6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.3.2. Sự dịch chuyển Doppler và Fading chọn lọc theo thời gian
Các tham số khuếch tán thời gian được thảo luận ở trên không thể mô tả các đặc tính biến đổi thời gian của kênh. Thuộc tính này đề cập đến các đặc tính của kênh thay đổi theo thời gian, nghĩa là khi gửi cùng một tín hiệu qua kênh tại các thời điểm khác nhau, tín hiệu nhận được sẽ không giống nhau, như trong Hình 3.9. Có thể thấy rõ rằng do chuyển động của máy thu bên trong ô tô, kênh truyền không còn giống nhau ở hai thời điểm khác nhau: t và t + α.
Hình 3.9: Đặc điểm biến thiên theo thời gian của kênh vô tuyến
Hình 3.10: Sự suy giảm của kênh so với thời gian sau khi kênh biến thiên theo thời gian
Hình 3.10 minh họa cách độ suy giảm của kênh thay đổi theo thời gian dưới kênh biến thiên theo thời gian. Đặc tính biến thiên theo thời gian này có thể do chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát hoặc chuyển động của các đối tượng dọc theo đường truyền của tín hiệu [4]. Sự di chuyển tương đối giữa máy thu và máy phát cũng dẫn đến sự thay đổi tần số trung tâm của tín hiệu nhận được, dẫn đến dịch tần số bổ sung. Nghĩa là, sau khi tín hiệu đơn âm đi qua kênh fading biến thiên thời gian, tín hiệu nhận được không còn là âm đơn nữa và trở thành tín hiệu có băng thông nhất định (có cấu hình tần số nhất định), được gọi là sự mở rộng phổ của tín hiệu nhận được. Sự dịch chuyển tần số bổ sung này do chuyển động tương đối được thể hiện trong Hình 3.10 còn được gọi là dịch chuyển tần số Doppler.
Hình 3.11: Cách chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát gây ra sự dịch chuyển tần số Doppler.
Hình 3.12: kênh fading chọn lọc theo thời gian: (a) tác động của biến thiên thời gian của kênh đến tín hiệu nhận được
(b) tác động của sự dịch chuyển tần số Doppler đến tín hiệu nhận được.
Như trong Hình 3.11, nếu máy phát được cố định, máy thu di động chuyển động với tốc độ v và góc giữa hướng chuyển động của nó và sóng vô tuyến tới là θ, độ dịch tần Doppler là:
𝑓𝑑 = 𝑣
𝜆𝑐cos 𝜃 = 𝑓𝑚cos 𝜃 (3.20)
trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không, λc là bước sóng của tần số trung tâm của tín hiệu và fm là giá trị dịch chuyển Doppler cực đại giả sử θ = 0.
Sau khi đi qua kênh có dịch tần Doppler, tín hiệu truyền đơn âm có tần số f0
không còn là âm đơn nữa mà nằm trong dải (±𝑓0− 𝑓𝑚, ±𝑓0 + 𝑓𝑚), như hình 3.12. Độ dịch tần số Doppler cực đại fm tỷ lệ với vận tốc của máy thu và tần số trung tâm
của tín hiệu. Ví dụ, khi máy thu di chuyển với tốc độ 100km/h với tần số trung tâm của tín hiệu được đặt là 770MHz (tại đó tín hiệu DTTB được truyền đi), fm sẽ là 71,3Hz. Nếu máy thu chuyển động với vận tốc đi bộ 6km/h, fm sẽ là 4,3Hz.
Trong thực tế, tín hiệu có thể đến máy thu từ bất kỳ góc tới nào. Nếu một ăng- ten đa hướng được sử dụng tại máy phát và góc tới từ tín hiệu vô tuyến đến ăng-ten thu là một biến ngẫu nhiên phân bố đồng đều trong ([0; 2𝜋]), thì đối với tín hiệu truyền đơn âm, hàm mật độ phổ công suất của tín hiệu thu là:
𝑃𝑠(𝑓) = 2𝐸𝑠
𝜔𝑚√1 − (𝑓/𝑓𝑚)2 (3.21)
trong đó Es là công suất trung bình của tín hiệu nhận được, ωm = 2πfd. Hàm mật độ phổ công suất thu được ở đây là mô hình Jakes đã được thiết lập tốt. Phổ này có thể phản ánh đầy đủ sự phân bố mật độ phổ công suất của kênh phân tán tần số ra khỏi kết quả đo và là phổ công suất Doppler được chấp nhận rộng rãi cho kênh vô tuyến. Hàm tương quan kênh trong miền thời gian có thể nhận được bằng cách thực hiện phép biến đổi Fourier ngược trên Ps(f).
Sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát cũng như những thay đổi từ môi trường truyền tín hiệu sẽ dẫn đến hiệu ứng biến thiên theo thời gian của kênh vô tuyến, được gọi là fade-select time. Nhiễu chọn lọc thời gian cũng có thể gây ra méo tín hiệu vì kênh vô tuyến đã trải qua những thay đổi nhất định trong quá trình truyền tín hiệu. Giả sử thời lượng ký hiệu khá ngắn và đặc tính kênh hầu như không thay đổi trong khoảng thời gian này, tác động nhiễu chọn lọc thời gian sẽ không đáng kể. Ngược lại, nếu kênh đã trải qua những thay đổi đáng kể trong thời lượng ký hiệu dữ liệu và tác động nhiễu chọn lọc thời gian là không đáng kể, thì kênh đó là kênh fading nhanh. Tương tự như trải trễ đa đường, trải Doppler BD
được định nghĩa là độ lệch chuẩn của mật độ phổ công suất Doppler Ps(f), nghĩa là:
𝐵𝐷 = √(𝑓 − 𝐵̅)2𝑃𝑠(𝑓)𝑑𝑓
∫ 𝑃𝑠(𝑓)𝑑𝑓 (3.22)
Trải Doppler Bd được đề xuất để đo các đặc tính biến thiên thời gian của kênh vô tuyến. Khi băng thông tín hiệu Bs lớn hơn nhiều so với độ trải Doppler Bd, tức là
Bs >> Bd, tác động của nhiễu chọn lọc thời gian do dịch chuyển tần số Doppler gây ra đối với tín hiệu có thể được bỏ qua.
Trải Doppler Bd là một tham số quan trọng đặc trưng cho thuộc tính biến thiên thời gian của kênh trong miền tần số. Nếu phân tích kênh fading chọn lọc thời gian trong miền thời gian, hiệu ứng dịch tần Doppler có thể được biểu diễn bằng thời gian kết hợp kênh Tc. Thời gian kết hợp là khoảng thời gian trung bình thống kê mà trong đó đáp ứng xung của kênh không thay đổi. Thời gian cố định tỷ lệ nghịch với sự dịch chuyển tần số Doppler và được sử dụng để mô tả các đặc tính biến thiên theo thời gian của kênh phân tán tần số. Nếu thời lượng ký hiệu của tín hiệu (hoặc nghịch đảo của băng thông kênh) lớn hơn thời gian kết hợp kênh, tín hiệu truyền đi qua kênh này sẽ bị méo khi đến máy thu.
Hình 3.13: Fading chọn lọc theo thời gian của kênh vô tuyến với: (a) trải Doppler trong miền tần số
(b) thời gian kết hợp trong miền thời gian
Vì thời gian kết hợp là giá trị trung bình thống kê của khoảng thời gian mà trong đó đáp ứng xung kênh được giữ nguyên, hai hoặc nhiều tín hiệu đến máy thu trong khoảng thời gian này sẽ có mối tương quan chặt chẽ về biên độ. Thông thường, mối quan hệ của thời gian kết hợp Tc và độ dịch tần Doppler cực đại fd có thể được tính gần đúng bằng cách [6]:
𝑇𝑐 = 6
16𝜋𝑓𝑑 (3.23)
Trải Doppler Bd và thời gian kết hợp Tc là hai tham số quan trọng đại diện cho nhiễu chọn lọc thời gian được thể hiện trong Hình 3.13, thường được gọi là các tham số đặc trưng cho sự phân tán tần số kênh. Hai tham số này cùng với tốc độ dữ
liệu tín hiệu (do đó, băng thông hệ thống Bs) xác định xem tín hiệu truyền đi fading nhanh hay fading chậm.