngẫu nhiên là: R X (t, t  )  E  X(t)X(t  )    (2.12)     p X(t )X(t  ) (x1 , x 2 )dx1dx 2 trong đó: E[.] biểu thị kỳ vọng; p X(t )X(t  ) (x1 , x 2 ) là pdf liên hợp của X(t) và X(t+). Nếu trung bình mX(t) và hàm tự tương quan R X (t, t  ) không phụ thuộc thời gian, thì ta nói rằng X(t) là một quá trình dừng nghĩa rộng (WSS: Wide sense stationary). Trong trường hợp này ta có thể bỏ qua biến ngẫu nhiên t và sử dụng R X () cho hàm ngẫu nhiên. -14-
  20. Chương 2: Các dạng tín hiệu trong truyền dẫn vô tuyến số Đối với quá trình WSS, PSD (ký hiệu là X(f)) là biến đổi Fourier của RX() theo Winner-Khichine, nghĩa là:   X (f )  FT  R X ()  =  R X ()e-j2f d (2.13) -  R X ()  IFT   X (f )  =   X (f )e j2f df (2.14) - và công suất trung bình là:    P[]=E[X 2 (t)]=R X (0)=    X (f )e j2 f df     X (f )df (2.15)  -  0 -  Đối với một tín hiệu có thành phần một chiều và các thành phần tuần hoàn, thì PSD chứa các hàm Dirac tại tần số không (một chiều) và các tần số tương ứng với các thành phần tuần hoàn. Hàm Dirac hay hàm xung kim đơn vị tại thời điểm t0 được xác định theo hai điều kiện sau: 0, nÕu t  t 0   (t  t 0 )   b (2.16)    (t  t 0 )dt  1, nÕu a< t 0  b b Ta lưu ý rằng, biến đổi Fourier A (t  t 0 ) là Ae2 ft , và biến đổi Fourier A là A (f ) . 0 Chẳng hạn, xét PSD chứa các hàm Dirac sau đây: X(f)=e-|f|+0,2. (f)+0,3(f-fc)+0,3(f+fc), W/Hz Giá trị trung bình thành phần một chiều của X(t) là diện tích của hàm Dirac tại tần số f=0 là 0,2W. Công suất trung bình của các thành phần fc là 20,3=0,6W. Thành phần e-|f| tương ứng với thành phần không tuần hoàn của X(t). Công suất tổng trung bình là:  0,2+0,6+  e |f |df =2,8 W  Ta cần lưu ý rằng, mật độ phổ công suất  X (f ) của tín hiệu ngẫu nhiên X(t) đặc biệt hữu dụng trong hệ thống viễn thông, bởi lẽ nó mô tả sự phân bố công suất của tín hiệu trong miền tần số. Hàm mật độ phổ công suất PSD cho phép ta ước lượng công suất của tín hiệu khi nó được truyền qua mạng có các đặc tính tần số cho trước. Các đặc trưng cơ bản của hàm mật độ phổ công suất là: (1)  X (f )  0; (2)  X (f )   X (f ) khi X(t) là thực; (3)  X (f )  R X ( ) , nghĩa là PSD và hàm tự tương quan là cặp biến đổi Fourier; (4)  PX     f  df  X mối quan hệ giữa công suất trung bình và PSD. Phụ lục 2B minh họa các đặc trưng này. 2.3. KÊNH VÔ TUYẾN, CÁC THAM SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN VÀ PHÂN LOẠI Các nhân tố cơ bản làm hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến là: (1) Suy hao: Cường độ trường giảm theo khoảng cách, thường trong khoảng từ -15-
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
8=>2