kỹ thuật phân tập và các ứng dụng trong hệ vô tuyến đa người dùng

Chương 1 – Tổng quan về kỹ thuật phân tập 1.1 Một số kỹ thuật xử lý để cái thiện chất lượng của tín hiệu thu [1] Trong các đường truyền thông vô tuyến, tín hiệu chịu nhiều tác động như

Đại học quốc gia hà nội Tr-ờng đại học công nghệ

Nguyễn thị quỳnh chi

Kỹ thuật phân tập và các ứng dụng trong hệ vô tuyến đa ng-ời dùng

Ngành: Cụng nghệ Điện tử - Viễn thụng

Chuyờn ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mó số: 60 52 70

Luận văn thạc sĩ

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Viết Kớnh

Hà Nội 2008

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 6

Chương 1 – Tổng quan về kỹ thuật phân tập 8

1.1 Một số kỹ thuật xử lý để cái thiện chất lượng của tín hiệu thu [1] 8

1.2 Kỹ thuật phân tập [1] 9

1.2.1 Khái niệm 9

1.2.2 Phân loại [1] 10

1.2.3 Ứng dụng 12

1.3 Kỹ thuật phân tập không gian [1] [2] 12

1.3.1 Giới thiệu 12

1.3.2 Các kỹ thuật tổ hợp – phân tập thường gặp [3]-[4] 14

1.3.3 Tổ hợp lựa chọn 15

1.3.4 Tổ hợp với tỷ số tối đa 21

1.3.5 Tổ hợp với cùng độ lợi 27

1.4 Kỹ thuật phân tập tần số [1] 28

Chương 2 – Môi trường truyền phading và các kỹ thuật phân tập tương ứng 30

2.1 Khái niệm [2] 31

2.2 Phân loại [2] 32

2.2.1 Phading phẳng 34

2.2.2 Phading lựa chọn tần số 36

2.2.3 Phading nhanh 38

2.2.4 Phading chậm 39

2.3 Những lưu ý khi ứng dụng kỹ thuật phân tập giảm ảnh hưởng của phading nhiều tia đến gián đoạn thông tin trong thực tế [1] 40

Chương 3 – Hệ đa lối vào đa lối ra MIMO và ứng dụng của kỹ thuật phân tập trong hệ vô tuyến đa người dùng 48

3.1 Giới thiệu khái quát về MIMO 49

3.2 Dung năng của kênh MIMO [7] 51

3.3 Mã hóa không gian - thời gian trong MIMO [7] 54

3.3.1 Mã lưới không gian – thời gian (space-time trellis code) 56

3.3.2 Mã khối không gian – thời gian (space – time blook code) 59

3.4 Hệ thống MIMO – OFDM 61

3.4.1 Kỹ thuật điều chế trực giao OFDM 62

3.4.2 Mô hình hệ thống MIMO – OFDM 63

3.5 Một vài kết quả mô phỏng [3] 64

3.5.1 Khảo sát hệ thống trong trường hợp đơn giản gồm 01 anten phát và nhiều anten thu (receiver diversity) 64

3.5.2 Khảo sát đồ thị bức xạ của phương pháp phân tập anten MRC 68

3.5.3 Nhận xét thực nghiệm 69

KẾT LUẬN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 74

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BER Bit error rate Tỷ lệ lỗi bit

EGC Equal Gain Combining Tổ hợp cùng độ lợi

IF Intermedium Frequency Tần số trung gian

ISI Intersymbols Interference Giao thoa giữa các ký hiệu MIMO Multiple-Input, Multiple-Output Hệ đa lối vào đa lối ra

MRC Maximumal Ratio Combining Tổ hợp tỷ số cực đại

SC Selection Combining Tổ hợp lựa chọn

SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu

SNR Signal Noise Rate Tỷ số tín trên tạp

STC Space-Time Code Mã hoá không gian-thời gian STBC Space-Time Blook Code Mã khối không gian-thời gian STTC Space-Time Trellis Code Mã lưới không gian-thời gian

Danh mục hình vẽ

Hình 1.2-1: Phân tập không gian 10

Hình 1.2-2: Phân tập tần số 11

Hình 1.3-1: Bộ tổ hợp trong Phân tập không gian 13

Hình 1.3-2: Các bộ tổ hợp a) Quét lựa chọn SC b) Bộ tổ hợp cùng độ lợi c) Bộ tổ hợp tỷ số tối đa 15

Hình 1.3-3: Sơ đồ bộ tổ hợp lựa chọn, sử dụng N r anten thu 15

Hình 1.3-4: Đồ thị hàm f(x) theo x ,ứng với các giá trị k = 1,2, ,N r 20

Hình 1.3-5: Xác suất ngừng hoạt động của bộ tổ hợp lựa chọn cho số N r anten thu khác nhau 21

Hình 1.3-6: Sơ đồ bộ tổ hợp tỷ số tối đa dùng N r anten thu 22

Hình 1.3-7: Đồ thị hàm mật độ xác suất cho số N r anten thu khác nhau 25

Hình 1.3-8: Xác suất ngừng hoạt động của bộ tổ hợp tỷ số cực đại với một số N r anten thu khác nhau 26

Hình 2.2-1: Phân loại các hiệu ứng phading dựa trên độ trải trễ thời gian nhiều đường truyền 33

Hình 2.2-2: Phân loại các hiệu ứng phading dựa trên độ trải Doppler 34

Hình 2.2-3: Các đặc tính của kênh phading phẳng 35

Hình 2.2-4: Các đặc tính kênh của phading có lựa chọn tần số 37

Hình 2.2-5: Ma trận minh hoạ loại phading xảy ra do tín hiệu, phụ thuộc vào (a) Chu kỳ của ký hiệu , (b) Độ rộng dải của tín hiệu dải gốc 40

Hình 3.1-1: Mô hình hệ MIMO - đa lối vào đa lối ra 50

Hình 3.1-2: Mô hình kênh cơ bản ở (3.1) 51

Hình 3.2-1: Mô hình kênh MIMO 51

Hình 3.3-1: Bộ mã hóa không gian - thời gian STC 54

Hình 3.3-2: Mã STTC với 4 trạng thái sử dụng chòm sao QPSK thiết kế cho 2 anten phát 57

Hình 3.3-3: Mã STTC với 8 trạng thái sử dụng chòm sao QPSK thiết kế cho 2 anten phát 58

Hình 3.3-4: Mã 4 trạng thái QPSK 58

Hình 3.3-5: Sơ đồ của bộ mã khối không gian - thời gian trực giao 60

Hình 3.3-6: So sánh BER dùng BPSK trên kênh phading phẳng Rayleigh cho các trường hợp 60

Hình 3.4-1: Mô hình tổng quan của kỹ thuật điều chế OFDM 62

Hình 3.4-2: Mô hình hệ thống MIMO - OFDM phía phát 64

Hình 3.4-3: Mô hình hệ thống MIMO - OFDM phía thu 64

Hình 3.5-1: SER của 3 phương pháp khi số anten là 2, điều chế QAM 65

Hình 3.5-2: đồ thị SER theo số anten tăng lên từ 1 đến 4 (phương pháp MRC, điều chế BPSK) 67

Hình 3.5-3: Đồ thị bức xạ cho trường hợp 3 tín hiệu tới có DOA 1 =30 0 và SNR1=0dB, DOA 2 =-30 0 và SNR2=0dB, DOA 3 =0 0 và SNR3=15dB 68

Hình 3.5-4: Đồ thị bức xạ cho trường hợp 3 tín hiệu tới cóDOA 1 =30 0 và SNR1=0dB, DOA 2 =-30 0 và SNR2=0dB, DOA 3 =60 0 và SNR3=15dB 69

MỞ ĐẦU

Môi trường thông tin vô tuyến luôn bị ảnh hưởng bởi tác động của nhiều yếu

tố tự nhiên như tạp âm, can nhiễu … khiến tính chất của nó biến đổi liên tục theo thời gian Trong đó, nguyên nhân chủ yếu làm kênh vô tuyến di động bị biến động rất nhiều là do Phading nhiều đường và trải tần Doppler Các hiệu ứng này làm phân tán năng lượng của tín hiệu về biên độ, pha và thời gian Những ảnh hưởng

đó sinh ra trong nhiều phiên bản của tín hiệu truyền tới anten thu, tác động tiêu cực rất mạnh lên tỷ lệ lỗi bit trong bất kể loại điều chế nào Sự truyền theo nhiều đường truyền thường kéo dài thời gian cần thiết cho phần băng gốc của tín hiệu đi tới máy thu làm cho tín hiệu bị méo hay nhòe đi một cách đáng kể do giao thoa giữa các ký hiệu với nhau

Chính vì vậy, các hệ thông tin di động luôn đòi hỏi các kỹ thuật xử lý tín hiệu để cải thiện chất lượng kết nối trong môi trường vô tuyến di động đầy trở ngại Có nhiều kỹ thuật khác nhau để chống lại các ảnh hưởng trên như kỹ thuật cân bằng, mã kênh … và kỹ thuật phân tập là một trong những kỹ thuật quan trọng giúp nâng cao hiệu suất băng tần, cải thiện chất lượng tín hiệu thu Nghiên cứu về

kỹ thuật phân tập là cần thiết, và đã có nhiều người đang nghiên cứu các ứng dụng của phân tập trong hệ vô tuyến đa người dùng

Khóa luận tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết về kỹ thuật phân tập: khái niệm, phân loại và các phương pháp Đồng thời, tìm hiểu tác dụng của phân tập làm giảm ảnh hưởng của phading gây gián đoạn thông tin trong hệ vô tuyến đa người dùng

Khóa luận được kết cấu thành 3 chương Chương 1 đề cập tổng quan về kỹ thuật phân tập Chương 2 giới thiệu về môi trường truyền phading và các kỹ thuật phân tập tương ứng Chương 3 tìm hiểu về hệ thống đa lối vào – đa lối ra MIMO,

và ảnh hưởng của phân tập đến chất lượng của hệ MIMO-OFDM

Chương 1 – Tổng quan về kỹ thuật phân tập

1.1 Một số kỹ thuật xử lý để cái thiện chất lượng của tín hiệu thu [1]

Trong các đường truyền thông vô tuyến, tín hiệu chịu nhiều tác động như phading nhiều đường, trải tần Doppler, ồn Gauss … Nếu theo những phương pháp truyền dẫn tương tự truyền thống thì tốc độ dữ liệu sẽ bị hạn chế thấp trên một băng tần cho trước Khi chuyển sang kỹ thuật truyền thông số, cân bằng, phân tập

và mã kênh là ba kỹ thuật phổ biến để nâng cao hiệu suất băng tần, cải thiện chất lượng tín hiệu thu

Cân bằng bù trừ sự giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) tạo nên bởi nhiều đường trong các kênh tán sắc theo thời gian Nếu độ rộng dải điều chế vượt quá độ rộng kết hợp của kênh vô tuyến, thì ISI xảy ra và các xung điều chế bị trải rộng theo thời gian Tác dụng của bộ cân bằng là khôi phục lại tín hiệu thu sao cho càng giống nó càng tốt Bộ cân bằng có thể là loại đặt trước (preset) hoặc thích nghi (adaptive), nhưng hầu hết các bộ cân bằng phải thích nghi vì nói chung kênh là không biết trước và thay đổi theo thời gian

Phân tập là một kỹ thuật khác nhằm bù trừ sự không hoàn thiện của kênh phading và thường được thực hiện bằng cách dùng hai hay nhiều anten thu Phân tập thường được dùng để giảm độ sâu và độ kéo dài của sự nhòe xảy ra tại bộ thu trong một kênh phading phẳng (dải hẹp) Kỹ thuật phân tập chung nhất gọi là phân tập không gian, trong đó nhiều anten được phân cách có chủ định và được nối với một hệ thu chung Các kỹ thuật phân tập khác là phân tập theo sự phân cực anten, phân cực theo tần số và phân tập theo thời gian

Mã kênh dùng để cải thiện chất lượng kết nối thông tin di động bằng cách cộng thêm các bit dữ liệu dư thừa trong bản tin phát Tại phần băng gốc của bộ phát, một bộ mã kênh ánh xạ một dãy bản tin số thành một chuỗi mã đặc biệt khác

có chứa số bit lớn hơn số bit trong bản tin nguyên thủy Bản tin đã mã này sau đó được điều chế để truyền trong kênh vô tuyến Mã kênh được dùng ở bộ thu để phát hiện hay sửa một vài (hay tất cả) lỗi do kênh đưa vào trong một chuỗi đặc biệt của các bit bản tin Vì việc giải mã thực hiện sau phần giải điều chế ở bộ thu, sự mã

hóa có thể coi như kỹ thuật tách sóng trước Các bit mã hóa thêm vào đã hạ thấp tốc độ truyền dữ liệu nguyên thủy qua kênh (mở rộng độ rộng dải chiếm dụng với một tốc độ dữ liệu của bản tin cụ thể) Có hai loại mã kênh: mã khối và mã nhân chập (mã xoắn) Mã kênh thường được xử lý một cách độc lập với phương pháp điều chế Tuy nhiên, tổ hợp của mã hóa và điều chế tạo thành các sơ đồ điều chế được mã hóa kiểu lưới sẽ thu được độ lợi mã hóa lớn mà không cần mở rộng độ rộng dải

Ba kỹ thuật cân bằng, phân tập và mã kênh có thể sử dụng độc lập hoặc ghép đôi để cải thiện chất lượng kênh kết nối vô tuyến (có nghĩa là làm giảm tỷ lệ lỗi bit tức thời) nhưng khi tiếp cận thì giá thành, độ phức tạp và tính hiệu quả của mỗi kỹ thuật lại thay đổi rất nhiều trong các hệ thông tin không dây thực tế

1.2 Kỹ thuật phân tập [1]

1.2.1 Khái niệm

Như chúng ta đã biết, hiện tượng phading nhiều đường được xem như là một đặc điểm cố hữu của kênh vô tuyến Vậy làm cách nào thông tin truyền qua hệ vô tuyến được đảm bảo? Câu trả lời chính là Phân tập

Trên thực tế, nếu một vài bản sao của tín hiệu mang thông tin được truyền đi đồng thời trên các kênh phading độc lập, thì sẽ có ít nhất một tín hiệu thu không bị

suy biến bởi phading trên kênh Phân tập là một kỹ thuật dùng để nâng cao độ tin

cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn trong số những tín hiệu thu được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất Việc này nhằm chống lại fading và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu fading và nhiễu khác nhau

Nói cách khác, phân tập nhằm bù trừ sự không hoàn thiện của kênh phading

và thường được thực hiện bằng cách dùng hai hay nhiều anten thu, kết hợp tín hiệu thu đa đường đến từ cùng một nguồn phát Do đó, sẽ cải thiện được chất lượng tín hiệu thu bị suy giảm do phading

gần nhau khoảng vài bước sóng thì gọi là phân tập vi mô (microdiversity)

Nếu các ăng ten đặt cách xa nhau thì gọi là phân tập vĩ mô

(macrodiversity).Khoảng cách của các anten trong dàn thu và dàn phát được

chọn sao cho các tín hiệu riêng biệt được thu không tương quan nhau Trong thực tế, không bao giờ đạt được hệ số tương quan bằng 0 (các tín hiệu không tương quan), hoặc thậm chí với một giá trị rất thấp, nhưng rất may mắn, điều này không làm giảm nhiều giá trị lợi ích thiết thực đã thu được khi sử dụng phân tập

Hình 1.2-1: Phân tập không gian

2 Phân tập tần số (frequency diversity): truyền đồng thời cùng một tín hiệu mang tin trên hai hoặc hơn hai kênh tần số vô tuyến khác nhau được bố trí trong cùng một dải tần Mặc dù người ta đã chứng minh rằng các hệ thống

vô tuyến số phân tập tần số có thể cho các hệ số cải thiện tốt, và tốt hơn so

với hệ vô tuyến tương tự, nhưng việc sử dụng thường bị hạn chế vì hiệu suất

sử dụng phổ tần đã có không có hiệu quả cao

Hình 1.2-2: Phân tập tần số

3 Phân tập thời gian (time diversity): truyền cùng một tín hiệu mang tin ở những thời điểm khác nhau, với khoảng ngắt quãng giữa các thời điểm bằng hoặc lớn hơn thời gian kết hợp “coherence” của kênh Nếu khoảng ngắt quãng ít hơn thời gian “coherence” của kênh, chúng ta vẫn có thể thực hiện phân tập nhưng sẽ hao phí thời gian thực

4 Phân tập phân cực (polarization diversity): truyền tín hiệu trên các nhánh phân cực khác nhau Ví dụ: phân cực ngang, phân cực dọc …

5 Phân tập người sử dụng (multiuser diversity) Đây là phân tập không gian trong hệ điện thoại di động: trạm gốc thực hiện việc tổ hợp, thu tín hiệu phát

ra từ các anten các người dùng khác nhau

Cũng có những ý kiến kết hợp các loại phân tập Nếu dựa vào việc triển khai anten đa đường trong kết nối vô tuyến, ta có thể phân loại phân tập không gian thành các dạng sau:

1 Phân tập thu (receive diversity), sử dụng một anten phát đơn lẻ và nhiều anten thu

2 Phân tập phát (transmit diversity), sử dụng nhiều anten phát và một anten thu đơn lẻ

3 Phân tập phát – thu (diversity on both transmit and receive), kết hợp nhiều anten phát và nhiều anten thu Rõ ràng việc kết hợp cả phân cực

phát và phân cực thu trong phân cực không gian là trường hợp tổng quát nhất

1.2.3 Ứng dụng

Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp được dùng để hạn chế ảnh hưởng của phading Trong thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng

để hạn chế ảnh hưởng của phading đa đường, tăng độ tin cậy của việc truyền tin

mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông

Kỹ thuật phân tập anten hiện đang được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống

đa lối vào đa lối ra (MIMO) vì:

 Khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống

 Giảm ảnh hưởng của phading

 Tránh được hao phí băng thông tần số - yếu tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm

1.3 Kỹ thuật phân tập không gian [1] [2]

1.3.1 Giới thiệu

Định nghĩa phân tập theo không gian là “truyền dẫn đồng thời cùng một tín hiệu trên một kênh vô tuyến bằng cách sử dụng hai anten (hoặc nhiều hơn) để thu hay để phát Giống như tên gọi, người ta dùng hai anten bố trí cách nhau một khoảng nào đó để phát và thu cùng một thông tin từ nguồn tin đến nơi nhận tin

Khoảng cách giữa các anten liền kề nhau được chọn lựa sao cho các đầu ra tương ứng của chúng về cơ bản là độc lập với các anten kia, hay nói cách khác, tín hiệu thu được riêng biệt không tương quan nhau Trong thực tế, không bao giờ đạt được hệ số tương quan bằng 0, thậm chí với một giá trị rất thấp, song điều này không làm giảm đáng kể lợi ích của phân tập

Hình 1.3-1: Bộ tổ hợp trong Phân tập không gian

Các phân tích cho thấy sự cải thiện độ tin cậy của hệ thống (hay giảm thời gian gián đoạn do phading) nằm trong giải hệ số 10 đến 200 Sự cải thiện được tăng cường bằng sự tăng tần số, dự phòng phading đặt anten cách nhau theo chiều đứng và giảm độ dài của đoạn đường truyền Khoảng điển hình các anten ít nhất là

Trong đó: η: hiệu quả của chuyển mạch phân tập

S: khoảng cách các tâm anten (5 S 15)m f: tần số GHz

F: độ sâu phading

V: khác nhau độ lợi anten d: độ dài đoạn truyền dẫn

Gần đây sự đạt được độ lợi với anten đặt ngang hai bên tháp thay đặt đứng Trong trường hợp này mỗi anten có góc ngẩng (elevation) khác nhau và nó giải thích tại sao thường được gọi là phân tập góc mặc dầu sự khác nhau góc ngẩng có thể giữa chúng khác 10 trở lên là đủ sự khác nhau về cường độ tín hiệu thu trong môi trường phading nhiều đường (đi của sóng) nhằm nhận sự cải thiện có nghĩa thực tiễn

Phân tập không gian là lựa chọn đầu tiên cho bảo vệ hệ thống Nó rẻ và không mở rộng băng tần như phân tập tần số

1.3.2 Các kỹ thuật tổ hợp – phân tập thường gặp [3]-[4]

Các tín hiệu thu được của hệ thống phân tập không gian cần phải được tổ hợp lại như hình 1.3-1 Điều này được tiến hành bằng cách sử dụng một bộ tổ hợp công suất cực đại tổ hợp các tín hiệu thu được để cực đại hóa các mức tín hiệu thu, hoặc bằng cách sử dụng một bộ tổ hợp có độ phân tán bé nhất (bộ tổ hợp tán xạ tối thiểu) tổ hợp các tín hiệu thu được làm san phẳng đáp tuyến tần số biên độ và/hoặc đáp ứng tần số thời gian trễ nhóm của tín hiệu tổng hợp, hoặc bằng cách sử dụng một chuyển mạch băng cơ bản phù hợp, lựa chọn tín hiệu có tỷ số lỗi bit tương đối thấp Nếu bộ chuyển đổi được khởi động bằng một độ đo tỷ số lỗi bit nhanh nhất, thì loại tổ hợp này rất hữu hiệu

Các kỹ thuật tổ hợp – phân tập thường gặp là:

1 Tổ hợp lựa chọn (SC – Scanning and Selection Combining), quét và lựa chọn nhánh có tỷ số SNR tốt nhất

2 Tổ hợp với tỷ số tối đa (MRC – Maximual Ratio Combining), tổ hợp tất

cả các nhánh, với hệ số ak tỷ lệ thuận với trị hiệu dụng của tín hiệu và tỷ

lệ nghịch với bình phương trung bình của nhiễu tại nhánh thứ k

3 Tổ hợp với cùng độ lợi (EGC – Equal Gain Combining)

Hình 1.3-2: Các bộ tổ hợp a) Quét lựa chọn SC b) Bộ tổ hợp cùng độ lợi c) Bộ tổ

hợp tỷ số tối đa

1.3.3 Tổ hợp lựa chọn

Hình 1.3-3 mô tả cấu trúc của một tổ hợp – phân tập bao gồm hai khối chức năng: Nr bộ thu tuyến tính và một mạch logic Hệ thống phân tập này được gọi là loại tổ hợp lựa chọn, với Nr lối ra các bộ thu lấy từ một cùng tín hiệu truyền, mạch logic sẽ lựa chọn lối ra bộ thu đặc biệt có tỷ lệ SNR (signal-to-noise ration) lớn nhất để làm tín hiệu thu được cuối cùng Do đó, tổ hợp lựa chọn chính là cách đơn giản nhất trong các kỹ thuật phân tập không gian tại bộ thu

Hình 1.3-3: Sơ đồ bộ tổ hợp lựa chọn, sử dụng N r anten thu

Để miêu tả lợi ích của tổ hợp lựa chọn trong thống kê ta giả thiết kênh truyền vô tuyến coi là tần số phẳng, kênh phading Rayleigh chậm Tức là:

1 Giả thiết tần số phẳng: tất cả các thành phần tần số có trong tín hiệu truyền

đi được định tính bởi cùng mức suy giảm ngẫu nhiên và mức dịch pha

2 Giả thiết phadinh chậm: phading về cơ bản vẫn không thay đổi trong suốt quá trình truyền của mỗi ký hiệu

3 Hiện tượng phading tuân theo phân bố Rayleigh

Gọi là đường bao phức của tín hiệu điều chế được truyền đi trong suốt khoảng ngắt quãng ký hiệu Thì, với giả thiết ở trên, đường bao phức của tín hiệu thu của nhánh phân tập thứ k được định nghĩa:

, (1.3)

Ở đây, với nhánh phân tập thứ k, phading được cho bởi hệ số nhân

và nhiễu kênh cộng tính chính là Với giả thiết phading thay đổi chậm liên quan tới khoảng ký hiệu T, chúng ta có thể ước lượng và bỏ qua dịch pha tại mỗi nhánh phân tập với độ chính xác vừa đủ Khi đó phương trình (1.3) được đơn giản thành:

, (1.4)

Thành phần tín hiệu của (t) là và thành phần nhiễu là Thông thường, giá trị bình phương trung bình của là như nhau với mọi k:

Hàm phân bố tích lũy ở phương trình (1.10) giống hàm phân bố tích lũy của biến ngẫu nhiên mô tả bởi giá trị luôn nhỏ hơn ngưỡng γ khi và chỉ khi các tỷ số SNR độc lập là nhỏ hơn γ Khi đó, hàm phân bố tích lũy của bộ tổ hợp lựa chọn sẽ là:

(1.11)

Theo định nghĩa, hàm mật độ xác suất là vi phân của hàm phân bố

theo đối số :

Hình 1.3-4: Đồ thị hàm f(x) theo x ,ứng với các giá trị k = 1,2, ,N r

Từ đồ thị ta quan sát thấy:

1 Khi số lượng các nhánh phân tập (Nr ) tăng lên, hàm mật độ xác suất

của biến ngẫu nhiên chuẩn cũng thay đổi tăng dần dần

lý tưởng

Theo các lập luận ở trên, thủ tục tổ hợp lựa chọn đòi hỏi chúng ta phải điều khiển các lối ra bộ thu theo một kiểu liên tục và tại mỗi thời điểm, sẽ lựa chọn bộ thu có tín hiệu mạnh nhất Có thể dùng thủ thuật quét trong bộ tổ hợp lựa chọn như sau:

 Bắt đầu bằng cách lựa chọn các bộ thu có các tín hiệu ra mạnh nhất

 Chọn lối ra của các bộ thu cụ thể này như là lối ra của bộ tổ hợp, cho tới khi tỷ lệ SNR tức thời của nó không giảm dưới ngưỡng cho phép

 Ngay khi tỷ lệ SNR tức thời của bộ tổ hợp giảm dưới ngưỡng, lựa chọn một bộ thu mới có tín hiệu ra mạnh nhất, và tiếp tục thủ tục

Kỹ thuật này có hiệu suất gần giống phân tập lựa chọn không dùng thủ thuật quét

Hình 1.3-5: Xác suất ngừng hoạt động của bộ tổ hợp lựa chọn cho số N r anten thu

khác nhau

Xác suất ngừng hoạt động của bộ tổ hợp phân tập là số phần trăm của thời gian để tỷ số SNR tức thời ở lối ra của bộ tổ hợp xuống thấp hơn một mức quy định nào đó cho một số nhánh cụ thể

Hình 1.3-5 biểu diễn đường cong ngừng hoạt động của bộ tổ hợp lựa chọn với Nr là tham số tham chiếu Trục hoành của đồ thị biểu diễn tỷ số SNR tức thời ở lối ra của bộ tổ hợp đối xứng ở 0dB (ví dụ điểm 50% với Nr=1), và trục tung biểu diễn xác suất ngừng hoạt động, tính theo % Dễ nhận thấy rằng độ sâu phading khi

sử dụng phân tập không gian sẽ bị giảm đi nhanh chóng khi tăng số lượng các nhánh phân tập

1.3.4 Tổ hợp với tỷ số tối đa

Kỹ thuật tổ hợp lựa chọn chưa phải là tốt nhất vì nó bỏ qua thông tin từ tất

cả các nhánh phân tập ngoại trừ nhánh cụ thể được lựa chọn mà đưa ra công suất tức thời lớn nhất của tín hiệu giải điều chế riêng nó

Hạn chế của bộ tổ hợp lựa chọn đã được khắc phục ở bộ tổ hợp với tỷ số tối

đa, các thành phần cấu tạo được mô tả như hình 1.3-6 phía dưới Bộ tổ hợp với tỷ

số tối đa bao gồm Nr bộ thu tuyến tính, được điểu khiển bởi một bộ tổ hợp tuyến tính

Hình 1.3-6: Sơ đồ bộ tổ hợp tỷ số tối đa dùng N r anten thu

Dùng hình bao phức của tín hiệu thu tại nhánh phân tập thứ k trong phương trình (1.3), nhận thấy rằng đường bao phức tương ứng của lối ra bộ tổ hợp tuyến tính được xác định như sau:

(1.13)

ở đây ak là các tham số trọng số phức có đặc trưng cho bộ tổ hợp tuyến tính Các tham số này bị thay đổi từ thời điểm này đến thời điểm kia phù hợp với sụ thay đổi của tín hiệu trong Nr nhánh phân tập trên phading hệ số ngắn Yêu cầu thiết kế bộ

tổ hợp tuyến tính là cực đại hóa tỷ số SNR ở lối ra của nó tại mỗi thời điểm nhất định Từ phương trình (1.13), ta có thể rút ra 2 nhận định sau:

1 Đường bao phức của tín hiệu ra là

2 Đường bao phức của tín hiệu nhiễu lối ra là

Giả thiết rằng là độc lập lẫn nhau với k = 1, 2, …, Nr Khi đó, tỷ số SNR lối ra của bộ tổ hợp tuyến tính là:

(1.14)

ở đây E/N0 chính là tỷ số mật độ phổ năng lượng trên nhiễu của ký hiệu

Gọi γc là tỷ số SNR tức thời ở lối ra của bộ tổ hợp tuyến tính Khi đó:

(1.15)

Yêu cầu cực đại γc thông qua ak Giá trị cực đại này có thể được đưa ra nhờ quy trình phân biệt tiêu chuẩn Dễ nhận thấy rằng các tham số trọng số ak là số phức Tuy nhiên, chúng ta chọn cách thức đơn giản hơn dựa vào bất đẳng thức Cauchy-Schwarz

Đặt ak và bk là hai số phức bất kỳ với k= 1, 2, … , Nr Theo bất đẳng thức Cauchy-Schwarz cho các số phức ta có:

Với , trong đó c là một vài hằng số phức tùy ý và dấu hoa thị * là biểu diễn cho phần phức

Vì vậy, áp dụng bất đẳng thức Cauchy-Schwarz vào tỷ số SNR tức thời ở lối

ra theo phương trình (1.15), với ak không thay đổi, bk đặt bằng , ta được :

(1.17)

Bỏ qua thành phần giống nhau ở phần thực:

(1.18)

Phương trình (1.18) chứng tỏ rằng γc không vượt quá với γk được cho bởi phương trình (1.7) Dấu bằng xảy ra ở (1.18) khi:

với k=1,2,…, Nr (1.19) Phương trình (1.18) chỉ ra các tham số trọng số phức của bộ tổ hợp với tỷ số tối đa Chúng ta có thể nhận thấy hệ số nhân trọng số tối ưu ak cho nhánh phân tập thứ k có biên độ tỷ lệ thuận với biên độ của αk của tín hiệu và pha (bỏ qua pha θk

của tín hiệu trong một khoảng giá trị) là đồng nhất với mọi nhánh phân tập Nk

Phương trình (1.18) với dấu bằng xác định tỷ số SNR lối ra của bộ tổ hợp với tỷ số cực đại như sau:

(1.22)Lưu ý rằng khi Nr = 1, phương trình (1.12) và (1.21) giảm xuống cùng 1 giá trị

Hình 1.3-7: Đồ thị hàm mật độ xác suất cho số N r anten thu khác nhau

Hình 1.3-7 biểu diễn hàm mật đồ xác suất tỷ lệ

nghịch với biến phân bố chuẩn hóa với Nr thay đổi Với bất kỳ Nr

hàm mật độ xác suất của bộ tổ hợp tỷ số cực đại cơ bản là khác so với bộ tổ hợp lựa chọn

Hàm phân bố tích lũy của bộ tổ hợp tỷ số cực đại được định nghĩa như sau:

(1.23)

ở đây hàm phân bố mật độ xác suất được định nghĩa ở công thức (1.22) Dựa vào công thức ((1.23), hình 1.3-8 biểu diễn xác suất ngừng hoạt động của bộ tổ hợp tỷ số cực đại với Nr là một tham số thay đổi

So sánh đồ thị này với đồ thị trong tổ hợp lựa chọn, ta thấy rằng đường bao xác suất ngừng hoạt động trong hai kỹ thuật phân tập này là tương đối giống nhau

Độ lợi phân tập, được định nghĩa như là phần dự trữ E/N0 tại một tỷ lệ lỗi bit nhất định, là thước đo hiệu quả của kỹ thuật phân tập trên một xác suất ngừng hoạt động

có sẵn

Hình 1.3-8: Xác suất ngừng hoạt động của bộ tổ hợp tỷ số cực đại với một số N r

anten thu khác nhau

Để so sánh xác suất ngừng hoạt động của tổ hợp lựa chọn với tổ hợp tỷ số cực đại, ta chọn một hệ thống phân tập tại bộ thu với Nr=6 và tỷ số SNR chuẩn ở lối ra luôn = 5dB Từ đồ thị hình 1.3-5 và hình 1.3-8, xác định xác suất ngừng hoạt động của 2 bộ tổ hợp như sau:

ở lối ra Tuy nhiên, có ba vấn đề cần quan tâm:

1 Thiết bị đo đạc tín hiệu cần hiệu chỉnh các tham số trọng số phức của bộ

tổ hợp tỷ số cực đại tới giá trị chính xác của chúng, như ở phương trình (1.19)

2 Hệ số cải thiện tỷ số SNR lối ra đạt được ở bộ tổ hợp tỷ số cực đại so với

bộ tổ hợp lựa chọn là không nhiều

3 Bộ tổ hợp tuyến tính sử dụng nhánh phân tập với tín hiệu mạnh nhất, các chi tiết khác của bộ tổ hợp dẫn đến một hệ số cải thiện nhỏ hơn trong toàn bộ hiệu suất bộ thu

Với bộ tổ hợp với cùng độ lợi, tất cả các tham số trọng số phức ak có các góc ngược pha với pha của các nhánh đa đường tương ứng của chúng trong phương trình (1.19), nhưng không giống như ak trong bộ tổ hợp tỷ số cực đại, biên độ của các tham số này lại bằng với một số giá trị đơn vị không đổi phù hợp với nhu cầu

Ở phương trình (1.17) số hạng tổng bao gồm biên độ của các tham

số trọng số phức là chung cho cả tử số và mẫu số của tỷ số SNR tức thời của lối ra

Vì vậy, dù đặt như ở phương trình (1.19) của bộ tổ hợp tỷ số cực

đại, hay đơn giản đặt với mọi k trong bộ tổ hợp cùng độ lợi, thì tỷ số SNR tức thời ở lối ra vẫn không thay đổi và do đó khẳng định lợi ích của bộ tổ hợp cùng độ lợi là tốt hơn bộ tổ hợp tỷ số cực đại

1.4 Kỹ thuật phân tập tần số [1]

Phân tập theo tần số có thể được định nghĩa là truyền đồng thời cùng một tín

hiệu trên hai hoặc hơn hai kênh tần số vô tuyến được bố trí trong cùng một dải tần

Hình 1.2-2 mô tả mô hình phân tập tần số dùng các bộ tổ hợp Thông tin được phát ra đồng thời trên hai máy phát có tần số làm việc khác nhau Chúng được ghép chung ống dẫn sóng tới anten và bức xạ vào không gian (thường khác cực tính) Tại đầu thu thông tin được anten chọn lọc qua ống sóng và bộ lọc chia tách hai đường sóng mang cho hai máy thu riêng Bộ tổ hợp bảo đảm cho tín hiệu đầu ra là lớn nhất Nếu hai tần số của máy phát rộng, phading lựa chọn tần số có tác dụng thấp cả hai đường và cải thiện tốt thông tin Sự sai khác tần số là 2% là tốt, 5% là rất tốt Nghĩa là 6 GHz đến ít nhất là 120MHz

Mặc dù người ta đã chứng minh rằng các hệ thống vô tuyến số phân tập tần

số có thể cho các hệ số cải thiện tốt, và tốt hơn so với các hệ số tiên đoán bởi vô tuyến tương tự, nhưng việc sử dụng thường bị hạn chế vì hiệu suất sử dụng phổ tần

đã có không có hiệu quả cao Nhược điểm lớn nhất của phân tập tần số chính là băng tần rộng

Hệ số cải thiện phân tập tần số có thể tính xấp xỉ:

Trong đó f là tần số trung tâm của băng tần (GHz)

F là độ sâu phading (dB)

d là độ dài của đường truyền (km)

( là khoảng cách tần số tương đối (%) Biểu thức (1.24) đúng đối với các điều kiện tham số sau:

và

Trong một cấu hình nhiều kênh (N+1), trong đó có kênh bảo vệ dự phòng đơn, độ cải thiện phân tập tần số bổ sung có thể đạt được hơn kênh không có bảo

vệ, không có tổn hao vượt quá trong hiệu suất phổ, nhưng vì số kênh hoạt động tăng hơn 1, nên hệ số cải thiện giảm so với giá trị thu được từ phương trình (1.24)

Để đạt được hệ số cải thiện, khi sử dụng trong hệ thống số, hệ thống chuyển mạch cần phải hoạt động theo phương thức không trùng hợp sao cho không xảy ra việc giảm đáng kể kênh thông tin Thời gian thích hợp được coi là phù hợp với thời gian chuyển mạch là 10ms

Tóm tắt chương 1:

Có rất nhiều kỹ thuật giúp nâng cao chất lượng tín hiệu truyền qua kênh chịu ảnh hưởng của nhiễu, phading … như kỹ thuật mã hóa, kỹ thuật cân bằng và kỹ thuật phân tập Chương 1 của khóa luận giới thiệu tổng quan về kỹ thuật phân tập

Phần đầu giới thiệu về khái niệm và nguyên lý cơ bản của phân tâp Phân tập phân chia thành nhiều loại: phân tập không gian, phân tập thời gian, phân tập tần

số, phân tập phân cực … Trong đó, tập trung nghiên cứu tìm hiểu cụ thể về kỹ thuật phân tập không gian Đồng thời, nêu lên ứng dụng của kỹ thuật phân tập trong việc cải thiện chất lượng tín hiệu và dung lượng kênh

Chương này cũng giới thiệu về các loại tổ hợp phân tập không gian thường gặp như tổ hợp lựa chọn SC, tổ hợp với tỷ số cực đại, tổ hợp cùng độ lợi …và ứng dụng cụ thể vào việc giảm tỷ lệ lỗi ký hiệu SER

Chương 2 – Môi trường truyền phading và các kỹ

thuật phân tập tương ứng

Trong các vùng đô thị, phading sinh ra do độ cao anten của máy di động là thấp hơn nhiều so với độ cao của các tòa nhà xung quanh, nên không chỉ có một đường truyền theo đường ngắm thẳng tới trạm gốc Ngay cả khi chỉ có một đường truyền theo đường ngắm thẳng, còn có nhiều đường truyền sinh ra do các phản xạ

từ mặt đất và các tòa nhà xung quanh Các sóng vô tuyến từ các phương khác nhau

đi tới tần số máy thu với các độ trễ truyền khác nhau Tín hiệu thu được bởi máy di động ở bất kỳ điểm nào trong không gian có thể bao gồm nhiều sóng phẳng có các biên độ, pha và góc tới được phân bố ngẫu nhiên Các thành phần đa đường truyền này tổ hợp theo vectơ ở anten thu và có thể khiến tín hiệu thu được bởi máy vô tuyến di động bị méo hay nhòe dần

Mặt khác, ngay cả khi máy thu di động đứng yên, tín hiệu thu có thể nhòe dần do sự chuyển động của các vật xung quanh trong kênh vô tuyến Nếu các vật trong kênh vô tuyến là đứng yên, và chuyển động được xem như chỉ do sự chuyển động của máy di động thì phading là một hiện tượng trong không gian Các biến đổi về không gian của tín hiệu tổng được xem như những sự biến đổi về thời gian bởi máy thu vì nó di chuyển qua vùng đa đường truyền Do các hiệu ứng tạo thành

và phá hủy việc lấy tổng các sóng của nhiều đường truyền ở các thời điểm khác nhau trong không gian, một máy thu di động với vận tốc cao có thể đi qua một số điểm nhòe trong một thời gian ngắn Trường hợp nghiêm trọng hơn khi một máy thu có thể ngừng hoạt động ở một vùng cụ thể, tại đó tín hiệu thu được bị nhoè sâu Việc duy trì tốt sự liên lạc có thể rất khó khăn, vì xe cộ chạy qua hoặc người đi bộ trong vùng lân cận của máy di động thường có thể làm nhiễu loạn hình dạng trường, dẫn đến làm giảm xác suất duy trì tín hiệu thu ở mức không thực sự trong một khoảng thời gian dài

Do đó, rất cần tìm hiểu cụ thể về phading – một trong những nhân tố ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu truyền Và phân tập là một trong những kỹ thuật

để giảm ảnh hưởng của phading

2.1 Khái niệm [2]

Phading đơn giản được dùng để mô tả sự thăng giáng nhanh về biên độ của tín hiệu vô tuyến đối với một chu kỳ thời gian ngắn hoặc khoảng cách truyền thay đổi ngắn Phading được sinh ra bởi sự giao thoa của hai hay nhiều phiên bản của tín hiệu được truyền mà các tín hiệu này tới máy thu ở các thời điểm khác nhau chút ít Các sóng này được gọi là các sóng đa đường (multipath waves), tổ hợp ở anten máy thu để cho một tín hiệu tổng hợp Tín hiệu tổng hợp có biên độ và pha thay đổi ngẫu nhiên và ở mỗi thời điểm nó có thể được tăng cường hoặc bị suy giảm mạnh, phụ thuộc vào sự phân bố cường độ và thời gian truyền tương đối của các sóng, và độ rộng băng thông của tín hiệu truyền

Nhiều đường truyền trong kênh vô tuyến gây ra các hiệu ứng phading như:

 Các thay đổi nhanh về cường độ tín hiệu qua một khoảng cách truyền nhỏ hoặc khoảng thời gian nhỏ

 Sự điều chế tần số ngẫu nhiên do sự thay đổi dịch chuyển Doppler trên các tín hiệu nhiều đường truyền khác nhau

 Sự tản mạn về thời gian (tiếng dội) gây ra bởi các sự trễ của việc truyền theo nhiều đường truyền

Các thừa số vật lý trong kênh truyền vô tuyến ảnh hưởng tới phading gồm:

 Sự truyền theo nhiều đường truyền: Sự có mặt các vật phản xạ và tán

xạ trong kênh gây ra một sự thay đổi môi trường làm phân tán năng lượng của tín hiệu về biên độ, pha và thời gian Các ảnh hưởng này sinh ra trong nhiều phiên bản của tín hiệu truyền tới anten thu, bị dịch chuyển so với nhau về thời gian và định hướng không gian Pha và các biên độ ngẫu nhiên của các thành phần khác nhau của nhiều đường truyền gây ra các thăng giáng về cường độ tín hiệu, do đó dẫn đến phading, sự méo tín hiệu, hoặc cả hai Sự truyền theo nhiều đường truyền thường kéo dài thời gian cần thiết cho phần băng gốc của tín hiệu đi tới máy thu, điều này có thể gây ra sự “làm bẩn” tín hiệu do sự giao thoa của các ký hiệu với nhau

 Tốc độ của máy di động: Chuyển động tương đối giữa trạm gốc và máy di động đưa đến điều chế tần số ngẫu nhiên do các sự dịch chuyển Doppler khác nhau trên mỗi thành phần của nhiều đường truyền Sự dịch chuyển Dopller sẽ là dương hoặc âm, phụ thuộc vào máy thu di động chuyển động lại gần hay ra xa trạm gốc

 Tốc độ của các vật xung quanh: Nếu các vật trong kênh vô tuyến là chuyển động, chúng gây ra một dịch chuyển Doppler thay đổi theo thời gian lên các thành phần của nhiều đường truyền Nếu các vật xung quanh chuyển động với vận tốc lớn hơn máy di động, thì hiệu ứng này trội hơn phading Ngược lại, chuyển động của các vật xung quanh có thể bỏ qua, và chỉ có tốc độ của máy di động cần được xem xét

 Độ rộng dải truyền của tín hiệu: Nếu độ rộng dải của tín hiệu vô tuyến phát là lớn hơn “độ rộng dải” của kênh nhiều đường truyền, tín hiệu thu sẽ bị méo, nhưng cường độ tín hiệu thu sẽ không bị nhoè nhiều qua một vùng cục bộ (nghĩa là phading tín hiệu quy mô nhỏ sẽ có không có ý nghĩa) Độ rộng dải của kênh có thể được định lượng bởi

độ rộng dải kết hợp, phụ thuộc vào cấu trúc nhiều đường truyền riêng của kênh Độ rộng dải kết hợp là mức đo của hiệu số lớn nhất của tần

số (ở tần số này các tín hiệu còn tương quan mạnh về biên độ) Nếu tín hiệu được truyền có một độ rộng dải hẹp so với kênh, biên độ của tín hiệu sẽ thay đổi nhanh, nhưng tín hiệu sẽ không bị méo về mặt thời gian Như vậy, tính thống kê của cường độ tín hiệu và xác suất “làm bẩn” tín hiệu xuất hiện qua các khoảng cách quy mô nhỏ liên quan rất nhiều tới các biên độ cụ thể và các sự trễ của kênh nhiều đường truyền, cũng như độ rộng dải của tín hiệu truyền

2.2 Phân loại [2]

Phần 2.1 đã chứng minh rằng loại phading do sự truyền tín hiệu qua một kênh vô tuyến di động phụ thuộc vào bản chất của tín hiệu truyền có kể đến các đặc tính của kênh Phụ thuộc vào hệ thức giữa các thông số của tín hiệu (như là bề

rộng dải, chu kỳ của ký hiệu v.v.) và các thông số kênh (như là độ trải trễ rms và

độ trải Doppler), các tín hiệu truyền khác nhau sẽ chịu các loại phading khác nhau

Tùy vào bản chất của tín hiệu truyền hay đặc tính của kênh vô tuyến di động

mà phading có thể phân chia thành nhiều loại Trong khi độ trải trễ nhiều đường truyền dẫn tới sự tán sắc thời gian và phading có lựa chọn tần số, độ trải Doppler dẫn tới sự tán sắc tần số và phading có lựa chọn thời gian Hai cơ chế truyền là độc lập với nhau

Hình 2.2-1: Phân loại các hiệu ứng phading dựa trên độ trải trễ thời gian nhiều

xạ mặt đất) và phading nhiều tia (khí quyển)

Các hiệu ứng phading do độ trải Doppler gồm phading nhanh và phading chậm Một kênh có thể là kênh phading nhanh hay kênh phading chậm phụ thuộc vào tín hiệu băng gốc phát thay đổi nhanh như thế nào so với tốc độ thay đổi của kênh

Hình 2.2-2: Phân loại các hiệu ứng phading dựa trên độ trải Doppler

Không một loại phading nào có thể tiên đoán được một cách chính xác bởi

sự biến đổi của chúng tùy thuộc vào điều kiện không khí Kinh nghiệm cho thấy điều kiện khí hậu và địa hình là nguyên nhân chính gây ra phading mà tất cả khả năng phading chỉ có thể xác định bằng thống kê Nói cách khác là chỉ có thể dựa vào lý thuyết xác suất tính toán khả năng hệ thống sẽ ngừng hoạt động với số phần trăm chắc chắn trong năm vì phading Trong phạm vi này số phần trăm dung sai là quá lớn Do đó người ta đã nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật phân tập nhằm cải thiện thời gian gián đoạn thông tin

2.2.1 Phading phẳng

Nếu kênh vô tuyến di động có hệ số khuếch đại không đổi và đáp ứng pha tuyến tính qua một độ rộng dải lớn hơn độ rộng dải của tín hiệu truyền thì tín hiệu thu sẽ chịu phading phẳng

Phading phẳng tác động chủ yếu tới hệ thống viba số dung lượng bé, làm suy giảm đều tín hiệu sóng mang đi qua dải tần số Trong phading phẳng, cấu trúc nhiều đường của kênh phải sao cho các đặc tính phổ của tín hiệu truyền được duy trì ở máy thu Tuy nhiên, cường độ của tín hiệu thu thay đổi theo thời gian, do các

thăng giáng về hệ số khuếch đại của kênh do nhiều đường truyền Các đặc tính của một kênh phading phẳng được minh hoạ ở hình 2.2-3

Từ hình 2.2-3 cho thấy, nếu hệ số khuếch đại của kênh thay đổi theo thời gian, thì một sự thay đổi về biên độ xảy ra trong tín hiệu thu Qua thời gian tín hiệu thu r(t) thay đổi về hệ số khuếch đại nhưng phổ truyền được duy trì Trong một kênh phading phẳng, nghịch đảo rộng dải của tín hiệu truyền là lớn hơn nhiều so với độ trải trễ thời gian nhiều đường truyền, vì độ rộng dải của tín hiệu tác dụng là hẹp so với độ rộng dải phading phẳng của kênh Các kênh phading điển hình gây ra

sự nhoè (fade) sâu, và như vậy, có thể đòi hỏi công suất của máy phát lớn hơn 20dB hoặc 30dB để đạt được tỷ lệ lỗi bit thấp nhất trong thời gian có độ nhoè (tắt dần) sâu so với các hệ vận hành qua các kênh không phading Sự phân bố của hệ số khuyếch đại tức thời của các kênh phading phẳng là quan trọng đối với sự thiết kế các kết nối vô tuyến, và sự phân bố biên độ chung nhất là sự phân bố Rayleigh Mô hình của kênh phading phẳng Rayleigh thừa nhận là kênh đưa vào một biên độ thay đổi theo thời gian tuân theo sự phân bố Rayleigh

Hình 2.2-3: Các đặc tính của kênh phading phẳng

Để tóm tắt, một tín hiệu chịu phading phẳng nếu:

Trong đó BS và BC là độ rộng dải tín hiệu và bề rộng dải kết hợp tương ứng của kênh TS và là chu kỳ tín hiệu (nghịch đảo của độ rộng dải) và độ trễ dư trung bình (độ trải trễ rms)

2.2.2 Phading lựa chọn tần số

Nếu kênh có hệ số khuếch đại không đổi và đáp ứng pha tuyến tính qua một

độ rộng dải nhỏ hơn độ rộng dải của tín hiệu truyền thì kênh gây ra phading có lựa chọn tần số ở tín hiệu thu

Phading lựa chọn tần số tác động chủ yếu tới hệ thống viba số có dung lượng lớn Với các điều kiện như vậy, đáp ứng xung của kênh có một độ trải trễ nhiều đường truyền mà độ trải trễ này là lớn hơn nghịch đảo độ rộng dải của dạng sóng bản tin truyền Khi điều này xảy ra, tín hiệu thu bao gồm nhiều phiên bản của dạng sóng truyền, chúng bị suy giảm và bị trễ về thời gian, do đó tín hiệu thu bị méo Phading chọn lựa tần số là do sự tán sắc về thời gian của các ký hiệu truyền bên trong kênh Như vậy, kênh sinh ra sự giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) Xét ở lĩnh vực tần số, các thành phần tần số nào đó trong phổ tín hiệu thu có hệ số khuếch đại lớn hơn các tần số khác

Hình 2.2-4: Các đặc tính kênh của phading có lựa chọn tần số

Về mô hình, phading có lựa chọn tần số là khó thực hiện hơn nhiều các kênh phading phẳng vì mỗi tín hiệu nhiều đường truyền phải được mô hình hoá và kênh phải được xem là một mạch lọc tuyến tính Chính vì lý do này, phải tiến hành các phép đo nhiều đường truyền dải rộng, và các mô hình được phát triển từ các phép

đo này Khi phân tích các hệ thông tin di động, các mô hình đáp ứng xung thống kê như là mẫu phading Rayleigh 2 tia (mô hình này xem xét đáp ứng xung được tạo thành bởi 2 hàm delta là giảm dần một cách độc lập và có đủ độ trễ thời gian giữa chúng để sinh ra phading có lựa chọn tần số đối với tín hiệu được dùng), hoặc máy tính phát ra, hoặc các đáp ứng xung đo được, thường được dùng để phân tích phading quy mô nhỏ có lựa chọn tần số Hình 2.2-4 minh hoạ các đặc tính của một kênh phading có lựa chọn tần số

Đối với phading có lựa chọn tần số phổ S(T) của tín hiệu truyền có một độ rộng dải mà độ rộng dải này lớn hơn độ rộng dải kết hợp BC của kênh Xét ở lĩnh vực tần số, kênh trở nên lựa chọn theo tần số, trong đó hệ số khuyếch đại là khác nhau đối với các thành phần tần số Phading lựa chọn tần số được tạo ra bởi các độ trễ nhiều đường truyền mà độ trễ này gần bằng hoặc lớn hơn chu kỳ của ký hiệu tín hiệu truyền Các kênh phading có lựa chọn tần số cũng được gọi là các kênh dải rộng, vì bề rộng dải của tín hiệu S(t) là rộng hơn bề rộng dải của đáp ứng xung

Khi thời giant hay đổi, kênh thay đổi về hệ số khuyếch đại và pha thông qua phổ S(t), đưa đến sự méo của biến đổi theo thời gian, trong tín hiệu thu r(t)

Để tóm tắt, một tín hiệu chịu phading lựa chọn tần số nếu:

Trong đó BS và BC là độ rộng dải tín hiệu và bề rộng dải kết hợp tương ứng của kênh TS và là chu kỳ tín hiệu và độ trễ dư trung bình

2.2.3 Phading nhanh

Phading nhanh thường là kết quả của hiện tượng truyền lan đa tia (nhiều đường) Kênh phading nhanh có đáp ứng xung của kênh thay đổi nhanh trong khoảng kéo dài ký hiệu Thời gian kết hợp của kênh là nhỏ hơn chu kỳ của ký hiệu tín hiệu truyền Điều này gây ra sự tán sắc tần số (cũng được gọi là phading có lựa chọn thời gian) do sự trải Doppler, mà sự trải này dẫn đến sự méo tín hiệu thu

Một tín hiệu chịu phading nhanh nếu:

trong đó Ts : chu kỳ của tín hiệu

Tc : thời gian kết hợp của kênh

Bs : độ rộng dải tín hiệu

BD : độ trải Doppler Cần phải ghi nhận rằng khi một kênh được quy định là một kênh phading nhanh hoặc chậm, nó không quy định về bản chất kênh: hoặc là phading phẳng, hoặc là lựa chọn tần số Phading nhanh chỉ xét đến tốc độ thay đổi của kênh do chuyển động Trong trường hợp kênh phading phẳng, chúng ta có thể coi gần đúng đáp ứng xung đơn giản là một hàm delta (không có sự trễ thời gian) Do vậy, một

kênh phading phẳng phading nhanh là một kênh trong đó biên độ của một hàm

delta thay đổi nhanh hơn tốc độ thay đổi của tín hiệu băng gốc được truyền Trong

trường hợp một kênh lựa chọn tần số phading nhanh, các biên độ, các pha và độ

trễ thời gian của bất kỳ một trong các thành phần nhiều đường thay đổi nhanh hơn tốc độ thay đổi của tín hiệu truyền Trong thực tế, phading nhanh chỉ xảy ra đối với tốc độ dữ liệu rất chậm

2.2.4 Phading chậm

Các đặc tính suy hao của cường độ trường phụ thuộc vào các hằng số truyền dẫn và phading, loại này được gọi là phading chậm Trong một kênh phading chậm, đáp ứng xung của kênh thay đổi với một tốc độ chậm hơn nhiều tín hiệu băng gốc được truyền

Trong trường hợp này, kênh có thể được thừa nhận là đứng yên đối với một hoặc một số khoảng thời gian của nghịch đảo độ rộng dải Trong lĩnh vực tần số, điều này có hàm ý là độ trải Doppler của kênh là nhỏ hơn nhiều độ rộng dải của tín hiệu băng gốc Hàm mật độ xác suất của đường bao tín hiệu thu đối với phading chậm tuân theo luật phân bố chuẩn

Một tín hiệu chịu phading chậm nếu:

Trong đó Ts là chu kỳ tín hiệu, Bs là độ rộng dải tín hiệu, Tc là thời gian kết hợp và

BD là độ trải Doppler

Rõ ràng là vận tốc của máy di động (hoặc vận tốc của các vật trong kênh) và báo hiệu băng gốc xác định một tín hiệu có chịu phading nhanh hoặc phading chậm hay không