chương 2 kênh truyền tin

KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN
VÔ TUYẾN SỐ
Môi trường truyền sóng và các yếu tố ảnh hưởng

Giáo viên bộ môn : Trần Thị Hường
Sinh Viên: Bùi Ngọc Thúy


Môi trường truyền sóng và các yếu tố ảnh hưởng

1.

Lý thuyết chung về sóng vô tuyến.

1.1 Khái niệm:
a) Môi trường truyền sóng:
Sóng điện tử
+Kênh thông vô tuyến: TB phát

TB thu

Lan truyền qua môi trường vật lý
+ Môi trường truyền sóng: Khép kín mạch cho kênh thông tin -> Để đảm bảo chất lượng của kênh thông tin vô
tuyến cần lưu ý đến môi trường truyền sóng, lựa chọn tần số công tác và chọn phương thức truyền sóng hợp lý.
+ Tác động của môi trường truyền sóng:
- Làm suy giảm biên độ sóng
- Làm méo dạng tín hiệu tương tự
- Gây lỗi đối với tín hiệu số do nhiễu


Môi trường truyền sóng và các yếu tố ảnh hưởng



Sóng mang vô tuyến là những tín hiệu hình since có tần số cao, trong đó các thành phần như phase, biên độ, tần số sẽ biến điệu theo sóng
tín hiệu để tạo các sóng mang cao tần mang các tín hiệu này đi xa trong không gian. Nếu không có sóng mang thì các sóng tín hiệu sẽ không
thể truyền đi xa do bị suy hao tần số.



Sóng vô tuyến là sóng điện từ, nằm trong cùng nhóm với sóng ánh sáng, bức xạ hồng ngoại và tia X. Song, sóng điện từ được phát đi với
tần số thấp hơn sóng ánh sáng và các bức xạ hồng ngoại. Trong kỹ thuật thông tin, người ta sử dụng các sóng có tần số trong khoảng 10KHz
– 300Ghz.


Môi trường truyền sóng và các yếu tố ảnh hưởng

b) Đặc điểm truyền song vô tuyến:

-

Chịu ảnh hưởng rất lớn vào môi trường truyền dẫn: khí hậu thời tiết

-

Chịu ảnh hưởng rất lớn vào địa hình: mặt đất, đồi núi, nhà cửa cây cối

-

Suy hao trong môi trường lớn

-

Chịu ảnh hưởng của các nguồn nhiễu trong thiên nhiên: phóng điện trong khí quyển, phát xạ của các hành tinh khác.

-

Chịu ảnh hưởng nhiễu công nghiệp từ các động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện

-

Chịu ảnh hưởng nhiễu từ các thiết bị vô tuyến khác .


Môi trường truyền sóng và các yếu tố ảnh hưởng

 Phân loại sóng vô tuyến:
a) Sóng dài có bước sóng vài kilomét.
b) Sóng trung có bước sóng vài trăm mét.
c) Sóng ngắn có bước sóng vài chục mét.
d) Sóng cực ngắn có bước sóng vài mét. Những sóng vô tuyến có bước sóng nhỏ hơn 1 mét cũng được xem là sóng vô tuyến.

•Sóng cực ngắn bị tầng điện li và mặt đất, mặt biển phản xạ nhiều lần nên có thể truyền đi khắp Trái Đất nếu có công suất phát đủ lớn.
•Sóng vô tuyến truyền hình, điện thoại di động, thông tin vệ tinh là sóng cực ngắn.


Môi trường truyền sóng và các yếu tố ảnh hưởng

c) Khái niệm Sóng điện từ :
Sóng điện từ là quá trình lan truyền trong không gian của điện từ trường biến thiên theo thời gian.Sóng điện từ là sóng
ngang, lan truyền trong chân không với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng (c = 3.108 m/s).

Các loại sóng vô tuyến:


2. Các thông số đặc trưng cho môi trường truyền song.
a) Suy hao trong không gian tự do.

•

Suy hao đường truyền là cực điểm suy hao của các yếu tố khác liên quan đến tín hiệu bao gồm suy hao truyền dẫn qua không gian tự do (freespace loss), khúc xạ, nhiễu xạ và phản xạ sóng, suy hao ghép nối do độ mở sóng ngoài môi trường (aperture - medium coupling loss) và hấp
thụ. Nhưng nó cũng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như đường biên địa lý, môi trường khu vực, môi trường tự nhiên (chẳng hạn tán lá) và môi
trường lan truyền (tức là độ ẩm không khí).

•

Path Loss (sự suy giảm của đường tín hiệu) là sự suy giảm mật độ công suất (attenuation) của sóng truyền dẫn vô tuyến khi lan truyền thông
qua một môi trường trên một khoảng cách. Nó là một yếu tố quan trọng khi nói đến việc thiết kế và quy hoạch một mạng vô tuyến và là một
yếu tố khóa khi tính toán mức năng lượng sẵn có cho liên kết.


•

Suy hao đường truyền mà do suy hao truyền dẫn không gian tự do (Free-space Loss) có lẽ sẽ là yếu tố quan trọng nhất khi quy hoạch mạng ngoài trời, liên kết tầm xa với
cường độ tín hiệu giảm 4 lần nếu khoảng cách giữa các thiết bị tăng gấp đôi. Suy hao truyền dẫn không gian tự do không bao gồm các yếu tố như độ lợi của anten được sử
dụng tại máy phát và máy thu, cũng không phải bất kỳ mất mát liên quan đến sự không hoàn hảo của phần cứng, nó chỉ được dựa trên LoS (Line of Sight) thông qua
không gian tự do.

Suy hao truyền dẫn không gian tự do có thể được tính toán sử dụng phương trình sau:
Trong đó :

•

•
•

FSL (dB) = Free-Space Loss (Suy hao truyền dẫn không gian tự do) (dB)
d = Khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu (km)
f = Tần số tín hiệu (GHz)


VÍ DỤ

=> Khi mà tần số tang lên , suy hao truyền dẫn trong không gian tự do ( giảm về công suất tín hiệu ) tăng lên với cùng khoảng cách


Công suất tín hiệu tại điểm thu tại một điểm trong trường khu xa của anten phát là:
Biểu thức suy hao:
Ý nghĩa của công thức này:
 Cường độ trường tại điểm thu giảm khi khoảng cách giữa máy thu – phát tăng.
 Khi tăng tần số truyền lan sóng, cự ly thông tin sẽ giảm.

với


b) Ảnh hưởng của khí quyển đến truyền dẫn vô tuyến
Khi truyền tải các tín hiệu vô tuyến qua khí quyển có rất nhiều yếu tố môi trường ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu do thường hay xảy ra các
hiện tượng phản xạ, tán xạ từ tầng điện ly & tầng đối lưu.
Các cơ chế quan trọng nhất của khí quyển là không bị ion hoá tác động và có thể gây biến thiên cường độ tín hiệu sóng vô tuyến điện từ
(fading) ở các tần số dưới 30 MHz bao gồm: bức xạ trong không gian tự do, sự không đồng nhất của khí quyển, các hiệu ứng khúc xạ, phản xạ,
tán xạ. Các đường thông tin vi ba không bị fading nghiêm trọng trong hầu hết các điều kiện khí tượng. Tuy nhiên, sự phân tầng khí quyển và
những điều kiện khí tượng khác có thể gây ra fading nghiêm trọng.

b) Ảnh hưởng của khí quyển đến truyền dẫn vô tuyến
Ở dải tần số cao hơn 7 GHz, ngoài hiệu ứng nhiễu xạ và đa đường, suy hao và khử phân cực do các chất khí, bụi, nước trong khí quyển cũng
cần được quan tâm.
Ở dải tần cao hơn 10 GHz, chủ yếu xảy ra các hiệu ứng tán xạ, hấp thụ do hơi nước, các hạt ẩm và oxy. Suy hao năng lượng tín hiệu bức xạ
do hấp thụ trong khí quyển xảy ra từ sự hấp thụ sóng vô tuyến do oxy và hơi nước trong không khí. Các hạt nước trong khí quyển, mà chủ yếu là
hạt mưa gây ra cả suy hao lẫn tán xạ cho sóng vô tuyến. Vì thế việc nghiên cứu đánh giá độ lớn của trường nhiễu tiềm tàng do các hạt mưa tán xạ
gây ra trong dải tần số này là rất quan trọng.
Ở dải tần số trung bình và cao, phản xạ ở tầng điện ly cho phép truyền dẫn vô tuyến trên khoảng cách lớn. Suy hao đáng kể nhất trong dải
tần này là suy hao do mưa (với các sóng có bước sóng λ cỡ vài cm hoặc nhỏ hơn) và do tuyết. Với các sóng có bước sóng λ cỡ vài mm, suy hao
chủ yếu là do sương mù, hơi nước và các chất khí khác trong khí quyển.


Các ảnh hưởng của khí quyển

a)

Hiện tượng khúc xạ

Khúc xạ hay chiết xạ thường dùng để chỉ hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trườngtrong suốt có chiết suất
khác nhau.

Khúc xạ của sóng, giải thích theo quan điểm của Huygens.


Các ảnh hưởng của khí quyển
b) Hiện tượng phản xạ

•

phản xạ là hiện tượng sóng khi lan truyền tới bề mặt tiếp xúc của hai môi trường bị đổi hướng lan truyền và quay trở lại môi trường mà nó
đã tới. Các ví dụ về phản xạ đã được quan sát với các sóng như ánh sáng, âm thanh hay sóng nước.

•

Sự phản xạ của ánh sáng có thể là phản xạ định hướng (như phản xạ trên gương) hay phản xạ khuếch tán (như phản xạ trên tờ giấy trắng)
tuỳ thuộc vào bề mặt tiếp xúc. Tính chất của bề mặt cũng ảnh hưởng đến sự thay đổi biên độ, pha hay trạng thái phân cực của sóng.


Các ảnh hưởng của khí quyển
c) Hiện tượng ống dẫn sóng
ống dẫn sóng được dùng để chỉ các cấu trúc để dẫn hướng cho sóng điện từ lan truyền từ giữa hai địa điểm định trước. Thuật ngữ này được sử
dụng nhiều cho sóng radio và vi ba. Với tia hồng ngoại hay ánh sáng, thuật ngữ cáp quang được sử dụng nhiều hơn.
Các ống dẫn sóng có thể được cấu tạo từ các ống kim loại rỗng, hoặc từ các ống chất điện môi rỗng hoặc đặc. Các đường cáp điện như
cáp đồng trục cũng có thể coi là các dạng của ống dẫn sóng.
Sóng lan truyền trong ống dẫn sóng, có thể coi là do bị phản xạ qua lại giữa các thành ống (phản xạ trên bề mặt kim loại hay
phản xạ toàn phần trên bề mặt điện môi), khiến cho năng lượng sóng điện từ được dẫn truyền trong lòng ống.


Các ảnh hưởng của khí quyển


Xây dựng miền Fresnel

+ dựng mặt sóng đi qua No
+dựng mặt nón tròn xoay trục BNo, đường sinh là (BNo+n.λ/2) cắt mặt sóng ở Nn



Khái niệm miền Frensel

Miền Fresnel thứ n (Fn) là vùng không gianđược giới hạn bởi quỹ tích các điểm mà hiệu sốgiữa tổng khoảng cách từ điểm này đến điểmphát và điểm thu với khoảng cách giữa hai điểmthu phát
là hằng số có giá trị bằng n lần nửa bước sóng công tác
ANn +NnB -AB = n.(λ/2)
Miền Fresnel có dạng elip tròn xoay
nhận hai điểmthu và phát làm tiêu điểm,
có bán kính là bn


Các ảnh hưởng của khí quyển
d) Hiện tượng tán xạ
Tán xạ là hiện tượng photon bị đổi hướng khi gặp các vật, có thể vĩ mô như các tiểu hành tinh, các viên đá trong vành đai Sao Thổ, hay các
vật chất vi mô như các hạt bụi. Trong quá trình tán xạ thuần túy,năng lượng photon không thay đổi, chỉ có hướng thay đổi ngẫu nhiên theo một
hàm mật độ xác suất gọi là hàm tán xạ.
Thực tế, khi photon gặp các vật chất, không những hướng đi của nó thay đổi mà có thể cả năng lượng thay đổi (giảm bởi hiện tượng hấp thụ
hay tăng bởi hiện tượng bức xạ). Lúc đó cùng xảy ra tán xạ thuần túy và hấp thụ/bức xạ thuần túy.
e) Hiện tượng nhiễu xạ
Nhiễu xạ là hiện tượng quan sát được khi sóng lan truyền qua khe nhỏ hoặc mép vật cản (rõ nhất với các vật cản có kích thước tương đương
với bước sóng), trong đó sóng bị lệch hướng lan truyền, lan toả về mọi phía từ vị trí vật cản, và tự giao thoa với các sóng khác lan ra từ vật cản.
Hiện tượng nhiễu xạ đã được quan sát với mọi loại sóng, như âm thanh, sóng nước, sóng điện từ (như ánh sáng hay sóng radio), hay các hạt
thể hiện tính chất sóng thông qua lưỡng tính sóng hạt.


Các ảnh hưởng của Khí quyển
f) Hiện tượng Fading
Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác đông của môi trường truyền dẫn.
Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến măt đất như:

•
•

Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn
Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù...sự hấp thụ này phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt là dải tần
cao (>10Ghz).

•
•

Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật đô không khí.
Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề măt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển. Đây
cũng là môt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường.

•

Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm
thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường. Hiện tượng này đăc biệt quan trọng trong thông tindi động.


a) Phân loại fading

•
•
•
•
•

- Fading phẳng
- Fading chọn lọc tần số
- Fading nhanh
- Fading chậm

Chúng được phân loại theo chu kỳ

của tín hiệu và băng thông của tín hiệu
dãi nền như sau:


•

Fading phẳng

•

Là Fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể và hầu như là hằng số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu.

•

Fading phẳng thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến có dung lượng nhỏ và vừa, do độ rộng băng tín hiệu khá nhỏ nên fading do truyền dẫn đa đường và do mưa
gần như là xem không có chọn lọc theo tần số.

•

Fading phẳng do truyền dẫn đa đường: hình thành do phản xạ tại các chướng ngại cũng như sự thay đổi của độ khúc xạ của khí quyển cường đô trường thu được ở đầu
thu bị suy giảm và di chuyển trong quá trình truyền dẫn.

•

Trong các hệ thống chuyển tiếp số LOS (Line-Of-Sight), sự biến thiên của đọ khúc xạ là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng truyền dẫn đa đường mà kết quả của
nó là tổn hao Fading thay đổi theo tần số. Tuy nhiên, hệ thống có băng tín hiệu nhỏ nên tín hiệu suy hao fading đa đường là nhỏ nên có thể bỏ qua và fading đa đường
được xem là fading phẳng.

•

Đối với fading đa đường, việc thực hiện được đánh giá bằng đo công suất tín hiệu thu được tại một tần số trong băng tín hiệu. Đặc trưng thống kê của fading phẳng đa
đường là phân bố thời gian fading vượt quá một mức nào đó


Fading phẳng do hấp thụ: Là hiện tượng sóng điện từ bị hấp thụ và bị tán xạ do mưa, tuyết, sưong mù.hay các phần tử
khác tổn tại trong môi trường truyền dẫn nên các tín hiệu vào đầu thu bị suy giảm. Nói chung hiện tượng fading này
thay đổi phụ thuộc vào thời gian.

•

Ảnh hưởng của flat fading tác động

lên toàn bộ dải tần tín hiệu truyền trên kênh
là như nhau, do đó việc tính toán độ dự trữ
fading (fading margin) dễ dàng hơn
(các tần số trong băng tần đều bị tác động
như nhau thì chỉ việc tăng thêm phát cho
tất cả băng tần. Thực tế thì có bộ gọi là
tự động điều chỉnh độ lợi-AGC
(Auto Gain Control) sẽ điều chỉnh
mức bù nhiễu này)


Fading lựa chọn tần số (selective fading)
Xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền. Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng kênh) sẽ chịu nhiều
tác động của selectivefading.
Nói chung là đối toàn bộ băng thông kênh truyền thì nó ảnh hưởng không đều, chỗ nhiều chỗ ít, chỗ làm tăng chỗ làm giảm cường độ tín hiệu. Loại này chủ yếu do fading
đa đường gây ra.

Tác hại lớn nhất của loại fading này là gây nhiễu lên kí tự -ISI. Selective fading tác động lên các tần số khác nhau (trong cùng băng tần của tín hiệu) là khác nhau, do đó
việc dự trữ như flat fading là không thể. Do đó để khắc phục nó, người ta sử dụng một số biện pháp:
1/Phân tập (diversity): không gian (dùng nhiều anten phát và thu) và thời gian (truyền tại nhiều thời điểm khác nhau).
2/ Sử dụng mạch san bằng thích nghi, thường là các ATDE (Adaptive Time Domain Equalizer) với các thuật toán thích nghi thông dụng là Cưỡng ép không ZF (Zero Forcing)
và Sai số trung bình bình phương cực tiểu LMS (Least Mean Square error);
3/Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn có thể lớn do selective fading gây nên);
4/Trải phổ tín hiệu (pha-đinh chọn lọc thường do hiện tượng truyền dẫn đa đường (multipath propagation) gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp, nhất là với máy thu RAKE, có
khả năng tách các tia sóng và tổng hợp chúng lại, loại bỏ ảnh hưởng của multipath propagation);
5/Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là OFDM (cái của nợ này ngày nay được ứng dụng khắp nơi, trong di động 3G, trong WIFI, WIMAX hay trong truyền hình số
mặt đất DVB-T...)


Fading nhanh và fading chậm.
a/ Nguyên nhân:



Fading nhanh (fast fading) hay còn gọi là hiệu ứng Doppler, nguyên nhân là có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thu được sẽ bị
dịch tần đi 1 lượng delta_f so với tần sô phát tương ứng
f_thu = f_phát. (c + v_thu) / (c+v_phát)
=> delta_f=abs[f_thu-f_phát]=abs[v/(c+v_phát)].f_phát

Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu (tại cùng 1 t/s phát). Do đó hiện tượng này gọi là fading nhanh.
Tuy nhiên, đó không phải là toàn bộ nội dung của fading nhanh mà các hiệu ứng đa đường (multipath) cũng có thể kéo theo sự biến đổi nhanh của mức nhiễu tại đầu thu
gây ra fast fading



Fading chậm (slow fading): Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền. VD: tòa nhà cao tầng, ngọn núi, đồi…làm cho biên độ tín hiệu suy giảm, do đó còn
gọi là hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Hay sự không ổn định cường độ tín

hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi là suy hao chậm. Vì vậy hiệu ứng này gọi là Fading chậm (slow fading)

Như vậy, slow fading và fast fading phân biệt nhau ở mức độ biến đổi nhiễu tại anten thu.


b/ Khắc phục: bằng cách tính toán đọ dự trữ fading
- Dự trữ fading che khuất chuẩn-log (dự trữ fading chậm - Slow/Shadowing Fading Margin)
Khoản này tính được dựa trên xác suất rớt cuộc gọi cho phép do fading chậm gây nên, thường nó là 1% theo nhiều tài liệu. Lượng dự
trữ fading chậm này tính được nếu ta có được đường cong mật độ xác suất fading che khuất (dạng chuẩn-log). Cái đường cong mật
độ này có được nhờ phương pháp thống kê (nhờ đo bằng driving-test để có được độ lệch quân phương (zigma) hay còn gọi là độ lệch
chuẩn - standard deviation - của biến ngẫu nhiên mức fading che khuất, và một phân bố chuẩn có kỳ vọng bằng không hoàn toàn xác
định được pdf của nó nếu biết zigma).
- Dự trữ fading nhanh (Multipath Fading Margin)
Cái này có rắc rối hơn đôi chút. Với các hệ thống băng hẹp như GSM (tốc độ dữ liệu trên kênh thấp do chủ yếu chỉ phục vụ dịch vụ
thoại và dữ liệu tốc độ thấp) thì multipath fading xem được là flat-fading. Khi đó dự trữ fading nhanh có thể xác định được theo phân
bố của mức fading nhanh. Với các môi trường khác nhau, sẽ có các phân bố khác nhau, trải từ phân bố chuẩn (kênh Gauss) hay
Ricean (kênh Rice) cho tới Rayleigh (kênh Rayleigh), trong đó kênh Rayleigh là kênh tồi nhất, rất hay gặp trong môi trường macro
khu vực đô thị. Do vậy, khi tính toán thiết kế vô tuyến (tính toán phủ sóng) người ta thường tính với trường hợp xấu nhất là với kênh
Rayleigh. Pdf(Probability Density Function - hàm mật độ xác suất) Rayleigh của biến ngẫu nhiên là mức fading nhanh cũng hoàn
toàn xác định được nếu có được độ lệch quân phương zigma của nó. Cái này (zigma) cũng phải xác định bằng đo lường (drivingtest). Từ đó ta có thể xác định được độ dự trữ fading nhanh để bảo đảm xác suất rớt cuộc gọi do fading nhanh gây ra thấp dưới một
mức nào đó, cũng thường là 1%.