Slide kênh truyền sóng vô tuyến (môn anten và truyền sóng)

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

CHƯƠNG 3

KÊNH TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN

Trang 1


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

NỘI DUNG
 Nội dung chương 3: (6)
• 3.1 Giới thiệu
• 3.2 Đặc tính kênh trong các miền
• 3.3 Pha đinh phạm vi hẹp
• 3.4 Phân tập
• 3.5 Câu hỏi và bài tập

Trang 2


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
3.1 Giới thiệu
 Pha đinh là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten

thu do có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển,
các phản xạ của đất và nước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua.
 Đặc tính kênh vô tuyến di động ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng
truyền dẫn và dung lượng.

Hình 3.0: Truyền sóng vô tuyến

Trang 3


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

3.1 Giới thiệu
 Một số yếu tố hạn chế từ môi trường vô tuyến
• Suy hao: Tăng theo khoảng cách, giá trị từ 50 đến 150dB
• Che tối: Các vật cản trên đường truyền làm suy giảm tín hiệu
• Phadinh đa đường: Tín hiệu trực tiếp, phản xạ, khúc xạ (sự bẻ
cong do sự trên lệch chiết suất), nhiễu xạ (có xu hướng uốn
cong theo vật cản), tán xạ (bị lệch nhiều hướng hướng so với
tia tới trực tiếp) giao thoa với nhau gây méo tín hiệu (thay đổi
cường độ tín hiệu.
=> Nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu ISI, InterSymbol
Interferrence, do phân tán thời gian)

• Nhiễu Liên kênh (ICI – InterChannel Interference, nhiễu kênh
lân cận), nhiễu đồng kênh (CCI – CoChannel Interference –
nhiễu trùng tần số).
Trang 4

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

3.1 Giới thiệu
 Một số yếu tố hạn chế từ môi trường vô tuyến
• Nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu ISI (liên ký tự): do tín hiệu đa
đường, các tia phản xạ có thời gian trễ khác nhau và khác tia
tới trực tiếp => gây biến dạng tín hiệu tổng hợp tại bên thu =>
không khôi phục được tín hiệu gốc

Trang 5


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

3.1 Giới thiệu
 Một số yếu tố hạn chế từ môi trường vô tuyến
• Nhiễu liên kênh: gây ra do các thiết bị phát trên các kênh kề
nhau; tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bị dịch tần sang kênh
lân cận => phải có khoảng bảo vệ giữa các dải tần

Trang 6


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

3.1 Giới thiệu
 Một số yếu tố hạn chế từ môi trường vô tuyến
• Nhiễu đồng kênh: do 2 cell cùng phát 1 tần số trong một
mạng giao thoa nhau (do để tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng
cách sử dụng lại tần số), máy thu sẽ thu được cả 2 tín hiệu
với cường độ khác nhau.

Trang 7


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

3.1 Giới thiệu
 Một số yếu tố hạn chế từ môi trường vô tuyến
• Giải pháp: Thiết kế các cell cùng sử dụng nhóm kênh với
khoảng cách phù hợp

Trang 8


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

3.1 Giới thiệu

 Một số dạng phađinh trong môi trường vô tuyến
• Phađinh phẳng: làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số
(thay đổi giống nhau đối với các tần số trong dải). Thường gặp trong hệ
thống dung lượng nhỏ và vừa, độ rộng băng tín hiệu khác nhỏ. Pha đinh
phẳng xuất hiện thường xuyên là do chùm tia sóng truyền đi bị uốn cong.
+ Fading phẳng do truyền dẫn đa đường: hình thành do phản xạ tại các
chướng ngại vật cũng như sự thay đổi của độ khúc xạ của khí quyển nên
cường đô trường thu được ở đầu thu bị suy giảm và dịch pha trong quá
trình truyền dẫn.
+ 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.

Trang 9


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

3.1 Giới thiệu

 Một số dạng phađinh trong môi trường vô tuyến
• Pha đinh lựa chọn tần số: làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay
đổi phụ thuộc vào tần số, pha đinh này ảnh hưởng lớn đến tuyến vi ba số
dung lượng cao, băng thông rộng.
+ Pha đinh nhiều đường khí quyển: Khí quyển với mật độ khác nhau => các
chùm tia sóng bị lệch hướng (do ảnh hưởng đến các ts khác nhau) => tới

anten thu bằng nhiều đường khác nhau => 2 sóng thu được khác pha.
+ Pha đinh nhiều tia phản xạ từ mặt đất: Sự phản xạ từ mặt đất tạo thành
nhiều đường tia sóng => sóng thu được không cùng pha.

• Phađinh chậm: phađinh xảy ra trong khoảng cách lớn, thời gian dài, tốc
độ làm thay đổi tín hiệu chậm. Xuất hiện do suy hao đường truyền và che
tối (hiệu ứng bóng râm)

• Phađinh nhanh: phađinh xảy ra trong khoảng cách ngắn, tín hiệu bị thay
đồi nhanh. Thường do hiệu ứng Doppler và đa đường
Trang 10


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

3.1 Giới thiệu

 Một số dạng phađinh trong môi trường vô tuyến
Phân loại dựa trên chu kỳ và băng thông của tín hiệu

Trang 11


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

3.1 Giới thiệu

 Phân loại kênh vô tuyến

• Theo phạm vi không gian
+ Phadinh phạm vi rộng
- Khoảng cách đánh giá kênh lớn (vài km), phađinh xảy ra trong thời gian
dài, tốc độ biến đổi tín hiệu chậm (phađinh chậm)

+ Phadinh phạm vi hẹp
- Khoảng cách đánh giá kênh nhỏ, Phadinh xảy ra trong thời gian ngắn và
gây ra sự thay đổi sóng mang tức thời (phađinh nhanh, do hiện tượng
đa đường)

• Theo đặc tính kênh
+ Phân tập không gian: Đặc tính kênh thay đổi theo không gian (phadinh
chọn lọc không gian)
+ Phân tập tần số: Đặc tính kênh thay đổi theo tần số (phadinh chọn lọc
tần số)
+ Phân tập thời gian: Đặc tính kênh thay đổi theo thời gian (phadinh chọn
lọc thời gian)
Trang 12


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

3.1 Giới thiệu
 Ảnh hưởng phạm vi rộng
• Suy hao đường truyền và che tối.

Trang 13


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
Ảnh hưởng phạm vi hẹp

3.1 Giới thiệu

+ Trải trễ: số đo trễ truyền sóng tương đối giữa các đường truyền sóng không
trực tiếp và tia tới trực tiếp
+ Trải góc: số đo về dịch góc giữa các đường truyền sóng không trực tiếp và
tia tới trực tiếp
+ Trải Doppler: số đo về tốc độ thay đổi kênh gây ra do sự chuyển động của
phát và máy thu.
Trang 14


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

3.1 Giới thiệu

 Minh họa đặc tính của kênh

Các kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên, có thể thay đổi từ các đường
truyền thẳng đến các đường bị che chắn ảnh hưởng với các vị trí khác nhau. Do
đó trong miền không gian (kênh chọn lọc không gian), đặc tính kênh khác nhau

(về biên độ, pha, băng thông …). Ngoài ra, đặc tính kênh cũng thay đổi theo tần số
và thời gian (Chọn lọc tần số, chọn lọc thời gian)

Hình 3.1

Hình 3.2

Hình 3.3

Hình 3.1; 3.2; 3.3: Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số, miền thời gian
Trang 15


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
3.2 Đặc tính kênh trong các miền
 Kênh truyền sóng trong miền không gian

• Tổn hao đường truyền: PL (Path Loss) hay Lp
+ Là hàm phụ thuộc khoảng cách
n

PL ∝ d

(3.1)

n = 2: Không gian tự do; n = 3 ÷ 5: Môi trường di động
d: Khoảng cách truyền dẫn

+ Công suất thu trung bình giảm so với khoảng cách theo hàm log
+ Mô hình tổn hao đường truyền bao gồm nhiều tham số, tại một khoảng
cách d xác định thì PL là một quá trình ngẫu nhiên có phân bố log chuẩn
quanh giá trị trung bình
d 

PL (d)[dB] = PL(d) + X σ = PL (d0 ) + 10n lg 
(dB) (3.2)
÷+ X σ
 d0 
PL ( d)

: Tổn hao đường truyền trung bình
Xσ : Biến ngẫu nhiên phân bố Gausse trung bình “0” với lệch chuẩn σ
d0: Khoảng cách tham chuẩn thu phát
n: Mũ tổn hao đường truyền

Trang 16


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
3.2 Đặc tính kênh trong các miền

 Kênh truyền sóng trong miền tần số

• Điều biến tần số
+ Gây ra do hiệu ứng Doppler: Dịch tần số doppler, xảy ra do
sự di chuyển tương đối của máy phát và máy thu

f=

ν

λ

cos α =

ν
c

fc cos α = fd cos α

(3.3)

v : Tốc độ máy di động (MS)
λ: Bước sóng
α: Góc giữa phương chuyển động của MS và sóng tới
fd: Tần số doppler cực đại

Hình 3.4 Hiệu ứng Doppler

+ Tín hiệu đa đường từ các phương khác nhau làm tăng độ rộng băng tần tín
hiệu, gọi là trải phổ doppler. Khi v tăng fd tăng => vận tốc thay đổi kênh nhanh
=>phadinh nhanh

• Chọn lọc tần số
+ Băng thông nhất quán (Bc): số đo thống kê của dải tần số trên 1 kênh phađinh
được coi là phađinh phẳng (các tp phổ truyền qua với độ khuếch đại như nhau

và pha tuyến tính)
+ Một số đoạn phổ của tín hiệu qua kênh phađinh chọn lọc tần số bị ảnh hưởng
nhiều hơn.
Trang 17
+ Phadinh chon lọc tần số làm méo tín hiệu


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
3.2 Đặc tính kênh trong các miền
 Miền thời gian
+ Các kênh vô tuyến thay đổi theo thời gian (phadinh chọn lọc thời gian)
+ Biểu diễn tín hiệu thu
∞

y(t) =

∫ x ( τ)h(t, τ)dτ = x(t ) ⊗ h(t, τ)

(3.4)

−∞

x(t): Tín hiệu phát
τ: thời gian trễ của một đường truyền đa đường (Trễ đa đường)
h(t,τ): Đáp ứng xung kim kênh vô tuyến.

+ Ảnh hưởng đa đường kênh vô tuyến là trải trễ (phân tán thời gian, tán
thời), nghiêm trọng với các hệ thống tốc độ cao

Hình 3.5 Ảnh hưởng của trải trễ

Trang 18


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
3.2 Đặc tính kênh trong các miền
 Miền thời gian

• Trải trễ trung bình quân phương, RDS (Root mean square Delay
Spread)
(3.5)

+ RDS biểu thị trễ so với đường đến sớm nhất (LOS – Line Of Sight)
+ RDS đánh giá ảnh hưởng của ISI (InterSymbol Interference)

Trang 19


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

3.2 Đặc tính kênh trong các miền
 Miền thời gian
• Trễ trội cực đại
+ Trễ trội cực đại (X dB) là trễ thời gian mà ở đó năng lượng đa

đường giảm X dB so với năng lượng cực đại

• Thời gian nhất quán, Tc
+ Là thời gian ở đó kênh tương quan rất mạnh với tín hiệu thu
+ Tc xác định tính tĩnh của kênh, các ký hiệu truyền qua kênh chịu
ảnh hưởng của phadinh như nhau (kênh phađinh chậm). Ký
hiệu truyền bên ngoài thời gian nhất quán bị ảnh hưởng
phađinh khác nhau (kênh phađinh nhanh)

Trang 20


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

3.2 Đặc tính kênh trong các miền
 Quan hệ các thông số trong các miền khác nhau
• Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương

• Thời gian nhất quán và trải doppler
TC ≈

(3.8)

1

fd
(3.9)

Trang 21


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
3.2 Đặc tính kênh trong các miền

 Tổng kết đặc tính kênh

Bảng 3.1 Các đặc tính kênh của ba miền
Miền không gian
Thông số

Nhược điểm
Giải pháp
Mục đích

d;
Thăng
nhiên

Miền tần số
fd;

giáng

ngẫu

Chọn lọc không gian

MIMO
Lợi dụng đa đường

Bc ≈

50σ τ

Chọn lọc tần số
OFDM
Phađinh phẳng
(T≥στ)

Chú thích

1

Miền thời gian
σ τ;

Tc ≈

1

fd

Chọn lọc thời gian
Thích ứng
Phađinh chậm
(BS>>fd)

d: khoảng cách thu phát; MIMO: Multile Input Multiple Output; f d:
trải Doppler; BC: độ rộng băng nhất quán của kênh xét cho

tương quan lớn hơn 90%; T: chu kỳ ký hiệu; στ: trải
 OFDM: điều chếtrường
đa hợp
sóng
mang trực giao (Orthogonal frequencytrễ trung bình quân phương; TC: thời gian nhất quán của kênh;
division multiplexing)
B : độ rộng băng tín hiệu phát
S

Trang 22


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
3.3 Phadinh phạm vi hẹp
 Phân loại phadinh phạm vi hẹp

• Trải trễ đa đường
+ Là thông số miền thời gian, làm méo tín hiệu do trễ và phadinh chọn lọc
tần số (ảnh hưởng lên đặc tính kênh miền tần số)
- Phadinh phẳng
- Phadinh chọn lọc tần số

• Trải doppler
+ Là thông số miền tần số, dẫn đến tán tần và phadinh chọn lọc thời gian
(ảnh hưởng lên đặc tính kênh miền thời gian)

- Phadinh chậm
- Phadinh nhanh

• Ý nghĩa
+ Điều kiện phadinh ngoài phụ thuộc thông số kênh là trải trễ đa đường và
băng thông nhất quán, còn phụ thuộc đặc điểm của tín hiệu bao gồm
chu kỳ ký hiệu và độ rộng băng tần
+ Lựa chọn tín hiệu phù hợp sẽ cải thiện được hiệu năng truyền dẫn
Trang 23


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
3.3 Phadinh phạm vi hẹp
 Phân loại phadinh phạm vi hẹp
Bảng 3.2. Các loại phađinh phạm vi hẹp

Cơ sở phân loại
Trải trễ đa đường

Trải Doppler

Loại Phađinh

Điều kiện

Phađinh phẳng

B<

Phađinh chọn lọc tần số

B>BC; T<10στ

Phađinh nhanh

T>TC; B
Phađinh chậm

T<<TC; B>>fd

B: Độ rộng băng tần tín hiệu
Bc: Băng thông nhất quán
fd: Trải doppler cực đại
T: Chu kỳ ký hiệu
σ τ : Trải trễ trung bình quân phương
Trang 24


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
3.4 Các phân bố Rayleigh và Rice
• Được sử dụng để mô tả tính chất thống kê thay đổi theo thời gian
của tín hiệu phadinh phẳng

 Phân bố phadinh Rayleigh

• Là phân bố đường bao của tổng hai tín hiệu có phân bố Gauss
vuông góc

• Hàm mật độ xác suất, PDF
2
r

−
2
r

2σ
, 0≤r ≤ ∞
fβ (r ) =  2 e
σ
r<0
0 ,

(3.10)

β: Biến ngẫu nhiên của điện áp đường bao tín hiệu thu, r: giá trị của β
σ: Giá trị trung bình quân phương của tín hiệu thu của từng thành phần
Gauss
σ 2: Công suất trung bình theo thời gian của tín hiệu thu
Trang 25