Các mô hình kênh cơ bản

Một phần của tài liệu đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vo tuyến sử dụng phần mềm matlab (Trang 31)

Kênh theo phân bo Rayleigh

hiệu này có tên là nhiễu trắng vì nó có tính chất tuơng tự với ánh sáng trắng. Chúng ta không thể tạo ra nhiễu trắng theo đúng lý thuyết vì theo định nghĩa của nó nhiễu

trắng có mật độ phổ công suất phân bố trong khoảng tần vô hạn và do vậy nó cũng

phải có công suất vô hạn. Tuy nhiên, trong thực tế do không có hệ thống nào có băng tần vô hạn, do vậy chúng ta chỉ cần tạo ra nhiễu trắng trong khoảng băng tần

của hệ thống chúng ta đang xem xét.

Nhiễu trắng có thế do nhiều nguồn khác nhau gây ra như do thời tiết, do bộ

khuếch đại ở máy thu, do nhiệt độ...

Sự can thiệp của nhiễu trắng đến kênh truyền dẫn, cụ thể hon là tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm, ảnh hưởng trực tiếp đến thông lượng kênh và chất lượng

tín hiệu thu [3].

2.3.2. Nhiễu xuyên kênh

Nhiễu xuyên kênh gây ra do các thiết bị phát trên các kênh liền nhaụ Nhiễu

xuyên kênh thường xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bị dịch tần gây can

nhiễu sang các kênh kề nó. Đe loại bỏ nhiễu xuyên kênh người ta phải có khoảng

bảo vệ giữa các dải tần [3].

Một số giải pháp đê hạn chế loại nhiễu đồng kênh trong các hệ thống cellular

như sau:

- Không thể dùng bộ lọc đế loại bỏ giao thoa này do các máy phát sử dụng cùng một tần số.

- Chỉ có thể tối thiểu hóa nhiễu đồng kênh bằng cách thiết kế mạng cellular

phù hợp.

- Thiết kế khoảng cách đủ lớn đế các cell trong mạng có sử dụng cùng nhóm

tần số không ảnh hưởng tới nhaụ

2.3.4. Nhiễu đa truy nhập

Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các User giao thoa với

nhau, là

yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ thống [3].

Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division

Multiplexỉng

Access); Trong TDMA là sự giao thoa của các tín hiệu ở khe thòi gian này với

khe

thời gian khác do sự không hoàn toàn đồng bộ gây rạ Người ta phải có khoảng bảo

vệ đê giảm xác suất người dùng bị giao thoa nhưng cũng đồng thời làm giảm hiệu

nhiều bộ tương quan, mồi bộ tương quan được nối với một dường dẫn có khả năng phân giảỉ khác nhaụ Vì vậy hoạt động của hệ thống DS-CDMA sẽ phụ thuộc nhiều

vào số lượng người sử dụng thực tế, đặc trưng của kênh và số lượng các nhánh được

dùng trong máy thu RAKẸ Cũng vì lý do này mà dung lượng của hệ thống sẽ bị

hạn chế do nhiễu nội và (MAI: Multiple Access Interterence) mà nguyên nhân

là sự

chưa hoàn chỉnh của tính tự tương quan cũng như tính tương quan chéo của mã trải

phố. Điều này gây ra khó khăn cho hệ thống DS-CDMA trong việc sử dụng đầy đủ

năng lượng tín hiệu thu bị phân tán trong miền thời gian.

2.4. Méo tuyến tỉnh

2.4.1. Khái niệm

Méo tuyến tính có đặc tính không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu được truyền

và được đánh giá qua thông số sai lệch giữa đặc tính biên độ- tần số và/ hoặc đặc

tính tần pha (hay đặc tính giữ chậm) của hàm truyền tống cộng của hệ thống so với

Đặc trung của méo tuyến tính:

- Khi phát một điểm tín hiệu thì ở đầu thu thu được một cụm điểm tín hiệu

- Khi thay đôi biên độ tín hiệu thì diện tích cụm diêm không đôi

2.4.2. Các biện pháp khắc phục

Mạch san bằng

Như đã thấy trong các mục trước, một trong những ảnh hưởng co bản của kênh liên tục tới chất lượng truyền dẫn số là việc gây ra (ĨSĨ: Inter Symbol

Interíerence) do đặc tính tống cộng của hệ thống, bao gồm cả môi trường

truyền,

không thoả mãn tiêu chuấn truyền dẫn không có ISỊ Các kênh tiêu biếu như

vậy là

các kênh vô tuyến, bao gồm cả kênh vô tuyến chuyển tiếp lẫn các kênh thông

tin di

động. Một trong những đặc điếm hết sức quan trọng của các kênh vô tuyến là sự biến đối theo thòi gian một cách ngẫu nhiên. Điều này dần đến máy thu được thiết

kế nhằm chống các tác động của tạp âm và ISI phải có đặc tính tự thích nghi,

tức là

phải có các tham số được tự động điều chỉnh một cách tối ưu bám theo các biến động của kênh truyền. Một trong các giải pháp nhằm hạn chế đến mức rất thấp các

méo tuyến tính gây bởi đường truyền không lý tưởng biến đối ngẫu nhiên theo thời

(2.10) TE(co)=C(co).H((o).E(co)=C(co),

bảo đảm truyền dẫn tín hiệu số không có ISỊ

Trong các hệ thống truyền dần dùng dây trần, cáp xoắn hay cáp đồng trục...

các bộ san bằng cũng thường được áp dụng và được thực hiện trên miền tần số dưới

dạng các mạch điều chỉnh cosine hay các mạng cân bằng cáp. Do đường dây thông

tin có đặc tính truyền dẫn biến đối rất chậm theo thời gian nên các bộ san bằng này

được thiết kế hầu như cố định, việc điều chỉnh chúng thường được thực hiện bằng

tay dựa trên các phép đo định kỳ đường dâỵ cần phải nói thêm ở đây rằng, thực tế

các mạch san bằng như vậy chỉ cho phép sửa được những sai lệch tương đối lớn và

do vậy tốc độ số liệu truyền trên các kênh thoại có san bằng cố định như vậy rất hạn

chế (vào khoảng 1200 -ỉ- 2400 b/s). Với các tốc độ số liệu lớn hơn nữa thì các mạch

san bằng cố định nói trên trở nên không thích hợp [3].

Trong các hệ thống vô tuyến số tốc độ lớn, do các kênh vô tuyến có đặc tính

biến đổi khá rõ rệt theo thời gian nên tại các thời điểm khác nhau H(cừ,t) có thế có

dạng khác nhau, do vậy các mạch san bằng còn cần phải hoạt động theo một thuật

toán cho phép điều chỉnh E(co,t) bám theo được các thay đổi của H(co,t). Tức là các

song và mỗi một luồng con được điều chế bằng một sóng mang riêng biệt. Nhờ vậy, băng tín hiệu rất rộng được tách thành nhiều băng con, trong đó đặc tính tần số của

hệ thống dễ bảo đảm bằng phẳng hơn. Trả giá của phương pháp này là tính kinh tế

do phải sử dụng mỗi một hệ thống con cho mỗi một luồng con. Thêm vào đó, phô

chiếm của tín hiệu tổng cộng trong trường hợp này lớn hơn một chút so với trường

hợp truyền dẫn một sóng mang do các mạch lọc phân cách các băng con không thể

chế tạo với các biên hàm truyền hoàn toàn dốc đứng được. Chính vì vậy, biện pháp

này chỉ áp dụng trong những trường hợp nhất định, chẳng hạn trong những trường

hợp băng tín hiệu quá rộng hay trong một số hệ thống mà tuyến truyền dẫn đi qua

khu vực có bề mặt nước (rất hay xảy ra pha-đing đa đường mạnh) [3].

d. Mã chống nhiễu

Các lỗi bít gây nên do san bằng và phân tập không triệt tiêu được hoàn toàn

ISI còn có thể được sửa tiếp bằng các mã chống nhiễu, về bản chất, mã hoá chống

nhiễu là việc biến đổi tập các từ mã cần truyền thành một tập các từ mã chống nhiễu

với các phần tử dư dùng để phát hiện và sửa các bít lồị Trả giá của phương pháp

này là việc tăng tốc độ bít truyền dẫn và do đó mở rộng phô chiếm của tín hiệụ Nhìn chung, mã hoá chống nhiễu được sử dụng tương đối hoạ hoằn như một

tuyến tới tỷ lệ lỗi của hệ thống thì không giống nhau đối với các loại hệ thống với tín hiệu có đường bao không đối (như các hệ thống điều chế tần số hay các hệ thống

điều chế PSK) hay với tín hiệu có đường bao thay đối (như các hệ thống có điều chế

biên độ như hệ thống điều chế ỌAM).

Trong các hệ thống với tín hiệu có đường bao không đổi, tác động của tính phi

tuyến thực tế là không quá lớn. Trong trường hợp độ phi tuyến của kênh truyền dẫn

nhỏ thì tác động của nó tới chất lượng của hệ thống truyền dẫn tín hiệu số chỉ là khá

nhỏ và có thể bỏ qua được. Trong trường hợp như thế việc phân tích và đánh giá hệ

thống có thế dựa trên các mô hình hệ thống hoàn toàn tuyến tính.

Méo phi tuyến phát sinh do đặc tuyến phi tuyến của các bộ khuếch đại công

suất phát nhất thiêt phải được tính đến trong quá trình phân tích, đánh giá một cách

đầy đủ các hệ thống vi ba số M-QAM do tín hiệu M-QAM hết sức nhạy cảm

đối với

méo phi tuyến. Tác động của méo phi tuyến trong các hệ thống truyền dẫn qua vệ

tinh cũng cần phải được xem xét đầy đủ do công suất của các bộ khuếch đại công

suất dùng đèn sóng chạy (TWT: Traveling Wave Tube) của máy phát trạm mặt đất

tuyến, có thế chọn điếm làm việc ở mức tín hiệu tuơng đối thấp, tức là chấp nhận một độ lùi công suất (BO: BackOA) đủ lớn tính tù' công suất bão hoà của bộ khuếch

đạị Trong trường hợp này ta buộc phải chấp nhận hoặc là lãng phí hiệu quả công

suất của thiết bị dẫn đến phải dùng các bộ công suất lớn hơn, cồng kềnh nặng nề hơn và đắt tiền hơn, hoặc là phải chấp nhận công suất ra của tín hiệu thấp hơn dẫn

đến giảm cự ly liên lạc. Trong trường hợp không thể chấp nhận BO lớn, người ta

thường sử dụng các loại điều chế với tín hiệu có đường bao không đối (ít nhạy cảm

với méo phi tuyến). Thông tin vệ tinh là một thí dụ điến hình. Do giá thành bắn vệ

tinh lên quỹ đạo rất đắt phụ thuộc khối lượng vệ tinh nên người ta có xu hướng tận

dụng hiệu quả công suất của các bộ khuếch đại trên vệ tinh, tức là buộc phải sử dụng chúng với BO nhỏ. Vì thế trong thông tin vệ tinh người ta thường sử dụng sơ

đồ điều chế PSK, hay gặp nhất là loại điều chế (QPSK: Quadrature Phase

Shift

Keying) hoặc các phái sinh của nó. Chính vì vậy, dung lượng của hệ thống

truyền

dẫn số qua vệ tinh tính theo mỗi bộ phát đáp thường không lớn, bù lại cự ly liên lạc

của chúng thường rất lớn [3].

Cần phải lưu ý ở đây là giá trị BO không thể tăng mãi để đạt độ tuyến tính cao

do việc tăng BO dẫn đến giảm công suất tín hiệu phát và do vậy tỷ số tín/tạp (SNR:

có thế có méo điều chế lẫn nhau bậc ba lớn. Trong trường hợp này, việc áp dụng một mạch méo trước đặt ngay trước bộ khuếch đại có thể cho phép không cần đến

lượng BO lớn đến thế, nhờ vậy hiệu suất công suất lối ra tăng. Đối với các hệ thống

QAM có số mức điều chế lớn hơn (64-QAM hay 256-QAM), việc áp dụng méo méo trước thường là bắt buộc do hệ thống hết sức nhạy cảm đối với méo phi tuyến,

hơn nữa việc chỉ áp dụng một giá trị BO đủ lớn nhằm bảo đảm tín hiệu đỉnh không

trở nên bị bão hoà thường dẫn đến công suất trung bình của tín hiệu lối ra thấp do

chênh lệch công suất đỉnh và công suất trung bình với các hệ thống này khá lớn (3.7

dB đối với 64-QAM và 4.2 dB đối với 256-QAM, chưa kể đến hiện tượng vọt đỉnh

của tín hiệu gây bởi mạch lọc điều chế) [3].

2.6. Fading

2.6.1. Khái niệm

Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy ra đối với

các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn [3].

Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến măt đất như: - Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn

- Fading lựa chọn tần số: Đối với các hệ thống vô tuyế số dung lượng

tương

đối cao (>70Mb/s), băng tần tín hiệu khá rộng, do vậy sự phụ thuộc vào tần số của

suy hao fading đa đường trong suốt độ rộng băng tín hiệu trở nên rõ rệt và do vậy

được gọi là fading chọn lọc tần số.

Ngoài ra còn có thể phân biệt theo fading nhanh và fading chậm:

- Fading chậm: Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền như

tòa

nhà cao tầng, ngọn núi, đồị..làm cho biên độ tín hiệu suy giảm. Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độc biến đổi chậm. Hay sự

không ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng do chắn gọi là suy hao

chậm. Vì vậy hiệu ứng này gọi là Fading chậm.

trong đó R biểu diễn phép toán lấy phần thực.

Đặt độ dài của đường 1 là xl và ký hiệu c là tốc độ ánh sáng (cũng chính là tốc

độ lan truyền của sóng điện từ trong không khí), thì thời gian truyền sóng từ BS (2.11)

r(t) = £a,s(t-^-)

V c (2.12)

- R 2ais(t_~)e j

2 Viết lại r(t) ở dạng

trong đó thành phần đường bao tín hiệu thu là tống của nhiều thành phần tín

Còn Tị = — là thời gian trễ của đường truyền

thứ 1.

c

2.6.4. Sự ảnh hưởng của chuyên động MS

Hình vẽ 2.2 minh hoạ sự chuyển động của một trạm MS theo trục X trong r(t) = Xais(t_ri )ẽi2ĩđcĩ'

x[ - X, - AXị

y

MS X

Hình 2.2 Sự lan truyên của đường 1 tới một trạm MS Neu góc tới của tia thứ 1 so với hướng chuyển động là ộx, chúng ta có

và tín hiệu thu được bằng r(t) = £yg(t,r)s(t-r)dr (2.32) = g(t)J(r - í)s(t-r)dr (2.33) fg(U)e“i2**rdr (2.36) f g(t)<ỹ(r - í)e_j2;ĩfrdr (2.37) E{g,(t)}=E{gp(t)}=0 (2.43) E{g,(t)2}=E{g0(t )2}=aị (2.44) (2.21) ị2rtt -j2«fc- j2^fcVCOS(<ý|)t X.vcơs(á)t , X,, (2.22)

là tần số Doppler lớn nhất, sau một số phép biến đối toán học thuần tuý chúng

r(t) = R ^ ă e cos(* )r, e-j2.[( fc+ f„ cos(4 )1(t-r,) s(t _ ^ )

(2.24) Nếu đặt a, - a,e j2/zfI)cos(ự>l )r. fDI = fDcos(^) r(t) = R ^a1eJ‘"l-T,D-,n,“I,,s(t-r1) I

truyền bằng một bộ lọc tuyến tính biến đôi theo thời gian với đáp ứng xung được cho bởi:

g(t-T) = Ỵjaxẽ'mWô(T-Tx) (2.30)

I Trong đó <ỹ(.) là hàm delta dirac.

2.6.5. Hậu quá của truyền sóng fading đa đường

Hậu quả của truyền sóng fading đa đường là:

- Fading hay chọn lọc theo thời gian gắn với Doppler spread tạo ra do chuyển

động của MS.

Giả sử băng tần của tín hiệu là đủ nhỏ (tốc độ truyền tin đủ nhỏ) sao cho thời

gian trễ ỉ không làm ảnh hưởng tới tín hiệu, khi đó s(t-í)« s(t), và tín hiệu thu được trở thành

trên thang tần số. Hiện tượng này còn được gọi là Doppler spread. Cụ thế là, một âm đơn s(t) = A sẽ bị trải thành vài thành phần ở băng tần [- fD, fD ], mỗi thành phần tương ứng với một vật tán xạ.

Thực hiện biến đổi Fourier đối với đáp ứng xung g(t,r), ta thu được hàm

Do biên độ của hàm truyền đạt bằng |G(t, f)| = g(t) với f bất kỳ, tất cả các thành phần tần số trong tín hiệu thu được đều có cùng một độ tăng ích là g(t). Trong

trường hợp này ta nói rằng tín hiệu thu trải qua hiện tượng íading phang. Và kênh

truyền như thế này được gọi là kênh fading phẳng.

Delay spread. Xét trường hợp các tần số Doppler fD | rất nhỏ tương ứng với

MS đứng im. Khi đó các góc pha <p, (t) trong (2.29) xấp xỉ bàng Ọị (t) «

2^fcr, = ụ/ị

Hình vẽ 2.3 minh hoạ đáp ứng xung của một bộ lọc FIR tuyến tính bất biến.

Giải rD được gọi là trải trễ. Chúng ta có thế thấy do độ dài các đường truyền sóng

khác nhau nên đã làm cho tín hiệu bị dịch chuyến trễ.

Thực hiện biến đổi Fourier lên đáp ứng xung ở (2.39) chúng ta có đáp ứng tần số

G ( f ) = rvooêdr (2.40)

J-00

= Ig,ế (2.41)

1

Từ đây chúng ta thấy rằng tại các tần số khác nhau thì biên độ |G(f)| có giá trị

khác nhaụ Kênh truyền dẫn trong trường hợp này được gọi là kênh fading chọn lọc

theo tần số.

2.6.6. Các loại kênh fading

ạ Kênh fading Rayleỉgh

Trong đó E{a} là trung bình thống kê hay trung bình tập hợp của một biến ngẫu nhiên ạ

f sỏ ^

0.7

Hình 2.4 Hàm phân bố Rayleigh với ơ2 = 1 [7] p(g.) = V 2(Jg J p(gọ) = ơ. Jĩ~7T 'lơ'..

Do g, (t) và gQ(t) là các quá trình độc lập nên chúng ta có phân bố p(g)= P(g.)P(gQ) = -rr-expí 1 |2

Một phần của tài liệu đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vo tuyến sử dụng phần mềm matlab (Trang 31)

Tải bản đầy đủ (DOC)

(102 trang)
w