BÀI BÁO CÁO THỰ TẬP- KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
CHƯƠNG 1: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
1.1 Giới thiệu chương
Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông
tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Mạng thông tin vô tuyến
ngày nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho cuộc sống
hiện đại.
Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền là
một trong ba khâu quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp. Nó là môi
trường để truyền thông tin từ máy phát đến máy thu. Vì thế chương này tìm hiểu các
thông tin về kênh truyền: Đó là, các hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền, các
dạng kênh truyền và các mô hình kênh truyền cơ bản. Ngoài ra chương này còn giới
thiệu khái quát về hệ thống thông tin vô tuyến.
1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến
Hình 1.2 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến.
Nguồn tin trước hết qua mã hoá nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được
mã hoá kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh
được điều chế để có thể truyền tải đi xa. Các mức điều chế phải phù hợp với điều
kiện của kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở
máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với máy phát. Kết quả tín hiệu được giải
mã và thu lại được ở máy thu. Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng
kênh truyền và các phương pháp điều chế và mã hoá khác nhau. Do đó ngày nay các
kỹ thuật mới ra đời nhằm cải thiện chất lượng kênh truyền nói riêng và mạng vô
tuyến nói chung, một trong những kỹ thuật đó là MC-CDMA.
Trang:
1
Nguồn tin Kênh tin Nhận tin
Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin
Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
1.3 Kênh truyền vô tuyến
1.3.1 Giới thiệu

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi
mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền
hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn
ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua
kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán
xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy
thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh
hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Do đó việc nắm vững những
đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể chọn lựa một cách
thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số
tối ưu của hệ thống.
Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai
loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading).
Trang:
2
Nguồn tin
Mã hoá kênh
(Channel coding)
Mã hoá nguồn
(Source coding)
Tín hiệu đích
(Destination)
Giải mã hoá kênh
(Channel decoding)
Giải mã hoá nguồn
(Source decoding)
Điều chế
(Modulation)
Kênh vô tuyến
(Channel)

Giải điều chế
(Demodulation)
{ }
k
a
{ }
,
k
a
Mô hình kênh
(Discrete channel)
Hình 1.2: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến
Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ
suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu
ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa
máy phát và máy thu. Người ta nói phía thu được bị che khuất bởi các vật cản cao.
Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh
truyền theo hàm của khoảng cách.
Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều này
xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng)
giữa phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian
(time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của
kênh truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì
sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng.
Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di
động:
+ Phản xạ xẩy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước
rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF.
+ Nhiễu xạ xẩy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một

nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng. Nhiễu xạ là hiện
tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến
phía thu mà không cần đường truyền thẳng. Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn
(shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật
cản không thể truyền xuyên qua.
+ Tán xạ xẩy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho
năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng. Trong môi
trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá.
1.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền
1.3.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath)
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
Trang:
3
Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
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.
1.3.2.2 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 1.4. 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.

Trang:
4
Che khuất
Trạm di động
Truyền thẳng
Khúc xạ
Tán xạ
Phản xạ
Tán xạ
Trạm gốc
Hình 1.3: Hiện tượng truyền sóng đa đường
Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là α
n,
khi
đó tần số Doppler của tuyến này là [5]:
( )
=
n0D
αcosf
c
v
f
n
(1.1)
Trong đó f
0
, 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 α
n

= 0 thì tần
số Doppler lớn nhất sẽ là:
=
0maxD,
f
c
f
v
(1.2)
Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng 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[5]:

(1.3)

Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 1.5
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
Trang:
5
2
max
0
1









−
−
f
ff
A
0
các trường hợp còn lại
nếu
=
Vật
phản
xạ
Tuyến 1
v
α
1
Tuyến 2
)(
2
t
τ
)(
1
t
τ
Trạm phát
Hình 1.4: Hàm truyền đạt của kênh
Chương 1: Kênh truyền vô tuyến

sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f
0
, khi đó tín hiệu thu được sẽ
không nhận được ở chính xác trên tần số sóng màng f
0
mà bị dịch đi cả về hai phía
với độ dịch là f
D,max
như hình ở 1.5. Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ
của nhiều hệ thống.
1.3.2.3 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.
1.3.2.4 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.
1.3.3 Các dạng kênh truyền
Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có.
+ Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số.
+ Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian.
Trang:
6
Hình 1.5: Mật độ phổ của tín hiệu thu
Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
1.3.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số
Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng
tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng

tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 1.6 là f
0
.
Trên hình 1.6a, ta nhận thấy kênh truyền có f
0
nhỏ hơn nhiều so với băng thông
của tín hiệu phát. Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín
hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu
sự suy giảm và dịch pha khác nhau. Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh
truyền chọn lọc tần số.
Ngược lại, trên hình 1.6b, kênh truyền có f
0
lớn hơn nhiều so với băng thông
của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự
suy giảm và dịch pha gần như nhau. Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh
truyền không chọn lọc tần số hoặc kênh truyền fading phẳng.
Trang:
7
Hình 1.6a: Kênh truyền chọn lọc tần số (f
0
<W)
Hình 1.6b: Kênh truyền không chọn lọc tần số (f
0
>W)
Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
1.3.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc
thời gian
Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên
đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuất
hiện và những vật thể cũ mất đi… Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản

xạ, tán xạ … qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi
theo thời gian.
Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là coherent
time. Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay
đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian).
Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với
coherent time thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian. Ngược
lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với
coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời
gian hay phẳng về thời gian.
1.3.4 Các mô hình kênh cơ bản
1.3.4.1 Kênh theo phân bố Rayleigh
Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để
mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu
được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ. Chúng ta biết rằng
đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh.
Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất[4],[14]:





<
∞≤≤









−
=
)0(0
)0(
2
exp
)(
2
2
2
r
r
rr
rp
σσ
(1.4)

Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách
đường bao (evelope detection). σ
2
là công suất trung bình theo thời gian.
Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị R
cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy:
Trang:
8
Chương 1: Kênh truyền vô tuyến









−−==≤=
∫
2
2
0
2
exp1)()()(
σ
R
drrpRrPRP
R
r
(1.5)
Giá trị trung bình r
mean
của phân bố Rayleigh được cho bởi:
σ
π
σ
2533.1
2
)(][
0
====

∫
∞
drrrprEr
mean
(1.6)
Và phương sai
2
r
σ
(công suất thành phần ac của đường bao tín hiệu):
[ ]
222
0
222
2
4292.0
2
2
2
)(][
σ
π
σ
π
σσ
=







−=−=−=
∫
∞
drrprrErE
r
(1.7)
Giá trị hiệu dụng của đường bao là
σ
2
(căn bậc hai của giá trị trung bình
bình phương). Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình:
∫
=⇒=
median
r
median
rdrrp
0
177.1)(
2
1
σ
(1.8)
Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau môt lượng là 0.55dB trong trường
hợp tín hiệu Rayleigh fading. Chú ý rằng giá trị median thường được sử dụng trong
thực tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được đo trong những môi trường mà
Trang:
9

Hình 1.7: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh
0
σ
2σ 3σ 5σ4σ
p(r)
σ
/6065.0
Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
chúng ta không thể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào. Bằng cách sử
dụng giá trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so sánh các phân bố
fading khác nhau (có giá trị trung bình khác nhau). Hình 1.7 minh họa hàm mật độ
xác suất Rayleigh.
1.3.4.2 Phân bố Ricean
Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp
máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất
vượt trội. Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean. Trong trường hợp này, các
thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp
chồng lên tín hiệu light-of-sight. Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh
hưởng như là cộng thêm thành phần dc vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên.
Giống như trong trường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín
hiệu light-of-sight (có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa
đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn. Khi thành
phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường
bao theo phân bố Rayleigh. Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong
trường hợp thành phần light-of-sight mất đi.
Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:






<
≥≥






=
+
−
00
)0,0(
)(
2
0
2
)(
2
2
22
r
rA
Ar
Ie
r
rp
Ar
σσ

σ
(1.9)
A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight.
Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0.
Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ
số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các
thành phần đa đường:
2
2
2
σ
A
k =
(1.10)
Trang:
10
Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
Hay viết dưới dạng

dB:
dB
A
dBk
2
2
2
log10)(
σ
=
(1.11)

k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean.
Khi A →

0, k
→
0 (
∞−
dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ,
phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh. Hình 1.8 mô tả hàm mật độ xác suất
của phân bố Ricean.
1.4 Tổng kết chương
Chương 1 đã nêu lên các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng của kênh
truyền, đó là hiệu ứng đa đường, hiệu ứng Doppler, suy hao đường truyền và hiệu
ứng bóng râm, từ đây muốn cải thiện chất lượng kênh truyền thì cần phải khắc phục
các hiện tượng này, do vậy mà nhiều kỹ thuật đã ra đời.
Chương 1 còn cho ta biết các dạng kênh truyền trong hệ thống thông tin di
động. Và cho ta biết hai mô hình phân bố kênh, đó là Rayleigh và Rice. Tuy nhiên
kỹ thuật MC-CDMA được kết hợp từ kỹ thuật CDMA và kỹ thuật OFDM, do vậy
chương sau sẽ tìm hiểu về các kỹ thuật này.
Trang:
11
p(r)
k = dB
k = 6 dB
Hình 1.8: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean:
k ]dB (Rayleigh) và k ] 6 dB. Với k >>1, giá trị trung bình
của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gauss