mô hình kênh phađing & các thông số đặc trưng

CHƯƠNG I MÔ HÌNH KÊNH PHAĐING & CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG MÔ HÌNH KÊNH PHAĐING & CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG 1.1. GIỚI THIỆU 1.1. GIỚI THIỆU Với mục đính của đồ án là trình bầy các giải pháp đồng bộ để định thời và pha sóng mang hay nói cách khác là trình bầy các phương pháp khôi phục sóng mang và định thời ký hiệu cho hệ thống truyền thông trong môi trường kênh pha đinh. Muốn vậy việc đầu tiên là phải biết được tính cách của kênh pha đinh nghĩa là phải biết được các thông số đặc trưng của kênh pha đinh, cách thức mà kênh pha đinh gây ảnh hưởng lên dữ liệu tin được truyền trên nó ở dạng các thông số đặc trưng của kênh pha đinh tác động vào các thông số đặc trưng của dữ liệu tin. Theo đó, chương này đồ án trình bầy mô hình kênh pha đinh liên tục và rời rạc, phân loại kênh pha đinh và rút ra các thông số đặc trưng của kênh pha đinh đồng thời cũng đưa ra các thông số đặc trưng cho một số kênh pha đinh quan trọng. Để đáp ứng yêu cầu gia tăng cả về tính di động và chất lượng vụ của nhiều loại hình dịch vụ chất lượng cao, thì việc truyên thông vô tuyến số cho tiếng số hoá, hình ảnh tĩnh hoặc động, bản tin, các dữ liệu khác đóng vai trò vai trò quan trọng trong thiết kế và thực thi các hệ thống thông tin di động và cá nhân [1,2]. Về mặt bản chất, tất cả các kênh vô tuyên dù ít hay nhiều đều có tính phân tán (dispersive) và tính phụ thuộc thời gian (time-variant). Tuy vậy, nhiều môi trường điện từ như: kênh vệ tinh hoặc kênh Vi ba tầm nhìn thẳng LOS, thường được coi là bất biến theo thời gian (time-invariant), khi này có thể áp dụng các cấu trúc máy thu gồm các bộ đồng hồ được rút ra từ các kênh tĩnh. Mặt khác, các môi trường như kênh di động mặt đất (LM: Land-Mobile), di động vệ tinh (SM: Satellite-Mobile), hoặc sóng ngắn tầng điện ly (tần số cao, HF) tỏ ra biến đổi tín hiệu đáng kể trong phạm vi thời gian ngắn (short-term time scale), sự thăng giáng tín hiệu gây ảnh hưởng gần như ở mọi tầng của hệ thống truyền tin. Đồ án tập chung nghiên cứu cho loại điều chế tuyến tính. Các thay đổi lớn về mức tín hiệu thu do phađing cùng với các phần tử của máy thu  số; vì vậy độ chính xác cho các bộ chuyển đổi A/D và xử lý tín hiệu số phải cao hơn so với các kênh tĩnh. Đặc biệt, khi xảy ra phađing sâu, cần phải dùng các kỹ thuật phân tập để khắc phục, thường phân tập thời gian ẩn và hiện (được thấy ở dạng các giao thức phát lại hoặc sử dụng mã hoá kênh thích hợp với đan xen), anten, không gian, và phân tập phân cực [3]. Ngoài ra, nếu phân tán kênh gây ra giao thoa giữa các ký hiệu ISI, thì phải được khắc phục bởi bộ cân bằng (thích ứng). Cuối cùng, việc truyền dẫn trên các kênh pha đinh cần phải có các cấu trúc bộ đồng bộ được thiết kế đặc biệt và các thuật toán, nhìn chung về cơ bản khác so với các kênh tĩnh. Theo đó, đồ án sẽ tập trung rút ra các bộ đồng bộ dưới dạng toán hệ thống, dựa trên mô hình phù hợp cho tất cả các tín hiệu và các hệ thống được cho trong [4]. Đặc biệt quan tâm nhiều nhất vào việc mô hình hoá kênh pha đing thích hợp. Vì khi quan trắc sự thay đổi kênh tại máy thu là ngẫu nhiên, nên ta xét mô hình kênh thống kê. Hơn nữa, do các bộ đồng bộ chủ yếu phải đối phó với các biến đổi ngắn hạn của các đại lượng biên độ và pha của tín hiệu thu, nên thường coi các thuộc tính kênh thống kê là dừng ít nhất trong khung thời gian đủ ngắn. Trên cơ sở đó đồ án sẽ thực hiện xây dựng mô hình toán học đặc trưng hoá cho các kênh pha đinh một cách vắn tắt đối với lớp các kênh phađinh liên tục và rời rạc theo thời gian. Trình bày vắn tắt các đặc tính thống kê của kênh phađinh cũng như việc phân loại kênh phađinh. Đặc biệt mô hình hoá các ảnh hưởng của kênh lên các thông số đồng bộ ở dạng toán học, nhờ đó làm cơ sở nền tảng cho việc ước tính và thực hiện đồng bộ các thông số đồng bộ ở các chương sau. 1.2. MÔ HÌNH KÊNH PHA ĐINH LIÊN TỤC 1.2. MÔ HÌNH KÊNH PHA ĐINH LIÊN TỤC Trong quá trình truyền tin số trên các kênh tuyến tính, thì tín hiệu băng tần cơ sở phát tương đương s (t) là chuỗi các đáp ứng xung bộ lọc phát ( ) Tktg T − , bị trễ bởi kT và được đánh trọng lượng bởi các ký hiệu dữ liệu M- PSK hoặc k a của M-QAM:  ( ) ( ) kTtgats T k k −= ∑ (1.1) Do quan tâm đến việc truyền thông vô tuyến giới hạn băng thông chặt. Vì vậy, tất cả các tín hiệu và hệ thống được hiểu là sự trình bày đường bao giá trị phức thông thấp tương đương của các bản sao băng thông của chúng. Tất cả hệ thống và các tín hiệu đường bao thông thấp quy vào sóng mang máy phát ( ) tcos2 0 ω sao cho tín hiệu thông băng phát ( ) [ ] t 0 j etsRe2 ω ⋅ được tập trung xung quanh tần số sóng mang phát 0 ω . Kênh pha đinh vật lý chỉ là hệ thống tuyến tính thông thấp tương đương được đặc tính hoá bởi đáp ứng xung kênh CIR (Channel Impulse Response) pha đinh phụ thuộc thời gian giá trị phức ( ) t;c τ hoặc hàm truyền đạt kênh tức thời ( ) t;C ω là biến đổi chuỗi Fourier của ( ) t;c τ theo biến trễ τ tại thời điểm t. Hầu hết các kênh vô tuyến được đặc tính hoá bởi truyền sóng đa đường ở đó tồn tại nhiều tia phản xạ và tán xạ đến phía thu. Kịch bản tán xạ điển hình được cho ở hình 1.1 đối với môi trường vô tuyến di động. Trừ khi bị che khuất, tia LOS (đường nét đứt) đến máy thu sớm nhất, trong khi đó các tia khác (các đường liền) bị phản xạ từ các vật thể khác trong các vùng lân cận. Mỗi một tia được đặc tính hoá bởi suy giảm (biên độ “khuyếch đại” ), dịch pha và trễ truyền sóng riêng. Hai vấn đề trên được biểu diễn hợp bởi hệ số khuyếch đại giá trị phức ( ) tc n trong đó ( ) ( ) tct nn =α là khuyếch đại biên độ phụ thuộc thời gian và ( ) ( ) { } tcargt nn =ϕ là dịch pha ngẫu nhiên. Ở đây, các trễ ( ) t n τ được rút ra từ quan hệ với trễ truyền sóng p τ của tia đến đầu tiên (thường là tia LOS). Quan hệ trễ truyền sóng và khoảng cách truyền sóng p d giữa máy phát và máy thu là: [ ] s km d 33.3 c d pp p µ==τ (1.2)  Hình 1.1 Kịch bản tán xạ điển hình trong thông tin di động Trong đó c vận tốc của ánh sáng. Thường, ( ) t n τ và p τ thay đổi chậm theo thời gian; vì vậy trễ phân biệt tức thời ( ) t nn τ=τ được coi là dừng trong trong khung thời gian phù hợp sao cho chúng có thể được đánh chỉ số max1N10 0 τ=τ≤≤τ≤τ= − . Đáp ứng xung kênh vật lý chứa trễ truyền sóng p τ được trình bày như là sự xếp chồng của N xung Dirac được đánh trọng lượng và bị trễ: ( ) ( ) [ ] ( ) np 1N 0n np tct;c τ+τ−τδ=τ ∑ − = (1.3) Trong truyền tin số ở đó các pha đồng hồ máy phát và máy thu có thể khác nhau, nên trễ đồng hồ máy thu (hoặc sớm nhịp, nếu âm) T cc ε=τ phải được cộng vào trễ truyền sóng ( ) np τ+τ . Giả sử tốc độ đồng hồ phát và thu T1 , lệch định thời tương đối c ε là dừng và 5.05.0 ≤ε<− c . Độ trễ truyền sóng p τ bây giờ được biểu diễn theo khoảng thời gian ký hiệu T như sau: [ ] TL cpp ε+ε+=τ (1.4)  Với p L là số nguyên sao cho trễ phụ phân đoạn (hoặc sớm) ε cũng trong phạm vi 5.05.0 ≤ε<− . Từ hình 1.2, thấy rõ ε là trễ phân đoạn của tia đa đường đến đầu tiên theo nhịp đồng hồ ký hiệu máy thu gần nhất. Với mục đích thiết kế máy thu, cần phải đưa ra đáp ứng xung kênh theo chuẩn định thời máy thu: ( ) [ ] ( ) ( ) [ ] ( ) n 1N 0n n cpp Ttc t;TLct;c τ+ε−τδ= ε++τ=τ ∑ − = ε (1.5) Hình 1.2 Các phạm vi thời gian máy phát và máy thu (xem hình 1.2). Tổng quát, do trễ truyền sóng p τ không phải là nguyên lần chu kỳ ký hiệu T, nên trễ định thời ε có thể nhận giá trị bất kỳ trong phạm vi 5.05.0 ≤ε<− thậm chí trong trường hợp thích hợp chính xác giữa đồng hồ bộ máy phát và máy thu ( ) 0 c =ε . Vì vậy, “khởi đầu” của đáp ứng xung kênh (tia  đến đầu tiên) có thể bị lệch đi một nửa ký hiệu tương ứng với chuẩn định thời máy thu. Từ mô hình kênh (1.5), cần phải đồng nhất các nhiệm vụ đồng bộ máy thu. Xét về nhất quán hoặc chỉ thu nhất quán vi sai, tồn tại các trọng lượng đường truyền giá trị phức thay đổi ngẫu nhiên ( ) tc n cần có một số loại khôi phục sóng mang, nghĩa là phải dùng cơ chế đồng bộ pha và điều khiển khuyếch đại nếu điều chế đa mức (M-QAM). Các trễ định thời và đa đường phân biệt n τ và ε tương ứng, phục vụ cho đồng bộ định thời. Nếu kênh là không chọn lọc( T n <<τ , xem bên dưới), thì đồng bộ định thời được thực hiện bằng cách ước tính và bù trễ định thời ε . Trường hợp kênh CHỌN LỌC tần số: Trường hợp các kênh chọn lọc, thì phiên bản đáp ứng xung kim kênh đã được lọc và lấy mẫu ( ) t;c τ ε phải được ước tính và bù bằng kỹ thuật cân bằng. Ngoài dịch pha ngẫu nhiên do kênh, sự không hoàn hảo của các bộ dao động phát và thu cũng ảnh hưởng đáng kể, thường không ngẫu nhiên nhưng không biết trước dịch tần. Nếu xẩy ra sự lệch rất lớn hoặc vượt quá tốc độ ký hiệu T1 , thì cần phải đồng bộ tần số sơ bộ trong máy thu. Theo đó dưới đây, ta coi rằng dịch tần số nhỏ và ở mức độ vừa phải trong phạm vi 15.01.0 2 T −≤ π Ω , nghĩa là, phổ tín hiệu thu có thể bị dịch lên đến 10-15% tốc độ ký hiệu. Nếu đưa TΩ vào mô hình tín hiệu và kết hợp dịch pha sóng mang không đổi θ vào các trọng lượng đường truyền sóng giá trị phức ( ) tc n , thì tín hiệu mang tin ( ) ts [phương trình (1.1)] được truyền qua kênh mang lại tín hiệu thu bị dịch tần thông qua sự quay pha tj e Ω :  ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] [ ] ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) tnt;Tkthae tnTTktgtcae tnTkTtgatce tnTtstcetr k k tj k t;Tkth 1N 0n nTnk tj 1N 0n n k Tkn tj 1N 0n nn tj +       −=τ= +                     τ+ε−−= +             −τ−ε−= +       τ−ε−= ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ε Ω −=τ ε − = Ω − = Ω − = Ω    (1.6) Với ( ) t;h τ ε là đáp ứng xung kênh hiệu lực phụ thuộc thời gian, bao gồm lọc phát và trễ định thời phân đoạn. CIR ( ) t;h τ ε và hàm chuyển đạt của nó ( ) t;H ω ε có thể được khai triển như sau: ( ) ( ) [ ] ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ωω=ωω= ω=ωωω= =ωωω= ω=ω τ∗τ=τε−τδ∗τ= ε−τδ∗τ=ττ∗τ= τ−τδ=τε−τδ∗τ∗τ= τ+ε−τ=τ εω− εω− εε τω− − = εω− τ+εω− − = ε εε − = − = ε ∑ ∑ ∑ ∑ T Tj Tj T n j 1N 0n n Tj T n Tj T 1N 0n n T T n 1N 0n nT n 1N 0n Tn Gt;Ct;Het;H et;Ct;CGt;C etct;CeGt;C eGtct;H gt;ct;hTt;h Tt;ct;cgt;c tct;cTgt;c Tgtct;h (1.7) trong đó ∗ là phép tích chập, và ( ) ( ) t;h,t;c ττ là CIR & kênh vật lý tương ứng, chỉ lấy xét các trễ phân biệt, vì vậy bỏ qua trễ định thời và truyền sóng. Việc khai triển này hữu hiệu cho việc mô hình hoá và mô phỏng kênh vì các ảnh hưởng của kênh vật lý (pha đing, phân tán), lọc máy phát và lệch định thời  (truyền sóng, đồng hồ máy thu) được quy vào các phần tử ( ) ( ) ττ T g,t;c và ( ) Tε−τδ tương ứng. Ta chú ý rằng định nghĩa về đáp ứng xung kim kênh được dùng ở đây không bao gồm việc lọc thu và vì vậy khác với các tài liệu thường dùng ở đó ( ) ( ) t;Ht;h ω⇔τ hàm ý đến tầng có bộ lọc phát, kênh vật lý và bộ lọc thu. Ở đây, n(t) là tạp âm Gaussian trắng cộng (AWGN) với mật độ phổ công suất N 0 , Mặc dù, thực tế n(t) bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu đồng kênh (CCI: Co-channel interference) trong môi trường được hạn chế nhiễu. Ngoài ra, n(t) bị tương quan thông qua việc lọc bởi bộ lọc ( ) ωF . Tuy vậy, với điều kiện phẳng ( ( ) r B;1F ≤ω=ω , xem bên dưới) được áp dụng cho ( ) ωF , thì không bị méo tạp âm trong băng thông xét, như vậy nó không còn quan trọng dù có xét đến ảnh hưởng của ( ) ωF hay không. Vì phổ là nguồn tài nguyên cực kỳ quan trọng trong các môi trường đa truy nhập, nên cần có các bộ lọc lấy dạng xung phát hạn chế băng chặt chẽ cho tín hiệu băng hẹp. Theo đó, cũng được ứng dụng cho truyền thông CDMA trong đó thuật ngữ “băng hẹp” coi là tốc độ chip thay cho tốc độ ký hiệu. Việc lấy dạng xung chặt chẽ cũng góp phần khử nhiễu kênh lân cận (ACI: adjacent channel interference). Vì vậy, ta coi rằng bộ lọc ( ) ( ) ω⇔τ TT Gg được lấy gần đúng bằng băng thông B của tín hiệu RF sao cho kênh ( ) ( ) Tj et;Ht;H εω− ε ω=ω [phương rình (1.7)] cũng được giới hạn băng chặt tới B. Thường, chọn bộ lọc phát có hàm truyền đạt là hàm truyền đạt cosin tăng[8].  ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )             τ πα+ π α +       τ πα−α−       τ α− =τ          π α+≥ω π α+<ω≤ π α−             π α−−ω α π α−<ω =ω T 1cos 4 T 1si1 T 41 1 g T 10 T 1 T 1 T 1 4 T cos T 11 TG 2 T T (1.8) trong đó năng lượng bộ lọc ( ) ( ) TdG 2 1 dgE 2 T 2 TgT =ωω π =ττ= ∫∫ ∞+ ∞− ∞+ ∞− (1.9) bằng khoảng ký hiệu T. Như vậy bộ lọc và kênh có băng được giới hạn băng chặt hai phía là ( ) α+= 1B T 1 với hệ số dốc mở rộng băng 10 <α< . Biết rằng, bộ lọc thích hợp thu (chuẩn hoá năng lượng) cho trường hợp kênh không lựa chọn (AWGN, không dịch tần) được cho bởi ( ) ( ) ω=ω * T T 1 FM G.G . Do đó, tầng lấy dạng xung ( ) ( ) ( ) ωω=ω FMT GGG và các bộ lọc thích hợp xung bằng ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) [ ] 2 2 T T41 Tcos T sig T 10 T 1 T 1 T 1 2 T cos1 2 1 T 11 T ,GT1G τα− τπα       τ π=τ          π α+≥ω π α+<ω≤ π α−                     π α−−ω α + π α−<ω =ω ω=ω   (1.10) là xung dốc cosin thoả mãn điều kiện Nyquit về việc truuyền dẫn không có ISI [Chương 2, [1]]. Lưu ý rằng, truyền dẫn băng tần cơ sở thì B được định  nghĩa là độ rộng băng tần một phía còn đối với truyền dẫn thông băng thì B được định nghĩa là độ rộng băng tần B tín hiệu RF hai phía. Như được giải thích ở trên, nội dung tần số của tín hiệu thu ( ) tr được phép dịch tần do sự không hoàn hảo bộ dao động đến một giá trị cực đại max Ω cụ thể, vì vậy sau biến đổi hạ tần, bộ lọc ( ) ωF ở trước bộ chuyển D/ A loại bỏ tín hiệu thu trong khoảng tần số 2 B2B2 max 2r Ω+ππ =≤ω . Chỉ khi, Ω rất nhỏ hoặc đã được bù hiệu quả bằng tầng điều khiển tần số phía trước ( ) ωF , thì bỏ qua sự mở rộng giải tần đầu vào máy thu trong thiết kế ( ) ωF . Từ phương trình (1.7), thấy rõ kênh ( ) ( ) Tj et;Ht;H εω− ε ω=ω dù nhiều hay ít đều thể hiện đặc tính truyền dẫn phụ thuộc tần số. Mức độ lựa chọn lọc tần số phụ thuộc vào kênh vật lý ( ) ( ) Tj et;Ct;C εω− ε ω=ω và độ rộng băng thông truyền dẫn B. Đặc biệt, hàm truyền đạt kênh không chọn lọc tần số (không chọn lọc hoặc phẳng) trong độ rộng băng B nếu 1e maxmax j = τω− , trong đó 2B max =ω sẽ nằm trong khoảng tốc độ ký hiệu T1 trong các môi trường băng thông bị giới hạn. Vì vậy, kênh không chọn lọc là kênh khi độ phân tán (trải rộng các trễ truyền tia) thoả mãn T max <<τ (trong thiết kế máy thu, tính không chọn lọc thường được giả định nếu T1.0 max <τ ); với kênh chọn lọc tần số thì độ phân tán có thể so sánh được với khoảng thời gian của ký hiệu hoặc vượt quá khoảng thời gian ký hiệu T. Trường hợp kênh KHÔNG CHỌN LỌC tần số: Hàm truyền đạt kênh và đáp ứng xung rút gọn thành: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Tgtct;h etcG )(etcG eetcGt;H T Tj T Tj 1N 0n nT 1N 0n Bin1 n j Tj nT ε−τ=τ ω=         ω≈         ω=ω ε εω− εω− − = − = ≈ ωτ− εω− ε ∑ ∑   (1.11)  [...]... vic mụ hỡnh hoỏ bỏm tia tt nh ca CIR c ( ; t ) cú th thc hin c cho mt vi mụi trng trong nh v cỏc tn s súng mang rt cao (chng hn, 60 GHz) trong ú cỏc c tớnh truyn súng cú th t c t cỏc thuc tớnh vt liu & hỡnh hc, bng cỏch dựng cỏc quy lut ca phn x v truyn dn ta ta quang hc Vỡ vy cỏc kt qu t c c mong i chớnh xỏc hn khi dựng mụ hỡnh thụng kờ WSSUS (c tho lun sau) tỡnh hp l ca nú b gii hn cho vựng nh (cỏc... trng hp xột, khi tt c cỏc tia khụng nht quỏn ca mt cm cú tr truyn súng bng nhau (xp x) m = n (hỡnh 1.7), thỡ trng lng cm tng ng: cm ( t ) = Nm 1 n=0 cn ( t ) = m ( t ) Nm 1 = Tán xạ khuyếch tán, các trễ hau như bằng nhau j m ( t n=0 n e ( j D n t + n ) ) (1.31) th hin vựng ch nht R m trong mt phng ( , ) , kt qu tr thnh quỏ trỡnh ngu nhiờn Gaussian phc Cú th xỏc nh cụng sut trung bỡnh v . CHƯƠNG I MÔ HÌNH KÊNH PHAĐING & CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG MÔ HÌNH KÊNH PHAĐING & CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG 1.1. GIỚI THIỆU 1.1. GIỚI THIỆU Với mục đính của đồ án là trình bầy các giải pháp. của kênh pha đinh nghĩa là phải biết được các thông số đặc trưng của kênh pha đinh, cách thức mà kênh pha đinh gây ảnh hưởng lên dữ liệu tin được truyền trên nó ở dạng các thông số đặc trưng. kênh phađinh. Đặc biệt mô hình hoá các ảnh hưởng của kênh lên các thông số đồng bộ ở dạng toán học, nhờ đó làm cơ sở nền tảng cho việc ước tính và thực hiện đồng bộ các thông số đồng bộ ở các