Méo tín hiệu trong truyền dẫn vô tuyến số dung lượng lớn và các biện pháp khắc phục

d Theo dung lượng của hệ thống Các kênh vô tuyến có thể đặc trưng được một cách sơ bộ bởi độ rộng băng kết hợp coherence bandwidth B c của kênh, là khoảng tần số mà trong đó hàm truyền

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

MỤC LỤC

Lời nói đầu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN VÔ

1.1.2 Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến 5 1.2 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ DUNG LƯỢNG LỚN 8 1.2.1 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn 8

1.3 CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN TÁC ĐỘNG TỚI CHẤT LƯỢNG HỆ

THỐNG

17

1.3.1 ISI và điều kiện truyền không méo tín hiệu 17

1.3.2 Các yếu tố tác động tới chất lượng hệ thống 20

1.3.3 Mô hình kênh liên tục truyền dẫn tín hiệu số 21

CHƯƠNG 2 MÉO TUYẾN TÍNH VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC

PHỤC

26

2.1.1 Méo tuyến tính do các bộ lọc chế tạo không hoàn hảo 26

2.2.1 Tác động của méo tuyến tính do chế tạo lọc không hoàn hảo 39 2.2.2 Tác động của trải trễ trong các hệ thống vô tuyến di động tế bào 40

2.2.3 Tác động của pha-đinh đa đường chọn lọc 41 2.3 CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC MÉO TUYẾN TÍNH

2.3.1 San bằng kênh (Equalization)

49

50 2.3.2 Các biện pháp đối phó với đặc tính truyền đa đường của kênh 54

3.1.1 Các bộ phận gây méo phi tuyến trong hệ thống 61

3.2 CÁC TÁC ĐỘNG CỦA MÉO PHI TUYẾN GÂY BỞI HPA 64 3.2.1 Méo do HPA trong các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số M-

3.3.4 Các biện pháp khắc phục PAPR lớn trong các hệ thống

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN

VÔ TUYẾN SỐ DUNG LƯỢNG LỚN

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.1.1 Hệ thống thông tin vô tuyến

Các hệ thống thông tin vô tuyến là các hệ thống truyền tin bằng sóng điện từ có môi trường truyền lan tín hiệu – môi trường truyền dẫn – là khoảng

không gian giữa máy phát Tx (Transmitter) và máy thu Rx (Receiver) Sơ đồ

khối đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến được cho trên hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống thông tin vô tuyến Thông thường, thông tin cần truyền được đưa vào máy phát thực hiện

điều chế bằng sóng mang trung tần IF (Intermediate Frequency), sau đó được trộn tần lên tần số cao RF (Radio Frequency), khuếch đại tín hiệu đủ lớn, lọc

nhằm chia sẻ băng thông rồi được bức xạ ra khoảng không vô tuyến qua hệ thống ăng-ten/phi-đơ Ở đầu thu, thông qua hệ thống ăng-ten thu, tín hiệu vô tuyến được thu nhận (nhờ nguyên lý cảm ứng điện từ) và qua hệ thống phi-đơ đưa vào máy thu Ở đây, tín hiệu được lọc nhằm chọn lọc tín hiệu hữu ích và loại bỏ nhiễu trên đường truyền đến mức tối đa, khuếch đại, trộn tần từ tần số

vô tuyến RF xuống trung tần IF và giải điều chế để khôi phục lại thông tin ban đầu đã được phát đi từ phần phát

Do môi trường truyền là không có dây dẫn, bầu khí quyển đóng một vai trò then chốt trong truyền sóng Mặc dầu khí quyển cả thảy có 5 lớp (tầng) khác nhau song tầng đối lưu và tầng ion là các tầng khí quyển gần nhất đối với bề mặt trái đất Do vậy chúng có ảnh hưởng tới quá trình truyền sóng Hình vẽ 1.2 thể hiện hai tầng khí quyển này cũng như khoảng cách xấp xỉ giữa chúng và bề mặt trái đất

Một sóng vô tuyến được truyền đi lan truyền theo hai phương thức:

có thể đâm xuyên qua khi tần số đủ lớn

Hình 1.2 Các tầng khí quyển có ảnh hưởng tới truyền sóng vô tuyến

1.1.2 Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến

Các hệ thống thông tin vô tuyến có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau

a) Phân loại theo dạng tín hiệu

+ Hệ thống thông tin vô tuyến tương tự: Tín hiệu truyền đi là tín hiệu

tương tự (analog);

+ Hệ thống vô tuyến số: Tín hiệu dùng để truyền tin là tín hiệu số

(digital) có các đặc trưng cơ bản là có số trạng thái tín hiệu hữu hạn M và có thời gian tồn tại hữu hạn T S (Symbol Time interval)

b) Theo dải tần (dải sóng) công tác

Việc phân loại phổ tần vô tuyến dựa trên các tính chất truyền sóng và các khía cạnh về hệ thống (kiểu ăng-ten) Phổ tần vô tuyến được phân chia như sau:

1 Tần số cực thấp ELF (Extremly Low Frequency): f = 300  3000 Hz ( = 1000  100 km); và tần số rất thấp VLF (Very Low Frequency): f = 3 

30 kHz ( = 100  10 km) Các dải này còn được gọi là dải sóng cực dài

Các đặc tính truyền sóng: Sóng truyền lan giữa bề mặt của trái đất và

tầng đối lưu và cũng có thể xuyên sâu được vào lòng đất và nước Do kích thước ăng-ten phụ thuộc vào bước sóng, các sóng này đòi hỏi các ăng-ten có kích thước rất lớn

Các ứng dụng: Liên lạc dưới nước (cho các tàu ngầm), trong các mỏ,

cho các sonar thủy âm

2 Tần số thấp LF (Low Frequency) hay sóng dài LW (Long

Wave-length): f = 30 kHz  300 kHz ( = 10  1 km)

Các đặc tính truyền sóng: Sóng trời có thể phân tách với sóng đất đối

với các tần số trên 100 kHz Sóng đất có tổn hao truyền dẫn lớn hơn

Các ứng dụng: Phát thanh, vô tuyến hàng hải, truyền tin cự ly dài với

các tàu biển

3 Tần số trung bình MF (Medium Frequency) hay sóng trung MW (Medium Wavelength): f = 300 kHz  3 MHz ( = 1000  100 m)

Các đặc tính truyền sóng: Sóng trời tách khỏi sóng đất Sóng đất cho

phép truyền tin khả dụng lên tới 100 km tính từ máy phát

Các ứng dụng: Phát thanh điều biên (550  1600 kHz)

4 Tần số cao HF (High Frequency) hay sóng ngắn SW (Short

Wave-lenght): f = 3  30 MHz ( = 100  10 m)

Các đặc tính truyền sóng: Sóng trời là phương thức truyền lan chủ yếu

tại tần số cao (HF) Sóng đất được sử dụng để truyền tin trên các khoảng cách ngắn hơn so với sóng trời Khi tần số tăng, tổn hao do truyền lan sóng tăng và

do đó cần phải có các trạm phát chuyển tiếp (các trạm phát lặp)

Các ứng dụng: Phát thanh trên các vùng rộng, các máy vô tuyến nghiệp

dư, các máy vô tuyến dân sự

5 Tần số rất cao VHF (Very High Frequency): f = 30  300 MHz ( =

10  1 m)

Các đặc tính truyền sóng: Sự nhiễu xạ (uốn cong tia sóng do cản trở

của khí quyển) và sự phản xạ dẫn đến việc truyền lan sóng vượt quá đường

chân trời Cự ly truyền sóng vào khoảng vài ngàn km Sự lan truyền sóng trong các toà nhà cũng xảy ra rất tốt

Các ứng dụng: Các ứng dụng phát thanh-truyền hình: TV, vô tuyến

điều tần (FM radio) băng tần 88  108 MHz; điều khiển không lưu vô tuyến (cũng còn gọi là hệ dẫn đường vô tuyến)

6 Tần số cực cao UHF (Ultra High Frequency) hay dải sóng cm:

3003000 MHz ( = 1m  10 cm)

Các đặc tính truyền sóng: Các phản xạ từ các tầng khí quyển xảy ra,

các tổn hao tiêu biểu là do các chướng ngại lớn hơn trong các băng VHF, tác động của mưa và hơi ẩm trong không khí có thể bỏ qua được

Các ứng dụng: Phát thanh-truyền hình: Truyền hình vệ tinh; vô tuyến

di động mặt đất (điện thoại không dây, điện thoại vô tuyến tế bào), các dịch

vụ thông tin cá nhân tương lai (như thể hệ thống vô tuyến di động thế hệ thứ ba: băng ~2 GHz), điều khiển không lưu vô tuyến

7 Tần số siêu cao SHF (Super High Frequency): f = 3  30 GHz ( =

10  1 cm)

Các đặc tính truyền sóng: Hấp thụ do mưa, mây, hơi ẩm (sương mù) là

rất lớn dẫn đến tiêu hao và do đó hạn chế truyền lan sóng

Các ứng dụng: Các dịch vụ thông tin vệ tinh cố định cho điện thoại và

truyền hình, các dịch vụ di động trong tương lai như mạng máy tính cục bộ vô

tuyến (WLAN: Wireless Local Area Network)

8 Tần số cực kỳ cao EHF (Extremly High Frequency): f = 30  300 GHz ( = 10  1 mm), còn gọi là dải vô tuyến sóng mm

Các đặc tính truyền sóng: Các tổn hao rất cao do hơi nước và oxy trong

khí quyển

Các ứng dụng: Thông tin với các khoảng cách ngắn (bên trong tầm

nhìn thẳng) Các vệ tinh truyền thông có thể sử dụng các tần số trong dải này

để truyền truyền hình độ phân giải cao (HDTV: High Definition TeleVision)

do tại các độ cao như thế thì các tổn hao sẽ thấp hơn

Các dải tần số (dải sóng) từ 6 đến 8 nói trên còn được gọi chung là dải

sóng vi ba (microwave), đặc tính truyền nói chung là trong tầm nhìn thẳng LOS (Line-Of-Sight) Nói chung, tần số công tác càng cao thì kích thước ăng-

ten càng nhỏ

c) Theo đặc trưng kênh truyền

+ Hệ thống thông tin vi ba: Còn gọi là các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp, trong đó tín hiệu được chuyển tiếp bởi các trạm trung gian qua từng chặng có cự ly lên tới vài chục km, đôi khi lên tới ~100 km

+ Hệ thống thông tin vệ tinh: Trong đó trạm chuyển tiếp được đặt trên

vệ tinh, thường là vệ tinh địa tĩnh có khoảng cách từ quỹ đạo nằm trên mặt phẳng xích đạo tới mặt đất là 36000 km

+ Hệ thống thông tin di động: Đặc điểm cơ bản là các máy thu và phát

vô tuyến có thể di động so với nhau

d) Theo dung lượng của hệ thống

Các kênh vô tuyến có thể đặc trưng được một cách sơ bộ bởi độ rộng

băng kết hợp (coherence bandwidth) B c của kênh, là khoảng tần số mà trong

đó hàm truyền của kênh có thể xem là bằng phẳng (flat) Một hệ thống vô tuyến số sẽ được xem như băng rộng nếu như độ rộng băng tín hiệu W của nó

(tỷ lệ thuận với tốc độ dữ liệu) vượt quá độ rộng băng kết hợp của kênh vô tuyến giữa đầu phát và đầu thu Thí dụ, đối với các hệ thống vi ba số, dung

lượng C ≥ 70 Mbps (thường sử dụng điều chế M-QAM) với độ rộng băng tín hiệu W vào quãng 20 MHz trở lên mới có thể được xem là lớn [8] Trong khi

đó, do đặc tính truyền đa đường (multipathpropagation) rất mạnh, các hệ

thống vô tuyến di động với tốc độ bít chừng vài Mbps trở lên đã có thể xem là

hệ thống băng rộng, chẳng hạn như các hệ thống từ thế hệ 3 trở đi

1.2 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ DUNG LƯỢNG LỚN 1.2.1 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn

a) Các hệ thống vô tuyến số

Các hệ thống vô tuyến số là các hệ thống vô tuyến sử dụng tín hiệu số

để truyền tin Về nguyên tắc, các hệ thống thông tin vô tuyến đều có thể truyền tin bằng tín hiệu số được, tuy nhiên do các giới hạn về công nghệ, các

hệ thống vô tuyến băng rất rộng mới chỉ thực hiện được với độ rộng băng tín

hiệu nhiều nhất là vào khoảng 1% tần số sóng mang f c (carrier frequency)

Mặt khác, tốc độ truyền symbol R S = 1/T S (số symbol truyền được trên 1 đơn

vị thời gian) lại có quan hệ mật thiết với độ rộng băng tín hiệu với độ rộng

băng không-không (null-to-null bandwidth) của phổ tín hiệu W0-0: W0-0 ≥ R S

Nghĩa là, tốc độ truyền tin của hệ thống vô tuyến số sẽ phụ thuộc vào tần số sóng mang của hệ thống, theo đó các hệ thống từ HF trở xuống (có tần số sóng mang từ dải sóng HF trở xuống tới dải ELF như phân loại ở phần trước)

có tốc độ truyền tin bằng tín hiệu số khá thấp, ít có ý nghĩa với các dịch vụ thông thường hiện nay như thoại, data cao tốc (tải file, video…)

Các hệ thống vô tuyến số dung lượng cao được xem xét tới trong luận văn này do tầm quan trọng của chúng trong các hệ thống đường trục cũng như truy nhập vô tuyến di động hiện đại Tùy theo các đặc tính kênh (cố định hay

di động), các tốc độ truyền tin được xem là cao: V ≥ 70 Mbps với các hệ thống đường trục và V ~ vài Mbps đối với các hệ thống thông tin di động tế

bào Dải tần số công tác của các hệ thống như thế có thể từ vài trăm MHz đến

hàng chục GHz, trong dải sóng vi ba (microwave), và do vậy, về đăc tính

truyền sóng thì phương thức truyền sóng là truyền trong tầm nhìn thẳng Độ rộng băng tín hiệu đối với các hệ thống xem là lớn hay nhỏ cũng lại còn tùy thuộc vào kiểu điều chế được áp dụng Luồng tín hiệu số tốc độ cao được truyền trong các hệ thống vô tuyến số băng rộng thường là luồng bít được ghép kênh theo thời gian từ các luồng tín hiệu số cấp thấp hơn, hoặc là luồng bít của một người dùng sử dụng các dịch vụ tốc độ lớn (video, tải file…)

Các hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn, băng rộng, có vai trò rất quan trọng trong mạng viễn thông do khả năng cơ động hoặc di động cũng như thời gian triển khai khá nhanh của chúng, cái mà các hệ thống thông tin quang – mặc dù có dung lượng rất lớn – lại khá hạn chế

b) Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn

Các hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn là các hệ thống thông dải có tần số sóng mang có thể từ lớn đến rất lớn, lên tới vài chục GHz Đối với các

hệ thống như vậy, việc xem xét hệ thống gặp khá nhiều khó khăn, đặc biệt trong mô phỏng máy tính do vấn đề lấy mẫu các tín hiệu thực tế có tần số rất cao sẽ đòi hỏi tần số lấy mẫu rất cao nhằm thỏa mãn định lý lấy mẫu và do vậy sẽ đòi hỏi máy tính cần có tốc độ xử lý rất lớn, đến mức thường là không thực tế Để giải quyết trở ngại này, người ta thường xem xét và phân tích hệ thống thực thông qua các hệ thống thông thấp tương đương với các tín hiệu băng gốc tương đương [3] Điều này có thể giải thích được dưới đây

Tín hiệu số điều chế tổng quát (cả điều chế biên độ lẫn điều chế góc) có thể biểu diễn được ở dạng:

Có thể nhận thấy rằng, trong vế phải của (1.2) chỉ có thành phần

A(t)e jφ(t) mang thông tin cần truyền, còn e j2πf c t

chỉ biểu thị một sóng mang cao tần không mang thông tin Do vậy, chỉ cần quan tâm tới tín hiệu:

(equivalent baseband signal) của tín hiệu thực tế x(t) Là một hàm phức và có

vai trò đường bao đối với sóng mang cao tần nên tín hiệu ấy còn được gọi là

đường bao phức (complex envelope) của tín hiệu thực tế x(t) Khi xét hệ thống

với tín hiệu băng gốc tương đương, các phần tử dải thông của hệ thống thực tế

có thể đưa về biểu diễn bằng các phần tử thông thấp tương đương nhờ biến đổi Hilbert [3] Sơ đồ khối tiêu biểu của một hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn được thể hiện trên hình 1.3 [1]

Hình 1.3 Sơ đồ khối tương đương băng gốc một hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn [1] Trên sơ đồ hình 1.3, luồng bít tốc độ cao ghép kênh theo thời gian từ nhiều kênh bậc thấp, sau khi được mã hóa kênh sẽ được ghép thành các cụm

từng m bít và được ánh xạ một cách thích hợp thành các symbol C k ở lối vào

bộ điều chế (thí dụ như sử dụng ánh xạ Gray sao cho các symbol lân cận nhau

Bộ điều chế lọc phát Bộ M.trường truyền

Bộ giải điều chế

KPSM KPĐH

chỉ khác nhau 1 bít nhằm giảm thiểu BER của hệ thống [2]) Bộ điều chế có

nhiệm vụ ánh xạ 1-1 các symbol ở đầu vào thành các dạng sóng số có M = 2 m trạng thái (điều chế M mức) Sau khi lọc hạn chế phổ tín hiệu số (có phổ rộng

vô hạn do các tín hiệu số chỉ tồn tại trong thời gian hữu hạn T S) nhằm chia sẻ băng tần, tín hiệu được khuếch đại công suất đủ lớn nhằm bù đắp tổn hao gây bởi môi trường truyền rồi được bức xạ ra môi trường truyền Môi trường truyền có thể gây một số tác động như làm méo dạng tín hiệu, gây tổn hao,

nhiễu và tạp âm cộng trắng chuẩn AWGN (Additive White Gaussian Noise)

của máy thu được quy ra đầu vào máy thu Bộ lọc thu thực hiện chọn lọc tín

hiệu và loại bỏ tối đa tạp âm, thực hiện vai trò bộ lọc phối hợp (matched

filter) của máy thu tối ưu Mạch san bằng có nhiệm vụ cân bằng đặc tuyến của

kênh nhằm giảm méo gây bởi kênh truyền Bộ giải điều chế trên sơ đồ hình 1.3 trong thực tế có nhiệm vụ loại bỏ sóng mang cao tần bằng cách nhân tín hiệu đầu vào của nó với sóng mang nội, đồng bộ với sóng mang phần phát nhờ mạch khôi phục sóng mang Mạch quyết định lấy mẫu tín hiệu bằng tín hiệu đồng hồ, được đồng bộ với đồng hồ phần phát nhờ mạch khôi phục tín hiệu đồng hồ, sau đó so ngưỡng để ra quyết định về symbol đã được phát đi ở phần phát Do tác động của kênh, việc quyết định này có thể bị sai Các symbol thu được Cˆ k có thể bị sai này sẽ được ánh xạ ngược thành các cụm m

bít, chuỗi bít thu được sẽ được giải mã kênh nhằm sửa lỗi rồi phân kênh

1.2.2 Các sơ đồ điều chế cơ bản

Các hệ thống vô tuyến số có dung lượng lớn thì có độ rộng băng chiếm khá lớn, tỷ lệ với tốc độ truyền tin Phổ tần số vô tuyến, tuy vậy, là một tài nguyên hạn chế và khan hiếm Điều này một mặt là do với tần số rất lớn – hàng chục đến hàng trăm GHz – công nghệ đối với phần RF của hệ thống trở nên rất phức tạp Mặt khác, tần số càng cao, tổn hao đường truyền càng lớn, hạn chế cự ly liên lạc hoặc yêu cầu công suất phát rất cao đến mức không thực tế Vì vậy, cần áp dụng các kỹ thuật nhằm tận dụng phổ tần số sẵn có khá

hạn chế, nói cách khác là nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ (frequency

efficiency) η của hệ thống, được định nghĩa là tỷ số giữa tốc độ bít R b truyền

được trên kênh và độ rộng băng chiếm W của tín hiệu Các sơ đồ điều chế nhiều mức (M mức) thường được áp dụng nhằm tăng hiệu quả sử dụng phổ

trong các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn bao gồm các sơ đồ điều chế tín

hiệu 2 chiều: Khóa dịch pha M trạng thái M-PSK (M-ary Phase Shift Keying)

và Điều chế biên độ vuông góc M-QAM (M-ary Quadrature Amplitude

Modulation) hoặc các dạng phái sinh của chúng [2]

a) Điều chế M-PSK

Tín hiệu điều chế M-PSK có thể biểu diễn theo:

2( ) cos(2 ), 0, 1, 2, ,( 1)

Sơ đồ thông dụng điều chế và giải điều chế M-PSK với M = 4, còn gọi

là QPSK (Quarternary Phase Shift Keying), đƣợc thể hiện trên hình 1.4 [1]

Hình 1.4 Sơ đồ điều chế và giải điều chế QPSK Đối với sơ đồ điều chế QPSK (hình 1.4a), luồng dữ liệu nhị phân lối vào đƣợc chia thành các cặp bít, qua bộ biến đổi nối tiếp-song song S/P

(Serial/Parallel) đƣợc chia làm hai nhánh, mỗi nhánh một bán symbol gồm 1 bít với độ rộng đƣợc mở rộng thành T s = 2T b Các bít (bán symbol) của từng

nhánh này, sau khi qua các bộ lọc thông thấp LPF (Low-Pass Filter) hạn băng

và tạo dạng xung (pulse shaping) dạng căn bậc hai cosine nâng mắc nối tiếp với một mạch sửa x/sinx, đƣợc nhân với các thành phần đồng pha cos2πf c t

hoặc vuông pha sin2πf c t của sóng mang trung tần IF Tín trên hai nhánh sau

LPF

90o

~ cos2πfc t

đó được cộng với nhau, tạo nên tín hiệu QPSK ở trung tần Tín hiệu này sau

đó sẽ được đưa tới tuyến RF để trộn lên tần số vô tuyến cao tần, khuếch đại và truyền đi Chòm sao tín hiệu QPSK (biểu diễn vector tín hiệu) được thể hiện

trên hình 1.5 gồm M điểm chia đều vòng tròn tâm ở gốc tọa độ, bán kính s

E , trong đó E s là năng lượng của một symbol Hiệu quả sử dụng phổ của

Đối với sơ đồ giải điều chế 4-PSK (hình 1.1b), tín hiệu nhận được (bao

gồm cả tín hiệu hữu ích và tạp âm) sau khi được trộn xuống IF từ mạch trộn

tần xuống (down converter) sẽ được đưa song song tới 2 nhánh của bộ giải

điều chế Tại các nhánh này, tín hiệu sẽ được nhân với các thành phần đồng pha hoặc vuông pha của sóng mang trung tần nhằm loại bỏ thành phần tần số cao Các bộ lọc thông thấp (cũng thường là các mạch lọc căn bậc hai cosine

nâng), mạch lấy mẫu tại các thời điểm t = kT s (k là chỉ số khe thời gian của

các symbol hay cặp bít) và các mạch biến đổi A/D (thực chất là các mạch lấy mẫu và so ngưỡng nhằm quyết định giá trị bít trên các nhánh là 1 hay 0) hình

thành nên máy thu tối ưu tín hiệu số, cho tỷ số tín/tạp SNR (Signal-to-Noise

Ratio) lớn nhất (và do đó, tỷ lệ thu lỗi nhỏ nhất) Các bít nhận được trên 2

nhánh sẽ được ghép trở lại thành cặp bít ban đầu qua bộ biến đổi song nối tiếp P/S

(In-số khe thời gian của symbol cần truyền C k C k = A k + jB k

Điều chế biên độ vuông góc (M-QAM) là phương pháp điều chế kết

hợp giữa điều chế biên độ và điều chế pha Tên gọi điều chế biên độ vuông

góc là do tín hiệu M-QAM được tạo ra bằng cách cộng hai tín hiệu điều chế biên độ có L = M mức trên các sóng mang trực giao (cùng tần số và vuông

pha với nhau) Cũng như M-PSK, điều chế M-QAM là một phương pháp điều

chế tín hiệu hai chiều tuyến tính, cho phép nâng cao hiệu quả phổ

Điều chế và giải điều chế M-QAM có sơ đồ khối trên hình 1.6 [1] Với điều chế M-QAM (hình 1.6a), bộ biến đổi nối tiếp-song song S/P (Serial/Parallel) thực hiện biến đổi từng symbol gồm m = log2M bít từ chuỗi

bít dữ liệu nối tiếp lối vào thành hai bán symbol, mỗi bán symbol gồm m/2 bít Các khối đổi mức 2/L thực hiện biến từng cụm m/2 bít nhị phân đó thành các tín hiệu không về không NRZ (Non Return to Zero) nhiều mức A k và B k (với k là chỉ số khe thời gian của symbol được truyền), có thể nhận L = M

trị biên độ, tùy thuộc vào mẫu các bít của cụm bít lối vào Dạng phổ tín hiệu đầu ra được hình thành nhờ các bộ lọc thông thấp phía trước mạch nhân, mà trong thực tế thiết kế chúng thường là như nhau và là mạch lọc căn bậc hai

cosine nâng (square-root raised cosine filter) mắc nối tiếp với một mạch sửa dạng xung x/sinx Các mạch nhân được sử dụng sau mỗi mạch lọc nhằm thực

hiện điều chế biên độ tuyến tính, với các sóng mang IF cùng tần số song trực

giao (các sóng mang cos2πf c t và sin2πf c t) Các tín hiệu lối ra các mạch nhân

được cộng với nhau tạo nên tín hiệu M-QAM Bộ điều chế M-QAM như vậy

được tạo ra từ hai bộ điều chế biên độ trực giao nhau với sóng mang bị triệt

Tín hiệu điều chế M-QAM ở trung tần này sau khi trộn lên RF, khuếch đại, tín

hiệu sẽ được phát đi qua hệ thống ăng-ten, phi-đơ ra môi trường vô tuyến

Các tín hiệu số truyền symbol C k có thể biểu diễn được ở dạng vector

(A k , B k) trong không gian tín hiệu (là một không gian Hilbert 2 chiều), như

chòm sao tín hiệu (constellation) thể hiện trên hình vẽ 1.7

Hình 1.6 Sơ đồ điều chế a) và giải điều chế b) tín hiệu M-QAM []

Hình 1.7 Chòm sao tín hiệu 16-QAM

Hiệu quả sử dụng phổ của điều chế M-QAM cũng đƣợc tính theo (1.6) Chòm sao tín hiệu điều chế M-QAM có nhiều dạng khác nhau, ngoài các dạng

chòm sao hình tròn sử dụng cho truyền dữ liệu trên kênh thoại trong các

Läc th«ng thÊp



tín hiệu lối vào

E d

M



sQAM E

modem tốc độ thấp hay dạng chữ thập trong các hệ thống điều chế mã lưới

TCM (Trellis Coded Modulation), sơ đồ điều chế M-QAM với chòm sao tín hiệu hình vuông (square constellation) là sơ đồ thông dụng nhất trong các hệ thống vô tuyến số mặt đất hiện nay Chòm sao tín hiệu M-QAM dạng hình vuông được thể hiện trên hình 1.7, thí dụ cho trường hợp M = 16

Sơ đồ bộ giải điều chế M-QAM được trình bày trên hình 1.6b Tín hiệu lối vào bộ giải điều chế trong khe thời gian của symbol thứ k được nhân với

các sóng mang trực giao và loại bỏ sản phẩm bậc hai sau nhân nhờ các mạch lọc thông thấp Các bộ lọc thông thấp, thường cũng là các bộ lọc căn bậc hai cosine nâng, mạch lấy mẫu và biến đổi A/D hình thành nên máy thu tối ưu nhằm cực đại hóa SNR Các tín hiệu sau lọc (có cả tạp âm) được lấy mẫu theo

nhịp symbol tại các thời điểm t = kT S và được biến đổi tại các bộ biến đổi tương tự/số (A/D) thành các tín hiệu Aˆ k và Bˆ k với L trị biên độ có thể có rồi được giải mã thành các tổ hợp có m/2 bít Hai nhánh tín hiệu được đưa tới bộ biến đổi song song-nối tiếp (P/S) để trả thành cụm m bít lối ra

c) So sánh M-PSK và M-QAM, phạm vi ứng dụng

Việc so sánh giữa hai kiểu điều chế nhiều mức M-PSK và M-QAM

được thực hiện dựa trên nguyên tắc cho chúng có cùng hiệu quả sử dụng phổ, cùng tỷ lệ lỗi thu symbol, kiểu điều chế nào đòi hỏi năng lượng cao hơn thì tồi

hơn Theo (1.6), hiệu quả phổ của cả M-PSK và M-QAM như nhau với cùng giá trị M và hệ số uốn lọc α Về lý thuyết, tỷ lệ lỗi phụ thuộc khoảng cách từ điểm tín hiệu tới biên quyết định gần nhất d P và d Q (hình 1.5 và 1.7), cùng tỷ

lệ lỗi symbol có nghĩa là d P = d Q, theo các hình 1.5 và 1.7 thì điều kiện này là:

sQAM sPSK

Với M = 4, A(4) = 1, cả 4-QAM và QPSK đều yêu cầu năng lượng như

nhau khi có cùng hiệu quả phổ và cùng tỷ lệ lỗi, do đó chúng hoàn toàn tương

đương nhau, các sơ đồ điều chế và giải điều chế là như nhau Với 4 < M ≤ 8,

A(M) > 1, có nghĩa là PSK tốt hơn QAM Khi M > 8, A(M) < 1,

M-QAM tốt hơn M-PSK, điều này lý giải thực tế là hầu như không gặp các sơ đồ điều chế M-PSK với M > 8

Trong thực tế, khi dung lượng hệ thống từ thấp tới trung bình (chẳng hạn với các hệ thống đường trục thì tốc độ ≤ 70 Mbps), hiệu quả phổ đòi hỏi

không cao lắm (m chỉ cần không lớn), người ta thường sử dụng điều chế PSK với M = 2, 4 hoặc 8 Với các hệ thống vô tuyến số dung lượng từ trung bình đến lớn, sơ đồ điều chế thường áp dụng là M-QAM với M = 16, 64 hay

M-256 Từ các xem xét trên, trong luận văn này ta sẽ giới hạn chỉ xem xét chủ

yếu với các hệ thống sử dụng điều chế M-QAM Trong sơ đồ khối tương

đương băng gốc của hệ thống vô tuyến số hình 1.3, bộ điều chế chủ yếu là bộ

điều chế M-QAM

1.3 CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN TÁC ĐỘNG TỚI CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 1.3.1 ISI và điều kiện truyền không méo tín hiệu

a) ISI và điều kiện truyền không có ISI

+ Nhiễu giữa các symbol ISI (InterSymbol Interference):

Trong các hệ thống truyền dẫn số, các tín hiệu số được truyền liên tiếp

nhau từng symbol một Mỗi một symbol được hình thành từ m bít và có thời gian tồn tại bằng m lần thời gian tồn tại của một bít, do vậy các dạng sóng điều chế dùng để truyền chúng cũng có độ dài hữu hạn bằng độ dài của m bít:

T S = mT b , trong đó T S và T b lần lượt là độ dài của một symbol và của một bít

Do các dạng sóng có độ dài hữu hạn, phổ của chúng (nhận được thông qua biến đổi Fourrier) sẽ trải ra vô hạn trên miền tần số Sẽ không có vấn đề gì nảy sinh trong việc truyền các tín hiệu dạng sóng có phổ rộng vô hạn như thế trên kênh liên tục nếu độ rộng băng tần truyền dẫn của hệ thống không bị hạn chế, đặc tính biên độ-tần số của hệ thống thì bằng phẳng còn đặc tính pha-tần thì tuyến tính Trong thực tế, băng tần truyền dẫn không phải là vô hạn do con người chưa tận dụng được hết trục tần số để truyền tín hiệu sóng điện từ Băng tần truyền dẫn do vậy là một tài nguyên quý và hiếm hoi, buộc phải chia

sẻ cho nhiều đối tượng cùng sử dụng Để hạn chế phổ tần nhằm tăng số hệ thống có thể cùng công tác trên một băng sóng cho trước, người ta sử dụng các mạch lọc Do vậy, hàm truyền tổng cộng của một hệ thống truyền dẫn vô tuyến số sẽ có đặc tính như của một mạch lọc Ở đầu ra, phổ tín hiệu thu được

bị hạn chế bởi đặc tính lọc của hệ thống nên tín hiệu thu được của một symbol

(chƣa kể đến tạp âm) sẽ trải ra vô hạn về thời gian Điều đó dẫn đến việc tại

đầu thu các symbol đƣợc truyền kế tiếp nhau sẽ chồng lấn lên nhau về thời

gian và gây nhiễu lẫn nhau, hiện tƣợng này trong truyền dẫn tín hiệu số đƣợc

gọi là nhiễu giữa các symbol (ISI: InterSymbol Interference), gây méo dạng

Hình 1.8 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống truyền dẫn tín hiệu số

Không mất đi tính tổng quát, giả sử tín hiệu phát s(t) có dạng điều biên xung M trạng thái (M-ary Pulse Amplitude Modulation):

Gọi hàm truyền của các mạch lọc phát và thu (Tx Filter và Rx Filter)

lần lƣợt là H T (f) và H R (f) Khi đó, hàm truyền tổng cộng của cả hệ thống là

Số hạng thứ hai bên vế phải (1.12) là ảnh hưởng của các symbol trước

và sau tới symbol thứ 0 đang xét, được gọi là nhiễu giữa các symbol ISI

(InterSymbol Interference) Thêm vào đó, tín hiệu nhận được A0 bị suy giảm

với hệ số h(0)

ISI là một biến ngẫu nhiên do thông tin cần truyền đi là ngẫu nhiên (các

giá trị A k ngẫu nhiên) và do là một tổng vô hạn các số hạng nên nó có thể

nhận giá trị rất lớn, có khả năng làm cho symbol đang xét (trong xem xét của

ta ở đây là symbol thứ 0) bị méo rất mạnh và do đó có thể làm suy giảm chất lượng liên lạc trầm trọng tới mức không thể chấp nhận được

+ Điều kiện truyền không có ISI:

Có thể thấy từ (1.12) rằng tín hiệu số truyền được không bị méo nếu

h(0) = 1 và ISI ≡ 0 Trong trường hợp như thế, chưa tính đến tạp âm, tín hiệu

nhận được đối với symbol thứ 0 sẽ đúng là A0 Điều này đạt được khi và chỉ

khi đáp ứng xung tổng cộng của cả hệ thống thỏa mãn:

Điều kiện (1.13) được gọi là tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất [2]

b) Thiết kế thực tế nhằm truyền tin không có ISI

Tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất có nghĩa là để truyền tín hiệu số qua kênh

có băng thông hạn chế thì đáp ứng xung tổng cộng của hệ thống phải bằng 1

khi t = 0 và cắt không tại những điểm t = kT S Trong thực tế, yêu cầu trên thường được đáp ứng bằng thiết kế tiêu chuẩn để hàm truyền tổng cộng của cả

hệ thống tương đương băng gốc có dạng hàm truyền của bộ lọc cosine nâng

(raised cosine filter) [2] như trên hình vẽ 1.9a

Đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng có dạng [2]:

sin( / ) cos( / )( )

Hàm truyền của bộ lọc cosine nâng có dạng [2]:

S

f

T T

Hình 1.9 Hàm truyền và đáp ứng xung bộ lọc cosine nâng

Đáp ứng xung của một bộ lọc cosine nâng với α = 0.35 tính bằng phần mềm ASTRAS được thể hiện trên hình 1.9b Trong thực tế, α thường nhận

các giá trị trong khoảng [0.2, 0.7]

Các mạch lọc phát và thu thường được thiết kế là các bộ lọc căn bậc hai

cosine nâng (square-root raised cosine filter) có mô-đun hàm truyền là căn bậc hai của mô-đun hàm truyền cosine nâng, nhằm tạo dạng xung (pulse

shape) đối với bộ lọc phát và lọc phối hợp đối với bộ lọc thu

trong các hệ thống sử dụng điều chế góc (thí dụ như M-PSK) và đặc biệt là do

bộ khuếch đại công suất HPA (High Power Amplifier) phi tuyến

Δ

f N -f N

f

|H RC (f)|

1

0

+ Các loại can nhiễu từ các hệ thống khác tới hệ thống đang xét

+ Các sai lệch về đồng bộ, bao gồm sai lệch pha (phase error) sóng mang nội của máy thu so với sóng mang phát và sai lệch đồng hồ (timing

error) giữa đồng hồ máy thu và đồng hồ máy phát Sai lệch pha sóng mang

gây nên: a) Nhiễu xuyên trục (cross-talk) giữa các thành phần trục I và Q của

tín hiệu và b) Làm quay các điểm tín hiệu trên chòm sao tín hiệu thu, tất cả những tác động này đều góp phần làm giảm mạnh chất lƣợng BER của hệ thống Sai lệch đồng hồ thì dẫn đến điểm lấy mẫu tín hiệu trong giải điều chế không tối ƣu, gây nên [1]: a) Suy giảm tỷ số tín hiệu hữu ích/tạp âm (SNR) làm tăng BER và b) Xuyên nhiễu giữa các symbol truyền liên tiếp trên miền

thời gian ISI (InterSymbol Interference) làm tăng BER của hệ thống, ngay cả

khi hàm truyền tổng cộng toàn hệ thống thỏa mãn tiêu chuẩn truyền không có ISI (tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất)

1.3.3 Mô hình kênh liên tục truyền dẫn tín hiệu số

Theo mục tiêu của luận văn nghiên cứu tác động của các loại méo tín hiệu trong các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn, để làm rõ các tác động của kênh truyền, cần có mô hình của kênh thể hiện đầy đủ các tác động của kênh tới việc truyền tín hiệu số tốc độ cao

Kênh từ đầu ra bộ điều chế phần phát tới đầu vào bộ giải điều chế của máy thu truyền các tín hiệu dạng sóng số liên tục, đƣợc gọi là kênh liên tục,

w(t)

f c

Trên hình 1.10, tín hiệu hữu ích của hệ thống đang xét là s(t) từ lối ra

bộ điều chế được lọc thông dải bởi bộ lọc phát với hàm truyền mạch lọc H T (f)

có tần số trung tâm f c nhằm mục đích tạo dạng xung (pulse shaping) và chia

sẻ băng tần Sau khi được khuếch đại công suất bởi HPA nhằm bù đắp tổn hao gây bởi kênh, tín hiệu được đưa qua kênh vô tuyến tới đầu thu Bộ lọc thu

có hàm truyền H R (f) có nhiệm vụ của bộ lọc phối hợp nhằm lọc tạp nhiễu tới

mức tối đa mà không gây méo nghiêm trọng tín hiệu Tín hiệu sau lọc sẽ được đưa tới bộ giải điều chế nhằm loại bỏ tần số sóng mang và biến đổi A/D (lấy mẫu và quyết định theo ngưỡng)

Ngoài sai lệch sóng mang và đồng hồ giữa bộ giải điều chế và bộ điều chế, các yếu tố cơ bản của kênh tác động tới chất lượng hệ thống bao gồm:

+ Méo tuyến tính:

Gây bởi các phần tử tuyến tính trên kênh, bao gồm các mạch lọc phát,

thu và kênh vô tuyến Hàm truyền tổng cộng của cả hệ thống H(f) là:

Nếu đáp ứng xung tổng cộng của toàn hệ thống h(t) = F-1

[H(f)] không

thỏa mãn tiêu chuẩn truyền không có ISI (tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất) thì ISI

sẽ sinh ra sau lấy mẫu trong bộ giải điều chế, có thể gây méo lớn tín hiệu, làm giảm trầm trọng chất lượng của hệ thống, thậm chí gián đoạn liên lạc

+ Méo phi tuyến:

Chủ yếu gây bởi HPA phi tuyến Do kẹp giữa các bộ lọc phát và thu, HPA sẽ làm thay đổi đặc tính của toàn hệ thống và vì vậy ngay cả khi hàm

truyền tổng cộng của cả hệ thống H(f) là lý tưởng (đáp ứng xung h(t) thỏa

mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất), ISI cũng sinh ra Tín hiệu có thể bị méo lớn, dẫn đến suy giảm trầm trọng chất lượng hệ thống

+ Các loại nhiễu chính:

Trên kênh vô tuyến, tín hiệu có thể bị nhiễu đồng kênh CCI

(CoChannel Interference) từ các hệ thống khác có tần số gần hoặc bằng tần số công tác f c Mặt khác, hệ thống cũng có thể bị nhiễu cận kênh ACI (Adjacent

Channel Interference) từ các hệ thống có tần số công tác khác f c song có bức

xạ ngoài băng của chúng lọt vào băng thông W của hệ thống đang xét đủ lớn

để gây nhiễu đáng kể Các loại nhiễu này, cùng với tạp âm từ máy thu quy ra đầu vào ở dạng mô hình AWGN, được cộng với tín hiệu thu được và có thể

làm chất lượng hệ thống giảm tới mức không thể chấp nhận được Do vậy, các biện pháp chống nhiễu nhất thiết phải được áp dụng nhằm làm giảm công suất nhiễu thu được Các biện pháp chống nhiễu như thế được mô hình hóa chúng trên hình 1.10 bằng các khối gây tổn hao đối với các loại nhiễu với các

lượng tiêu hao khác nhau A0, A1,…, A N tùy thuộc vào biện pháp cụ thể

Trong luận văn này, chúng ta sẽ tập trung đi sâu nghiên cứu các tác động của các loại méo cũng như các biện pháp khắc phục méo chủ yếu Các vấn đề đó sẽ được trình bày chi tiết trong các chương sau của luận văn

1.4 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ASTRAS

Phần mềm mô phỏng được sử dụng để mô phỏng kiểm chứng một số

nội dung trong luận văn là gói phần mềm ASTRAS (Analog Simulation of

TRAnsmission Systems)

ASTRAS được soạn thảo và phát triển trong quá trình nghiên cứu và đào tạo nhiều năm tại Bộ môn thông tin sóng cực ngắn, Đại học kỹ thuật Budapest, Hungary, dưới sự lãnh đạo và giám sát của giáo sư, tiến sĩ khoa học Frigyes István Gói chương trình này đã được công bố tại các tạp chí và các hội nghị khoa học quốc tế chuyên về kỹ thuật mô phỏng các hệ thống thông tin, và là tài sản thuộc Uỷ ban phát triển kỹ thuật quốc gia Hungary Độ chính xác của ASTRAS đã được kiểm nghiệm bằng cách so sánh một số kết quả mô phỏng với các kết quả đo thử thực tế hoặc so sánh với các kết quả đã được công bố trên các tạp chí, tài liệu khoa học quốc tế trong suốt quá trình sử dụng

và phát triển [7] Ở Việt Nam, ASTRAS cũng đã được sử dụng như một công

cụ trong nghiên cứu và đào tạo tại Học viện kỹ thuật quân sự và một vài cơ sở đào tạo khác [3]

Hình 1.11 Kết cấu gói chương trình ASTRAS

Số liệu đầu vào (số liệu của hệ thống cần mô phỏng)

QINPUT

Phiên bản đầu tiên của ASTRAS được hoàn thành vào cuối những năm

80, được viết bằng ngôn ngữ Pascal, thoạt tiên được phát triển cho các ứng dụng trên các máy tính cá nhân có năng lực tương đối thấp (các máy PC loại

AT 286) với các nỗ lực cao nhất nhằm tiết kiệm bộ nhớ máy tính

Gói chương trình ASTRAS gồm 3 phần chính: QINPUT, ASTRAS-QL

và ASTRAS-NL như được thể hiện trên hình 1.11 [3]

Gói trình con QINPUT (Quick INPUT) được sử dụng để xác định và mô tả

cấu trúc của hệ thống cần mô phỏng cũng như để gán thông số của các khối một cách nhanh chóng, trực quan và thuận tiện cho việc sửa đổi

Séc-măng ASTRAS-QL được sử dụng để mô phỏng các hệ thống

M-QAM tuyến tính Séc-măng này được dùng để đánh giá sơ bộ chất lượng của

các hệ thống M-QAM, trong đó đòi hỏi rất ngặt nghèo về độ tuyến tính Khi được giả định là hoàn toàn tuyến tính, hệ thống M-QAM có thể mô phỏng

được bằng ASTRAS-QL nhằm xem xét, đánh giá tác động của hàng loạt yếu

tố có ảnh hưởng tốt lẫn xấu đến chất lượng của hệ thống Kết quả mô phỏng

chính của ASTRAS-QL là đồ thị hàm số BER theo tỷ số tín/tạp (E b /N0, trong

đó E b là năng lượng của một bít, N0 là mật phổ một phía của tạp âm nhiệt

trắng chuẩn quy về lối vào máy thu), hoặc đồ thị BER P E (R+I) theo cả tỷ số tín/tạp lẫn ISI (R là tỷ số tín/tạp, I là véc tơ ISI), hoặc đường cong dấu ấn của

hệ thống (signature)

Séc-măng ASTRAS-NL đã được phát triển cho các trường hợp tổng quát hơn đối với các hệ thống phi tuyến Kết quả mô phỏng của ASTRAS-NL

là mẫu mắt của tín hiệu thu được và BER của hệ thống được cho ở dạng bảng

và đồ thị, nhận được bằng cách sử dụng phương pháp đánh giá xác suất lỗi tựa giải tích (QA) hay phương pháp Monte-Carlo (MC), tuỳ trường hợp cụ thể Để có được cái nhìn sâu hơn về các tác động của méo phi tuyến trong các

hệ thống M-QAM, một vài chương trình con đã được bổ sung trong những

phát triển gần đây nhất, cho phép hiển thị biểu đồ chòm tín hiệu thu, xác định các tham số thống kê cũng như các hàm mật độ xác suất kinh nghiệm của ISI

đối với từng vị trí của tín hiệu M-QAM trên không gian tín hiệu Các bộ

khuếch đại công suất phi tuyến trong các hệ thống, ngoài việc có thể mô tả theo các mô hình khác nhau, cũng đã có thể mô tả được một cách chi tiết hơn, phù hợp với các đặc tính thực tế được cung cấp bởi các nhà sản xuất

Kết cấu và hướng dẫn sử dụng cũng như thí dụ ứng dụng của ASTRAS

đã được đề cập đến trong chương này Chương 1 cũng đã giới thiệu sơ bộ về phần mềm ASTRAS được sử dụng trong luận văn nhằm mô phỏng các vấn đề

về méo tuyến tính và méo phi tuyến cũng như các phương pháp khắc phục sẽ được trình bày kỹ trong các chương 2 và 3

Chương 2 MÉO TUYẾN TÍNH VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

2.1 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY MÉO TUYẾN TÍNH

Méo tuyến tính là méo dạng tín hiệu gây bởi các phần tử tuyến tính trên kênh Các nguyên nhân gây méo tuyến tính, như đã trình bày trong phần mô hình kênh liên tục truyền dẫn tín hiệu số ở chương 1, bao gồm:

+ Các đặc tính của các bộ lọc phát và thu không thể chế tạo hoàn hảo; + Kênh vô tuyến có hàm truyền không lý tưởng trong độ rộng băng tín hiệu (mô-đun hàm truyền không bằng phẳng và/hoặc đặc tuyến pha không tuyến tính trong độ rộng băng tín hiệu)

Có thể giải thích sơ bộ điều này từ việc xét hàm truyền tổng cộng H(f) của cả hệ thống là tích của các hàm truyền các mạch lọc phát H T (f), mạch lọc thu H R (f) và hàm truyền của môi trường truyền vô tuyến H c (f) Một khi hàm truyền tổng cộng H(f) này không thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất thì ISI

sẽ sinh ra trong quá trình truyền dẫn tín hiệu số, gây méo tín hiệu

2.1.1 Méo tuyến tính do các bộ lọc chế tạo không hoàn hảo

Các bộ lọc phát và thu trong hệ thống vô tuyến số được sử dụng để hạn chế bề rộng phổ chiếm của tín hiệu, chia sẻ băng tần số công tác (bộ lọc phát)

và chọn lọc tín hiệu, giảm tác động của tạp nhiễu tối đa (bộ lọc thu) Kênh vô tuyến số do vậy có đặc tính của một mạch lọc, có băng thông hạn chế Như đã trình bày trong chương 1, để truyền tín hiệu số trên kênh có băng thông hạn chế như vậy mà không có ISI, các bộ lọc được thiết kế để thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất Thí dụ điển hình là các bộ lọc phát và thu được thiết kế có hàm truyền căn bậc hai cosine nâng để hàm truyền tổng cộng của chúng có dạng cosine nâng như đã trình bày trong chương 1

Trong thực tế, ở các tuyến IF và RF, các bộ lọc này được thiết kế ở dạng bộ lọc thông dải, có thể thực hiện được bằng các mạch lọc LC, mạch lọc thạch anh, lọc ống sóng… Ở trung tần cũng như cao tần, các bộ lọc này cũng

thường được thiết kế sử dụng các mạch lọc sóng âm bề mặt SAW (Surface

Acoustic Wave) do các ưu thế về tính chọn lọc, độ ổn định (ít trôi tham số như

các mạch lọc LC) và kích thước Các mạch lọc SAW thì sử dụng nguyên lý

biến năng (transduction) từ năng lượng điện thành năng lượng cơ ở dạng sóng

âm bề mặt và ngược lại, nhờ phần tử áp điện (piezoelectric) Cấu trúc mạch

lọc SAW được thể hiện trên hình vẽ 2.1

Hình 2.1 Cấu trúc mạch lọc SAW (Nguồn: http://en.wikipedia.org/wiki/Surface_acoustic_wave)

Tuy nhiên, các mạch lọc thực tế, dù theo nguyên lý nào cũng thể hiện các đặc tính sau [9]:

+ Đặc tính tiêu hao không thể đạt vô cùng ngoài băng chắn;

+ Đặc tính tiêu hao không bằng 0 trong dải thông và biểu lộ: a) Gợn sóng; b) Độ dốc đặc tuyến không đồng đều có thể xấp xỉ được bằng tổng các thành phần bậc 1 và bậc 2, có xu hướng tiêu hao lớn hơn ở phía tần số lớn hơn của dải thông lọc;

+ Đặc tuyến pha không tuyến tính trong dải thông, cũng có thể xấp xỉ tốt được bằng tổng các thành phần bậc 1 và bậc 2 và cũng biểu lộ các đặc

điểm gợn sóng trong băng, gây nên hiện tượng trễ nhóm (group delay) không

đồng đều trong băng thông

Do các đặc điểm thực tế thiết kế như vậy, hàm truyền tổng cộng của cả

hệ thống khác với hàm truyền bộ lọc cosine nâng lý thuyết Điều này dẫn đến ISI trong quá trình truyền tín hiệu số ngay cả khi kênh vô tuyến lý tưởng (có hàm truyền bằng phẳng, là hằng số, không phụ thuộc tần số trong băng tín hiệu), gây méo tín hiệu

2.1.2 Méo tuyến tính gây bởi kênh vô tuyến

a) Những đặc tính chung của kênh vô tuyến

Như đã được trình bày trong chương 1, do tốc độ truyền dẫn lớn nên các loại hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn, băng rộng chủ yếu công tác trên dải sóng cực ngắn (hay vi ba) với tần số sóng mang rất lớn (> 300 MHz) Các loại kênh vô tuyến số dung lượng lớn, băng rộng như thế trong thực tế thường bao gồm:

+ Kênh vi ba số (vô tuyến chuyển tiếp) dung lượng lớn như đối với các

tuyến đường trục (backbone);

+ Kênh vô tuyến tốc độ bít cao trong thông tin di động các thế hệ sau (từ các phiên bản sau của các hệ thống 3G hay các hệ thống 4G trong tương lai rất gần);

+ Kênh thông tin vệ tinh địa tĩnh

Một trong các đặc tính tiêu biểu của kênh vô tuyến đi qua hay đi trong bầu khí quyển gần mặt đất là hiện tượng pha-đinh, là sự suy lạc một cách ngẫu nhiên cường độ tín hiệu tại điểm thu

Các kênh thông tin vệ tinh với các vệ tinh địa tĩnh nằm trên quỹ đạo

36000 km tính từ bề mặt trái đất nói chung có thể xem như các kênh truyền sóng trong không gian tự do khi góc ngẩng ăng-ten đủ lớn Đó là do phần sóng truyền qua bầu khí quyển là rất nhỏ (vài chục km) so với cự ly liên lạc từ mặt đất tới trạm chuyển tiếp vệ tinh (~36000 km) Các kênh như thế ít chịu tác động của tầng khí quyển trái đất, ngoại trừ tổn hao do mưa, gây suy giảm mức thu tại trạm mặt đất Các kênh thông tin vệ tinh địa tĩnh do vậy có thể xem rất tốt là các kênh có hàm truyền khá bằng phẳng trong băng tín hiệu và

do vậy không làm ảnh hưởng đáng kể tới đặc tính hàm truyền tổng cộng Sự thăng giáng cường độ tín hiệu gây bởi pha-đinh do mưa là như nhau với tất cả

các thành phần tần số trong băng tín hiệu và được gọi là pha-đinh phẳng (flat

fading), không gây ra ISI và có thể bù đắp khá tốt nhờ dự trữ công suất phát

và sử dụng tự động điều khiển tăng ích AGC (Automatic Gain Control)

Đối với các kênh vô tuyến chuyển tiếp số hay thông tin di động, sóng cực ngắn được truyền trong bầu khí quyển gần sát mặt đất, do vậy chịu nhiều tác động của khí quyển cũng như do tính chất của quá trình truyền tin (di động hay không di động) Các hiện tượng pha-đinh đối với các hệ thống như thế phức tạp hơn nhiều, là nguyên nhân chủ yếu dẫn tới méo tín hiệu, trong nhiều trường hợp là cực kỳ trầm trọng Trong chương này, do vậy, chúng ta

chỉ tập trung xem xét tác động của pha-đinh đối với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số và các hệ thống thông tin di động số dung lượng lớn

Các tác động của môi trường truyền dẫn làm thay đổi các tham số đặc trưng của sóng điện từ (biên độ, tần số và pha) tại điểm thu Các yếu tố tác động của môi trường truyền dẫn tới quá trình truyền lan sóng vô tuyến vi ba (cực ngắn) ở gần mặt đất, gây ra pha-đinh có thể tóm tắt được như sau:

+ Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa , sự hấp thụ này phụ thuộc vào tần số công tác, đặc biệt là trong giải tần số cao (> 10GHz)

+ Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí Trong các trường hợp cực đoan hiệu ứng này có thể làm lạc hẳn hướng tia sóng so với thiết kế, chẳng hạn trong trường hợp có hiệu ứng ống sóng có thể xảy ra trong những vùng có vĩ độ thấp, có bề mặt nước, nhiệt độ không khí thay đổi nhanh Thông thường, sự thay đổi mật độ không khí theo độ cao có xu hướng

làm cong tia sóng lan truyền Trong trường hợp profile độ khúc xạ thay đổi lớn theo độ cao thì hiện tượng truyền dẫn đa đường (multipath propagation)

có thể xảy ra

+ Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trong trường hợp có bề mặt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyển, đây cũng

là một yếu tố dẫn tới sự truyền dẫn đa đường

+ Sự phản xạ, nhiễu xạ sóng tại các chướng ngại đối với các hệ thống thông tin di động cũng gây nên hiện tượng truyền dẫn đa đường

Do các yếu tố kể trên, hệ số suy hao đặc trưng cho quá trình truyền dẫn không còn là hằng số nữa như trong không gian tự do mà có thể biểu diễn được dưới dạng:

trong đó a(t,f) là hệ số suy hao sóng vô tuyến trong khí quyển, A(t,f)

đặc trưng cho sự phụ thuộc của suy hao năng lượng sóng điện từ vào các hiện tượng khí quyển, fs là hệ số suy hao trong không gian tự do

Như vậy, suy hao truyền dẫn sóng vô tuyến trong khí quyển là một hàm

của biến thời gian t và tần số công tác f Sự thay đổi theo tần số của đặc tính

suy hao như thế có thể gây ra những méo không thể chấp nhận được Mặt

khác, sự biến thiên ngẫu nhiên của A(t, f) theo thời gian sẽ dẫn đến sự thăng

giáng ngẫu nhiên của cường độ tín hiệu tại điểm thu, tức là gây ra pha-đinh

Trong biểu thức (2.1), A(t, f) do đó còn được gọi là hệ số suy hao do pha-đinh Nói chung A(t, f) là một quá trình ngẫu nhiên Xét một cách chặt chẽ, quá

trình này là không dừng Tuy nhiên trong nhiều trường hợp thực tế, để thuận

tiện cho việc khảo sát thì có thể giả thiết A(t, f) là quá trình ngẫu nhiên dừng b) Pha-đinh do mưa, mù

Sự hấp thụ sóng vô tuyến do môi trường vô tuyến thì chỉ nguy hiểm với các hệ thống có tần số công tác rất cao, cụ thể là hấp thụ do mưa rào thực sự đáng kể với các tần số công tác lớn hơn 10 GHz còn hấp thụ do các phân tử khí và sương mù chỉ có ý nghĩa với các tần số trên 20 GHz Nhìn chung, trong các dải sóng công tác thực tế hiện nay của các hệ thống vô tuyến số mặt đất, các yếu tố hấp thụ gây bởi các phân tử khí và sương mù hầu như ít có ý nghĩa

và pha-đinh do hấp thụ chủ yếu gây bởi mưa

Sự phụ thuộc của hệ số A(t, f) gây bởi mưa thì có dạng không đồng đều theo tần số, tần số càng lớn, A(t, f) càng lớn và chỉ đáng kể (cần tính đến) với

dải tần số ≥ 7 GHz Điều này dẫn đến các tuyến vi ba đường trục thường được

ưu tiên công tác ở các dải sóng ≤ 7 GHz nhằm có được cự ly chặng chuyển tiếp dài, giảm số trạm chuyển tiếp trên các tuyến rất dài Đối với các hệ thống

vô tuyến di động tế bào thì do yêu cầu bảo đảm vùng phủ với các công suất trạm khá hạn chế – nhất là công suất của trạm di động – thì tần số công tác thường khá thấp, không quá 5 GHz Tần số công tác của các hệ thống vô tuyến di động tế bào thì không quá 2 GHz với các hệ thống 1G và 2G, thường không quá 2.5 GHz với hệ thống 3G đa truy nhập theo mã băng rộng

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)

Sự biến thiên của A(t, f) gây bởi mưa theo tần số – và do vậy tiêu hao

theo tần số trên một đơn vị khoảng cách (thí dụ như tiêu hao/km) – tuy vậy, lại khá chậm Nói một cách khác, trong độ rộng băng tín hiệu của từng hệ

thống (thường có thể xem là khá hẹp so với toàn dải tần thay đổi của A(t, f),

ngay cả khi dung lượng của hệ thống rất lớn, có bề rộng phổ chiếm lên đến

hàng chục MHz đối với các tuyến đường trục) sự thay đổi của A(t, f) gây bởi

mưa là gần như không đáng kể Nghĩa là pha-đinh do mưa đối với các hệ thống vô tuyến số mặt đất – dù có dung lượng lớn, băng rộng – cũng có thể xem là pha-đinh phẳng, không gây méo tuyến tính tín hiệu Cũng giống như đối với hệ thống thông tin vệ tinh, ảnh hưởng của pha-đinh do mưa có thể

khắc phục khá tốt nhờ sử dụng dự trữ công suất phát và tự động điều khiển tăng ích AGC

c) Pha-đinh đa đường

Hiện tượng truyền dẫn sóng vô tuyến đa đường có thể dẫn đến pha-đinh

đa đường (multipath fading), về vật lý, bản chất của nó là sự giao thoa của các

phiên bản sóng truyền từ cùng 1 nguồn phản xạ, khúc xạ tới điểm thu theo nhiều tia sóng khác nhau Các tia sóng tới đồng pha với nhau thì tăng cường lẫn nhau còn các tia ngược pha nhau thì loại trừ lẫn nhau Khi môi trường thay đổi do sự di động của các trạm di động, của các chướng ngại hoặc sự thay đổi của khí quyển, các tia sóng tới điểm thu sẽ thay đổi ngẫu nhiên cả về pha lẫn biên độ, cường độ trường tại điểm thu do vậy sẽ thăng giáng ngẫu nhiên gây ra pha-đinh

Về mặt tần số, truyền dẫn đa đường làm cho kênh có hàm truyền không bằng phẳng Chúng ta có thể thấy được tác động của truyền dẫn đa đường làm

hàm truyền H c (f) của kênh không bằng phẳng như sau

Hình 2.2 minh họa một môi trường truyền đa đường, trong đó tín hiệu sóng cực ngắn do phản xạ ở các chướng ngại hay khúc xạ trong khí quyển tới điểm thu theo nhiều đường khác nhau

Hình 2.2 Truyền sóng đa đường do khúc xạ trong khí quyển và/hoặc phản xạ từ chướng ngại vật Đáp ứng xung của kênh vô tuyến như trên hình 2.2 có thể nhận được là phản ứng lối ra của kênh khi máy phát phát đi một xung Dirac (t) Do trễ

khác nhau giữa các tia sóng, đáp ứng xung lối ra có thể viết theo:

trong đó N là số tia sóng, a i là hệ số tổn hao của tia thứ i còn I là độ trễ

của tia thứ i

Hàm truyền của kênh khi này là:

2 1

Hàm truyền của kênh theo (2.3) không phải là hằng số theo f

Như đã trình bày ở chương 1, kênh vô tuyến có thể đặc trưng được bởi

độ rộng băng kết hợp (coherence bandwidth) B c của kênh, là khoảng tần số

mà trong đó hàm truyền của kênh có thể xem là bằng phẳng (flat) Một hệ

thống vô tuyến số sẽ được xem như dung lượng lớn (băng rộng) nếu như độ

rộng băng tín hiệu W của nó (tỷ lệ thuận với tốc độ dữ liệu) vượt quá độ rộng

băng kết hợp của kênh vô tuyến giữa đầu phát và đầu thu Pha-đinh do truyền dẫn đa đường, tùy theo độ rộng băng của tín hiệu, có thể biểu lộ đặc tính pha-

đinh phẳng hay pha-đinh chọn lọc theo tần số (selective fading)

+ Pha-đinh đa đường phẳng:

Trong trường hợp độ rộng băng tín hiệu W đủ nhỏ, nhỏ hơn nhiều so với độ rộng băng kết hợp B c của kênh, khi đó hàm truyền kênh vô tuyến H c (f)

có thể xem như khá bằng phẳng trong băng tín hiệu W Khi này pha-đinh sẽ

xảy ra gần như nhau với mọi thành phần tần số của băng tín hiệu, khi đó đinh được xem là phẳng Cũng như pha-đinh phẳng do mưa đối với các hệ thống vô tuyến số, pha-đinh đa đường phẳng không gây ra ISI, tức là không gây méo tuyến tính tín hiệu và khắc phục khá dễ dàng nhờ tăng công suất phát

pha-đủ lớn và sử dụng AGC

+ Pha-đinh đa đường chọn lọc tần số:

Khi độ rộng băng tín hiệu W lớn hơn độ rộng băng kết hợp B c của kênh

vô tuyến, hàm truyền của kênh vô tuyến H c (f) trở nên không bằng phẳng trong băng tín hiệu W Trong trường hợp đó, hệ số tiêu hao pha-đinh sẽ không như

nhau đối với mọi thành phần tần số trong băng tín hiệu, gây nên pha-đinh có tính chọn lọc đối với các vùng tần số khác nhau trong băng tín hiệu Về mặt vật lý, điều này là do tại một thời điểm, với một số vùng tần số của băng tín hiệu thì các thành phần tần số tín hiệu của các phiên bản tín hiệu đi theo các tia khác nhau tới điểm thu thì đồng pha, tăng cường lẫn nhau, còn ở vùng tần

số khác thì các tia sóng này lại ngược pha với nhau tại điểm thu, triệt tiêu lẫn

nhau Do vậy pha-đinh được gọi là pha-đinh chọn lọc theo tần số Để thấy rõ hơn tác động gây méo của pha-đinh đa đường chọn lọc tần số, chúng ta sẽ xem xét mô hình kênh tiêu biểu của các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số

Rất nhiều đo đạc các số liệu về kênh truyền nhằm đưa ra mô hình thích hợp của hàm phản ứng tần số (2.3) Các đo lường đối với các tuyến vô tuyến chuyển tiếp số LOS là các phép đo băng rộng, được tiến hành để xác định các thành phần trễ nhiều tia bằng cách đo trực tiếp hoặc nhờ phân tích Fourier các kết quả đo về phổ Hình vẽ 2.3 là một thí dụ kết quả đo quét băng rộng về tổn hao và trễ trong thời gian có pha-đinh đa đường

Hình 2.3 Kết quả đo băng rộng đối với truyền dẫn nhiều tia [2]

Cấu trúc của các phản ứng đã thu được thì minh hoạ rõ hơn các tác động suy giảm gây bởi pha-đinh đa đường Các cực tiểu chọn lọc theo tần số của công suất thu xảy ra cùng với các cực tiểu hoặc cực đại của méo trễ Theo

lý thuyết mạch tuyến tính, méo trễ với cực tiểu tương ứng với một điều kiện pha cực tiểu còn méo trễ với cực đại tương ứng với một điều kiện pha không

cực tiểu Sự chuyển pha như thế tương đương với việc thay hàm truyền phức

H c (f) của kênh bằng liên hợp phức của nó và việc thay thế như vậy không làm

thay đổi mô-đun của hàm truyền mà chỉ thay đổi dấu của méo trễ

Hiện vẫn chưa có các mô tả vật lý một cách chính xác kênh truyền trong thời gian chuyển trạng thái từ pha cực tiểu sang pha không cực tiểu Các giải thích thuyết phục hơn cả về hiện tượng này thì liên quan tới sự tồn tại của

ít nhất là 3 tia truyền dẫn tách biệt Điều này giải thích cho việc trong số rất nhiều mô hình kênh pha-đinh đa đường khác nhau đã được đề xuất, các mô hình kênh truyền dựa trên hàm truyền (2.3) với 3 tia là có ý nghĩa nhất Các

mô hình kênh pha-đinh nhiều tia tiêu biểu là mô hình kênh 3 tia tổng quát và

mô hình kênh 3 tia đơn giản hoá nổi tiếng nhất và được chấp nhận sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế do Rummler đưa ra năm 1979 Trong các mô hình

này số tia thực sự được tính đến trong các biểu thức (2.3) là N = 3

Mô hình kênh 3 tia tổng quát mặc nhận rằng trong một chặng vô tuyến chuyển tiếp luôn hiện diện một tia có biên độ tín hiệu thấp phản xạ từ bề mặt trái đất Ảnh hưởng của tia này có thể bỏ qua được, trừ khi các bất thường của bầu khí quyển tạo thêm một tia phụ giao thoa với tia trực tiếp từ ăng-ten phát tới ăng-ten thu Mô hình này đặc biệt điển hình đối với việc truyền sóng qua vùng có bề mặt nước Mô hình ba tia tổng quát, tuy vậy, lại không cho ra một đặc trưng toán học đầy đủ đối với đáp ứng tần số của kênh, do đó khó áp dụng được trong các tính toán chất lượng hệ thống (tính toán xác suất gián đoạn liên lạc chẳng hạn)

Mô hình Rummler [2]

Từ rất nhiều số liệu quan trắc trong các năm 1977  1979, trên một chặng vô tuyến chuyển tiếp tiêu biểu, băng tần 6 GHz, khoảng cách 26.4 dặm giữa Atlanta và Palmetto, bang Georgia (Mỹ), W D Rummler đã đề xuất mô hình thống kê của kênh, hiện được gọi rộng rãi là mô hình kênh Rummler

Đấp ứng tần số hay hàm truyền của kênh, theo Rummler, biểu diễn được theo:

và 2 Thực tế, ta chỉ quan tâm tới hàm truyền H c (f) ở quanh tần số sóng mang

f c , do vậy trong biểu thức (2.4) tần số f có thể xem như (f  f c)

Tiền đề của mô hình Rummler, dẫn đến việc mô hình này được gọi là

mô hình 3 tia đơn giản hoá, là một trong hai tia mô tả bằng các số hạng thứ hai và thứ ba trong (2.4)  tia thứ nhất chẳng hạn  rất gần với tia trực tiếp,

tức là W.1 << 1 Khi đó (2.4) suy giảm thành:

2

c

Gọi tần số f0 mà tại đó mô-đun hàm truyền cực tiểu là tần số khe

pha-đinh (notch frequency) và lấy đó làm điểm tham chiếu, khi đó dạng cuối cùng

Theo mô hình Rummler (2.6), a là một lượng tổn hao phẳng của kênh

và biểu thức trong móc vuông gợi ý về sự giao thoa giữa hai tia có thời gian trễ tương đối  gây nên một cực tiểu mô-đun hàm truyền tại tần số f0

Đáp ứng biên độ bình phương và đặc tính trễ nhóm D(f) (là đạo hàm

của đặc tính pha) của hàm mô hình hoá kênh pha-đinh nhiều tia chọn lọc theo tần số theo mô hình Rummler được xác định theo các công thức (2.7), (2.8) và một thí dụ về đáp ứng biên độ và trễ nhóm của kênh được vẽ trên hình 2.4

0

|H c( ) |f a  {1 b 2cos[2 ( f  f ) ]} (2.7)

0 2

Hình 2.4 Hàm truyền theo mô hình kênh pha-đinh của Rummler [8]

So sánh với kết quả đo thực nghiệm (hình 2.5), có thể thấy được rằng

mô hình hàm truyền của kênh pha-đinh chọn lọc do Rummler đề xuất rất sát hợp với thực tế

Hàm mô hình hoá kênh (2.6), hay các biểu thức (2.7) và (2.8), đã được thực tế xác nhận là khớp với hầu hết các đáp ứng đo được đối với các kênh vô tuyến chuyển tiếp số Tuy vậy với mục đích biểu thị các phản ứng của các kênh như thế thì hàm mô hình này còn có quá nhiều tham số nếu như cả bốn

tham số a, b, f0 và  đều được xem là tự do Nghĩa là, trong phạm vi các sai số

đo lường, người ta không thể xác định duy nhất cả bốn tham số trên từ một quan trắc đáp ứng của một kênh Để tránh khó khăn này và cũng vì (2.6) chỉ

là mô hình chứ không phải là hiện thực vật lý nên độ  có thể lựa chọn cố

định một cách tương đối tuỳ ý với điều kiện là chu kỳ của H c (f) theo tần số đủ

lớn, miễn sao mô hình cuối cùng là tốt Trong nguyên gốc của mô hình, Rummler đã đề xuất chọn  = 6.3 ns, bằng nghịch đảo của sáu độ rộng băng

tần tín hiệu của hệ thống đã được quan trắc Giá trị  = 6.3 ns này đã được

thừa nhận khá rộng rãi và sử dụng ngay như giá trị tiêu chuẩn, trong khi đối với một số các ứng dụng thì người ta trực tiếp tuân theo “quy tắc hệ số sáu”, tức là chọn  bằng nghịch đảo của sáu băng tần tín hiệu ( = 1/6W) do thực tế

đo lường đã cho thấy rằng theo quy tắc này thì ba tham số còn lại có thể khớp rất tốt với đáp ứng thực đo được của kênh

Hình 2.5 Một kết quả quét đo tiêu biểu đối với pha-đinh

đa đường trên một kênh vô tuyến ở tần số 6 GHz [2]

Khi b < 1 thì pha-đinh được gọi là pha cực tiểu (minimum phase) do hàm truyền có các điểm không bên nửa trái mặt phẳng s Khi b  1, kênh có

pha-đinh pha không cực tiểu (non-minimum phase) do các điểm không của hàm truyền nằm trên nửa phải mặt phẳng s và để thuận tiện hàm truyền (2.6)

được biểu diễn lại dưới dạng:

Các tham số pha-đinh của mô hình kênh Rummler, ngoại trừ  được chọn là hằng số, đều là các biến ngẫu nhiên và phân bố của chúng được xác định gần đúng theo lối kinh nghiệm Đối với trường hợp pha cực tiểu, các

tham số còn lại của mô hình bao gồm A1= – 20lga [dB] biểu thị một lượng

tổn hao phẳng, B1= – 20lg(1  b) [dB] được gọi là độ sâu khe pha-đinh và tần

số khe pha-đinh f 0 Đối với trường hợp pha không cực tiểu, các tham số tương

0

0

0 0

 lớn gấp 5 lần xác suất

1 4

1 2

0 0

0

  f  f c  

Do (2.10) các tham số a, b có quan hệ yếu đối với nhau Theo kinh

nghiệm, nhìn chung có thể cho là không có pha-đinh đa đường xảy ra khi tổn hao của chặng vô tuyến nhỏ hơn 19 dB (khoảng 80 lần) [8]

Các trường hợp pha-đing pha cực tiểu với b < 1 và pha không cực tiểu với b > 1 như trên dẫn đến các công thức khá khác nhau và do đó không thuận

tiện trong tính toán Theo Rummler [8], có thể định nghĩa pha-đinh pha cực tiểu khi  > 0 và pha không cực tiểu khi  < 0, với b < 1 cho cả hai trường

hợp Khi này các công thức tính toán cho cả hai trường hợp giống nhau, ngoại trừ dấu của  Các tham số chỉ còn là A = – 20lga [dB], B = – 20lg(1 - b) [dB]

và f0 với các đặc tính thống kê như đã nêu trên

Dấu của  đòi hỏi những xem xét riêng Có thể thấy từ (2.7) và (2.8)

rằng tổn hao của kênh L= 2

1/ |H ( ) |f không phụ thuộc vào dấu của , trong

khi đó dấu của trễ nhóm D(f) thay đổi theo dấu của  Tuy nhiên, việc xác định dấu của  bằng thực nghiệm và do đó mô tả thống kê nó rất khó khăn do điều này không thể thực hiện được từ các phép đo tổn hao Một số kết quả nghiên cứu đã cho thấy rằng nói chung khi pha-đinh nông (tính chọn lọc tần

số yếu hơn) thì trạng thái pha cực tiểu xảy ra với xác suất lớn hơn và khi đinh sâu (tính chọn lọc tần số rõ rệt hơn) thì xác suất của các trạng thái pha cực tiểu và pha không cực tiểu là gần như nhau Do không có cách lựa chọn nào khác, người ta đã đành phải chấp nhận giả thiết rằng xác suất  dương và

pha-âm là như nhau [8] Như vậy, mật độ xác suất của độ trễ , do  được chọn

(mặc nhận) có độ lớn là hằng số 0,có thể biểu diễn được theo

p() = 0.5[(0)+( + 0)], (2.12)

trong đó (t) là hàm xung Dirac

d) Trải trễ trong môi trường di động

Về mặt thời gian truyền lan, hiện tượng truyền đa đường gây nên hiện

tượng trải trễ (delay spreading), do vậy các phiên bản tín hiệu từ nguồn phát

sẽ tới máy thu với các thời gian trễ khác nhau, dẫn đến các symbol lân cận nhau lấn lên nhau về thời gian, gây nên hiện tượng ISI, tức là có thể gây méo

tín hiệu mạnh Trải trễ ΔD là lượng trễ tăng lên do truyền đa đường so với độ trễ truyền đơn đường D Hình 2.6 minh họa khái niệm trải trễ trong môi

trường di động

Hình 2.6 Trải trễ trong môi trường thông tin di động tế bào

Trải trễ là một đặc thù của kênh vô tuyến di động tế bào, đặc biệt quan trọng đối với cả các mô hình kênh pico-cell, micro-cell lẫn macro-cell trong

đó số chướng ngại gây phản xạ đáng kể tín hiệu thường là một số rất lớn Nói

một cách khác, số tia N trong mô hình truyền dẫn đa đường đối với kênh vô

tuyến di động số có thể là một số rất lớn với lượng trải trễ có thể rất lớn, lên

tới vài độ rộng của symbol T S

2.2 CÁC TÁC ĐỘNG CỦA MÉO TUYẾN TÍNH

Như đã trình bày ở mục 2.1, méo tuyến tính trong các hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn, băng rộng về cơ bản gây bởi:

+ Chế tạo các bộ lọc không hoàn hảo;

+ Pha-đinh đa đường chọn lọc tần số;

+ Trải trễ trong các hệ thống vô tuyến di động tế bào

Trong mục 2.2 này, sau khi trình bày vắn tắt về các tác động của méo tuyến tính gây bởi việc chế tạo lọc không hoàn hảo và trải trễ (đặc biệt với các

hệ thống vô tuyến di động tế bào), trong mục 2.2.3 chúng ta sẽ đi sâu xem xét tác động của pha-đinh chọn lọc theo tần số, yếu tố cơ bản gây suy giảm chất lượng, thậm chí dẫn đến gián đoạn liên lạc đối với các tuyến bô tuyến số dung lượng lớn, băng rộng, ngay cả khi tiêu hao phẳng của tuyến chưa quá lớn

2.2.1 Tác động của méo tuyến tính do chế tạo lọc không hoàn hảo

Các bộ lọc phát và thu thường được thiết kế để hàm truyền tổng cộng của chúng có dạng hàm truyền bộ lọc cosine nâng nhằm thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất, cho phép truyền không có ISI khi kênh vô tuyến lý tưởng Các bộ lọc này, tuy vậy không thể chế tạo được một cách hoàn hảo mà thường hàm truyền tổng cộng của chúng có các đặc tính: a) Biên độ: Mô-đun hàm truyền có gợn sóng trong băng thông của mạch lọc và có xu hướng dốc xuống theo tần số, với dạng xấp xỉ khá tốt bằng đường cong bậc 2; b) Đặc tuyến trễ nhóm: cũng thể hiện gợn sóng trong băng và cũng xấp xỉ tốt được bằng một đường bậc 2 Méo tuyến tính gây bởi lọc chế tạo không hoàn hảo do vậy có thể đặc trưng qua 10 tham số thể hiện méo biên độ và méo trễ, bao gồm [9]:

- Tham số bậc 1 của đường cong mô-đun hàm truyền trong băng thông;

- Tham số bậc 2 của đường cong mô-đun hàm truyền trong băng thông;

- Biên độ gợn sóng của mô-đun hàm truyền trong băng thông;

- Số chu kỳ gợn sóng của mô-đun hàm truyền trong băng thông;

- Pha của gợn sóng của mô-đun hàm truyền tại đầu băng thông;

- Tham số bậc 1 của đường cong trễ trong băng thông;

- Tham số bậc 2 của đường cong trễ trong băng thông;

- Biên độ gợn sóng của đường con trễ trong băng thông;

- Số chu kỳ gợn sóng của đường cong trễ trong băng thông;

- Pha của gợn sóng của đường cong trễ tại đầu băng thông;

Méo gây bởi các bộ lọc chế tạo không hoàn hảo, do vậy, góp phần làm tăng méo tuyến tính của hệ thống cùng với pha-đinh chọn lọc (nếu có) Tác động của nó là góp phần gây ISI đối với việc truyền dẫn tín hiệu số Tuy nhiên, các méo gây bởi các bộ lọc lại hầu như không biến đổi theo thời gian

và nói chung không quá lớn nhờ các tiến bộ về công nghệ chế tạo lọc Lượng ISI gây bởi riêng đặc tính lọc không hoàn hảo do vậy khá nhỏ và gần như có các đặc tính thống kê (phương sai) không biến đổi theo thời gian

2.2.2 Tác động của trải trễ trong các hệ thống vô tuyến di động tế bào

Trải trễ khá lớn do số chướng ngại đáng kể lớn trong môi trường vô tuyến khá rộng đối với các hệ thống di động tế bào có thể gây nên ISI đáng

kể Điều này có thể thấy như minh họa trên hình 2.7, trong đó các symbol

được truyền liên tiếp với chu kỳ T S, do đi theo nhiều tia khác nhau tới điểm thu, có thể lấn lên nhau trên miền thời gian, gây nên ISI Để các symbol

không lấn lên nhau, chu kỳ symbol T S phải lớn hơn nhiều so với trải trễ, nghĩa

là T S >> ΔD Điều này làm hạn chế tốc độ truyền symbol của hệ thống R S nếu không có các biện pháp khắc phục hữu hiệu:

R S = 1/T S << 1/ΔD (2.13)

Hình 2.7 ISI gây bởi trải trễ trong môi trường vô tuyến di động

Trải trễ trung bình của kênh thì có quan hệ mật thiết, tỷ lệ nghịch với

độ rộng băng kết hợp B c của kênh Do vậy, trải trễ trung bình lớn có nghĩa là

B c nhỏ, khi đó ngay cả với các giá trị tuyệt đối của độ rộng băng (tốc độ truyền) không lớn lắm thì vẫn có thể gây nên ISI lớn