a. Pha-đinh đa đường chọn lọc tần số (selective fading)
Về cơ bản, M-QAM là sơ đồ điều chế biên độ, do vậy rất nhạy cảm với méo phi tuyến gây bởi các bộ khuếch đại công suất lớn máy phát. Khi tốc độ bít tăng mạnh do các yêu cầu tăng không ngừng của các dịch vụ mới trong mạng viễn thông, để giảm hơn nữa độ rộng băng tín hiệu cần phải sử dụng sơ đồ điều chế M-
QAM với M rất lớn, 1024 hoặc hơn. Giá trị rất lớn của M nhƣ thế lại bị hạn chế về mặt công nghệ (quan trọng nhất là sự đòi hỏi về công suất phát phải rất lớn nhằm đạt đƣợc tỷ lệ lỗi bít BER đủ nhỏ theo yêu cầu, kéo theo đòi hỏi các bộ khuếch đại công suất lớn phải rất tuyến tính, không đáp ứng đƣợc về công nghệ), vì vậy trong thực tế, M tối đa hiện có thể áp dụng là 256, thƣờng thì M = 64 đã là khá lớn. Nhƣ vậy, mặc dù đã sử dụng các sơ đồ điều chế nhiều mức để nâng cao hiệu quả phổ, về bản chất là làm giảm bề rộng phổ chiếm của tín hiệu, khi tốc độ bít cần truyền đạt tới khá lớn thì độ rộng băng tín hiệu vẫn rất lớn. Thí dụ nhƣ các hệ thống vi ba
Bộ điều chế lọc phát Bộ M.trƣờng truyền Tạp âm Nguồn symbol KĐCS Ck Bộ lọc thu san bằng Bộ k Cˆ Bộ giải điều chế KPSM KPĐH Thiết bị qu. định Nhiễu Chú giải: KPĐH = Khôi phục đồng hồ; KPSM = Khôi phục sóng mang; KĐCS = Khuếch đại công suất
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
số băng rộng đƣờng trục) tiêu biểu sử dụng sơ đồ điều chế 64-QAM, khi truyền các luồng ghép kênh cận đồng bộ PDH (Plesiosynchronous Digital Hierarchy) tốc độ cao nhất là 135 Mb/s (hệ Mỹ) hay 140 Mb/s (luồng E4 hệ châu Âu), với hệ số uốn lọc α vừa phải (để hiệu quả phổ đạt lớn, vừa dễ chế tạo và không đòi hỏi yêu cầu về đồng bộ đồng hồ quá ngặt nghèo) khoảng 0.30.35 thì bề rộng phổ chiếm sẽ vào khoảng 30 MHz, lần lƣợt đƣợc phân bổ các kênh có độ rộng băng 28 MHz (hệ Mỹ) và 29.65 MHz (hệ châu Âu) với nhiễu cận kênh ACI (Adjacent Channel Interference) vẫn còn chịu đƣợc [6].
Với độ rộng băng chiếm của tín hiệu lớn nhƣ vậy, vƣợt quá độ rộng băng kết hợp Bc của kênh vô tuyến, hàm truyền của kênh sẽ không bằng phẳng trong
băng tín hiệu nữa. Điều này sẽ dẫn tới xuyên nhiễu giữa các symbol truyền liên tiếp ISI (InterSymbol Interference). Về cơ bản, đối với các kênh vô tuyến truyền trong khí quyển gần mặt đất thì vấn đề này nảy sinh do hiện tƣợng truyền theo nhiều đƣờng khác nhau (đi thẳng hay phản xạ, khúc xạ…), do vậy tín hiệu thu tại máy thu là tổng của nhiều phiên bản tín hiệu trễ so với nhau (do đi theo nhiều đƣờng) một cách ngẫu nhiên (do môi trƣờng khí quyển thay đổi ngẫu nhiên), gây nên sự thăng giáng ngẫu nhiên của cƣờng độ trƣờng tại điểm thu, gọi là pha-đinh đa đƣờng (multipath fading). Tính chất chọn lọc theo tần số của pha-đinh đa đƣờng khi băng tín hiệu vƣợt quá Bc có thể giải thích về mặt vật lý nhƣ sau. Tại
các tần số trong băng tín hiệu mà các tín hiệu này đồng pha nhau thì chúng đƣợc cộng lại tăng cƣờng lẫn nhau, còn tại các tần số trong băng tín hiệu mà các phiên bản tín hiệu không đồng pha, thậm chí ngƣợc pha nhau thì chúng không tăng cƣờng nha, thậm chí triệt tiêu lẫn nhau. Việc truyền dẫn vô tuyến đa đƣờng đƣợc minh họa trên hình vẽ 1.6.
Hình 1.6 Truyền dẫn vô tuyến đa đƣờng
Về mặt toán học, có thể phân tích hiện tƣợng pha-đinh đa đƣờng chọn lọc tần số nhƣ sau. Gọi hàm truyền của kênh vô tuyến giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx) là Hc(f) và đáp ứng xung kênh là hc(t), Hc(f) = F[hc(t)] với F[.] là biến đổi
Bất đồng nhất trong khí quyển
Tx
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Fourier. Đáp ứng xung của kênh, theo định nghĩa là phản ứng lối ra kênh khi đầu vào là một xung Dirac (t). Giả sử tại đầu vào kênh, Tx phát đi một xung (t), do đƣợc truyền theo nhiều đƣờng với các độ dài khác nhau, xung này sẽ tới Rx với các độ trễ khác nhau i, i = 1, 2,…, N. Tín hiệu thu đƣợc tại máy thu, chính là đáp ứng xung của kênh, khi đó là:
1( ) ( ) ( ) ( ) N c i i i h t a t (1.6)
Do vậy, hàm truyền của kênh là: 2 1 ( ) i const N j f c i i H f a e (1.7)
Từ (1.7) có thể thấy rằng hàm truyền của kênh không phải là hằng số trên trục tần số mà có nhiều cực trị (tại các cực trị này, các tia sóng cộng tăng cƣờng nhau hay triệt lẫn nhau tùy theo chúng là cực đại hay cực tiểu). Có thể xem nhƣ Bc
xấp xỉ khoảng cách trung bình giữa các tần số của cực trị kế tiếp của hàm truyền kênh tại vùng tần số của dải sóng công tác. Tùy thuộc vào tính chất thống kê của các trễ truyền với các đƣờng khác nhau, Bc có thể khá lớn hoặc khá nhỏ. Trong
thực tế, nói chung số tia sóng truyền càng lớn với trễ so với nhau không quá lớn thì Bc càng nhỏ. Điều này cắt nghĩa tại sao các hệ thống khác nhau (vi ba số hay
vô tuyến di động…, với đặc điểm chƣớng ngại gây đa đƣờng khác nhau) có giá trị độ rộng băng đƣợc xem là rộng lại khá khác nhau (Bc khá khác nhau).
Do đặc tính băng thông hạn chế, chí ít là do phải chia sẻ băng tần giữa các hệ thống, việc truyền các symbol liên tiếp sẽ gây nên ISI. Đó là do đáp ứng xung của hệ thống có băng thông hạn chế sẽ trải rộng vô hạn trên miền thời gian, dẫn đến các symbol truyền liên tiếp lẫn lên nhau, gây nhiễu lẫn nhau (ISI). Việc thiết kế hệ thống có hàm truyền tổng cộng của các mạch lọc phát và thu dạng cosins nâng (nhƣ đã thấy trong các sơ đồ điều chế M-PSK hay M-QAM ở mục trƣớc) là nhằm để triệt tiêu ISI [1]. Tuy nhiên, khi có pha-đinh chọn lọc tần số, hàm truyền tổng cộng của cả hệ thống (là tích của các hàm truyền lọc phát, thu và hàm truyền kênh vô tuyến) sẽ không còn có dạng cosine nâng nữa, gây nên ISI có thể rất lớn, làm suy giảm nghiêm trọng chất lƣợng của hệ thống (tỷ lệ lỗi bít BER lớn đến không thể chấp nhận đƣợc). Hình 1.7 là các kết quả mô phỏng máy tính bằng gói phần mềm ASTRAS (Analog Simulation of TRAnsmission Systems) [2] với một hệ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
thống vi ba số 64-QAM truyền luồng E4 (140 Mb/s), α = 0.35, có pha-đinh đa đƣờng chọn lọc với độ sâu khe pha-đinh 8 dB theo mô hình kênh Rummler [9].