MÉO TUYẾN TÍNH VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
2.1.2Méo tuyến tính gây bởi kênh vô tuyến
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nhƣ đã đƣợc trình bày trong chƣơng 1, do tốc độ truyền dẫn lớn nên các loại hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn, băng rộng chủ yếu công tác trên dải sóng cực ngắn (hay vi ba) với tần số sóng mang rất lớn (> 300 MHz). Các loại kênh vô tuyến số dung lƣợng lớn, băng rộng nhƣ thế trong thực tế thƣờng bao gồm:
+ Kênh vi ba số (vô tuyến chuyển tiếp) dung lƣợng lớn nhƣ đối với các tuyến đƣờng trục (backbone);
+ Kênh vô tuyến tốc độ bít cao trong thông tin di động các thế hệ sau (từ các phiên bản sau của các hệ thống 3G hay các hệ thống 4G trong tƣơng lai rất gần);
+ Kênh thông tin vệ tinh địa tĩnh.
Một trong các đặc tính tiêu biểu của kênh vô tuyến đi qua hay đi trong bầu khí quyển gần mặt đất là hiện tƣợng pha-đinh, là sự suy lạc một cách ngẫu nhiên cƣờng độ tín hiệu tại điểm thu.
Các kênh thông tin vệ tinh với các vệ tinh địa tĩnh nằm trên quỹ đạo 36000 km tính từ bề mặt trái đất nói chung có thể xem nhƣ các kênh truyền sóng trong không gian tự do khi góc ngẩng ăng-ten đủ lớn. Đó là do phần sóng truyền qua bầu khí quyển là rất nhỏ (vài chục km) so với cự ly liên lạc từ mặt đất tới trạm chuyển tiếp vệ tinh (~36000 km). Các kênh nhƣ thế ít chịu tác động của tầng khí quyển trái đất, ngoại trừ tổn hao do mƣa, gây suy giảm mức thu tại trạm mặt đất. Các kênh thông tin vệ tinh địa tĩnh do vậy có thể xem rất tốt là các kênh có hàm truyền khá bằng phẳng trong băng tín hiệu và do vậy không làm ảnh hƣởng đáng kể tới đặc tính hàm truyền tổng cộng. Sự thăng giáng cƣờng độ tín hiệu gây bởi pha-đinh do mƣa là nhƣ nhau với tất cả các thành phần tần số trong băng tín hiệu và đƣợc gọi là pha-đinh phẳng (flat fading), không gây ra ISI và có thể bù đắp khá tốt nhờ dự trữ công suất phát và sử dụng tự động điều khiển tăng ích AGC (Automatic Gain Control).
Đối với các kênh vô tuyến chuyển tiếp số hay thông tin di động, sóng cực ngắn đƣợc truyền trong bầu khí quyển gần sát mặt đất, do vậy chịu nhiều tác động của khí quyển cũng nhƣ do tính chất của quá trình truyền tin (di động hay không di động). Các hiện tƣợng pha-đinh đối với các hệ thống nhƣ thế phức tạp hơn nhiều, là nguyên nhân chủ yếu dẫn tới méo tín hiệu, trong nhiều trƣờng hợp là cực kỳ trầm trọng. Trong chƣơng này, do vậy, chúng ta
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
chỉ tập trung xem xét tác động của pha-đinh đối với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số và các hệ thống thông tin di động số dung lƣợng lớn.
Các tác động của môi trƣờng truyền dẫn làm thay đổi các tham số đặc trƣng của sóng điện từ (biên độ, tần số và pha) tại điểm thu. Các yếu tố tác động của môi trƣờng truyền dẫn tới quá trình truyền lan sóng vô tuyến vi ba (cực ngắn) ở gần mặt đất, gây ra pha-đinh có thể tóm tắt đƣợc nhƣ sau:
+ Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nƣớc, mƣa..., sự hấp thụ này phụ thuộc vào tần số công tác, đặc biệt là trong giải tần số cao (> 10GHz).
+ Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí. Trong các trƣờng hợp cực đoan hiệu ứng này có thể làm lạc hẳn hƣớng tia sóng so với thiết kế, chẳng hạn trong trƣờng hợp có hiệu ứng ống sóng có thể xảy ra trong những vùng có vĩ độ thấp, có bề mặt nƣớc, nhiệt độ không khí thay đổi nhanh. Thông thƣờng, sự thay đổi mật độ không khí theo độ cao có xu hƣớng làm cong tia sóng lan truyền. Trong trƣờng hợp profile độ khúc xạ thay đổi lớn theo độ cao thì hiện tƣợng truyền dẫn đa đƣờng (multipath propagation) có thể xảy ra.
+ Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trong trƣờng hợp có bề mặt nƣớc và sự phản xạ sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyển, đây cũng là một yếu tố dẫn tới sự truyền dẫn đa đƣờng.
+ Sự phản xạ, nhiễu xạ sóng tại các chƣớng ngại đối với các hệ thống thông tin di động cũng gây nên hiện tƣợng truyền dẫn đa đƣờng.
Do các yếu tố kể trên, hệ số suy hao đặc trƣng cho quá trình truyền dẫn không còn là hằng số nữa nhƣ trong không gian tự do mà có thể biểu diễn đƣợc dƣới dạng:
a(t,f) = fs. A(t,f) (2.1) trong đó a(t,f) là hệ số suy hao sóng vô tuyến trong khí quyển, A(t,f)
đặc trƣng cho sự phụ thuộc của suy hao năng lƣợng sóng điện từ vào các hiện tƣợng khí quyển, fs là hệ số suy hao trong không gian tự do.
Nhƣ vậy, suy hao truyền dẫn sóng vô tuyến trong khí quyển là một hàm của biến thời gian t và tần số công tác f. Sự thay đổi theo tần số của đặc tính suy hao nhƣ thế có thể gây ra những méo không thể chấp nhận đƣợc. Mặt khác, sự biến thiên ngẫu nhiên của A(t, f) theo thời gian sẽ dẫn đến sự thăng giáng ngẫu nhiên của cƣờng độ tín hiệu tại điểm thu, tức là gây ra pha-đinh.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong biểu thức (2.1), A(t, f) do đó còn đƣợc gọi là hệ số suy hao do pha-đinh. Nói chung A(t, f) là một quá trình ngẫu nhiên. Xét một cách chặt chẽ, quá trình này là không dừng. Tuy nhiên trong nhiều trƣờng hợp thực tế, để thuận tiện cho việc khảo sát thì có thể giả thiết A(t, f) là quá trình ngẫu nhiên dừng. b) Pha-đinh do mưa, mù
Sự hấp thụ sóng vô tuyến do môi trƣờng vô tuyến thì chỉ nguy hiểm với các hệ thống có tần số công tác rất cao, cụ thể là hấp thụ do mƣa rào thực sự đáng kể với các tần số công tác lớn hơn 10 GHz còn hấp thụ do các phân tử khí và sƣơng mù chỉ có ý nghĩa với các tần số trên 20 GHz. Nhìn chung, trong các dải sóng công tác thực tế hiện nay của các hệ thống vô tuyến số mặt đất, các yếu tố hấp thụ gây bởi các phân tử khí và sƣơng mù hầu nhƣ ít có ý nghĩa và pha-đinh do hấp thụ chủ yếu gây bởi mƣa.
Sự phụ thuộc của hệ số A(t, f) gây bởi mƣa thì có dạng không đồng đều theo tần số, tần số càng lớn, A(t, f) càng lớn và chỉ đáng kể (cần tính đến) với dải tần số ≥ 7 GHz. Điều này dẫn đến các tuyến vi ba đƣờng trục thƣờng đƣợc ƣu tiên công tác ở các dải sóng ≤ 7 GHz nhằm có đƣợc cự ly chặng chuyển tiếp dài, giảm số trạm chuyển tiếp trên các tuyến rất dài. Đối với các hệ thống vô tuyến di động tế bào thì do yêu cầu bảo đảm vùng phủ với các công suất trạm khá hạn chế – nhất là công suất của trạm di động – thì tần số công tác thƣờng khá thấp, không quá 5 GHz. Tần số công tác của các hệ thống vô tuyến di động tế bào thì không quá 2 GHz với các hệ thống 1G và 2G, thƣờng không quá 2.5 GHz với hệ thống 3G đa truy nhập theo mã băng rộng WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access).
Sự biến thiên của A(t, f) gây bởi mƣa theo tần số – và do vậy tiêu hao theo tần số trên một đơn vị khoảng cách (thí dụ nhƣ tiêu hao/km) – tuy vậy, lại khá chậm. Nói một cách khác, trong độ rộng băng tín hiệu của từng hệ thống (thƣờng có thể xem là khá hẹp so với toàn dải tần thay đổi của A(t, f), ngay cả khi dung lƣợng của hệ thống rất lớn, có bề rộng phổ chiếm lên đến hàng chục MHz đối với các tuyến đƣờng trục) sự thay đổi của A(t, f) gây bởi mƣa là gần nhƣ không đáng kể. Nghĩa là pha-đinh do mƣa đối với các hệ thống vô tuyến số mặt đất – dù có dung lƣợng lớn, băng rộng – cũng có thể xem là pha-đinh phẳng, không gây méo tuyến tính tín hiệu. Cũng giống nhƣ đối với hệ thống thông tin vệ tinh, ảnh hƣởng của pha-đinh do mƣa có thể
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
khắc phục khá tốt nhờ sử dụng dự trữ công suất phát và tự động điều khiển tăng ích AGC.
c) Pha-đinh đa đường
Hiện tƣợng truyền dẫn sóng vô tuyến đa đƣờng có thể dẫn đến pha-đinh đa đƣờng (multipath fading), về vật lý, bản chất của nó là sự giao thoa của các phiên bản sóng truyền từ cùng 1 nguồn phản xạ, khúc xạ tới điểm thu theo nhiều tia sóng khác nhau. Các tia sóng tới đồng pha với nhau thì tăng cƣờng lẫn nhau còn các tia ngƣợc pha nhau thì loại trừ lẫn nhau. Khi môi trƣờng thay đổi do sự di động của các trạm di động, của các chƣớng ngại hoặc sự thay đổi của khí quyển, các tia sóng tới điểm thu sẽ thay đổi ngẫu nhiên cả về pha lẫn biên độ, cƣờng độ trƣờng tại điểm thu do vậy sẽ thăng giáng ngẫu nhiên gây ra pha-đinh.
Về mặt tần số, truyền dẫn đa đƣờng làm cho kênh có hàm truyền không bằng phẳng. Chúng ta có thể thấy đƣợc tác động của truyền dẫn đa đƣờng làm hàm truyền Hc(f) của kênh không bằng phẳng nhƣ sau.
Hình 2.2 minh họa một môi trƣờng truyền đa đƣờng, trong đó tín hiệu sóng cực ngắn do phản xạ ở các chƣớng ngại hay khúc xạ trong khí quyển tới điểm thu theo nhiều đƣờng khác nhau.
Hình 2.2 Truyền sóng đa đƣờng do khúc xạ trong khí quyển và/hoặc phản xạ từ chƣớng ngại vật (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đáp ứng xung của kênh vô tuyến nhƣ trên hình 2.2 có thể nhận đƣợc là phản ứng lối ra của kênh khi máy phát phát đi một xung Dirac (t). Do trễ khác nhau giữa các tia sóng, đáp ứng xung lối ra có thể viết theo:
1( ) ( ) ( ) ( ) N c i i i h t a t (2.2)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
trong đó N là số tia sóng, ai là hệ số tổn hao của tia thứ i còn I là độ trễ của tia thứ i.
Hàm truyền của kênh khi này là:
21 1 1 ( ) F [ ( )] i N j f c c i i H f h t a e (2.3)
Hàm truyền của kênh theo (2.3) không phải là hằng số theo f.
Nhƣ đã trình bày ở chƣơng 1, kênh vô tuyến có thể đặc trƣng đƣợc bởi độ rộng băng kết hợp (coherence bandwidth) Bc của kênh, là khoảng tần số mà trong đó hàm truyền của kênh có thể xem là bằng phẳng (flat). Một hệ thống vô tuyến số sẽ đƣợc xem nhƣ dung lƣợng lớn (băng rộng) nếu nhƣ độ rộng băng tín hiệu W của nó (tỷ lệ thuận với tốc độ dữ liệu) vƣợt quá độ rộng băng kết hợp của kênh vô tuyến giữa đầu phát và đầu thu. Pha-đinh do truyền dẫn đa đƣờng, tùy theo độ rộng băng của tín hiệu, có thể biểu lộ đặc tính pha- đinh phẳng hay pha-đinh chọn lọc theo tần số (selective fading).
+ Pha-đinh đa đường phẳng:
Trong trƣờng hợp độ rộng băng tín hiệu W đủ nhỏ, nhỏ hơn nhiều so với độ rộng băng kết hợp Bccủa kênh, khi đó hàm truyền kênh vô tuyến Hc(f) có thể xem nhƣ khá bằng phẳng trong băng tín hiệu W. Khi này pha-đinh sẽ xảy ra gần nhƣ nhau với mọi thành phần tần số của băng tín hiệu, khi đó pha- đinh đƣợc xem là phẳng. Cũng nhƣ pha-đinh phẳng do mƣa đối với các hệ thống vô tuyến số, pha-đinh đa đƣờng phẳng không gây ra ISI, tức là không gây méo tuyến tính tín hiệu và khắc phục khá dễ dàng nhờ tăng công suất phát đủ lớn và sử dụng AGC.
+ Pha-đinh đa đường chọn lọc tần số:
Khi độ rộng băng tín hiệu W lớn hơn độ rộng băng kết hợp Bc của kênh vô tuyến, hàm truyền của kênh vô tuyến Hc(f) trở nên không bằng phẳng trong băng tín hiệu W. Trong trƣờng hợp đó, hệ số tiêu hao pha-đinh sẽ không nhƣ nhau đối với mọi thành phần tần số trong băng tín hiệu, gây nên pha-đinh có tính chọn lọc đối với các vùng tần số khác nhau trong băng tín hiệu. Về mặt vật lý, điều này là do tại một thời điểm, với một số vùng tần số của băng tín hiệu thì các thành phần tần số tín hiệu của các phiên bản tín hiệu đi theo các tia khác nhau tới điểm thu thì đồng pha, tăng cƣờng lẫn nhau, còn ở vùng tần số khác thì các tia sóng này lại ngƣợc pha với nhau tại điểm thu, triệt tiêu lẫn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
nhau. Do vậy pha-đinh đƣợc gọi là pha-đinh chọn lọc theo tần số. Để thấy rõ hơn tác động gây méo của pha-đinh đa đƣờng chọn lọc tần số, chúng ta sẽ xem xét mô hình kênh tiêu biểu của các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số.
Rất nhiều đo đạc các số liệu về kênh truyền nhằm đƣa ra mô hình thích hợp của hàm phản ứng tần số (2.3). Các đo lƣờng đối với các tuyến vô tuyến chuyển tiếp số LOS là các phép đo băng rộng, đƣợc tiến hành để xác định các thành phần trễ nhiều tia bằng cách đo trực tiếp hoặc nhờ phân tích Fourier các kết quả đo về phổ. Hình vẽ 2.3 là một thí dụ kết quả đo quét băng rộng về tổn hao và trễ trong thời gian có pha-đinh đa đƣờng.
Hình 2.3 Kết quả đo băng rộng đối với truyền dẫn nhiều tia [2]
Cấu trúc của các phản ứng đã thu đƣợc thì minh hoạ rõ hơn các tác động suy giảm gây bởi pha-đinh đa đƣờng. Các cực tiểu chọn lọc theo tần số của công suất thu xảy ra cùng với các cực tiểu hoặc cực đại của méo trễ. Theo lý thuyết mạch tuyến tính, méo trễ với cực tiểu tƣơng ứng với một điều kiện pha cực tiểu còn méo trễ với cực đại tƣơng ứng với một điều kiện pha không cực tiểu. Sự chuyển pha nhƣ thế tƣơng đƣơng với việc thay hàm truyền phức
Hc(f) của kênh bằng liên hợp phức của nó và việc thay thế nhƣ vậy không làm thay đổi mô-đun của hàm truyền mà chỉ thay đổi dấu của méo trễ.
Hiện vẫn chƣa có các mô tả vật lý một cách chính xác kênh truyền trong thời gian chuyển trạng thái từ pha cực tiểu sang pha không cực tiểu. Các giải thích thuyết phục hơn cả về hiện tƣợng này thì liên quan tới sự tồn tại của ít nhất là 3 tia truyền dẫn tách biệt. Điều này giải thích cho việc trong số rất nhiều mô hình kênh pha-đinh đa đƣờng khác nhau đã đƣợc đề xuất, các mô hình kênh truyền dựa trên hàm truyền (2.3) với 3 tia là có ý nghĩa nhất. Các mô hình kênh pha-đinh nhiều tia tiêu biểu là mô hình kênh 3 tia tổng quát và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
mô hình kênh 3 tia đơn giản hoá nổi tiếng nhất và đƣợc chấp nhận sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế do Rummler đƣa ra năm 1979. Trong các mô hình này số tia thực sự đƣợc tính đến trong các biểu thức (2.3) là N = 3.
Mô hình kênh 3 tia tổng quát mặc nhận rằng trong một chặng vô tuyến chuyển tiếp luôn hiện diện một tia có biên độ tín hiệu thấp phản xạ từ bề mặt trái đất. Ảnh hƣởng của tia này có thể bỏ qua đƣợc, trừ khi các bất thƣờng của bầu khí quyển tạo thêm một tia phụ giao thoa với tia trực tiếp từ ăng-ten phát tới ăng-ten thu. Mô hình này đặc biệt điển hình đối với việc truyền sóng qua vùng có bề mặt nƣớc. Mô hình ba tia tổng quát, tuy vậy, lại không cho ra một đặc trƣng toán học đầy đủ đối với đáp ứng tần số của kênh, do đó khó áp dụng đƣợc trong các tính toán chất lƣợng hệ thống (tính toán xác suất gián đoạn liên lạc chẳng hạn).
Mô hình Rummler [2]
Từ rất nhiều số liệu quan trắc trong các năm 1977 1979, trên một chặng vô tuyến chuyển tiếp tiêu biểu, băng tần 6 GHz, khoảng cách 26.4 dặm giữa Atlanta và Palmetto, bang Georgia (Mỹ), W. D. Rummler đã đề xuất mô hình thống kê của kênh, hiện đƣợc gọi rộng rãi là mô hình kênh Rummler.