kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB_T 2.doc

Ch¬ng 2: ¶nh hëng cña kªnh v« tuyÕn ®Õn truyÒn dÉn tÝn hiªu.

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN ĐẾN TRUYỀN DẪN
TÍN HIỆU.
2.1. Giới thiệu chương .
Khi nghiên cứu hệ thống thông tin, việc tạo ra các mô hình kênh đóng một vai
trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống. Bản chất biến
đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng
,thiệt hại không thể lường trước làm cho cấu trúc bộ thu, kỹ thuật sửa lỗi ngày càng
phức tạp. Khi nghiên cứu các thuật toán, giải thuật để hạn chế những ảnh hưởng của
kênh truyền,điều cần thiết là phải xây dựng những mô hình có thể xấp xỉ môi trường
truyền dẫn một cách hợp lý.Chương này giới thiệu những đặc tính,ảnh hưởng của
kênh truyền đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình số quảng bá
mặt đất DVB_T.
2.2. Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)
Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ,khúc xạ, nhiễu
xạ, tán xạ,…và do đó gây ra hiện tượng đa đường (multipath).Tín hiệu nhận được tại
bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnh hưởng như :suy hao
truyền dẫn trung bình (mean propagation loss), fading đa đường (multipath fading) và
suy hao đường truyền (path loss).
Mean propagation loss xảy ra do các hiện tượng như:sự mở rộng về mọi hướng
của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước,lá cây…và do phản xạ từ mặt đất.Mean
propagation loss phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các
mobile di chuyển với tốc độ cao.
2.3. Suy hao đường truyền ( pass loss and attenuation).
Tại anten phát,các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là
sóng được mở rộng theo hình cầu).Khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín
hiệu ,sóng cũng được mở rộng theo dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó
sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế.Vì thế mật độ công suất của sóng
giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách.Phương trình (2.1) cho ta công suất tín hiệu
16

Ch¬ng 2: ¶nh hëng cña kªnh v« tuyÕn ®Õn truyÒn dÉn tÝn hiªu.

thu được khi truyền trong không gian tự do:
2
4






=
R
GGPP
RTTR
π
λ
(2.1)
Trong đó :
P
R
là công suất thu được (Watts).
P
T
là công suất phát (Watts).
G
T
là độ lợi của anten phát, G
R
là độ lợi của anten thu.

λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m).
R là khoảng cách truyền dẫn tính bằng met.
Hoặc ta có thể viết lại là :
RTRTR
T
GG
fR
cGG
R
P
P
114114
22
22






=






=
π
λ

π
(2.2)
Gọi L
pt
là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:
L
pt
(dB)=P
T
(dB) - P
R
(dB)
=-10logG
T
-10log10G
R
+20logf+20logR-47.6dB (2.3)
Nói chung truyền trong không gian tự do không phức tạp lắm,chúng ta có thể
xây dựng mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực
tiếp như các tuyến liên lạc viba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn.Tuy nhiên ,cho
hầu hết các thông tin trên mặt đất như thông tin di động, DVB_T, mạng LAN không
dây,môi trường truyền phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó
khăn hơn.Ví dụ đối với những kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi điều kiện
về không gian tự do không được thoả mãn ,chúng ta có thể tính suy hao đường truyền
theo công thức sau :
RhhGGL
MSBSRTpl
log40log20log20log10log10
10
−−−−−=

(2.4)
Trong đó h
BS
, h
MS
<< R là độ cao anten trạm phát và anten của MS.
2.4. Fading chậm(slow fading) và fading nhanh(past fading).
Slow fading gây ra do sự cản trở của các toà nhà và địa hình tự nhiên như đồi
17
Ch¬ng 2: ¶nh hëng cña kªnh v« tuyÕn ®Õn truyÒn dÉn tÝn hiªu.

núi. Đối với các trạm thu, phát, hoặc các vật cản di động sẽ thay đổi suy hao đường
truyền do khoảng cách truyền bị thay đổi. Sự thay đổi trong suy hao đường truyền
xuất hiện khi khoảng cách lớn (thường từ 10 – 100 lần bước sóng) và phụ thuộc vào
kích thước vật cản gây nên bóng mờ hơn là bước sóng của tín hiệu RF. Vì sự thay đổi
này thường xảy ra chậm nên nó còn được gọi là fading chậm.
Fast fading gây ra do sự tán xạ đa đường (multipath scatter) ở vùng xung quanh
mobile.Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền này sẽ
có thời gian truyền khác nhau. Nếu chúng ta truyền một xung RF qua môi trường đa
đường, thì tại đầu thu ta sẽ thu được tín hiệu như hình 2.1. Mỗi xung tương ứng với
một đường, cường độ phụ thuộc vào suy hao đường của đường đó. Đối với tín hiệu
tần số cố định (chẳng hạn sóng sin), trễ đường truyền sẽ gây nên sự quay pha của tín
hiệu. Mỗi một tín hiệu đa đường sẽ có khoảng cách truyền khác nhau và do đó có sự
quay pha khác nhau. Những tín hiệu này được cộng lại tại bộ thu gây nên nhiễu tăng
cường hoặc suy giảm. Nhiễu suy giảm là nhiễu khi kết quả cộng tại bộ thu là bé hơn
tín hiệu trực tiếp, còn nhiễu tăng cường là khi tất cả các tín hiệu có cùng pha và tăng
cường lẫn nhau.
2.5. Fading lựa chọn tần số và fading phẳng.
Ảnh hưởng đa đường cũng gây nên sự thay đổi fading cùng với tần số, là do đáp
ứng pha của các thành phần đa đường sẽ thay đổi cùng với tần số. Pha thu được, tùy

theo phía phát của một thành phần đa đường tương đương với số bước sóng của tín
hiệu đã truyền đi từ phía phát. Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số và vì thế đối với
đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số. Khoảng cách truyền của mỗi
18
Công suất
Thời gian truyền
Hình 2.1 Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF
1
2
1
3
1
4
1
5
Hình 2.9 Minh hoạ fading lựa chon tần số
Mặt phản xạ
Bộ phát
Bộ thu
17m
8m
10 m
Đường 1
Đường 2
Ch¬ng 2: ¶nh hëng cña kªnh v« tuyÕn ®Õn truyÒn dÉn tÝn hiªu.

thành phần đa đường khác nhau và như vậy sự thay đổi pha cũng khác nhau. Hình 2.2
biểu diễn một ví dụ truyền dẫn hai đường. Đường thứ nhất hướng trực tiếp khoảng
cách 10m, đường thứ hai là hướng phản xạ khoảng cách 25m. Đối với Hình 2.1: Phổ
Doppler (fc – fm) fc (fc + fm) bước sóng 1m, mỗi đường có một số nguyên bước sóng

và pha thay đổi từ phía phát đến phía thu là 0
0
cho mỗi đường. Ở tần số này, hai
đường sẽ tăng cường lẫn nhau. Nếu chúng ta thay đổi tần số để có bước sóng là 0,9m
thì đường một sẽ có 10/ 0,9 = 11,111λ hay có pha là 0,111× 360
0
= 40
0
, trong khi
đường thứ hai có 25/ 0,9 = 27,778λ , hay có pha là 0,778× 360
0
= 280
0
. Điều này làm
hai đường khác pha nhau, sẽ làm suy giảm biên độ tín hiệu ở tần số này.
Và như thế ta thấy, ở một số tần số nhất định nào đó, hiện tượng tín hiệu bị triệt
tiêu hoàn toàn sẽ xảy ra. Đặc tính fading lựa chọn tần số của một kênh có thể được
tóm tắt bởi băng thông Coherent của kênh đó. Băng thông Coherent tỷ lệ nghịch với
độ trải trễ của kênh. Đường biểu diễn của hai tín hiệu có tần số không kết hợp thay
đổi nên được cách nhau một khoảng lớn hơn độ rộng băng thông Coherent B
c
của
kênh. Băng thông Coherent có thể được tính xấp xỉ từ hệ số đường bao kết hợp giữa
hai tín hiệu cách nhau bởi Δf Hz và Δt giây. Hệ số đường bao kết hợp là:
22
2
0
).2(1
).2(
),(

δπ
π
ρ
f
tfJ
tf
m
∆+
∆
=∆∆
(2.5)
19
Hình 2.2 Minh hoạ fading lựa chon tần số
Mặt phản xạ
Bộ phát
Bộ thu
17m
8m
10 m
Đường 1
Đường 2
Ch¬ng 2: ¶nh hëng cña kªnh v« tuyÕn ®Õn truyÒn dÉn tÝn hiªu.

với J
0
là hàm Bessel bậc không, f
m
là độ dịch Doppler lớn nhất, δ là độ trải trễ của
kênh. Bảng 2.1 cho ta một số giá trị phổ biến độ trải trễ của kênh trong các môi
trường khác nhau.

Khi chúng ta xét sự kết hợp chỉ là hàm của khoảng cách tần số và đặt Δt thành
không, băng thông Coherent B
c
được định nghĩa là độ rộng băng thông Δf khi hệ số
đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu bằng phân nữa giá trị lớn nhất của nó.
5,0
)2(1
1
)0,(
22
=
+
=
δπ
ρ
c
c
B
B
(2.6)
Kết quả băng thông Coherent là:
δπδ
6
1
2
1
≈=
c
B
(2.7)

Đối với các giá trị độ trải trễ cho trong Bảng 2.1, ta sẽ tính được các băng thông
Coherent tương ứng. Nếu độ rộng băng của tín hiệu đã điều chế nhỏ hơn băng thông
Coherent của kênh, tất cả các thành phần tần số của tín hiệu đều có cùng fading, và
fading này được gọi là fading (tần số) phẳng. Tương tự trong miền thời gian, nếu độ
trải trễ của kênh nhỏ hơn khoảng thời symbol, thì sự ảnh hưởng làm thay đổi hình
dạng của xung phát lên kênh đó là không đáng kể, chỉ có biên độ của xung là bị thay
đổi.
Mặt khác, nếu băng thông của tín hiệu điều chế lớn hơn nhiều so với băng thông
Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu có các đặc tính
fading khác nhau, và fading này được gọi là fading lựa chọn tần số. Các kênh lựa
chọn tần số cũng còn được gọi là các kênh phân tán thời gian, bởi vì độ trải trễ dài
20
Môi trường Độ trải trể
Bên trong các toà nhà < 0,1 μs
Khu vực ngoài trời < 0,2 μs
Khu vực ngoại ô 0,5 μs
Khu vực thành thị 3 μs
Bảng 2.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu