6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.5.1. Mô hình kênh truyền DTTB điển hình
Sau khi giới thiệu các nguyên tắc cơ bản của cả hiệu ứng quy mô lớn và quy mô nhỏ cho các kênh vô tuyến trong các phần trước, kênh DTTB sẽ được thảo luận chi tiết trong phần này, bao gồm tiếng ồn, nhiễu, đặc tính kênh và một số mô hình kênh điển hình cho hệ thống DTV.
Hệ thống DTTB thường hoạt động ở băng tần VHF/UHF với băng thông kênh là 6, 7 và 8MHz. Tốc độ dữ liệu tải trọng nói chung là từ vài Mbps đến vài chục Mbps và hệ thống phải bao phủ một khu vực rộng lớn (với bán kính điển hình là
hàng chục km). Bên cạnh hiệu ứng “shadow” từ núi, tòa nhà, v.v., các nhiễu kênh chính khác của môi trường truyền dẫn của hệ thống DTTB bao gồm:
1. Nhiễu thông thường bao gồm tạp âm Gauss và nhiễu xung. Tạp âm Gauss là từ bức xạ điện từ từ kênh vô tuyến và nhiễu nhiệt từ các bộ phận của bộ thu phát. Nhiễu xung là từ các xung ngẫu nhiên được tạo ra bởi sét, thiết bị gia dụng, v.v. Ngoài ra, còn có nhiễu đơn tần và nhiễu băng hẹp trong các băng tần VHF/UHF. Tất cả gọi là nhiễu cộng hưởng.
2. Nhiễu từ các hệ thống phát sóng. Trong quá trình chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang dịch vụ truyền hình số DTV, quy hoạch tần số thường phân bổ các chương trình DTV mới ra mắt vào kênh cấm (đề cập đến các kênh không được phép truyền vì hiệu ứng xuyên điều chế và các suy giảm khác do tín hiệu từ các kênh cấm sẽ dẫn đến suy thoái của dịch vụ truyền hình tương tự hiện tại) để tiết kiệm phổ. Do đó, các dịch vụ DTV có khả năng bị nhiễu bởi dịch vụ truyền hình kênh tương tự từ khu vực lân cận và từ các dịch vụ truyền hình tương tự hoạt động tại các kênh lân cận trong cùng một khu vực dịch vụ (tính phi tuyến của máy phát công suất cao làm tăng nhiễu), và những nhiễu này là cũng có sự can thiệp cộng hưởng. Mặc dù tín hiệu DTV cũng sẽ gây nhiễu trên tín hiệu truyền hình tương tự, nhưng nhiễu của nó tương đối nhỏ vì công suất của tín hiệu DTV thường thấp hơn công suất của tín hiệu truyền hình tương tự.
3. Hiệu ứng đa đường. Do phản xạ từ núi, tòa nhà và vật thể chuyển động, pha của tín hiệu RF đến máy thu qua các đường khác nhau sẽ khác nhau, dẫn đến tín hiệu nhiễu. Tác động của nhiễu đa đường đã được thảo luận trong phần trước và tác động của đa đường lên tín hiệu TV analog được gọi là “ghosting”. Ghosting được định nghĩa là một bản sao của độ lệch hình ảnh được truyền ở vị trí và được xếp chồng lên nhau cho quá trình phát sóng tương tự. Đối với các dịch vụ DTV, ISI được tạo ra do hiệu ứng đa đường và có thể khiến việc tiếp nhận không thành công. Vì lỗi thu không phải do nhiễu hoặc nhiễu từ các hệ thống/tín hiệu khác, nên nó sẽ không thể được giải quyết bằng cách tăng công suất máy phát. Bằng cách chọn các sơ đồ phân tập thích hợp, phương pháp cân bằng, độ dài xen kẽ, phương pháp mã hóa sửa lỗi chuyển tiếp và các kỹ thuật chống nhiễu khác, rất có thể vấn đề này có thể được giải quyết một cách hiệu quả.
4. Hiệu ứng Doppler. Như đã đề cập trước đó, chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu cũng như chuyển động của các đối tượng giữa máy phát và máy thu gây ra sự dịch tần Doppler, có thể được tính toán bằng cách sử dụng (3.20). Để đảm bảo rằng tín hiệu DTTB được nhận thành công bởi các thiết bị đầu cuối trong điều kiện di động, hiệu ứng Doppler cần được xem xét. Lấy kênh truyền hình 28 làm ví dụ, với tần số trung tâm là 634MHz và bước sóng tương ứng là 0,47m, độ dịch tần Doppler tối đa có thể lên đến 93,93Hz nếu máy thu di chuyển với tốc độ 160km/h. Điều này có nghĩa là thiết kế hệ thống phải rất mạnh mẽ để xử lý vấn đề này.
Nói chung, độ trải trễ tối đa cho một kênh DTTB sẽ là vài chục micro giây. Băng thông kết hợp kênh truyền có thứ tự là 10kHz theo (3.19), nhỏ hơn nhiều so với băng thông kênh DTTB (tính bằng MHz). Do đó, kênh DTTB chọn lọc tần số và các thành phần đa đường của nó là không đủ điều kiện. Đáp ứng xung kênh có thể được biểu thị bằng (3.9) và các mô hình kênh DTTB điển hình có thể được phân loại thành hai loại sau:
Mô hình kênh đa đường tĩnh. Vì kênh là bất biến thời gian, đáp ứng xung h(t,τ)
trở thành h(τ), và (3.9) có thể được đơn giản hóa như sau:
ℎ(𝜏) = ∑ ℎ𝑙𝛿(𝜏 − 𝜏𝑙) 𝐿−1 𝑙=0 (3.34)
Đối với trường hợp thu sóng ngoài trời, ăng-ten cố định, các đặc tính thống kê của kênh thay đổi chậm theo thời gian và kênh có thể được tính gần đúng như bất biến thời gian trong một khoảng thời gian ngắn.
Đối với mục đích thử nghiệm, ATSC đề xuất mô hình kênh tĩnh trong khi DVB- T cung cấp mô hình kênh của cả thu cố định (F1) và di động (P1), tương ứng [9]. Các mô hình này đều bất biến theo thời gian và có thể được biểu thị như sau:
ℎ(𝜏) = 1 √∑𝐿𝑙=0𝜌𝑙2∑ 𝜌𝑙𝑒−𝑗2𝜋𝜃𝑙𝛿(𝑛 − 𝜏𝑙) 𝐿 𝑙=0 (3.35)
trong đó L lại là tổng số tiếng vang; θl, ρl, và τl lần lượt là độ lệch pha, biên độ và độ trễ tương đối của đường dẫn thứ l; và l = 0 là đường dẫn trực tiếp.
Bảng 3.1: Giá trị của θ, ρ và τ trong mô hình kênh DVB-T P1
Hình 3.18: Đáp ứng tần số của mô hình kênh DVB-T P1
Đối với mô hình kênh của F1, L = 20, trong đó F1 là kênh Ricean với hệ số K
được cho như sau:
𝐾 = 𝜌0 2 ∑𝐿 𝜌𝑙2 𝑙=1 (3.36)
Nếu K được đặt là 10, ta có như sau: 𝜌0 = √10 ∑ 𝜌𝑙2 𝐿 𝑙=1 (3.37)
P1 là kênh fading Rayleigh, nghĩa là không có đường dẫn trực tiếp (ρ0 = 0). Các giá trị điển hình của τ, ρ và θ được cho trong Bảng 3.2. Đáp ứng tần số của kênh P1 DVB-T được thể hiện trong Hình 3.18 với băng thông kênh là 8MHz.
Mô hình đa đường động. Mô hình này bao gồm các đặc tính biến thiên theo thời gian của kênh và có thể được xây dựng bằng hai phương pháp sau [10]:
a. Mô phỏng nhiễu điều chế pha (PMFS). Đáp ứng xung của kênh được cho:
ℎ(𝜏) = ℎ𝑙𝑒𝑗2𝜋𝑓𝑙𝑡𝛿(𝜏 − 𝜏𝑙) (3.38)
trong đó fl là dịch chuyển tần số Doppler của đường dẫn thứ l. Trong mô hình này, mọi đường dẫn được giả định là không tương quan. PMFS cung cấp một phương pháp đơn giản để xây dựng đa đường động trong khi nó có những nhược điểm đáng kể. Mặc dù thực tế là {hl, τl, fl} được tạo ngẫu nhiên, một khi được chọn, giá trị của chúng sẽ không thay đổi trong toàn bộ quá trình mô phỏng. Rõ ràng, điều này là khác với tình hình thực tế.
b. Mô phỏng nhiễu điều chế cầu phương (QMFS). Đáp ứng xung kênh được cho bởi (3.8) và hệ số của mỗi đường là một quá trình ngẫu nhiên Gauss phức băng hẹp WSS. Ở đây, giá trị trung bình và phổ công suất của mỗi đường được xác định duy nhất bởi môi trường truyền dẫn và các thành phần đa đường không có mối quan hệ với nhau. Trong thực tế, tín hiệu có thể đến máy thu từ bất kỳ góc tới nào. Giả sử góc tới được phân bố đồng đều giữa 0 và 2π khi sử dụng ăng ten đa hướng và phổ công suất Doppler của tín hiệu nhận được sẽ là mô hình Jakes như đã mô tả trước đó.