Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation). Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn. Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.
21
Hình 1.4. Hiện tượng truyền sóng đa đường b. Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu như trình bày ở hình 1.5. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi đó tần số Doppler của tuyến này là:
( )
= 0 n
D f cos α
c f n v
Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu αn = 0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là:
= 0
max
D, f
f cv
Che khuất
Trạm di động Truyền thẳng
Khúc xạ
Tán xạ
Phản xạ Tán xạ
Trạm gốc
22
Hình 1.5. Hàm truyền đạt của kênh
Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiềuluồng khác nhau với cường độ ngang hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Doppler được biểu diễn như sau:
Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 1.6
Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm 1974. Và được gọi là phổ Jake. Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích như sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được sẽ không nhận được ở chính xác trên tần số sóng màng f0 mà bị dịch đi cả về hai phía với độ dịch là fD,max như hình ở 1.6. Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống.
2
max
1 0
−
− f
f f A
0 Các trường hợp còn lại Nếu f0 − fD,max ≤ f ≤ f0 + fD,max
(j πf)
αyy 2 =
Vật phản
xạ
Tuyến 1
α1 v Tuyến 2
)
2(t τ
)
1(t τ
Trạm phát
23
Hình 1.6. Mật độ phổ của tín hiệu thu c. Suy hao trên đường truyền
Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu. Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác phục bằng các phương pháp điều khiển công suất.
d. Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm.
1.4.2.Kênh nhiễu cộng chuẩn trắng(AWGN–Additive White Gaussian Noise ) a. Tạp âm AWGN
Thuật ngữ tạp âm noise mô tả các tín hiệu điện không mong muốn xuất hiện trong hệ thống. Tạp âm Gaussian nói đến là tạp âm nhiệt (thermal noise), là dòng điện không mong muốn gây ra trong mạch điện dưới tác động của chuyển động nhiệt của các hạt mang điện trong mạch điện (các điện tử).
Chuyển động nhiệt ở đây là chuyển động Brown (chuyển động Bờ-rao-nơ như trong vật lý THCS các bạn được học ngay đầu môn vật lý - phần nhiệt học), chuyển
24
động này là ngẫu nhiên, cân bằng về mọi phía, là hệ quả trực tiếp của việc các điện tử nhận nhiệt năng từ môi trường và chuyển thành động năng.
b.Mô hình kênh
Hình 1.7. Mô hình tín hiệu kênh AWGN
Đây là kênh thời gian rời rạc với lối ra Y, trong đó y là tổng của đầu vào X và tiếng ồn Z.
Yi=Xi+Zi
Tiếng ồn Z mặc định là độc lập với tín hiệu vào X. Sử dụng tín hiệu 4 cấp độ đầu vào, có thể chuyển đổi các kênh gauss thành một kênh 4 cấp độ đầu vào rời rạc. Chúng ta phải chuyển đổi các kênh gauss thành một kênh nhị phân đối xứng rời rạc với xác suất chéo.
* Bộ thu tín hiệu:
Có thể chia bộ thu ra làm hai phần, một phần là bộ giải điều chế tín hiệu và một phần là bộ xác định tín hiệu như hình 1.6. Chức năng của các bộ giải điều chế tín hiệu là chuyển đổi tín hiệu nhận được r(t) thành một vector N chiều r=[r2 r2....rn ] với N là số chiều của tín hiệu truyền đi. Chức năng bộ xác định tín hiệu là xác định tín hiệu nào trong M tín hiệu đã được truyền đi dựa trên vector r.
25
Có hai cách thực hiện giải điều chế tín hiệu được xét. Cách thứ nhất dựa trên tính tương quan của tín hiệu và cách thứ hai dựa vào bộ lọc phối hợp (Matched Filter). Bộ xác định tối ưu tiếp theo bộ giải điều chế tín hiệu được thiết kế để cực tiểu hóa xác xuất sai nhầm.
Hình 1.8.Bộ thu tín hiệu c. Giới hạn kênh AWGN
Để bắt đầuvới tín hiệu được lấy mẫu, phải sử dụng các định lí lấy mẫu. Sau đó mỗi mẫu được xem xét và truyền qua một kênh gauss.Để bắt đầu, một tín hiệu hạn chế là một tín hiệu có nội dung tần số được giới hạn bên trong một băng thông W.
Áp dụng các đinh lí Nyquist hay cải thiện hơn nữa là định lí shannon. Tần số lấy mẫu là 2W hay tần số Nyquist. Thời gian lấy mẫu là T=1/F hay 1/2W.
Với Fs=2W mẫu mỗi giây thì tốc độ bit là: C=Wlog(1+P/N0W). Tốc độ truyền tối đa đạt được khi tiếng ồn càng thấp càng tốt.
d.Kênh AWGN với thông tin phản hồi
Bộ xác định Bộ giải
điều chế tín hiệu Tín hiệu
nhận được r(t)
Quyết định
26
Hình 1.9. Kênh AWGN phản hồi
Thông tin phản hồi cho phép đầu vào của kênh phụ thuộc vào các giá trị của đầu ra.
With feedback: Công suất Cn, FBbit trên một truyền thời gian khác nhau gauss kênh thông tin phản hồi.
Without feedback: Công suất Cn của các thời gian khác nhau gauss kênh mà không có thông tin phản hồi.
e.Kênh AWGN song song
Mục tiêu là để phân phối tổng số đầu vào giữa các kênh để tối đa hóa hiệu suất. Mỗi kênh song song thành phần đại diện cho một tần số khác nhau. Kênh này mô hình phụ thuộc không phải là ồn trắng. Đầu ra của mỗi kênh là tổng của các đầu vào và tiếng ồn Gaussian hình 2.4.