Đánh giá một số tác động của kênh truyền lên hệ thống thông tin vô tuyến

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Giới thiệu

Chương 1 trình bày khái niệm, lịch sử phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến Các đặc tính của kênh vô tuyến như độ suy giảm, méo tín hiệu do hạn chế phổ tần và các tác động của kênh truyền như Fading, Dopple cũng được xem xét đến Ngoài ra, chương 1 cũng phân tích các yêu cầu cơ bản của hệ thống thông tin vô tuyến số để làm rõ được hệ thống hoạt động tốt khi các thông số được xác định trong giới hạn tiêu chuẩn.

Khái niệm

Thông tin vô tuyến là hệ thống truyền thông sử dụng không gian tự do làm môi trường truyền dẫn Phương pháp này bao gồm việc phát bức xạ tín hiệu thông qua sóng điện từ và thu nhận sóng từ phía phát để tách lấy tín hiệu gốc.

Mặc dù không gian tự do thường được hiểu là chân không, nhưng việc truyền sóng qua khí quyển Trái Đất vẫn được xem là truyền sóng trong không gian tự do.

Khí quyển trái đất gây tổn thất cho tín hiệu sóng vô tuyến, trong khi chân không không gặp phải vấn đề này Sóng vô tuyến không thể được lý giải hoàn toàn bằng lý thuyết, vì chúng chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như tầng đối lưu, tầng điện ly và các thiên thể như mặt trời Do đó, việc dự báo đường truyền sóng vô tuyến và khả năng liên lạc dựa trên dữ liệu lịch sử là rất quan trọng Hình 1.1 minh họa một sơ đồ khối đơn giản của hệ thống thông tin vô tuyến.

Nguồn tin Mã nguồn tin Mã kênh Điều chế

Giải điều chế Giải mã kênh

Giải nguồn tin Nhận tin

Hình 1.1 Mô tả sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống thông tin [1]

Nguồn tin là nơi sản sinh và lưu giữ tin tức, phản ánh trạng thái của đối tượng hoặc hệ thống thông qua các đại lượng vật lý như dòng điện và điện áp Tin tức nguyên thủy, bao gồm tiếng nói, hình ảnh và số đo các tham số môi trường, là hàm của thời gian và không phải là đại lượng điện Để truyền tải qua hệ thống truyền tin điện tử, tin tức cần được chuyển đổi thành tín hiệu điện theo thời gian, ký hiệu là s(t), để phản ánh nội dung ban đầu Quá trình chuyển đổi này được thực hiện nhờ các thiết bị đầu cuối như micro và camera Khi nói về nguồn tin như nơi lưu giữ, chúng ta đề cập đến các bản ghi và trang viết, được biểu diễn dưới dạng chuỗi các phần tử nhị phân nhờ vào phép định dạng.

Chất lượng tín hiệu thu được phụ thuộc phương pháp mã kênh, điều kiện kênh truyền và băng thông tín hiệu

Nguồn tin được mã hóa để loại bỏ thông tin dư thừa và sau đó mã kênh nhằm chống lại lỗi từ kênh truyền Để truyền tín hiệu xa, cần điều chế tín hiệu với các mức phù hợp với điều kiện kênh truyền Tín hiệu phát ra từ máy phát sẽ được máy thu xử lý qua các thuật toán ngược lại, dẫn đến việc tín hiệu được giải mã và thu nhận tại máy thu.

Mã hóa nguồn là quá trình nén tin nhằm giảm tốc độ bít và đáp ứng chỉ tiêu kinh tế của hệ thống thông tin, bao gồm các bước lọc, lấy mẫu, lượng tử hóa và mã hóa Các kỹ thuật mã hóa phổ biến như điều chế xung mã (PCM) và điều chế xung mã vi sai (DPCM) được sử dụng để truyền tin Trong quá trình truyền tin qua kênh liên lạc, đặc biệt là kênh vô tuyến, nhiễu có thể làm suy hao và méo thông tin, dẫn đến lỗi tại điểm thu Để phát hiện và sửa lỗi, mã chống nhiễu được áp dụng, dựa trên nguyên tắc bổ sung bít dư vào chuỗi tin tức cần truyền Mã hóa nguồn giảm độ dư thừa, trong khi mã hóa chống nhiễu tăng độ dư thừa để đảm bảo tính chính xác của thông tin.

Trong hệ thống thông tin hiện đại, các phép mã hóa nguồn, mã hóa mật và mã kênh không nhất thiết phải đồng thời tồn tại Các hệ thống thông tin số, xuất hiện trong vài thập kỷ gần đây, đã chứng minh nhiều ưu điểm vượt trội và yêu cầu các phép biến đổi này Đầu ra của bộ mã kênh là chuỗi tín hiệu nhị phân, được ký hiệu bởi véc tơ V, và tín hiệu tương ứng với V được gọi là tín hiệu băng cơ sở Tín hiệu băng cơ sở có phổ tần chủ yếu tập trung ở vùng tần số thấp và không thể truyền xa do không thích ứng với kênh truyền Do đó, tín hiệu cần trải qua quá trình điều chế, biến đổi tín hiệu nguồn s(t) thành tín hiệu dải thông Tín hiệu dải thông có phổ tần với năng lượng tập trung quanh tần số sóng mang f c, và hiện nay có nhiều phương pháp và mô hình điều chế khác nhau với các đặc tính và hiệu quả riêng biệt.

Lịch sử phát triển hệ thống thông tin vô tuyến

Lịch sử thông tin vô tuyến bắt đầu vào đầu thế kỷ 19 khi Marconi thành công trong việc liên lạc vô tuyến qua Đại Tây Dương Kenelly và Heaviside phát hiện rằng tầng điện ly có thể phản xạ sóng điện từ, mở ra kỷ nguyên thông tin vô tuyến cao tần quy mô lớn Gần 40 năm sau, thông tin vô tuyến cao tần trở thành phương thức chính, nhưng không đáp ứng đủ nhu cầu ngày càng tăng Chiến tranh thế giới thứ hai đánh dấu bước ngoặt quan trọng, dẫn đến nghiên cứu thông tin tầm nhìn thẳng sử dụng băng tần VHF Sự phát triển các linh kiện điện tử cho HF và UHF đã thúc đẩy ngành rađa, trong khi lưu lượng truyền thông gia tăng đã đưa tần số thông tin vô tuyến lên các băng tần siêu cao (SHF) và cực kỳ cao (EHF).

Vào những năm 1960, phương pháp chuyển tiếp qua vệ tinh và tán xạ qua tầng đối lưu đã được phát triển, mang lại nhiều ưu điểm như dung lượng lớn và hiệu quả kinh tế cao, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như phát thanh truyền hình, quân sự và thông tin vệ tinh Tuy nhiên, can nhiễu giữa các lĩnh vực thông tin là vấn đề không thể tránh khỏi do việc sử dụng chung không gian truyền dẫn Để giải quyết vấn đề này, các cuộc hội nghị vô tuyến quốc tế đã được tổ chức từ năm 1906, với các quy định về tần số vô tuyến được ấn định tại hội nghị ITU năm 1959 và các hội nghị tiếp theo nhằm phân bố lại dải tần số cho nhiều mục đích khác nhau Đến năm 1979, dải tần số vô tuyến đã được mở rộng từ 9 kHz đến 400 GHz, đồng thời ITU tiếp tục nghiên cứu các biện pháp giảm thiểu can nhiễu như cải thiện hướng tính anten và sử dụng phương pháp điều chế chống nhiễu Ngày nay, mặc dù có sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin khác như di động và cáp quang, thông tin vô tuyến vẫn giữ vai trò quan trọng và ngày càng được hoàn thiện với công nghệ cao, đáp ứng yêu cầu về kết cấu, truyền dẫn và bảo mật thông tin.

Các đặc tính của kênh vô tuyến

1.4.1 Suy hao kênh vô tuyến

Công suất tín hiệu ở lối vào phần thu của kênh thường có giá trị nằm trong khoảng 10 -10 đến 10 -14 W trong khi đó lại cần công suất hàng W hoặc lớn hơn ở

Để đảm bảo thiết bị cuối hoạt động tin cậy, hệ số khuếch đại của thiết bị thu cần đạt từ 10^10 đến 10^14 theo công suất hoặc từ 10^5 đến 10^7 theo điện áp Việc khuếch đại tín hiệu gặp khó khăn không chỉ do yêu cầu về hệ số khuếch đại cao mà còn bởi mức tín hiệu đầu vào cần phải so sánh được với tạp âm thăng giáng Tạp âm này lẫn vào tín hiệu, gây khó khăn trong việc tách biệt chúng.

1.4.2 Độ suy hao của kênh vô tuyến thay đổi trong phạm vi rộng

Cường độ trường điện từ tại điểm thu tỉ lệ nghịch với bình phương quãng đường sóng đi qua, dẫn đến sự thay đổi mức tín hiệu ở lối vào của kênh cần đạt 100 – 120 dB Điều này gây khó khăn trong việc duy trì mức tín hiệu ra ổn định Độ suy hao kênh biến đổi cũng làm phức tạp việc thiết lập các hệ thống thông tin duplex, tương tự như hệ thống thông tin dây dẫn với lối ra hai dây, nhất là khi tham số mang tin là biên độ, dễ dẫn đến mất ổn định và tăng khả năng tự kích Khi thông tin giữa các đối tượng cơ động sử dụng sóng cực ngắn, độ suy hao kênh thay đổi lớn do sự phụ thuộc vào địa hình Điều kiện thông tin trở nên khó khăn khi gặp các đối tượng phản xạ sóng vô tuyến, gây ra hiện tượng fading giao thoa.

1.4.3 Độ suy giảm của kênh thông tin vô tuyến

Sự thay đổi trong dải sóng ngắn rõ rệt khi thông tin được truyền tải qua các sóng phản xạ từ tầng ion Những biến đổi chậm theo chu kỳ ngày đêm của mức độ ion hóa trong các miền khác nhau của khí quyển dẫn đến các dao động tín hiệu theo thời gian Hơn nữa, việc thu nhận sóng phản xạ từ tầng ion còn bị ảnh hưởng bởi các pha tín hiệu thường xuyên và nhanh chóng do sự giao thoa của các tia đến từ những con đường khác nhau đến điểm thu.

1.4.4 Hạn chế kênh thông tin

Khả năng phát đồng thời nhiều tín hiệu trên sóng vô tuyến dựa vào phân tách tín hiệu theo tần số là rất quan trọng Tuy nhiên, việc sử dụng dải tần một cách có tổ chức gặp nhiều khó khăn, đặc biệt khi cự ly truyền sóng không bị giới hạn như sóng ngắn Trong khi đó, nhu cầu sử dụng ở một số đoạn tần số lại vượt quá dung lượng vật lý hiện có, cho thấy khả năng và sự không tránh khỏi của việc gây ra tắc nghẽn trong truyền thông vô tuyến.

Sự nhiễu lẫn nhau khi phát tín hiệu gây ra sự mất mát thông tin và tình hình trở nên tồi tệ hơn do thiết bị kỹ thuật chưa hoàn thiện Việc phát tín hiệu thường đi kèm với các bức xạ phụ, trong khi quá trình thu nhận tín hiệu lại bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ các miền tần số lớn hơn, đặc biệt khi nguồn nhiễu ở gần Ngoài ra, các nguồn nhiễu còn đến từ các quá trình tự nhiên và thiết bị điện trong công nghiệp cũng như sinh hoạt.

1.4.5 Méo tín hiệu do sự hạn chế phổ tần

Trong các hệ thống thông tin, việc hạn chế phổ rộng của tín hiệu có độ rộng hữu hạn là cần thiết, vì năng lượng của tín hiệu thường tập trung trong một dải tần hẹp Đặc biệt trong hệ thống thông tin vô tuyến, việc này còn quan trọng hơn do dung lượng dải tần hạn chế và để giảm thiểu xác suất nhiễu từ bên ngoài Do đó, kênh vô tuyến được đặc trưng bởi sự thay đổi nhanh và chậm của độ suy hao, cũng như ảnh hưởng của nhiều nguồn nhiễu từ môi trường xung quanh.

Truyền dẫn trên kênh vô tuyến

Tín hiệu băng cơ sở là tín hiệu có phổ tần năng lượng tập trung chủ yếu ở vùng tần số thấp, với tần số từ 0 đến F max Đối với tín hiệu thoại, băng tần gốc nằm trong khoảng 0.3 đến 3.4 kHz, trong khi tín hiệu truyền hình có băng tần từ 25 Hz đến 6.5 MHz Những tín hiệu này thường được tạo ra từ các nguồn thông tin không phù hợp với kênh truyền, dẫn đến việc không thể truyền đi xa do năng lượng suy giảm nhanh theo khoảng cách Để cải thiện khả năng truyền tải, tín hiệu cần được điều chế trước khi gửi đi.

Kỹ thuật điều chế

Điều chế là quá trình gắn thông tin vào sóng mang cao tần, thay đổi các thông số của sóng mang để tạo ra tín hiệu có phổ tần số cao Tín hiệu băng cơ sở, ký hiệu là s(t), được điều chế từ sóng mang x(t) = A cos(ωt + φ) Sau khi điều chế, các tham số như biên độ A, tần số ω, và pha φ sẽ thay đổi theo quy luật của tín hiệu thông tin, dẫn đến các phương pháp điều chế như điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha.

Điều chế là quá trình tăng khả năng bức xạ sóng điện từ, trong đó kích thước anten cần đạt khoảng 1/10 bước sóng của tín hiệu Khi bước sóng quá lớn, anten sẽ trở nên cồng kềnh và khó lắp đặt, do đó cần chuyển phổ tín hiệu lên tần số cao hơn để sử dụng anten có kích thước hợp lý Sóng điện từ ở dải tần số thấp dễ bị khúc xạ và nhiễu, vì vậy điều chế giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) Điều tần và điều pha có thể ảnh hưởng đến SNR và băng thông, cho phép truyền đồng thời nhiều tín hiệu mà không gây nhiễu lẫn nhau Nếu không điều chế, các trạm phát thanh sẽ can nhiễu vì chiếm băng tần tương tự Giải pháp là sử dụng các tín hiệu âm thanh khác nhau để điều chế sóng mang khác nhau, giúp dịch chuyển tín hiệu đến các tần số khác nhau và tránh nhiễu Phương pháp này là kỹ thuật ghép kênh theo tần số, trong khi ghép kênh phân chia theo thời gian thích hợp cho các tín hiệu dạng chuỗi xung.

Xét tín hiệu cao tần [6] e(t) = A c cos(ω c t + θ) (1.1)

Tín hiệu điều chế biên độ (AM) được tạo ra bằng cách biến đổi biên độ của tín hiệu e(t) thông qua tín hiệu g(t) Công thức của tín hiệu AM được biểu diễn là e AM (t) = [(A c + g(t)]cosω c t Để đơn giản hóa, ta có thể bỏ qua θ, một hằng số trong AM Những đặc điểm cơ bản của AM có thể được xác định dễ dàng khi biết tín hiệu g(t).

Xét g(t) là tín hiệu hạ tần [6]: g(t) = E m cosω m t (1.3)

Như vậy: e AM (t) = (A c +E m cosω m t)cosω c t = Ac[ 1 + (E m /A c ) cosω m t]cosω c t

Trong đó: ma = E m /A c gọi là chỉ số biến điệu e AM (t) fc -fm fc fc+fm

Hình 1.2 Dạng sóng và phổ tần của tín hiệu AM [6] Để thấy được phổ tần ta triển khai hệ thức (1.4)[6] e AM (t) = A c cosω c t + (maAc/2)cos(ω c + ω m )t + (maAc/2)cos(ω c - ω m )t (1.5)

Băng thông của tín hiệu điều chế được xác định bằng hai lần tần số của tín hiệu hạ tần và chia thành hai băng cạnh Trong điều chế biên độ, do tính chất tuyến tính, mỗi tần số của tín hiệu hạ tần sẽ tạo ra một băng thông riêng Khi tín hiệu hạ tần bao gồm nhiều tần số khác nhau, băng thông của tín hiệu biến điệu sẽ được tính toán dựa trên các tần số này.

BW = 2fm(max) với fm (max) là tần số hạ tần cao nhất

Dữ liệu số có thể được truyền qua phương pháp điều chế biên độ (AM) thông qua kỹ thuật dời biên (ASK - Amplitude Shift Keying) Trong đó, bit 1 được biểu thị bằng sóng mang có biên độ E1, trong khi bit 0 được truyền bằng sóng mang có biên độ E2 Hình 1.3 minh họa tín hiệu ASK.

Bắt đầu với sóng mang chưa điều chế [6]: e(t) = Ac cos(ω c t + θ) = A c cos Φ (t) (1.6)

Khi góc pha Φ(t) thay đổi theo tín hiệu thông tin, chúng ta có phương pháp điều chế pha (PSK: Phase-Shift Keying) được mô tả bởi phương trình: e PM(t) = A c cos[ω c t + mp g(t)], trong đó mp là độ dời pha cực đại.

Tần số tức thời cho bởi: ωi(t) = d Φ (t)/dt = ω c + mpdg(t)dt (1.8)

Nếu g(t) có dạng cosω m t thÌ.: ωi(t) = ωc – mpω m sinω m t (1.9) e PM (t) = Ac cos[ ωct - mpω m sinω m t ] (1.10)

Ta có thể xác định được băng thông của tín hiệu ΦM

BW = 2(ωm + mpω m ) rad/s (1.11) mpω m = Δωep là độ di tần tương đương của ΦM

Trong kỹ thuật dời pha các bit 1 và 0 được biểu diễn bởi các tín hiệu có cùng tần số nhưng có pha trái ngược nhau

1.6.3 Điều chế biên độ vuông góc Điều chế biên độ vuông góc (QAM: Quadrture-Amplitude-Modulated signal) là dạng điều chế số mà thông tin được chứa cả trong biên độ và pha của sóng mang được truyền Các trạng thái thường gặp của điều chế QAM là 4-QAM, 16- QAM, 64-QAM, 256-QAM

Hình 1.4 Các loại giản đồ chòm sao của QAM [6]

Giản đồ chòm sao, như hình 1.4, thể hiện chất lượng và sự méo của tín hiệu số, nhưng trong thực tế, có nhiều lỗi điều chế có thể gây khó khăn cho việc phân tích và nhận diện Biên độ phản ánh sự khác biệt về hệ số khuếch đại giữa thành phần I và Q của tín hiệu, trong khi lỗi pha là sự chênh lệch giữa góc pha của hai thành phần này so với 90 độ Mỗi lỗi pha xuất hiện do sự dịch pha trong điều chế I/Q, dẫn đến việc các thành phần I và Q không còn trực giao sau khi giải điều chế.

Nhiễu là tín hiệu giả sin xuất hiện trong tần số truyền và được thêm vào tín hiệu QAM ở một số điểm trong đường truyền Sau khi giải điều chế, nhiễu này nằm trong băng cơ sở của tín hiệu tần số thấp Tần số của nhiễu phù hợp với sự khác biệt giữa tần số nhiễu sin gốc và tần số sóng mang trong băng RF Trong giản đồ chòm sao, nhiễu thể hiện qua sự xoay vòng của các điểm sao tại mỗi trạng thái tín hiệu, cho thấy hướng dịch chuyển so với các trạng thái lý tưởng Nhiễu Gausse có thể làm ảnh hưởng đến tín hiệu điều chế số trong quá trình truyền, với mật độ công suất xác định và phân bố biên độ Gausse trên băng thông của kênh Tại một điểm không có nhiễu khác, trạng thái lý tưởng sẽ xuất hiện như hình đám mây vòng tròn Điều chế QAM sử dụng hai sóng mang vuông góc, cos2πƒct và sin2πƒct, mỗi sóng mang được điều chế bởi một chuỗi bít thông tin độc lập.

U m(t) = A mcgT (t) cos2πƒc t + A msgT (t) sin2πƒc t {m=1,2, ,M } (1.12) mô tả tín hiệu được tạo ra từ các mức biên độ {A mc} và {A ms}, được ánh xạ từ các chuỗi k bít thành biên độ tín hiệu.

Các giản đồ hình sao tín hiệu hình vuông được tạo ra từ việc điều chế hai sóng mang bằng PAM, cho thấy sự kết hợp giữa điều chế biên độ số và điều chế pha số Do đó, tín hiệu QAM có thể được biểu diễn thông qua các dạng sóng khác nhau.

Trong quá trình truyền dẫn tín hiệu QAM, một lượng dịch pha sóng mang được đưa vào, dẫn đến tín hiệu thu được bị nhiễu loạn bởi tạp âm cộng Gausse Tín hiệu r(t) có thể được biểu diễn dưới dạng R(t) = A mcgT (t) cos(2πƒct + Φ) + AmcgT (t) sin(2πƒ ct + Φ) + n(t), trong đó Φ là lượng dịch pha và n(t) = nc(t) cos2πƒct – nssin2πƒct Tín hiệu thu được có tính tương quan với hai hàm cơ sở trực giao đã được dịch pha ψ1(t) = gT (t) cos(2πƒct + Φ) và ψ2(t) = gT (t) sin(2πƒct + Φ).

Biến đổi nối tiếp – song song

Bộ lọc phát g(t) Điều chế cân bằng

Bộ lọc phát g(t) Điều chế cân bằng

Hình 1.5 Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM

Các bộ tương quan được lấy mẫu và chuyển đến bộ tách tín hiệu, trong đó mạch vòng khóa pha ước lượng lượng dịch pha sóng mang Φ của tín hiệu thu được Để bù lượng dịch pha này, các tín hiệu ψ1(t) và ψ2(t) được dịch pha như đã chỉ ra trong (1.15) Đồng hồ giả thiết đồng bộ với tín hiệu thu được, đảm bảo các lối ra của bộ tương quan được lấy mẫu tại thời điểm chính xác Dưới các điều kiện này, các lối ra từ hai bộ tương quan được biểu diễn như sau: r C = A mc + n c cosΦ – n s sinΦ và r S = A mc + n c sinΦ – n s cosΦ (1.16), với n c và n s được tính theo công thức đã nêu.

2∫ n 0 T s (t)g T (t)dt (1.17) Các thành phần ồn là các biến ngẫu nhiên Gausse không tương quan, trung bình 0 và varian N0 /2 Bộ tách tín hiệu tối ưu tính các metric khoảng cách

Tín hiệu QAM kết hợp điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK, mang những đặc điểm của cả hai phương pháp này Khi số mức biên độ hoặc pha tăng, khả năng mang thông tin cũng tăng, nhưng bị giới hạn bởi nhiễu kênh truyền Sự gia tăng số mức cũng làm tăng độ phức tạp trong mạch điều chế và giải điều chế Với điều chế n-PSK, sóng mang có khả năng truyền đồng thời N bít thông tin, yêu cầu số lượng pha là 2n, làm giảm độ lệch giữa các pha kế tiếp nhanh chóng Đối với hệ thống truyền thông sử dụng hơn 4 bit, điều chế QAM thường được ưa chuộng hơn PSK do xác suất lỗi thấp hơn và khả năng kháng nhiễu tốt hơn.

Hình 1.6 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM [6]

Xác suất xác định sai tín hiệu QAM được mô tả bằng phương trình um(t) = A mcgT (t) cos2πƒct + A msgT (t) sin2πƒct trong khoảng thời gian 0 ≤ t ≤ T Trong đó, A mc và A ms là biên độ của các thành phần vuông góc, và g(t) là tín hiệu xung Để xác định xác suất xác định sai tín hiệu QAM, cần phân tích các điểm tín hiệu, bắt đầu với tín hiệu QAM có M=4 điểm Hình 1.7 minh họa hai tập hợp bốn điểm tín hiệu, bao gồm tín hiệu điều chế pha bốn mức và tín hiệu QAM hai mức biên độ, ký hiệu là A1 và A2 với bốn giá trị pha Xác suất xác định lỗi phụ thuộc vào khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm tín hiệu, được xác định là d(e)min = 2A cho cả hai loại tín hiệu Công suất trung bình của tín hiệu phát đi với tín hiệu bốn mức là đồng xác suất giữa tất cả các tín hiệu.

Với tín hiệu có hai mức biên độ, bốn mức pha, các điểm tín hiệu nằm trên hai đường tròn bán kính A, 3 A và d(e)min *, ta có:

Sự phân chia tài nguyên vô tuyến

Thông tin vô tuyến sử dụng sóng điện từ để truyền tải thông tin đi xa Môi trường truyền sóng, bao gồm khí quyển, vũ trụ, nước và các lớp địa chất, là yếu tố chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến Việc phân kênh thông tin chủ yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số.

Tần số cực kỳ thấp (ELF - Extremely Low Frequencies) nằm trong khoảng 30 đến 300 Hz, bao gồm cả tần số điện lưới AC và các tín hiệu đo lường từ xa tần thấp.

Các tần số tiếng nói (VF - Voice Frequencies) Có giá trị trong phạm vi 300

Hz ÷3 kHz, chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn

Tần số rất thấp (VLF - Very Low Frequencies) nằm trong khoảng 3÷30 kHz, bao gồm phần cao của dải tần nghe được của tiếng nói Tần số này được ứng dụng trong các hệ thống an ninh, quân sự và các công nghệ chuyên dụng của chính phủ.

Các tần số thấp (LF - Low Frequencies) Có giá trị trong phạm vi 30÷300 kHz (thường gọi là sóng dài), dùng cho dẫn đường hàng hải, hàng không

Tần số trung bình (MF - Medium Frequencies) nằm trong khoảng 300 kHz đến 3 MHz, thường được gọi là sóng trung Tần số này chủ yếu được sử dụng cho phát thanh thương mại trong dải sóng từ 535 đến 1605 kHz, cũng như cho dẫn đường hàng hải và hàng không.

Tần số cao (HF - High Frequencies) nằm trong khoảng 3 đến 30 MHz, thường được gọi là sóng ngắn Dải tần số này chủ yếu được sử dụng cho thông tin vô tuyến hai chiều, phục vụ cho liên lạc xuyên lục địa, hàng hải, hàng không, cũng như phát thanh quảng bá và nghiệp dư.

Tần số rất cao (VHF - Very High Frequencies) nằm trong khoảng 30 đến 300 MHz, còn được gọi là sóng mét Tần số này thường được sử dụng cho các ứng dụng như vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM, cũng như truyền hình thương mại từ kênh 2 trở lên.

12 với tần số từ 54 MHz đến 216 MHz)[3]

Tần số cực cao (UHF - UltraHigh Frequencies) nằm trong khoảng từ 300 MHz đến 3 GHz, được sử dụng cho các kênh truyền hình thương mại, dịch vụ thông tin di động mặt đất, một số hệ thống radar và dẫn đường, cũng như các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh.

Tần số siêu cao (SHF - Super High Frequencies) nằm trong khoảng 3 đến 30 GHz, thường được gọi là sóng centimet Tần số này chủ yếu được sử dụng trong công nghệ vi ba và truyền thông vệ tinh.

Các tần số cực kì cao (EHF - Extremely High Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 30÷300 GHz (còn gọi là sóng mi li mét), ít sử dụng

Tần số hồng ngoại nằm trong khoảng 0,3 THz đến 300 THz, và thường không được coi là sóng vô tuyến Tần số này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống dẫn đường, tìm kiếm nhiệt, chụp ảnh điện tử và trong lĩnh vực thiên văn học.

Các ánh sáng nhìn thấy Có giá trị trong phạm vi 0,3 PHz÷3 PHz, dùng trong hệ thống sợi quang

Các tia cực tím, tia X, tia gamma, tia vũ trụ Rất ít sử dụng cho thông tin

Dải sóng từ 3MHz đến 30MHz được gọi là thông tin cao tần, nơi sóng điện từ bị khúc xạ và nhiễu xạ, đồng thời chịu ảnh hưởng của tạp âm công nghiệp và khí quyển Mặc dù băng tần hẹp, nhưng có nhiều thiết bị hoạt động trong dải sóng này, với mỗi thiết bị chỉ được phân bổ một dải tần nhỏ Do đó, yêu cầu đặt ra là thiết bị cần có tần số làm việc ổn định và khả năng hoạt động hiệu quả trong toàn bộ dải tần, nhằm tìm ra tần số tối ưu nhất Dải sóng này thích hợp cho việc truyền tín hiệu thoại đơn kênh, tổ chức thông tin đơn công, và truyền số liệu với tốc độ thấp mà không cần tách ghép kênh.

1.7.3 Thông tin siêu cao tần

Dải tần số từ 30MHz đến 30GHz được gọi là thông tin siêu cao tần, mang lại nhiều ưu điểm nhờ vào bề rộng dải tần Nó cho phép truyền tải tín hiệu đa dạng, bao gồm thoại nhiều kênh, truyền hình và dữ liệu với tốc độ cao, đồng thời hỗ trợ tổ chức thông tin song công hiệu quả.

Sử dụng điều chế tần số và điều pha giúp khắc phục ảnh hưởng của điều biên kí sinh, đồng thời cải thiện hiệu suất và độ bảo mật Anten có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt và tiết kiệm năng lượng, đồng thời giảm thiểu tác động của tạp âm công nghiệp và tạp âm khí quyển.

Dải sóng siêu cao tần có nhược điểm là tín hiệu suy giảm nhanh trong quá trình truyền, dẫn đến tín hiệu đến anten thu rất nhỏ, yêu cầu máy thu cần độ nhạy cao Phương thức truyền sóng trực tiếp từ anten phát đến anten thu cần đảm bảo không có vật chắn giữa hai anten để đảm bảo thông tin được truyền tải chính xác Sóng siêu cao tần cũng sử dụng sóng phản xạ từ mặt đất và tầng đối lưu để cải thiện khả năng truyền tải.

Sóng siêu cao tần truyền thẳng gọi là ‘Vô tuyến trong tầm nhìn thẳng’ hay ‘

Vô tuyến trực thị bị hạn chế bởi bề mặt quả đất cong và địa hình phức tạp, khiến khoảng cách nhìn thấy trực tiếp chỉ dưới 50 km Để thiết kế các tuyến thông tin hiệu quả, cần tổ chức các trạm trung gian để thu phát và chuyển tiếp tín hiệu, được gọi là vô tuyến chuyển tiếp hoặc vô tuyến tiếp sức.

Hiện nay gọi là thông tin viba Thông tin viba theo nghĩa rộng gồm thông tin vệ tinh, thông tin di động, thông tin viba mặt đất

Các yêu cầu cơ bản của hệ thống thông tin vô tuyến số

Tốc độ truyền tin: Truyền tin nhanh là một yêu cầu của mọi hệ thống truyền tin, nó được đặc trưng bằng tốc độ truyền tin, ký hiệu R[bít/s]

Tốc độ truyền tin phụ thuộc vào tốc độ sản sinh tín hiệu của nguồn, mức độ tạp nhiễu trên kênh truyền và dải thông của kênh Hệ thống ADSL có tốc độ truyền tin từ 1.5–8 Mbps cho luồng xuống và 1.544 Mbps cho luồng lên Trong khi đó, tốc độ truyền tin của Wifi có thể đạt tới 1730 Mb/s, hoạt động tại băng tần 5GHz, với một số mức thấp hơn như 450 Mb/s và 900 Mb/s tương ứng với số luồng truyền dữ liệu ít hơn.

Dải thông kênh truyền là khoảng tần số cho phép tín hiệu truyền qua với một độ tin cậy hợp lý

Dung lượng kênh: là tốc độ truyền cực đại với xác suất lỗi gần như tới không

Dung lượng kênh truyền C được xác định bởi công thức C = R max và phụ thuộc vào bản chất vật lý của kênh truyền cũng như các kỹ thuật điều chế và giải điều chế tiên tiến Để đảm bảo độ chính xác trong truyền tải, hệ thống cần có khả năng chống nhiễu, được đo bằng tỷ lệ lỗi bít (BER), tức là tỷ số giữa số bít nhận bị lỗi và tổng số bít đã truyền trong một khoảng thời gian nhất định Các hệ thống khác nhau có yêu cầu về BER khác nhau Tham số SNR (Tỷ số Công suất Tín hiệu trên Tạp âm) là tỷ lệ giữa công suất tín hiệu và công suất tạp âm, và thường giảm khi công suất tín hiệu suy giảm cùng với sự gia tăng của công suất tạp âm.

An toàn thông tin là yêu cầu thiết yếu đối với mọi hệ thống thông tin, đòi hỏi phải có các biện pháp bảo vệ ở nhiều mức độ khác nhau Điều này bao gồm việc sử dụng mật mã, kiểm soát quyền truy cập và khả năng phòng chống virus để đảm bảo an toàn cho người dùng.

Độ tin cậy của hệ thống kỹ thuật là khả năng hoàn thành nhiệm vụ và duy trì các tham số kỹ thuật trong giới hạn cho phép Nó được đặc trưng bởi các chỉ tiêu như tính ít hỏng, thuận lợi trong khai thác sử dụng và tuổi thọ cao.

Tính kinh tế là yếu tố quan trọng trong hoạt động của con người, vừa là mục đích vừa là điều kiện Xu hướng hiện nay của các hệ thống thông tin là cung cấp dịch vụ chất lượng cao với chi phí ngày càng thấp Tuy nhiên, cần lưu ý rằng luôn tồn tại mối quan hệ tương ứng giữa giá cả và chất lượng của thiết bị và dịch vụ.

Kết luận

Chương 1 đã khái quát được những đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin vô tuyến bao gồm khái niệm, lịch sử phát triển, các đặc tính của kênh vô tuyến, các băng tần Ngoài ra, chương 1cũng cho biết truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông, điều chế, sự phân chia tài nguyên vô tuyến, điều chế Chương 1 là nền tảng cho các chương tiếp theo nhằm tìm hiểu sâu hơn về hệ thống thông tin vô tuyến.

LÝ THUYẾT VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Giới thiệu

Chương 2 trình bày lý thuyết về kênh vô tuyến; khái niệm về kênh phụ thuộc thời gian, kênh không phụ thuộc thời gian; bề rộng độ ổn định về thời gian, bề rộng độ ổn định về tần số Ngoài ra các tác động của kênh vô tuyến như hiện tượng Dopler, méo tuyến tính và phi tuyến, nhiễu xuyên ký tự, nhiễu xuyên kênh, nhiễu đồng kênh, nhiễu đa truy nhập và các giải pháp khắc phục nhiễu

Kênh không phụ thuộc thời gian

Kênh không phụ thuộc thời gian là kênh truyền dẫn trong trường hợp không có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát

Bản chất của hiện tượng này là cả đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian.[2]

2.2.2 Đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian Đáp ứng xung là dãy xung thu được ở máy thu khi máy phát phát đi một dãy xung cực ngắn gọi là xung Dirac

(2.2) Đáp ứng của kênh không phụ thuộc thời gian được định nghĩa:

Trong đó: K=1 đến N p là chỉ số của tuyến truyền dẫn

N p là số tuyến truyền dẫn h (τ)là đáp ứng xung của kênh và τ là trễ truyền dẫn, ak là hệ số suy hao tương ứng với tuyến k

Hàm truyền đạt của kênh phụ thuộc thời gian [2]:

(2.4) Như vậy, cả đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh trong trường hợp này đều không phụ thuộc thời gian.

Bề rộng độ ổn định về tần số của kênh

Bề rộng độ ổn định về tần số được xác định theo công thức: max

Với τ max là trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

Kênh được xác định bởi băng tần B k Nếu độ rộng tần số ∆f c lớn hơn nhiều so với B k, kênh sẽ được coi là không phụ thuộc tần số Ngược lại, nếu ∆f c nhỏ hơn nhiều so với B k, kênh sẽ được xem là phụ thuộc tần số.

Hiệu ứng Doppler và kênh phụ thuộc thời gian

Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tín hiệu phát ra, do chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu trong quá trình truyền sóng Khi một sóng mang không bị điều chế có tần số fc được phát tới máy thu di động với vận tốc v, tần số nhận được tại máy thu theo tia sóng thứ i được tính bằng f = fc + fm.cosαi, với αi là góc tới của tia sóng so với hướng chuyển động của máy thu và fm là lượng dịch tần Doppler, được xác định bởi công thức fm = v.fc/c, trong đó c là vận tốc ánh sáng Tần số tín hiệu thu chỉ giữ nguyên so với tần số phát ra khi máy thu đứng yên (v=0) hoặc khi máy thu chuyển động vuông góc với hướng tới của tín hiệu (cosαi = 0).

Hiệu ứng Doppler xảy ra mạnh nhất khi máy thu di động theo tia sóng tới, thường gặp trong thông tin di động khi máy thu trên xe di chuyển trên các xạ lộ Các ăng-ten trạm phát được bố trí dọc theo xạ lộ, ví dụ như gắn trên các cầu vượt Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler phụ thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu cũng như tốc độ truyền sóng Độ dịch Doppler có thể được tính theo công thức: f c f m   c .

Trong đó  f mlà khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu

 là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát fclà tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng

Sự dịch tần số có tác động lớn đến sự đồng bộ của các hệ thống, chẳng hạn như hệ thống OFDM, và tạo ra sự phụ thuộc vào thời gian của kênh Đáp ứng xung được thể hiện qua công thức 2.7.

Hàm truyền đạt của kênh là quá trình xác suất phụ thuộc vào thời gian và tần số, với tín hiệu có thể cao ở một tần số nhưng thấp ở tần số khác Tín hiệu cũng có thể thay đổi theo thời gian, với những lúc cao và lúc thấp Phương trình liên quan có thêm thành phần thời gian tuyệt đối t và tần số Doppler f Dk Cần phân biệt rõ giữa thời gian tuyệt đối và độ trễ truyền dẫn của kênh; trong đó, độ trễ truyền dẫn liên quan đến độ dài tuyến truyền dẫn và vận tốc ánh sáng, là hiệu số giữa thời điểm nhận và phát tín hiệu, trong khi thời gian tuyệt đối liên quan đến thời gian quan sát kênh.

Bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh

Để đánh giá sự phụ thuộc vào thời gian của kênh, Proakis đã định nghĩa bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh, một đại lượng quan trọng trong lĩnh vực truyền thông.

Kết quả phân tích kênh vô tuyến phụ thuộc vào sự so sánh giữa bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh và độ dài mẫu tín hiệu Nếu bề rộng độ ổn định lớn hơn độ dài mẫu, kênh sẽ được xác định là kênh phụ thuộc vào thời gian.

Nếu bề rộng sự ổn định về thời gian của kênh lớn hơn nhiều so với độ dài mẫu tín hiệu của hệ thống (∆t >> T s), kênh truyền dẫn được coi là không phụ thuộc thời gian Ngược lại, khi (∆t >1, giá trị trung bình của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gauss

2.8 Ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống vô tuyến

Sự khác biệt chính giữa kênh vô tuyến và hữu tuyến nằm ở lượng công suất truyền đến máy thu Khi sử dụng ăng-ten đẳng hướng, năng lượng tín hiệu truyền lan tỏa trên mặt các hình cầu, dẫn đến năng lượng nhận được tại ăng-ten thu tỷ lệ nghịch với diện tích bề mặt cầu (4πd²) Suy hao tín hiệu có thể được tính toán bằng công thức lan truyền không gian tự do.

Công suất thu (P r) và công suất nhận (P t) liên quan đến chiều dài bước sóng (λ) trong hệ thống ăng-ten Khi ăng-ten hướng tính được sử dụng cho cả máy phát và máy thu, nó sẽ tạo ra độ lợi đáng kể.

Công suất nhận G t và G r có thể tăng lên nhờ vào độ lợi của ăng-ten Theo công thức λ=c/f c, công suất nhận sẽ giảm theo bình phương tần số sóng mang Điều này có nghĩa là với công suất phát cố định, sẽ xảy ra suy giảm khi tần số tăng, ảnh hưởng lớn đến các hệ thống có tốc độ dữ liệu cao.

25 Để tính toán chính xác, người ta thường dùng công thức kinh nghiệm sau đây để tính toán cho suy hao của kênh kinh nghiệm [6]:

Trong công thức (2.24), ba thành phần quan trọng là P0, d0 và α P0 đại diện cho công suất suy hao đo được tại khoảng cách tham chiếu d0, thường được chọn là 1m, và thường xấp xỉ vài dB α là số mũ suy hao, được cung cấp trong bảng.

Hình 2.4 Mô hình truyền sóng trong không gian tự do[6] d Để khắc phục được nhiễu do sự suy hao đường truyền này thì cần chú ý những điều sau:

 Chiều cao của ăng-ten phải được tính đến là có chiều cao phù hợp

 Tần số sóng mang sử dụng

 Khoảng cách giữa hai ăng-ten phát và thu

Suy hao ảnh hưởng đến công suất máy thu liên quan đến khoảng cách giữa máy phát và máy thu, nhưng còn nhiều yếu tố khác cũng tác động lớn đến tổng công suất thu được Cây cối và nhà cửa có thể cản trở tín hiệu giữa hai thiết bị, gây ra suy giảm tạm thời cường độ tín hiệu Hiện tượng này, được gọi là che chắn, dẫn đến công suất thu bất thường, như minh họa trong hình 2.5 [6].

26 Đường truyền bị che chắn

Hình 2.5 Hiện tượng che chắn trên đường truyền tín hiệu[6]

Trong một vùng có phạm vi nhỏ, hiện tượng suy hao đường truyền và che chắn không đáng kể, cho phép duy trì chất lượng tín hiệu thu tại máy thu mà không bị ảnh hưởng.

2.8.3 Tạp âm cộng trắng chuẩn AWGN (Additive White Gaussian Noise)

Tạp âm cộng trắng chuẩn là một loại tín hiệu có mật độ phổ công suất không đổi trên toàn bộ dải tần, với hàm mật độ xác suất theo phân bố Gauss Tín hiệu thu được có thể được biểu diễn bằng công thức y(t) = x(t) * h(τ) + n(t), trong đó h(τ) là hàm đáp ứng xung.

Tín hiệu phát Tín hiệu thu n(t) x(t) y(t)

Hình 2.6 Môi truờng truyền dẫn với sự có mặt của AWGN [2]

Nguồn tạp âm cộng trắng chuẩn n(t) có thể được mô hình hóa bằng một biến xác suất Gauss, với giá trị kỳ vọng μ = 0 và độ lệch chuẩn σ².

Độ lệch chuẩn của biến ngẫu nhiên k bằng phương sai khi kỳ vọng bằng không, trong khi tạp âm cộng trắng chuẩn có công suất không đổi 𝜎² Về lý thuyết, tạp âm này có băng tần vô hạn và công suất nhiễu đồng đều ở mọi tần số Tuy nhiên, trong thực tế, không có hệ thống nào có băng tần vô hạn; do đó, mật độ phổ công suất của nhiễu cũng bị giới hạn.

Mật độ phổ công suất nhiễu được thể hiện trong hình 2.7, giả sử hệ thống có băng tần giới hạn B = 2ωg và chu kỳ lấy mẫu là ta Công thức mô tả mật độ công suất của nhiễu được trình bày rõ ràng trong tài liệu.

Tất cả các biến ngẫu nhiên không có phép biến đổi Fourier, mà chỉ có hàm tự tương quan và hàm mật độ công suất Trong đó, hàm mật độ công suất là phép biến đổi Furie của hàm tự tương quan Theo phương trình, Ф nn(jω) đại diện cho hàm mật độ công suất nhiễu, trong khi  nn(τ) là hàm tự tương quan của nhiễu, được định nghĩa theo tài liệu [2].

Hàm tự tương quan được định nghĩa bởi phương trình nn() = E[n(t)n(t+ )] =  si 2  g (2.28), cho thấy mối liên hệ giữa các giá trị tại các thời điểm khác nhau Theo lý thuyết, hàm tự tương quan là kết quả của biến đổi Furie ngược từ hàm mật độ phổ công suất Với hình dạng hình chữ nhật của hàm mật độ phổ công suất như được mô tả ở hình 2.7, kết quả của biến đổi Furie ngược này sẽ cho ra hàm số Si().

2.8.4 Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference)

Trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu xuyên ký tự (ISI) do tín hiệu phản xạ với thời gian trễ khác nhau từ nhiều hướng là điều không thể tránh khỏi Hiện tượng này dẫn đến sự biến dạng hoàn toàn của mẫu tín hiệu, khiến cho bên thu không thể khôi phục tín hiệu gốc ban đầu.

Kỹ thuật trải phổ trực tiếp DS-CDMA, như trong chuẩn 802.11b, dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường do thời gian trễ có thể vượt quá thời gian của một ký tự Ngược lại, OFDM sử dụng truyền song song nhiều băng tần con, kéo dài thời gian truyền ký tự và chèn khoảng bảo vệ (guard interval - GI) lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giúp loại bỏ hoàn toàn nhiễu ISI Nhiễu xuyên ký tự (ISI) xảy ra do hiệu ứng đa đường, khi tín hiệu đến muộn gây ảnh hưởng đến ký hiệu trước đó Nếu các xung không được lọc đúng cách, chúng sẽ trải ra trên miền thời gian, dẫn đến nhiễu giữa các ký hiệu.

2.8.5 Nhiễu liên kênh ICI (Inter Channel Interference)

Nhiễu xuyên kênh gây ra do các thiết bị phát trên các kênh liền nhau

Fading và các giải pháp khắc phục

Trong hệ thống thông tin vô tuyến, sóng bức xạ điện từ thường không được truyền trực tiếp đến anten thu do sự hiện diện của các vật cản giữa nơi phát và nơi thu Kết quả là, sóng nhận được là sự chồng chập của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau, bị ảnh hưởng bởi hiện tượng phản xạ, khúc xạ và tán xạ từ các công trình, cây cối và các vật thể khác.

Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một bề mặt phẳng có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng của tín hiệu tần số vô tuyến.

Nhiễu xạ xảy ra khi sóng bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn hơn bước sóng, gây ảnh hưởng đến đường truyền giữa thiết bị phát và thu.

Tán xạ là hiện tượng xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một bề mặt lớn và gồ ghề, dẫn đến việc năng lượng bị phân tán hoặc phản xạ ra mọi hướng.

Tín hiệu tại máy thu là tổng hợp từ các tín hiệu nhận được từ nhiều tuyến truyền dẫn khác nhau, mỗi tuyến có tần số riêng biệt Dù máy phát phát đi hai tín hiệu cùng biên độ, tín hiệu thu được ở mỗi tần số vẫn khác nhau, hiện tượng này được gọi là truyền sóng đa đường (Multipath propagation) Kênh truyền dẫn đa đường gây ra hiệu ứng fading, một hiện tượng sai lệch tín hiệu bất thường trong các hệ thống vô tuyến, do ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn Các yếu tố gây fading trong hệ thống vô tuyến mặt đất bao gồm nhiều yếu tố từ môi trường xung quanh.

Sự hấp thụ của các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết và sương mù phụ thuộc vào dải tần số, đặc biệt là dải tần cao trên 10 GHz.

Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt là từ bề mặt nước, cùng với sự phản xạ sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyển, đóng vai trò quan trọng trong việc truyền lan đa đường.

 Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn

 Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật đô không khí

Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ của sóng điện từ từ các chướng ngại vật trên đường truyền gây ra hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu Tín hiệu nhận được là tổng hợp của nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường khác nhau Hiện tượng này có vai trò đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực thông tin.

Fading được phân thành 4 loại:[2]

Fading phẳng xuất hiện trong các hệ thống vô tuyến số có dung lượng nhỏ và vừa, khi băng tần tín hiệu hẹp Hiện tượng này xảy ra do sự truyền dẫn đa đường và ảnh hưởng của mưa, dẫn đến pha ding phẳng, với ∆t lớn hơn nhiều so với Ts.

Fading lựa chọn tần số: Các hệ thống vô tuyến số dung lượng tương đối cao

Tốc độ truyền dữ liệu vượt quá 70Mb/s với băng tần tín hiệu rộng cho thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của suy hao Fading đa đường, được gọi là Fading chọn lọc tần số, phụ thuộc vào tần số trong suốt độ rộng băng tín hiệu.

Fading chậm là hiện tượng suy giảm tín hiệu do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, xảy ra chủ yếu ở khoảng cách lớn, dẫn đến tốc độ biến đổi tín hiệu chậm Sự không ổn định cường độ tín hiệu này được gọi là suy hao chậm, và vì vậy, hiện tượng này được định nghĩa là fading chậm (slow fading).

Fading nhanh xảy ra do sự di chuyển tương đối giữa máy thu và máy phát, cùng với sự di chuyển của các đối tượng trong kênh truyền vô tuyến di động Khi tốc độ di chuyển này gia tăng, tần số Doppler cũng tăng, dẫn đến sự thay đổi nhanh chóng của kênh truyền Đối với các hệ thống viba số có dung lượng nhỏ và vừa, fading đa đường có thể được xem là fading phẳng và có thể được khắc phục bằng cách dự trữ fading phẳng đủ lớn Tuy nhiên, việc tăng công suất phát trong các hệ thống dung lượng lớn không giải quyết được vấn đề méo do fading nhiều tia chọn lọc theo tần số Do đó, cần sử dụng mạch san bằng thích nghi để hạn chế méo do fading, nhưng chỉ riêng biện pháp này không đủ để loại bỏ nhiễu và đảm bảo chất lượng cũng như độ tin cậy của tuyến Vì vậy, trong các hệ thống viba số, các biện pháp bổ trợ như phân tập không gian, phân tập tần số và chuyển mạch bảo vệ thường được áp dụng.

2.9.1 Phân tập theo không gian

Phân tập theo không gian là kỹ thuật thu hoặc phát tín hiệu qua hai hoặc nhiều anten ở cùng một tần số vô tuyến f Khoảng cách giữa các anten phát và thu được thiết lập sao cho các tín hiệu thu được không có sự tương quan, tức là hệ số tương quan bằng không Tuy nhiên, trong thực tế, giá trị này khó có thể đạt được bằng không, vì vậy người ta đã phát triển một công thức bán kinh nghiệm để biểu thị hệ số tương quan không gian dựa trên khoảng cách trục đứng.

Trong đó s: khoảng cách giữa 2 tâm của an ten [m] f: Tần số sóng vô tuyến [GHz] d: Độ dài tuyến [km]

Trong biểu thức (2.30) bỏ qua sóng phản xạ đất

Theo khuyến nghị 376-4 của CCIR [1], người ta chọn khoảng cách giữa các anten sao cho hệ số tương quan không gian không vượt quá 0,6

Hệ số này có thể được áp dụng làm ngưỡng cho việc sử dụng phân tập, trong khi khả năng cải thiện tín hiệu thu nhờ vào việc sử dụng một cặp anten được xác định thông qua độ lợi phân tập Ios.

Khoảng cách giữa hai tâm của hai anten được ký hiệu là s [m], trong khi tần số sóng mang vô tuyến được ký hiệu là f [GHz] Hệ số khuếch đại tương đối của anten phân tập so với anten chính được tính bằng công thức a r = 10[(Ad-Am)/20].

A d : là hệ số khuếch đại anten phân tập [dB]

A m : là hệ số khuếch đại anten chính [dB] d: độ dài của tuyến [Km]

F m : độ dự trữ pha dinh phẳng

Giảm nhiễu ISI sử dụng phương pháp lọc

Các tín hiệu băng gốc sẽ được khảo sát trước tiên, cho phép chúng ta nghiên cứu hệ thống truyền dẫn qua hệ thống tương đương thông thấp, và từ đó khái quát hóa cho các hệ thống QAM Không có hệ thống điều chế nào khác được xem xét, nhưng cần lưu ý rằng PSK có thể coi là một trường hợp đặc biệt của QAM Điều này được chứng minh qua việc biểu diễn phần tử của tập tín hiệu PSK dưới dạng \( e^{j\phi} = \cos\phi + j\sin\phi \), giúp xác định các biên độ của các thành phần đồng pha và vuông pha trong quá trình truyền tín hiệu.

Khảo sát mô hình trong hình 2.13 cho thấy tín hiệu từ nguồn gồm M phần tử, nhưng chúng ta chỉ xem xét trường hợp các phần tử s i (t) khác nhau về biên độ, tập trung vào hệ thống điều chế biên xung PAM (Pulse Amplitude Modulation) Hệ thống này gán cho mỗi tin m k một hằng số a k, làm cho biên độ xung đầu ra của bộ tạo xung được nhân với hằng số đó Giả sử bộ tạo xung phát ra các xung Dirac tại các thời điểm t=kT S, với biên độ thay đổi theo các giá trị m k Qua bộ lọc T(ω), tín hiệu sẽ được truyền đến kênh Phần máy thu trong hình 2.13 là máy thu tối ưu với bộ lọc phối hợp, mạch quyết định thực hiện lấy mẫu và so ngưỡng, tạo ra hàm truyền tổng cộng.

Đặc tính tần số tổng cộng của hệ thống, được biểu diễn bằng C()=T().R(), là tích của hai đặc tính của bộ lọc phát và thu Để đảm bảo rằng việc truyền chuỗi tín hiệu qua hệ thống không xảy ra hiện tượng ISI, chúng ta cần tìm lớp các đặc tính lọc C() Việc truyền được coi là không có ISI khi vào thời điểm quyết định tín hiệu thứ k, chỉ có phản ứng xung của tín hiệu thứ k là khác không, trong khi phản ứng của các tín hiệu trước và sau đều bằng không.

Nguồn số Tạo xung Lọc phát Lọc thu Quyết định Nhận tin

Hình 2.13 Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung đơn vị [1] m k δ(t-kT) T ω Ƞ(t) Rω m , k

2.10.1 Thiết kế các đặc tính lọc

Theo định lý Nyquist, độ rộng băng tần tối thiểu để truyền tín hiệu không bị méo là B = 1/2T, trong đó T là khoảng thời gian của tín hiệu Độ rộng băng này xác định giải tần mà ngoài nó, hàm truyền có giá trị bằng không Tần số 1/2T được gọi là tần số Nyquist, do đó, các đặc tính lọc cần có độ rộng thông tần tối thiểu là 1/2T hoặc /T theo tần số góc.

Trường hợp C(ω) đại diện cho đặc tính của bộ lọc thông thấp lý tưởng, với đáp tuyến pha của bộ lọc có tính tuyến tính và đáp tuyến biên độ đạt được các giá trị tối ưu.

Bộ lọc này có phản ứng xung là c(t)= (2.34) có giá trị cực đại bằng 1 tại t=0 và có giá trị bằng không tại t=k/ 0

Giả sử đầu vào của bộ lọc lý tưởng là tín hiệu được tạo ra bởi bộ tạo xung, như mô tả trong hình 2.13 Tín hiệu vào bộ lọc A(ω) được xác định bởi phương trình s’(t) = (2.35).

Trong trường hợp này, phản ứng xung đầu ra sẽ không gây nên ISI nếu tần số cắt của bộ lọc là f 0 = ω 0 /2π = 1/2T Mặc dù bộ lọc lý tưởng không thể chế tạo trong thực tế, chúng ta sẽ tìm kiếm các bộ lọc có độ rộng băng thông lớn hơn 1/2T với đặc tuyến thoải hơn ở hai biên, nhằm dễ dàng chế tạo hơn Các bộ lọc này cũng cần có phản ứng xung bằng không tại các thời điểm t = kT Theo lý thuyết lấy mẫu, các bộ lọc phải thỏa mãn quan hệ về đặc tính C(ω).

Đặc tính tương đương của bộ lọc, ký hiệu là C eq, phản ánh phản ứng xung cắt tại các thời điểm t=nT (với n0) Để tạo ra đặc tính này, trục tần số  được chia thành các đoạn dài 2/T, mỗi đoạn được dịch ±/T, và tổng hợp các đoạn lại Các bộ lọc thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất đều có phản ứng xung bằng không tại các thời điểm t=nT (n0), cho phép truyền chuỗi tín hiệu số PAM mà không gây ra ISI Trong số các bộ lọc này, những bộ lọc có độ rộng giải lớn hơn tần số Nyquist nhưng nhỏ hơn 2 lần tần số Nyquist được ưu tiên vì hiệu quả sử dụng phổ tốt Để thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist, các bộ lọc cần có hàm truyền là tổng của hàm truyền bộ lọc lý tưởng và một hàm “làm cong” (roll-off) trong khoảng (0,1/T), đối xứng qua tần số 1/2T Kết quả là hàm truyền tổng cộng sẽ có dạng cụ thể như trong hình 2.14c.

Hàm truyền bộ lọc được làm cong Hàm làm cong

Hàm truyền Nyquist lý tưởng ω ω ω Hình 2.14 Hàm truyền bộ lọc tổng cộng [1]

Hàm số cosine thường được sử dụng để phân tích các bộ lọc do tính toán đơn giản Dạng hàm truyền tổng cộng của nó được xác định rõ ràng trong quá trình này.

Phản ứng xung có dạng : c(t) = (2.38)

Hệ số uốn lọc (roll-off factor) , nằm trong khoảng [0,1], đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đặc tính của bộ lọc cosine nâng (raised cosine filter) Bộ lọc này có đặc điểm tần số với phần biên dạng hàm cosine được nâng lên Khi giá trị  tăng, phổ tần chiếm của tín hiệu cũng sẽ lớn hơn Theo công thức (2.38), bộ lọc cosine nâng không chỉ có các điểm giá trị bằng không như bộ lọc Nyquist lý tưởng mà còn chứa thêm các điểm khác Đặc biệt, khi =0, bộ lọc cosine nâng sẽ chuyển thành bộ lọc Nyquist lý tưởng.

Các bộ lọc lý tưởng và bộ lọc cosine nâng không thể thực hiện trong thực tế do phản ứng xung của chúng khác không với các giá trị t