Giáo trình Môn Công nghệ truyền thông vô tuyến (Bản chuẩn)

Là giáo trình môn Công nghệ truyền thông vô tuyến thuộc chuyên ngành Công nghệ điện tử viễn thông tại các trường đại họcCho phép chúng ta hiểu sâu hơn về truyền thông vô tuyến và những điều cần biết về công nghệ truyền thông vô tuyến

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn.Phương pháp thông tin là: phía phát bức xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng điện từ,phía thu nhận sóng điện từ phía phát qua không gian và tách lấy tín hiệu gốc Về lịch sửcủa thông tin vô tuyến, vào đầu thế kỷ này Marconi thành công trong việc liên lạc vôtuyến qua Đại Tây dương, Kenelly và Heaviside phát hiện một yếu tố là tầng điện lyhiện diện ở tầng phía trên của khí quyển có thể dùng làm vật phản xạ sóng điện từ.Những yếu tố đó đã mở ra một kỷ nguyên thông tin vô tuyến cao tần đại qui mô Gần 40nǎm sau Marconi, thông tin vô tuyến cao tần là phương thức thông tin vô tuyến duy nhất

sử dụng phản xạ của tầng đối lưu, nhưng nó hầu như không đáp ứng nổi nhu cầu thôngtin ngày càng gia tǎng

Chiến tranh thế giới lần thứ hai là một bước ngoặt trong thông tin vô tuyến.Thông tin tầm nhìn thẳng - lĩnh vực thông tin sử dụng bǎng tần số cực cao (VHF) và đãđược nghiên cứu liên tục sau chiến tranh thế giới - đã trở thành hiện thực nhờ sự pháttriển các linh kiện điện tử dùng cho HF và UHF, chủ yếu là để phát triển ngành rađa.Với sự gia tǎng không ngừng của lưu lượng truyền thông, tần số của thông tin vô tuyến

đã vươn tới các bǎng tần siêu cao (SHF) và cực kỳ cao (EHF) Vào những nǎm 1960,phương pháp chuyển tiếp qua vệ tinh đã được thực hiện và phương pháp chuyển tiếpbằng tán xạ qua tầng đối lưu của khí quyển đã xuất hiện Do những đặc tính ưu việt củamình, chẳng hạn như dung lượng lớn, phạm vi thu rộng, hiệu quả kinh tế cao, thông tin

vô tuyến được sử dụng rất rộng rãi trong phát thanh truyền hình quảng bá, vô tuyến đạohàng, hàng không, quân sự, quan sát khí tượng, liên lạc sóng ngắn nghiệp dư, thông tin

vệ tinh - vũ trụ v.v

Tuy nhiên, can nhiễu với lĩnh vực thông tin khác là điều không tránh khỏi, bởi vìthông tin vô tuyến sử dụng chung phần không gian làm môi trường truyền dẫn Để đốiphó với vấn đề này, một loạt các cuộc Hội nghị vô tuyến Quốc tế đã được tổ chức từnǎm 1906 Tần số vô tuyến hiện nay đã được ấn định theo "Qui chế thông tin vô tuyến(RR)" tại Hội nghị ITU (Internasional Telecommunications Union) ở Geneva nǎm 1959.Sau đó lần lượt là Hội nghị về phân bố lại dải tần số sóng ngắn để sử dụng vào nǎm

1967, Hội nghị về bổ sung qui chế tần số vô tuyến cho thông tin vũ trụ vào nǎm 1971,

và Hội nghị về phân bố lại tần số vô tuyến của thông tin di động hàng hải cho mục đíchkinh doanh vào nǎm 1974 Tại Hội nghị của ITU nǎm 1979, dải tần số vô tuyến phân bố

đã được mở rộng từ 9 kHz ÷ 400 GHz và đã xem xét lại và bổ sung cho Qui chế thôngtin vô tuyến điện (RR) Để giảm bớt can nhiều của thông tin vô tuyến, ITU tiếp tụcnghiên cứu những vấn đề sau đây để bổ sung vào sự sắp xếp chính xác khoảng cáchgiữa các sóng mang trong Qui chế thông tin vô tuyến: dùng cách che chắn thích hợp

trong khi lựa chọn trạm; cải thiện hướng tính của anten; nhận dạng bằng sóng phân cựcchéo; tǎng cường độ ghép kênh; chấp nhận sử dụng phương pháp điều chế chống lại cannhiễu

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin khác nhưthông tin di động, vi ba số, cáp quang, thông tin vệ tinh v.v, thông tin vô tuyến vẫn tiếptục đóng vai trò quan trọng và được phát triển ngày càng hoàn thiện với những côngnghệ cao đáp ứng được những đòi hỏi không những về mặt kết cấu mà cả về mặt truyềndẫn, xử lý tín hiệu, bảo mật thông tin

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Các mạng vô tuyến di động truyền thống được xây dựng trên cơ sở khái niệm tếbào (cellular), bằng cách này có thể đáp ứng tốt về kiến trúc Trong đó các thiết bị diđộng thông tin với các điểm truy nhập giống (như các trạm cơ sở) được nối với mạng cốđịnh Mạng vô tuyến được phân loại theo 3 kiểu tương ứng theo vùng phủ sóng đó là:(1) mạng vô tuyến nội bộ (WLAN, Wi-Fi/IEEE 802.11), mạng này có thể cung cấp truynhập internet tốc độ cao nhưng bị giới hạn về vị trí cũng như khoảng cách; (2) các mạng

vô tuyến tế bào, có thể cho phép truy nhập ở phạm vi toàn cầu nhưng bị giới hạn về tốcđộ; (3) các mạng vô tuyến đô thị (như WiMAX/ IEEE 802.16) và mạng vô tuyến diệnrộng như mạng thế hệ thứ 3

Sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây làrất nhanh, tập trung vào việc cải tiến các giao thức và môi trường truyền dẫn, bởi vậyngười dùng được đáp ứng yêu cầu dịch vụ mọi lúc, mọi nơi

1.1 PHÂN CHIA DẢI TẦN SỐ VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG CHO CÁC MỤC ĐÍCH THÔNG TIN

Ta biết rằng thông tin vô tuyến đảm bảo việc phát thông tin đi xa nhờ các sóng điện

từ Môi trường truyền sóng (khí quyển trên mặt đất, vũ trụ, nước, đôi khi là các lớp địachất của mặt đất) là chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến Việc phân kênh chủ yếudựa vào tiêu chuẩn tần số Một cách tổng quát, phổ tần tổng cộng và miền áp dụng củachúng được chỉ ra trên hình 1.1

Phổ này kéo dài từ các tần số dưới âm thanh (subsonic - vài Hz) đến các tia vũ trụ(1022 Hz) và được chia tiếp thành các đoạn nhỏ gọi là các băng tần Toàn bộ dải tần số

vô tuyến (RF) lại được chia ra thành các băng nhỏ hơn, có tên và kí hiệu như bảng 1-1theo Ủy ban tư vấn về Thông tin vô tuyến quốc tế CCIR (Comité ConsultatifInternationa des Radiocommunications - International Radio Consultative Committee)

 Các tần số cực kì thấp (ELF - Extremely Low Frequencies) Có giá trị nằm trong

phạm vi 30 ÷ 300 Hz, chứa cả tần số điện mạng AC và các tín hiệu đo lường từ xa tầnthấp

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

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

 Các tần số rất thấp (VLF - Very Low Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷

30 kHz, chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói Dùng cho các hệ thống anninh, quân sự và chuyên dụng của chính phủ như là thông tin dưới nước (giữa các tàungầm)

 Các tần số thấp (LF - Low Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 kHz

(thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không

 Các tần số trung bình (MF - Medium Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 300

kHz ÷ 3 MHz (thường gọi là sóng trung), chủ yếu dùng cho phát thanh thương mạisóng trung (535 đến 1605 kHz) Ngoài ra cũng sử dụng cho dẫn đường hàng hải vàhàng không

 Các tần số cao (HF - High Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 MHz

(thường gọi là sóng ngắn) Phần lớn các thông tin vô tuyến 2 chiều (twoway) sử dụngdải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàngkhông, nghiệp dư, phát thanh quảng bá v.v

 Các tần số rất cao (VHF - Very High Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 30

÷ 300 MHz (còn gọi là sóng mét), thường dùng cho vô tuyến di động, thông tin hànghải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến 108 MHz), truyền hình thươngmại (kênh 2 đến 12 với tần số từ 54 MHz đến 216 MHz)

 Các tần số cực cao (UHF - UltraHigh Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi

300 MHz ÷ 3 GHz (còn gọi là sóng đề xi mét), dùng cho các kênh truyền hình thươngmại 14 ÷ 83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các hệ thống điện thoại tế bào,một số hệ thống rada và dẫn đường, các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh

 Các tần số siêu cao (SHF - SuperHigh Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 3

÷ 30 GHz (còn gọi là sóng cen ti mét), chủ yếu dùng cho vi ba và thông tin 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 cho thông tin vô tuyến

 Các tần số hồng ngoại Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 THz ÷ 300 THz, nói chung

không gọi là sóng vô tuyến Sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìm nhiệt, chụp ảnhđiện tử và thiên văn học

 Các ánh sáng nhìn thấy Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 PHz ÷ 3 PHz, dùng trong

hệ thống sợi quang

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

1.2 ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN

Tần số sử dụng cho sóng điện từ như vai trò sóng mang trong thông tin vô tuyếnđược gọi riêng là "tần số vô tuyến" (RF) Tần số này chiếm một dải rất rộng từ VLF (tần

số cực thấp) tới sóng milimet Mặc dù không gian tự do hàm ý là chân không, sự truyềnsóng qua khí quyển trái đất vẫn thường được coi là truyền sóng trong không gian tự do

Sự khác nhau chủ yếu là ở chỗ khí quyển trái đất gây nên các tổn thất đối với tín hiệu,còn trong chân không thì không có tổn thất Không thể lý giải đầy đủ sóng vô tuyến theo

lý thuyết, bởi vì nó không chỉ bị ảnh hưởng bởi tầng đối lưu và tầng điện ly mà còn bởicác thiên thể, kể cả mặt trời Do vậy, việc đánh giá các trạng thái của các hành tinh củatầng đối lưu và điện ly và việc dự báo đường truyền sóng vô tuyến cũng như khả năngliên lạc dựa trên nhiều dữ liệu trong quá khứ là hết sức quan trọng Các mục tiếp sau sẽ

giúp bạn đọc hiểu được cơ chế truyền sóng vô tuyến theo tần số thông tin vô tuyến cùngnhững vấn đề khác, liên quan đến sóng vô tuyến

1.2.1 Các phương thức truyền lan sóng điện từ

Các sóng bức xạ từ điểm phát có thể đến được các điểm thu theo những đường khácnhau Các sóng truyền lan dọc theo bề mặt quả đất gọi là sóng đất hay sóng bề mặt; cácsóng đi tới các lớp riêng biệt của tầng ion và phản xạ lại gọi là sóng điện ly hay sóngtrời; và sóng không gian (gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất) (hình 1-2)

Hình 2-2 Các phương thức truyền sóng

a Sự truyền lan sóng đất

Sóng đất là sóng truyền lan dọc theo bề mặt trái đất, do đó còn được gọi là sóng bềmặt Sóng đất là sóng phân cực đứng bởi vì điện trường trong sóng phân cực ngang sẽsong song với bề mặt trái đất, và các sóng như thế sẽ bị ngắn mạch bởi sự dẫn điện củađất

Thành phần điện trường biến đổi của sóng đất sẽ cảm ứng điện áp trong bề mặt tráiđất, tạo ra dòng điện chảy Bề mặt trái đất cũng có điện trở và các tổn hao điện môi, gâynên sự suy hao sóng đất khi lan truyền Sóng đất lan truyền tốt nhất trên bề mặt là chấtdẫn điện tốt như nước muối, và truyền kém trên vùng sa mạc khô cằn Tổn hao sóng đấttăng nhanh theo tần số, vì thế sóng đất nói chung hạn chế ở các tần số thấp hơn 2 MHz.Sóng đất được dùng rộng rãi cho liên lạc tàu thủy - tàu thủy và tàu thủy - bờ Sóng đấtđược dùng tại các tần số thấp đến 15 kHz

Các nhược điểm của truyền lan sóng đất là:

• Sóng đất yêu cầu công suất phát khá cao

• Sóng đất yêu cầu anten kích thước lớn

• Tổn hao thay đổi đáng kể theo loại đất

Các ưu điểm là:

• Với công suất phát đủ lớn, sóng đất có thể dùng để liên lạc giữa 2 điểm bất kì trênthế giới

• Sóng đất ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điều kiện khí quyển.

b Sự truyền lan sóng không gian

Gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất, truyền trong vài kilomet tầngdưới của khí quyển Sóng trực tiếp lan truyền theo đường thẳng giữa các anten phát vàthu, còn gọi sóng nhìn thẳng (LOS: Line-Of-Sight) Vì thế, sóng không gian bị hạn chếbởi độ cong của trái đất Sóng phản xạ từ đất là sóng phản xạ từ bề mặt trái đất khi lantruyền giữa anten phát và thu Độ cong của trái đất tạo nên chân trời đối với sự truyềnlan sóng không gian, thường gọi là chân trời vô tuyến Do khúc xạ khí quyển, chân trời

vô tuyến dài hơn chân trời quang học đối với khí quyển tiêu chuẩn thông thường Chântrời vô tuyến xấp xỉ bằng 4/3 chân trời quang học Có thể kéo dài chân trời vô tuyếnbằng cách nâng cao anten phát hoặc anten thu (hay cả hai) bằng tháp hoặc đặt trên đỉnhnúi (tòa nhà) Hình 1-9 chỉ ra ảnh hưởng của độ cao anten đến chân trời vô tuyến Chân trời vô tuyến nhìn thẳng đối với một anten bằng:

d=√2h

trong đó: d = khoảng cách đến chân trời vô tuyến (dặm)

h = độ cao anten so với mực nước biển (phít)

Do đó, khoảng cách giữa anten phát và anten thu là:

d=d t +d r=√2h t+√2h r

trong đó: d là tổng khoảng cách (dặm)

d t , d r là chân trời vô tuyến đối với anten phát và anten thu (dặm hoặc kilomet),

h t ,h r độ cao anten phát và anten thu (phít hoặc mét) Khoảng cách cực đại giữa máy phát

và máy thu trên đất trung bình có thể tính gần đúng theo công thức sau (đơn vị mét):

d(max) =17h t +17h r

Như vậy, khoảng cách truyền sóng không gian có thể tăng bằng cách tăng độ cao antenphát, anten thu hoặc cả hai

Hình 1-3 Sóng không gian và chân trời vô tuyến

Do các điều kiện ở tầng dưới khí quyển hay thay đổi nên mức độ khúc xạ thayđổi theo thời gian Trường hợp đặc biệt gọi là truyền lan trong ống sóng xảy ra khi mật

độ đạt mức sao cho các sóng điện từ bị bẫy giữa tầng này và bề mặt trái đất Các lớp khíquyển hoạt động như ống dẫn sóng và các sóng điện từ có thể lan truyền rất xa vòngtheo độ cong trái đất và trong ống (hình 1-4).

Hình 1-4 Hiện tượng ống sóng

c Sự truyền lan sóng trời

Các sóng điện từ có hướng bức xạ cao hơn đường chân trời (tạo thành góc khálớn so với mặt đất) được gọi là sóng trời Sóng trời được phản xạ hoặc khúc xạ về tráiđất từ tầng điện ly, vì thế còn gọi là sóng điện ly Tầng điện ly là vùng không gian nằmcách mặt đất chừng 50 km đến 400 km Tầng này hấp thụ một số lượng lớn năng lượngcủa tia cực tím và tia X bức xạ của mặt trời, làm ion hóa các phân tử không khí và tạo raelectron tự do Khi sóng điện từ đi vào tầng điện ly, điện trường của sóng tác động lựclên các electron tự do, làm cho chúng dao động Khi sóng chuyển động xa trái đất, sựion hóa tăng, song lại có ít hơn phân tử khí để ion hóa Do đó, phần trên của khí quyển

có số phần trăm phân tử ion hóa cao hơn phần dưới Mật độ ion càng cao, khúc xạ cànglớn Nói chung, tầng điện ly được phân chia thành 3 lớp: lớp D, E, và F theo độ cao củanó; lớp F lại được phân chia thành lớp F1, F2 (hình 1-5) Độ cao và mật độ ion hóa của

3 lớp thay đổi theo giờ, mùa và theo chu kì vết đen của mặt trời (11 năm) Tầng điện lyđậm đặc nhất vào ban ngày và mùa hè

Hình 1-5 Tầng điện ly và sự thay đổi của chúng theo thời gian trong ngày

Lớp F: gồm 2 lớp F1 và F2 Lớp F1 có độ cao 140 ÷ 250 km vào ban ngày LớpF2 có độ cao 140 ÷ 300 km về mùa đông và 250 ÷ 350 km về mùa hè Về đêm, 2 lớpnày hợp lại với nhau tạo thành một lớp Lớp F1 hấp thụ và suy hao một số sóng HF, choqua phần lớn các sóng để đến F2, rồi khúc xạ ngược về trái đất

1.3 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN

1.3.1 Hệ thống thông tin - Kênh thông tin

Các hệ thống thông tin dùng để truyền tin Tin có thể là liên tục (tiếng nói, âmnhạc) hoặc rời rạc (văn bản, dữ liệu số) Trong hệ thống thông tin, tin được biến đổithành tín hiệu phù hợp với kênh thông tin Theo loại tin truyền đi, có thể chia các hệthống thông tin thành hệ thống rời rạc hoặc liên tục Các hệ thống điện thoại vô tuyến vàtruyền hình với điều tần hoặc điều biên có thể qui về loại hệ thống liên tục (tương tự).Đôi khi các tin liên tục được biến đổi thành tin rời rạc (lượng tử hoá) rồi truyền đi bằngcác phương pháp đặc trưng cho các hệ thống rời rạc (chẳng hạn truyền tiếng nói bằngPCM) Hệ thống liên lạc điện báo là ví dụ của hệ thống rời rạc

Người ta qui ước gọi tập hợp các phương tiện kỹ thuật dùng để truyền tin từnguồn đến người nhận tin là đường thông tin Các phương tiện này bao gồm thiết bịphát, kênh thông tin và thiết bị thu (hình 1-6) Đường thông tin cùng với nguồn và ngườinhận tạo thành hệ thống thông tin Chức năng của thiết bị phát là biến đổi tin thành tínhiệu thuận tiện nhất cho việc truyền trên đường thông tin đã cho Tổng quát, quá trìnhbiến đổi tin thành tín hiệu gồm 3 công đoạn: biến đổi, mã hoá và điều chế

Kênh thông tin – là môi trường dùng để truyền các tín hiệu từ máy phát đến máythu Nó có thể là cáp, ống dẫn sóng hoặc khí quyển

Hình 1-6 Sơ đồ chức năng hệ thống thông tin

Trong các hệ thống thông tin thực tế không thể tránh khỏi các nhiễu loạn làmméo tín hiệu Các nhiễu có thể là cộng tính (nhiễu khí quyển và nhiễu công nghiệp,nhiễu từ các máy lân cận) Nhiễu này tác động vào máy thu không phụ thuộc vào tínhiệu và xảy ra ngay cả khi lối vào máy thu không có tín hiệu Dạng nhiễu loạn phổ biếnkhác trong các hệ thống thông tin là nhiễu loạn gây bởi các thay đổi ngẫu nhiên cáctham số của kênh (liên quan trực tiếp đến quá trình tín hiệu đi qua kênh, vì thế chỉ xuấthiện khi có tín hiệu) Ví dụ của loại này là hiện tượng pha đinh

Trong trường hợp lan truyền 1 tia và có nhiễu cộng tính và nhiễu nhân trongkênh, tín hiệu ở lối vào máy thu có thể viết ở dạng:

ở đây: μ(t)- hệ số truyền đạt của kênh; A(t , u)- tín hiệu phát đi; ( τ(t) - thời gian trễtín hiệu, φ(t)- pha của tín hiệu; u(t)- tin phát đi; N(t)- nhiễu cộng Kênh thông tin có µ và

τ cố định theo thời gian được gọi là kênh có tham số không đổi Trường hợp ngược lạiđược gọi là kênh có tham số biến đổi Tín hiệu nhiều tia được mô tả bằng biểu thứctương tự:

1.3.2 Các tính chất của kênh thông tin vô tuyến

a Kênh thông tin vô tuyến có độ suy hao rất lớn, thường đạt tới 140 ÷ 160 dB

Công suất tín hiệu ở lối vào phần thu của kênh thường có giá trị nằm trongkhoảng 10-10 – 10-14 W, trong khi đó lại cần công suất hàng W hoặc lớn hơn ở lối ra đểthiết bị cuối làm việc tin cậy Nghĩa là thiết bị thu của kênh phải có hệ số khuếch đạitheo công suất ít nhất là 1010 ÷ 1014 hay 105 ÷ 107 theo điện áp Vấn đề khuếch đại tínhiệu không chỉ khó ở chỗ hệ số khuếch đại phải cao mà còn khó ở chỗ mức tín hiệu ở lốivào thiết bị thu so sánh được với tạp âm thăng giáng Tạp âm thăng giáng lẫn vào tínhiệu và không thể tách riêng được

b 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 của quãngđường mà sóng đi qua, vì vậy sự thay đổi mức tín hiệu ở lối vào phần thu của kênh trongdải cự ly thông tin cần thiết đạt tới 100 – 120 dB Có nghĩa là việc bảo đảm mức tín hiệu

ra không đổi (để thiết bị cuối hoạt động bình thường) gặp nhiều khó khăn

Độ suy hao thay đổi của kênh còn gây khó khăn cho việc thành lập các hệ thốngthông tin duplex (song công), tương tự như hệ thống thông tin dây dẫn với lối ra hai dây,nếu tham số mang tin của tín hiệu cao tần là biên độ (vì khó tránh khỏi sự mất ổn địnhtức là tăng khả năng tự kích)

Độ suy hao kênh thay đổi lớn khi tiến hành thông tin giữa các đối tượng cơ độngnếu sử dụng các sóng SCN (SCN lan truyền phụ thuộc vào địa hình) Điều kiện tiếnhành thông tin trở nên không thuận lợi khi trên đường hành tiến gặp phải các đối tượngphản xạ sóng vô tuyến, vì sẽ gây nên hiện tượng pha định giao thoa

c Độ suy giảm của kênh thông tin vô tuyến biến đổi còn do sự thay đổi của các tham

số khí quyển quả đất

Sự thay đổi này thấy rõ hơn ở dải sóng ngắn, khi tiến hành thông tin bằng cácsóng phản xạ từ tầng ion Trước hết do những thay đổi chậm theo ngày đêm của mức độion hoá các miền khác nhau của tầng khí quyển mà xuất hiện các dao động theo ngàyđêm của mức tín hiệu Ngoài ra việc thu các sóng phản xạ từ tầng ion kèm theo nhữngpha đinh thường xuyên và khá nhanh của tín hiệu do sự giao thoa của các tia đến đượcđiểm thu bằng những con đường khác nhau

d Kênh thông tin, nếu hạn chế chỉ là môi trường truyền sóng, thì về mặt vật lý là chung cho tất cả các phương tiện thông tin vô tuyến đang tồn tại, các đài phát thanh, dẫn đường vô tuyến

Khả năng phát đồng thời một số lượng lớn các tin trên vô tuyến dựa trên cơ sởphân tách tín hiệu theo tần số Tuy nhiên, vì việc sử dụng một cách có tổ chức dải tần

mà cự ly truyền sóng không bị giới hạn (SN), là cực kỳ khó khăn, trong khi nhu cầu ở

một số đoạn tần lại vượt quá dung lượng vật lý của chúng thì dễ dàng rút ra kết luận vềkhả năng và sự không tránh khỏi của việc gây nhiễu lẫn nhau khi phát tin, dẫn tới sự mậtmát nào đó của tin tức

Tình hình lại càng tồi tệ hơn do sự không hoàn thiện về mặt kỹ thuật của thiết bị,thể hiện ở chỗ việc phát tín hiệu thường kèm theo các bức xạ phụ, còn việc thu thì lạitiếp nhận cả các nhiễu từ miền tần số lớn hơn nhiều dải tần chiếm bởi tín hiệu cần nhận,nhất là khi nguồn nhiễu ở gần ngay nơi thu

Ngoài ra các nguồn nhiễu còn là các quá trình tự nhiên, như sự phóng điện cơngiông trong khí quyển, bức xạ vô tuyến của mặt trời và thiên hà Nguồn nhiễu còn là cácthiết bị điện trong công nghiệp và sinh hoạt Đa số các nhiễu có nguồn gốc tự nhiên vàcông nghiệp là các nhiễu dải rộng, bao trùm hầu hết toàn bộ dải tần

e Kênh vô tuyến gây méo tín hiệu phát đi do sự hạn chế phổ tần của nó

Người ta hạn chế phổ rộng vô hạn của tín hiệu có độ rộng hữu hạn trong tất cảcác hệ thống thông tin, vì năng lượng cơ bản của các tín hiệu chỉ tập trung trong dảitương đối hẹp Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, sự cần thiết phải hạn chế phổ còn

do dung lượng không đủ của dải tần và giảm xác suất nhiễu lạ lọt vào dải thông củakênh

Tóm lại: Khác với kênh đường dây, kênh vô tuyến được đặc trưng bởi dải rộng

của những thay đổi nhanh và chậm của độ suy hao và bởi sự tác động số lượng lớn cácnhiễu từ nguồn ngoài

1.4 HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.4.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin vô tuyến

Để thực tổ chức thực hiện thông tin bằng đường vô tuyến, tại đầu phát cần cóthiết bị phát, tại đầu thu cần có thiết bị thu Thông thường đối với việc tổ chức thông tintheo 2 chiều, mỗi đầu cần phải có cả thiết bị phát và thiết bị thu Sơ đồ tổng quát của hệthống thông tin vô tuyến được chỉ ra trên hình 1-7

Thiết bị phát là tập hợp các phương tiện kỹ thuật, nằm giữa nguồn các tín hiệuđiện sơ cấp và môi trường truyền sóng

Thiết bị thu là tập hợp các phương tiện kỹ thuật, nằm giữa môi trường truyềnsóng và nguồn tiêu thụ các tín hiệu điện sơ cấp

Hình 1-7 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin vô tuyến

Thiết bị phát bao gồm máy phát và hệ thống anten - phi đơ Máy phát thực hiện

ba chức năng cơ bản: 1 Biến đổi tín hiệu điện sơ cấp thành dạng tín hiệu cao tần phùhợp với dải tần số công tác của hệ thống, 2 Tạo dải tần công tác với số lượng tần sốcông tác, độ ổn định tần số và độ chính xác tần số cho trước 3 Tạo ra công suất cao tầnyêu cầu từ nguồn năng lượng tại chỗ

Khi tính toán công suất phải tính đến cự ly liên lạc yêu cầu, hiệu quả anten phát

và thu được dùng, phương pháp tiến hành liên lạc

Máy phát thường gồm bộ kích thích, bộ khuếch đại công suất và thiết bị phối hợpanten Bộ kích thích thực hiện biến đổi tín hiệu sơ cấp thành tín hiệu cao tần sơ cấp (tínhiệu vô tuyến), tổng hợp mạng tần số công tác trong dải tần đã cho, sau đó chuyển tínhiệu vô tuyến sơ cấp đã chọn lên tần số công tác Bộ khuếch đại công suất bảo đảmkhuếch đại tín hiệu cao tần lên đủ mức cần thiết, thường gồm nhiều tầng mắc nối tiếp.Thiết bị phối hợp bảo đảm phối hợp máy phát với thiết bị anten về mặt trở kháng đểanten bức xạ công suất cực đại, biến năng lượng điện thành năng lượng của sóng điện

từ

Thiết bị thu bao gồm hệ thống anten phi đơ và máy thu Máy thu gồm có tuyếnthu chung và tuyến thu riêng Anten thu nhận năng lượng các sóng điện từ rồi nhờ phi

đơ đưa tới lối vào máy thu Trong máy thu các dạng tín hiệu được xử lý theo nguyên tắc

Rộng - Hạn chế - Hẹp - Hạn chế cho phép nâng cao độ chọn lọc, độ nhạy đối với các dạng tín hiệu Tuyến thu chung đóng vai trò Rộng - Hạn chế, tại đây tín hiệu có ích được

khuếch đại, lọc dải rộng và biến đổi về thành tín hiệu điện tần số trung gian Tuyến thu

riêng đóng vai trò Hẹp - Hạn chế, tại đây các dạng tín hiệu được phân chia thành các

tuyến riêng biệt tiếp tục được khuếch đại, lọc dải hẹp và biến đổi thành tín hiệu sơ cấp

và đưa về dạng cần thiết cho sự hoạt động của thiết bị đầu cuối Nguồn tin có thể là tínhiệu dạng tương tự hoặc số

Trong thông tin vô tuyến ta hay gặp dạng thiết bị thu - phát kết hợp (thường gọi

là máy thu phát) trong đó máy phát và máy thu cùng chung một vỏ (tuỳ trường hợp sẽ

có một số bộ phận dùng chung như anten, mạch ra máy phát kiêm mạch vào máy thu, bộ

dao động chủ sóng máy phát kiêm dao động ngoại sai máy thu - bộ tổng hợp tần số, các

bộ lọc trong các tuyến tần số )

1.4.2 Phân loại thiết bị thông tin vô tuyến

Để thuận tiện cho việc nghiên cứu các nguyên tắc xây dựng và khả năng khaithác sử dụng, người ta thường phân loại thiết bị thông tin theo các tiêu chuẩn đặc trưngnhất của chúng Đó là:

1 Công dụng: Công dụng của máy thu phát, của các thiết bị phục vụ và điều khiển quyếtđịnh phạm vi sử dụng của chúng

2 Nguyên tắc sử dụng: Chia ra thành máy thu phát độc lập và máy thu phát điều khiểntập trung Loại đầu thường sử dụng trên các hướng thông tin độc lập, riêng biệt Loạisau là các tổ hợp phát, tổ hợp thu và tổ hợp thu phát Chúng hợp thành một hệ thống kỹthuật thống nhất, có tổ chức

3 Tính cơ động: Các máy thu phát có thể là cố định và cơ động (mang xách theo cánhân, đặt trên xe)

4 Dải tần: Sóng cực ngắn (SCN), sóng ngắn (SN)

5 Dạng tín hiệu vô tuyến: Điện báo biên độ CW, điện báo dịch tần FSK, thoại điều tần

FM, thoại điều biên AM, thoại đơn biên SSB

6 Chế độ làm việc: Đơn công (simplex), bán song công (semiduplex, half duplex) vàsong công (full duplex)

7 Công suất máy phát: P ≤ 100 W - công suất nhỏ (CSN); 100 < P ≤ 1000 W - côngsuất trung bình (CSTB); P > 1000 W - công suất lớn (CSL)

8 Mức độ tự động hóa: Có thể không tự động hóa và có tự động hóa Trong thông tin

vô tuyến, người ta thường phân loại các máy thu phát kết hợp vài tiêu chuẩn trên Phổbiến nhất là các loại sau:

• Máy thu phát sóng cực ngắn công suất nhỏ (SCN/CSN) Trong nhóm này lại chiathành: + SCN/CSN với P ≤ 1W

+ SCN/CSN với 1W < P ≤ 10 W

+ SCN/CSN với 10W < P ≤ 100 W

• Máy thu phát sóng ngắn công suất nhỏ (SN/CSN)

• Máy thu phát sóng ngắn công suất trung bình (SN/CSTB)

Mỗi nhóm máy thu phát được sử dụng cho các mục đích thông tin và cự ly thông tin dàingắn khác nhau

1.5 CÁC KÊNH THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.5.1 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

a 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 sốcủa kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số nàyđược gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 1.8 là f0

Hình 1.8a: Kênh truyền chọn lọc tần số (f 0 <W)

Trên hình 1.8a, ta nhận thấy kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông củatín hiệu phát Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu điqua, 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 tầnsố

Hình 1.8b: Kênh truyền không chọn lọc tần số (f 0 >W)

Ngược lại, trên hình 1.8b, kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông củatín 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 khôngchọn lọc tần số hoặc kênh truyền fading phẳng

b.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 trênđường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuấthiện 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 theothời 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 coherenttime thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian Ngược lại, khi tatruyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với coherent time thìkênh truyền đó là được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian hay phẳng về thờigian

1.5.2 Đáp ứng xung của kênh

Là một dãy xung thu được ở máy thu khi máy phát phát đi một xung cực nhắn gọi làxung Dirac δ(t) Định nghĩa xung Dirac:

Xung δ(t) được gọi là xung Dirac nếu nó thỏa mãn 2 điều kiện sau:

Đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc về thời gian:

h(τ ,k)=∑

k=1

N p

a k e j(2π f D k t+θ k)δ(τ−τ k(t))trong đó t: thành phần biến thiên thời gian tuyệt đối

f D k: tấn số Dopler

1.5.3 Hàm truyền đạt của kênh

Hàm truyền đạt của kênh của kênh không phụ thuộc về thời gian:

Định nghĩa theo Proakis:

T s: độ dài một mẫu tín hiệu của hệ thống

Nếu (∆ t)c>>T s: kênh không phụ thuộc thời gianNếu (∆ t)c<<T s: kênh phụ thuộc thời gian

1.5.6 Kênh tạp âm AWGN

Thuật ngữ tạp âm (noise) mô tả các tín hiệu điện không mong muốn xuất hiện

trong hệ thống Sự xuất hiện của tạp âm làm giảm khả năng tách chính xác các tín hiệuphát và, vì vậy, làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin

Tạp âm được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng có thể phân loại thành hainguồn chính là nhân tạo và tự nhiên Nguồn tạp âm nhân tạo xuất hiện từ các nguồnđánh lủa, chuyển mạch hay các phát xạ điện từ Tạp âm tự nhiên gồm tạp âm xuất hiệntrong các mạch hay linh kiện điện tử, xáo động khí quyển hay các nguồn thiên hà

Thiết kế tốt các mạch điện, thiết bị hay hệ thống cho phép loại bỏ hoặc giảm nhỏđáng kể ảnh hưởng của các tạp âm bằng cách nối đất, chọn vị trí đặt thiết bị hay sử dụngcác phương pháp lọc Tuy nhiên, có một nguồn tạp âm tự nhiên không thể loại bỏ là tạp

âm nhiệt Tạp âm nhiệt xuất hiện do chuyển động nhiệt của các điện tử ở trong tất cả cáclinh kiện điện tử như điện trở, dây dẫn hay các phần tử dẫn điện khác Sự chuyển độngngẫu nhiên và độc lập của vô hạn các điện tử tạo nên các đặc tính thống kê Gauss theođịnh lý giới hạn trung tâm (central limit theorem) Vì vậy, tạp âm nhiệt có thể mô tả nhưmột quá trình ngẫu nhiên Gauss có giá trị trung bình bằng không (zero mean)

Ví dụ: Xét một mạch điện gồm một nguồn tín hiệu (nguồn một chiều như pinchẳng hạn) có sức điện động là E, có điện trở nguồn bằng 0, mạch ngoài gồm một điệntrở tải R, bỏ qua điện trở dây dẫn Theo định luật Ohm, dòng điện một chiều qua điệntrở tải R là: Io = E/R Tuy nhiên, khi đo thực tế, dòng điện qua mạch là I(t) khác Io.Dòng I(t) quan trắc được nhấp nhô ngẫu nhiên quanh giá trị dòng 1 chiều Io Do đó, ta

có thể phân tích I(t) = Io + một dòng (khá nhỏ) nhấp nhô quanh giá trị 0 Dòng nhấp nhôkhá nhỏ ấy ký hiệu là n(t), gọi là tạp âm Dòng này chính là dòng gây bởi chuyển độngnhiệt của các điện tử trong mạch Điều này có thể thấy được như sau Giá trị dòng điệntức thời trong mạch: I = q/T trong đó T là khoảng thời gian quan trắc nào đó, q là điệnlượng chuyển qua thiết diện của dây dẫn Mọi điện tử trong mạch điện đồng thời chịu 2lực tác động: Lực điện trường do nguồn E và lực do chuyển động nhiệt gây nên Nếu lựcchuyên động nhiệt cùng hướng với lực điện trường do nguồn E thì điện tử được tăng tốc,

do đó trong cùng một T, điện lượng q chuyển qua mạch tăng, dòng I tăng, ngược lại thìdòng I giảm Do chuyển động nhiệt thì ngẫu nhiên nên sự tăng giảm của dòng điện trongmạch cũng ngẫu nhiên Tức là n(t) là một quá trình ngẫu nhiên

Từ phân tích trên có thể thấy dòng tín hiệu do nguồn tín hiệu gây nên là Io, còntạp âm nhiệt n(t) thì cộng vào với dòng tín hiệu, như vậy, tạp âm nhiệt có tính cộng vớitín hiệu - từ đó có cái chữ A, viết tắt của từ ADDITIVE (có tính cộng).

Khi đo mật độ phổ công suất của tạp âm nhiệt N(f), người ta thấy N(f) của tạp âmgần như hằng số trong một dải tần Wn rất rộng, lên tới hàng chục GHz Độ rộng băng

này sở dĩ lớn đến vậy là do có thể xem dòng tạp âm là tổng các xung điện gây ra khi cácđiện tử chuyển động nhiệt va chạm vào nhau trong mạch - 2 điện tử va vào nhau thìđộng năng giảm dưới dạng bức xạ ra các xung điện từ ni (quá trình là: nhiệt năng từ môitrường được điện tử hấp thụ chuyển thành động năng, khi va chạm thì động năng chuyểnthành điện năng bức xạ thành các xung điện từ) và dòng tạp âm có thể xem như tổng cácxung ni rất bé này Trong một giây có đến hàng tỷ, hàng chục tỷ các va chạm như vậy,

do vậy tạp âm như tổng một chuỗi xung có tốc độ lên đến hàng chục tỷ xung trong mộtgiây, vì vậy phổ của nó sẽ lên đến cỡ hàng tỷ đến hàng chục tỷ Hertz (hàng GHz đếnhàng chục GHz) Do độ dốc của hàm N(f) rất nhỏ, mặt khác bề rộng phổ của tín hiệutrong thực tế lại rất bé, thường chỉ vài chục MHz đến cỡ 100 MHz, nên bên trong băngtín hiệu có thể xem N(f) là hằng số = No

Ở đây ta cần lưu ý:

a) Với tín hiệu băng gốc, phổ chiếm của tín hiệu W thường rất nhỏ so với Wn (vàichục MHz so với vài - vài chục GHz) nên trong băng tín hiệu N(f) xem như = No =const Công suất tạp âm lọt vào trong băng tín hiệu sẽ là Pn = No.W

b) Với tín hiệu thông dải do điều chế, cả tín và tạp đều sẽ cùng điều chế sóng mangnên trên cao tần, phổ tín hiệu sẽ rộng 2W tập trung quanh tần số sóng mang fc,song với biên độ phổ giảm 2 lần (theo định lý điều chế trong biến đổi Fourier),tương tự vậy, hàm mật phổ công suất tạp âm cũng rộng cả về 2 phía của fc và cóbiên độ phổ là No/2 Điều này cho thấy việc điều chế thực ra như dịch tịnh tiến(tuyến tính) phổ tín hiệu lẫn mật phổ công suất tạp âm No lên tần số fc song biên

độ cùng giảm 2 lần, bù lại, bề rộng phổ trên cao tần bây giờ của tín hiệu là 2W (vàtạp âm lọt trong băng tín hiệu vẫn là Pn = 2W.No/2 = W.No) Như vậy, có thể xemnhư mật phổ công suất tạp âm có cả thành phần tần số âm (2 phía) với biên độ No/2

và khi được điều chế chỉ đơn thuần là dịch tịnh tiến lên fc

c) Từ a) và b) nảy sinh hai khái niệm: Mật phổ công suất tạp âm một phía (chỉ cóphần tần số dương) với biên độ (độ lớn) là No, bề rộng phổ Wn, thường sử dụng đểtính SNR với tín hiệu băng gốc hay băng gốc tương đương; và mật phổ công suấttạp âm hai phía (có cả tần số dương lẫn âm - đối xứng quanh tần số 0) với độ lớnNo/2, bề rộng phổ từ -Wn đến +Wn, tức là bề rộng phổ 2Wn, thường dùng để xétvới tín hiệu thông dải (tín hiệu đã được điều chế)

Trong băng tín hiệu W thì mật phổ công suất tạp âm gần như là hằng số, làm gầnđúng là hằng số No hay No/2 tùy trường hợp xét Điều này gợi ý liên hệ tới phổ ánhsáng trắng (là tổng của mọi sóng điện từ ánh sáng với mọi bước sóng - hay tần số - khácnhau) là hằng số theo trục bước sóng lamda hay trục tần số Tính chất phổ như vậy gọi

là phổ TRẮNG, nên có cái chữ W (WHITE).

Bây giờ xét về mặt biên độ của dòng (hay điện áp rơi trên 1 điện trở nào đó như

R của mạch chẳng hạn) tạp âm Do n(t) là một quá trình ngẫu nhiên nên tại một thời

điểm quan trắc to nào đó ta sẽ có một biến ngẫu nhiên là n(to), ký hiệu là n Như đã nói, n là tổng của một số rất lớn các xung dòng (hay xung điện từ) ni, từng ni lại có ảnhhưởng rất yếu tới tổng do từng ni có giá trị rất yếu Theo định lý giới hạn trung tâm của

Liapunov, n sẽ có hàm mật độ xác suất xấp xỉ được bằng hàm mật độ xác suất chuẩn

(Gauss) (phát biểu chính xác của định lý Liapunov ở đây sẽ chỉ tổ làm rối sự theo dõinên tôi sẽ không nói kỹ) Từ đây có tính chất phân bổ biên độ của tạp âm là phân

bố CHUẨN , và do đó có chữ G (GAUSSIAN) Do chuyển động nhiệt là cân bằng về

mọi phía nên trung bình của n (là tổng của các xung ni với giá trị và dấu âm hay dươngngẫu nhiên) sẽ bằng 0 Tức là tạp âm có biên độ phân bố chuẩn, kỳ vọng bằng 0

Trên đây là các hiểu biết về tạp âm nhiệt có được từ quan trắc và phân tích vật lý

Về mặt toán học áp dụng trong phân tích hệ thống, ta biết rằng máy thu có một mạch lọc

để lọc lấy tín hiệu, có độ rộng băng lọc bằng với độ rộng băng W của tín hiệu Bất luậntần số sóng mang fc là bao nhiêu thì công suất tạp âm tại lối ra Pn (sẽ cho ta tính được tỷ

số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm SNR = P/Pn, với P là công suất tín hiệu), nhưtrên đã nói, cũng là No.W Như vậy, để khỏi lệ thuộc vào tần số fc, ta có thể giả địnhnhư trong máy thu sẽ hoàn toàn không có tạp âm (khi đó phân tích hệ thống chỉ cần làmvới tín hiệu) và tạp âm trong máy thu sẽ được quy ra đầu vào máy thu và cộng với tínhiệu, với tạp âm được mô hình toán học là một nguồn tạp âm có mật phổ công suất tạp

âm một hay hai phía rộng vô hạn và có độ lớn là No hay No/2 tùy theo xét mật phổ côngsuất tạp âm một hay hai phía (khi xét tín hiệu băng gốc hay thông dải) - khi này mô hìnhtạp âm sẽ thực sự là một tạp âm TRẮNG

TÓM TẮT:

Như vậy, tạp âm nhiệt có thể quy thành một nguồn tạp âm ở đầu vào máy thu, đãđược mô hình hóa là AWGN: CỘNG với tín hiệu tại đầu vào máy thu (A), có mật phổcông suất là hằng số rộng vô hạn (No hay No/2 tùy theo xét ở băng gốc hay cao tần) -tính chất có mật phổ công suất TRẮNG (W), và có biên độ tạp âm là biến ngẫu nhiêntuân theo phân bố CHUẨN (G), viết tắt là AWG Noise hay AWGN Tiếng Việt gọi làtạp âm cộng trắng chuẩn hay tạp âm trắng chuẩn cộng tính Đây chỉ là một mô hình toánhọc chứ không phải là tạp âm thực sự bởi tạp âm được mô hình hóa như thế sẽ có côngsuất (là diện tích của dải băng dài vô hạn giới hạn bởi trục tần số và đường N(f) = No,diện tích đó là vô hạn) bằng vô hạn, không thực tế

1.5.7 Kênh pha đinh

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tínhiệu 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 cảntrở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượngnày được gọi chung là fading Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bảnkhác 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 cơbản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của cácthành phần và các thông số tối ưu của hệ thống

Hình 1-9 Hiện tượng sóng đa đường

Tín hiệu RF truyền qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian , vachạm vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên,sông, núi, biển … gây ra các hiện tượng sau đây:

• Phản xạ (reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng

• Tán xạ (scaterring): khi sóng đập vào các vật có bề mặt không bằng phẳng và các vậtnày có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng

• Nhiễu xạ (diffraction): khi sóng va chạm với các vật có kích thước lớn hơn nhiều chiềudài bước sóng

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 mặt 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 thụnày 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 tốdẫn đến sự truyền lan đa đường

 Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóngđiện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệunhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng nàyđăc biệt quan trọng trong thông tin di động

Phân loại fading

- Fading phẳng: Là Fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể và hầunhư là hằng số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu Fading phẳng thường xảy rađối với các hệ thống vô tuyến có dung lượng nhỏ và vừa, do độ rộng băng tín hiệu khánhỏ nên fading do truyền dẫn đa đường và do mưa gần như là xem không có chọn lọctheo 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 đọkhúc xạ là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng truyền dẫn đa đường mà kết quảcủa nó là tổn hao Fading thay đổi theo tần số Tuy nhiên, hệ thống có băng tín hiệu nhỏnên tín hiệu suy hao fading đa đường là nhỏ nên có thể bỏ qua và fading đa đường đượcxem là fading phẳng

Đối với fading đa đường, việc thực hiện được đánh giá bằng đo công suất tín hiệu thuđược 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 tínhiệu vào đầu thu bị suy giảm Nói chung hiện tượng fading này thay đổi phụ thuộc vàothời 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 chọn lọc tần số: Xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênhtruyền 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 selective fading.Nói chung là đối toàn bộ băng thôngkênh truyền thì nó ảnh hưởng không đều, chỗ nhiều chỗ ít, chỗ làm tăng chỗ làm giảmcường 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 độnglên các tần số khác nhau (trong cùng băng tần của tín hiệu) là khác nhau, do đó việc dựtrữ như flat fading là không thể Do đó để khắc phục nó, người ta sử dụng một số biệnpháp:

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 multipathpropagation);

5/Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là OFDM (cái của nợ này ngày nay đượcứng dụng khắp nơi, trong di động 3G, trong WIFI, WIMAX hay trong truyền hình sốmặt đất DVB-T )

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

Hiệu ứng Doppler

Khi chúng ta đang di chuyển, hoặc khi nguồn phát ra âm thanh di chuyển, chúng

ta sẽ nghe thấy sự thay đổi của âm thanh truyền đến tai Bạn có thể cảm thấy tiếng động

cơ xe hoặc tiếng còi tàu ngày càng nhỏ hơn khi nó đi ra xa khỏi bạn.  Cường độ củatiếng còi tàu không thay đổi, nhưng bạn lại nghe thấy nó thay đổi Hiện tượng này đượcgọi là hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler được đặt theo tên của một nhà vật lý họcngười Áo, Christian Johann Doppler, là người đã phát hiện ra nó

Doppler cho rằng nếu tiếng động đi đến gần bạn, có thể là do nguồn phát ra nótiến đền gần bạn hoặc bạn đi về phía phát ra tiếng động thì cường độ của nó sẽ có vẻnhư tăng lên hơn cường độ thật sự của nó Nếu bạn đi ra xa khỏi nguồn phát ra tiếngđộng hoặc nếu như nó đi ra xa khỏi bạn, Doppler cho rằng âm thanh mà bạn nghe được

có vẻ như  có cường độ thấp hơn cường độ thật sự của nó Để kiểm tra lại giả thuyết củaDoppler, các nhà khoa học đã thuê những người thổi kèn Trumplet chơi kèn trên mộtchiếc xe lửa và họ nhận ra rằng khi chiếc xe lửa chạy ra xa khỏi họ thì cường độ củatiếng kèn giảm xuống, y như những gì Doppler đã tiên đoán

Như vậy, hiệu ứng Doppler được phát biểu như sau:

 Nếu sóng được phát ra từ nguồn phát cố định đến một đầu thu cố định thì tần sốthu bằng tần số phát

 Nếu khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát thay đổi trong khoảng thời gian thusóng (thời gian sóng truyền đến đầu thu) thì bước sóng sẽ dài ra hoặc ngắn lại:ngắn lại trong trường hợp đầu thu và phát lại gần nhau và dài ra trong trường hợp

ra xa nhau

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu

như trình bày ở hình 1.10 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

Hình 1.10: Hàm truyền đạt của kênh Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi đótần số Doppler của tuyến này là:

fD

k= v c f0cos ( αn)

Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển độngtương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng Nếu αn = 0 thì tần sốDoppler lớn nhất sẽ là:

fD,max= v

c f0

Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ nganghàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Dopplerđược biểu diễn như sau:

Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 1.10

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 sau:Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được sẽ không nhậnđược ở chính xác trên tần số sóng màng f0 mà bị dịch đi cả về hai phía với độ dịch là

fD,max như hình ở 1.11 Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống

f0−fD,max≤f ≤f0+fD,max

các trường hợp còn lại0

1.5.7 Kênh phân bố Rayleigh

Một kênh pha đinh được gọi là pha đinh Rayleigh nếu phân bố của đường bao tínhiệu tuân theo phân bố Rayleigh (Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleighthường được dùng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệufading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ) Đâyđược coi là kênh tồi nhất trong thông tin di động

Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất:

Giá trị hiệu dụng của đường bao là √ 2σ (căn bậc hai của giá trị trung bình bình

phương) Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình:

Hình 1.12: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau môt lượng là 0.55dB trong trường hợptín 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 chúng ta khôngthể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào Bằng cách sử dụng giá trị medianthay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so sánh các phân bố fading khác nhau (có giátrị trung bình khác nhau) Hình 1.12 minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh

1.5.8 Kênh phân bố Ricean

Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp máythu 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 đađường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệulight-of-sight Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộngthêm thành phần dc vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên Giống như trong trườnghợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-of-sight (có côngsuất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làmcho phân bố Ricean rõ rệt hơn Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổnghợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố bị trởthành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight mất đi

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:

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 sốgiữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần

đa đường:

k = A22σ2

Hay viết dưới dạngdB: k (dB)=10 log A

2

2σ2dB

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 1.13 mô tả hàm mật độ xác suất của phân

bố Ricean

Hình 1.13: 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

1.6 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP

Trong thông tin vô tuyến, các phương pháp phân tập được sử dụng để hạn chếảnh hưởng của pha-đinh và nâng cao chất lượng truyền thông tin Kỹ thuật kết hợp phântập (diversity combining) được thử nghiệm trong thông tin vô tuyến lần đầu tiên vàonăm 1927 và nghiên cứu rộng rãi vào những năm cuối thập niên 60, đầu 70 Phươngpháp phân tập đòi hỏi sự tồn tại của một số đường truyền có các tham số thống kê độclập, nhưng truyền tải cùng một thông tin giống nhau Bản chất của phương pháp phântập là tín hiệu được truyền trên các đường truyền độc lập sẽ chịu ảnh hưởng của hiệuứng pha-đinh khác nhau Tức là, trong số các tín hiệu thu được sẽ có tín hiệu thu đượcvới chất lượng tốt và có tín hiệu thu được với chất lượng xấu Do đó, nếu kết hợp các tínhiệu này một cách thích hợp, chúng ta có thể thu được một tín hiệu tổng hợp chịu ảnhhưởng của pha-đinh ít hơn Kết quả này đồng nghĩa với việc tín hiệu được truyền đi với

độ tin cậy cao hơn

Phân tập là một phương pháp dùng trong viễn thông dùng để nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn trong số



những tín hiệu thu được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất Việc này nhằm chống lại fading và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu fading và nhiễu khác nhau Người ta có thể sử dụng mã sửa lỗi FEC   (forward error correction) cùng với kỹ thuật phân tập Lợi dụng việc truyền trên nhiều kênh mà ta có được độ lợi phân tập, thường được đo bằng dB.

Chính xác thì:

Phân tập (diversity) là kỹ thuật giúp cho phía thu (trong thông tin di động là MS hoặc BTS) cải thiện chất lượng tín hiệu thu bị suy giảm do fading nhờ việc kết hợp tín hiệu thu đa đường đến từ cùng một nguồn phát

Tùy theo miền (domain) ứng dụng, các phương pháp phân tập sử dụng trongthông tin vô tuyến có thể được phân loại thành: phân tập thời gian, phân tập tần số, phântập phân cực và phân tập không gian

 Phân tập không gian: tín hiệu được truyền trên nhiều đường khác nhau Trong truyền dẫn hữu tuyến, người ta truyền trên nhiều sợi cáp Trong truyền dẫn vô tuyến, người ta hay sử dụng phân tập ăng ten, chẳng hạn như phân tập phát (transmit diversity)/phân tập thu (receive diversity) là phân tập trên nhiều ăng ten phát/ăng ten thu Nếu các ăng ten đặt gần nhau khoảng vài bước sóng thì gọi là phân tập gần (microdiversity) Nếu các ăng ten đặt cách xa nhau thì gọi là phân tập xa (macrodiversity).Hoặc nói cách khác đặt các antenna cách nhau một khoảng, thường là vài bước sóng để có thể thu được tín hiệu theo các đường khác nhau.

 Phân tập theo thời gian: nếu truyền tín hiệu (cùng một tín hiệu nhé) ngoài khoảng coherent time thì

ta có thể tạo ra 2 tín hiệu độc lập ==> gain tăng lên 3dB Nhược điểm của việc phát phân tập theo thời gian: ở bên phía thu phải chờ 1 khoảng thời gian để xử lý tín hiệu ==> với các ứng dụng thời gian thực thì việc đó nên tránh

 Phân tập tần số: tín hiệu được truyền trên nhiều tần số khác nhau hoặc trên một dãy phổ tần rộng bị tác động bởi fading lựa chọn tần số (frequency-selective fading).

 phân tập phân cực: phát tín hiệu trên các nhánh có tính phân cực khác nhau (cái này sẽ chia nhỏ tín hiệu vì tín hiệu phải chia đều cho các nhánh) ==> chất lượng thu sẽ giảm

Sử dụng phân tập trong antenna là một kỹ thuật tiên tiến và lợi ích của nó cũng khá lớn, sử dụng 2 anten phát

có thể tăng lên 3dB việc dùng phân tập trong antenna (ví dụ như MIMO) nhằm 2 mục đích chính: 

1, tăng tốc độ phát

2, giảm BER

1.6.1 Phân tập thời gian

Do tính chất ngẫu nhiên của pha-đinh, biên độ của một tín hiệu chịu ảnh hưởngpha-đinh ngẫu nhiên tại các thời điểm lẫy mẫu cách xa nhau đủ lớn về thời gian sẽkhông tương quan với nhau Vì vậy, truyền một tín hiệu tại các thời điểm cách biệt đủlớn tương đương với việc truyền một tín hiệu trên nhiều đường truyền độc lập, tạo nên

sự phân tập về thời gian Khoảng thời gian cần thiết để đảm bảo thu được các tín hiệupha-đinh không tương quan tại máy thu tối thiểu là thời gian đồng bộ3 (coherence time)của kênh truyền Đối với thông tin đi động khoảng thời gian đồng bộ này là Tc =c/(2vfc), trong đó c = 3×108 m/s là tốc độ ánh sáng, v là tốc độ di chuyển của máy diđộng, và fc là tần số sóng mang

Với các máy di động làm việc ở tần số 800 Mhz và di chuyển với tốc độ 50km/h,thời gian đồng bộ Tc = 13,5 ms Để tạo ra Md nhánh phân tập, tín hiệu cần được truyền

đi tại Md khe thời gian Vì vậy, khoảng thời gian giữ chậm cần thiết để truyền tín hiệutrên Md nhánh phân tập là Md.c/2vfc Đối với truyền dẫn tín hiệu thoại, tốc độ lấy mẫucần thiết ít nhất là 8M kHz Đồng thời, để đảm bảo độ rộng xung truyền nằm trong băngtần truyền dẫn, chúng ta chỉ có thể sử dụng tối đa Md = 50 nhánh phân tập Do thời giancách biệt tỷ lệ nghịch với tốc độ di chuyển nên, khác với các phương pháp phân tậpkhác, phương pháp phân tập thời gian không có ý nghĩa trong trường hợp máy di độngđứng yên

Gần đây, trong các hệ thống thông tin di động hiện đại, mã sửa lỗi được sử dụngkết hợp với phương pháp xen kẽ tín hiệu (interleaving) để tạo nên một phương phápphân tập thời gian mới Do thời gian xen kẽ dài sẽ gây nên độ giữ chậm giải mã lớn, nênphương pháp này chỉ thích hợp đối với các kênh pha-đinh biến động nhanh Nhược điểmchính của phương pháp phân tạp thời gian là làm suy giảm hiệu suất băng tần do có sự

dư thừa trong miền thời gian

1.6.2 Phân tập tần số

Tương tự như phương pháp phân tập thời gian, chúng ta có thể sử dụng một tậphợp các số tần số để truyền đi cùng một tín hiệu, tạo nên sự phân tập tần số Khoảngcách giữa các tần số cần phải đủ lớn, vào khoảng vài lần băng tần đồng bộ (coherencebandwidth), để đảm bảo pha-đinh ứng với các tần số sử dụng không tương quan vớinhau Đối với thông tin di động, băng tần đồng bộ đo được vào khoảng 500 kHz, vì vậykhoảng cách cần thiết giữa các nhánh phân tập tần số ít nhất là 1–2 MHz Trong thôngtin di động hiện đại, phân tập tần số còn có thể nhận được thông qua việc sử dụng các kỹthuật điều chế đa sóng mang (multicarier modulation) hay sử dụng phương pháp nhảytần (frequency hopping) Nhược điểm của phương pháp phân tập tần số là sự tiêu tốnphổ tần số Ngoài ra, do các nhánh phân tập có tần số khác nhau nên mỗi nhánh cần sửdụng một máy thu phát cao tần riêng

1.6.3 Phân tập phân cực

Nghiên cứu cho thấy tín hiệu truyền đi trên 2 phân cực trực giao trong môitrường thông tin di động có các tham số thống kê độc lập Vì vậy, hai phân cực này cóthể được coi là cơ sở của hai nhánh phân tập phân cực Do chỉ tồn tại hai phân cực sóngtrực giao nên số lượng tối đa các nhánh phân tập có thể tạo được chỉ là hai Ngoài ra, do

sự hạn chế của công suất máy phát nên côngsuất tín hiệu phát cần phải chia đều cho hainhánh, và vì vậy chất lượng tín hiệu thu cũng bị suy giảm đi 2 lần hay 3 dB

1.6.4 Phân tập không gian

Phân tập không gian là phương pháp đã được sử dụng rộng rãi trong thông tin vôtuyến Phương pháp này sử dụng nhiều anten ở máy thu, máy phát hoặc cả ở phía máythu và máy phát để tạo nên các nhánh phân tập không gian khác nhau Khoảng cách cầnthiết giữa các anten tối thiểu là một nửa bước sóng (λ/2) Khi sử dụng nhiều anten ở máyphát, chúng ta có hệ thống phân tập không gian phát, và tương tự chúng ta có phân tậpkhông gian thu nếu sử dụng nhiều anten thu Trường hợp sử dụng nhiều anten tại cả máyphát và máy thu chúng ta có một tập hợp kênh truyền với nhiều đầu vào và nhiều đầu ra.Các hệ thống phân tập thu phát không gian kiểu này thường được gọi là các hệ thống đađầu vào-đa đầu ra (MIMO: Multiple Input-Multiple Output)

Cũng giống như phương pháp phân tập phân cực, so hạn chế về công suất phát,nếu Md nhánh phân tập phát được sử dụng thì chất lượng tín hiệu bị suy giảm đi 1/Mdlần so với phân tập thu không gian cùng bậc Tuy nhiên, sử dụng phân tập phát rất có ýnghĩa do hai lý do sau: (i) tiết kiệm, do chỉ cần thực hiện ở trạm gốc chứ không phải ởtất cả các máy di động, (ii) dễ thực hiện, do yêu cầu về sự nhỏ gọn của máy di động nênrất khó có thể đặt được hai hay nhiều anten thu cách xa nhau hơn nửa bước sóng(khoảng 19 cm ở tần 800 MHz) Vì vậy, sử dụng phân tập phát tại trạm gốc sẽ thay thếcho phân tập tại máy thu

Ưu điểm của phương pháp phân tập không gian là không làm suy giảm hiệu suấtbăng tần, không tiêu tốn phổ tần số, dễ sử dụng, và trên lý thuyết không có sự hạn chế

về số lượng các nhánh phân tập Do có các ưu điểm nói trên, phương pháp phân tậpkhông gian đã được nghiên cứu rộng rãi từ năm 1927 đến tận ngày nay Các nghiên cứu

về phân tập không gian tập trung chủ yếu vào các kỹ thuật kết hợp tín hiệu phân tập.Trong các phần tiếp sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về các biện pháp kết hợp phântập thu và phát không gian

1.6.1.1 Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian thu

a Mô hình tín hiệu

Giả sử tín hiệu s(t) được truyền qua môitrường pha-đinh Rayleigh tới máy thu sử dụng phân tập không gian với M nhánh phân tập Sau khi tách sóng cao tần, tín hiệu thu được tại nhánh phân tập (anten) thứ m,m ∈{1,2, ,M}, được biểu diễn như sau:

ym(t) = hm(t)s(t) + zm(t) trong đó hm(t), là một số phức Gauss có giá trị trung bình bằng không, biểu diễn đườngtruyền pha-đinh từ anten phát tới anten thu thứ m; zm(t) là tạp âm ở nhánh phân tập m.

Từ M tín hiệu nhánh trên, chúng ta mong muốn sử dụng một phương pháp kếthợp thích hợp sao cho tín hiệu ở đầu ra bộ kết hợp có chất lượng tốt hơn Trong cácphần tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu ba phương pháp kết hợp phân tập không gian được

sử dụng phổ biến ở máy thu Cụ thể là các phương pháp kết hợp chọn lọc (selection

combining), kết hợp tỷ lệ tối đa (maximal-ratio combining) và kết hợp đồng độ lợi(equal-gain combining).

b Kết hợp chọn lọc

Cấu hình của bộ kết hợp chọn lọc được minh họa ở Hình 1.14 Tại một thời điểm

t, mạch chọn lọc logic thực hiện việc đo lường và tính toán tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SNR (Signal to Noise Ratio) của từng nhánh phân tập và chọn ra tín hiệu ở nhánh có tỷ

số SNR lớn nhất Trong thực tế, việc đo lường tỉ số SNR rất khó thực hiện và, vì vậy, tínhiệu trên nhánh phân tập có tổng công suất tín hiệu và tạp âm lớn nhất sẽ được chọn

Hình 1.14: Phương pháp kết hợp chọn lọc.

c Kết hợp tỷ lệ tối đa (Maximal Ratio Combining)

Phương pháp kết hợp tỉ lệ tối đa được Kahn đề xuất năm 1954 Sử dụng phương phápnày, tín hiệu của M nhánh phân tập được nhân trọng số (weighted) cân xứng theo tỉ lệSNR của các nhánh, sau đó được điều chỉnh đồng pha rồi kết hợp (cộng) với nhau

Hình 1.15: Phương pháp kết hợp tỷ lệ tối đa.

d Kết hợp đồng độ lợi (Equal Gain Combining)

Như đã chỉ ra ở phần trước, MRC là phương pháp kết hợp tối ưu cho độ lợi phântập lớn nhất trong tất cả các phương pháp kết hợp phân tập thu Tuy nhiên, phưong pháp

MRC yêu cầu phải biết chính xác được các trọng số kết hợp, do đó tương đối phức tạp.Hơn nữa, độ lợi thu được của phương pháp MRC không lớn hơn nhiều so với phươngpháp kết hợp chọn lọc Điều này có nghĩa là phần lớn độ lợi phân tập thu được từ nhánhphân tập có công suất lớn nhất và nếu một phương pháp kết hợp có thể thu được độ lợi

từ nhánh phân tập nhánh phân tập đó thì tổng độ lợi thu được hầu như không thay đổi.Quan sát này dẫn đến một phương pháp phân tập mới, kỹ thuật kết hợp phân tập đồng

độ lợi (EGC: Equal Gain Combinin), đơn giản hơn phương pháp MRC Sử dụng phươngpháp kết hợp EGC, tín hiệu tại các nhánh được đồng pha (co-phasing) giống như trườnghợp MRC, nhưng sau đó được nhân với các trọng số có cùng độ lớn, rồi kết hợp vớinhau Trường hợp đơn giản nhất là đặt độ lợi của các trọng số bằng hằng số đơn vị Nhưvậy, phương pháp kết hợp EGC chỉ là một trường hợp đặc biệt của phương pháp MRC

1.6.1.2 Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian phát

Phân tập phát được tạo nên bởi việc sử dụng nhiều anten phát kết hợp với mộtphương pháp xử lý tín hiệu thích hợp Một số phương pháp phân tập phát điển hìnhđược đề xuất gần đây là:

1 Phân tập phát tỷ lệ tối đa (MRT: Maximal-Ratio Transmit)

2 Phân tập phát giữ chậm

3 Phân tập phát không gian-thời gian

a Phân tập phát tỉ lệ tối đa (MRT)

Tương tự như phương pháp kết hợp phân tập thu tỉ lệ tối đa (MRC) trình bày ởphần trước, phương pháp phân tập phát tỉ lệ tối đa MRT nhân các tín hiệu trên các nhánhphân tập, sk, với các hệ số trọng số phát tương ứng, w n =C h¿n

n ∈ {1,2, ,N}, sau đótruyền các tín hiệu được nhân trọng sốnày thông qua N anten phát

Hệ số chuẩn hóa công suất C được chọn sao cho tổng công suất phát đi từ Nanten phát bằng một giá trị cho trước, thông thường đặt bằng C = 1 /√N cho đơn giản

Chú ý rằng để tìm được các hệ số trọng số wn, ta cần phải biết các kênh truyền hn.Việc này có thể thực hiện được bằng các cách sau:

(i) Máy thu ước lượng hn và gửi thông tin về hn về cho máy phát Phương pháp nàyđòi hỏi phải có kênh phản hồi từ máy thu về máy phát

(ii) Sử dụng tính chất nghịch đảo của các kênh truyền lên (up-link) và kênh truyềnxuống (down-link) Thực tế là ở các hệ thống phân chia theo tần số (FDD:Frequency-Division Duplex) có khoảng cách tần số thu và phát nhỏ (nhỏ hơn độrộng băng tần đồng bộ kênh truyền), thì các hệ số kênh truyền lên và kênh truyềnxuống rất tương quan với nhau Do đó, chúng ta có thể sử dụng các kênh truyền

hn ước lượng được ở kênh truyền lên như là các hệ số trọng số phát wn