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

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB_T

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

thu được khi truyền trong không gian tự do:

2

4 











R G

G P

P R T T R





(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 :

R T R

T R

T

G G f R c G

G

R P

2 2































(2.2)

Gọi Lpt 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 :

R h

h G

G

L pl   10 log T  10 log R  20 log BS  20 log10 MS  40 log (2.4)

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

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

18

Thời gian truyền

Hình 2.1 Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF

1

2

1

4

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

truyền của mỗi 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 00

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× 3600 = 400 , trong khi đường thứ hai có 25/ 0,9 = 27,778λ , hay có pha

là 0,778× 3600 = 2800 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 Δff Hz và Δft giây Hệ số đường bao kết

hợp là:

2 2

2 0

) 2 ( 1

) 2 ( )

, (









f

t f J

t











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

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 t thành

không, băng thông Coherent B c được định nghĩa là độ rộng băng thông Δt f 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 ,











c c

B

Kết quả băng thông Coherent là:



1 2

1





c

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 tương ứng với việc kéo dài khoảng thời gian của symbol được phát Trong

20

Bên trong các toà nhà < 0,1 μss Khu vực ngoài trời < 0,2 μss

Bảng 2.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu

trường hợp này, bên cạnh biên độ thì hình dạng của xung phát cũng bị thay đổi Cần chú ý rằng bóng mờ (fading chậm) luôn luôn là fading phẳng, trong khi đó, fading nhanh do ảnh hưởng đa đường thường gây ra bởi fading lựa chọn tần số Như vậy, ảnh hưởng của bóng mờ độc lập với băng thông của tín hiệu còn ảnh hưởng của fading nhanh lại phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu

Trong thông tin di động số, ảnh hưởng của đường truyền lên tín hiệu phụ thuộc rất nhiều vào tỷ số của khoảng thời symbol trên độ trải trễ của kênh vô tuyến thời gian thay đổi Nếu tốc độ truyền dẫn bit quá cao đến nỗi mỗi symbol dữ liệu bị trải qua các symbol kế cận một cách nghiêm trọng, nhiều xuyên nhiễu ISI sẽ xuất hiện Nếu ta muốn nhiễu giữa các symbol kế cận thấp, chúng ta cần có tốc độ symbol phải nhỏ hơn băng thông Coherent Do vậy, khi tốc độ symbol tăng lên, ta cần phải giảm nhiễu ISI bằng các bộ cân bằng để có được một tỷ số BER chấp nhận được

Và các khu vực hoạt động nhỏ hơn không có nghĩa chỉ là khu vực nhỏ của các khu vực hoạt động lớn hơn, chúng còn có các đặc tính đường truyền khác nhau

2.6 Thông số tán xạ thời gian(time dispertin parameter).

Để phân biệt,so sánh tính chất của các kênh truyền dẫn đa đường ,người ta sử dụng các thông số tán xạ thời gian như độ trễ trung bình vượt mức(mean excess delay) ,trễ hiệu dụng (rms delay spread) và trễ vượt mức(excess delay spread).Các thông số này có thể được tính từ đặc tính công suất truyền tới bộ thu của các thành phần đa đường (power delay profile) Excess delay, ,là khoảng thời gian chênh

lệch giữa tia sóng đang xét với thành phần đến bộ thu đầu tiên Tính chất tán xạ thời gian(time dispersive) của kênh truyền dẫn đa đường dải rộng được thể hiện qua thông số mean excess delay, ,và rms delay spread,  được định nghĩa là moment cấp một của power delay profile:













k

k k

k k k k k

P

P a

a

) (

) (

2 2









 (2.8)

a k, P( k): biên độ,công suất thành phần thứ k của tín hiệu đa đường

Hình 2.3: Hiệu ứng Doppler

Rms delay spread () là căn bậc hai moment trung tâm cấp hai của power delay profile:

2  2





với













k

k k

k k

k k k

P

P a

a

) (

) ( 2

2

2 2 2









 (2.10)

2.7 Phổ Doppler (Doppler spectrum).

Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu ảnh hưởng của doppler shift

vào việc truyền một sóng mang chưa điều chế tần số f c từ BS Một MS di chuyển theo hướng tạo thành một góc i với tín hiệu nhận được từ thành phần thứ I như hình 2.3 MS di chuyển với vận tốc v,sau khoảng thời gian t đi được d=v.t

Khi đó đoạn đường từ BS đến MS của thành phần thứ I của tín hiệu sẽ bị thay đổi một lượng là l

Theo hình vẽ ta có : l dcosi (2.11)

Khi đó,pha của tín hiệu sẽ bị thay đổi một lượng :





v tcos i

2 





 (2.12)

 : Bước sóng của tín hiệu

Dấu “-“ cho thấy độ trễ pha của sóng sẽ giảm khi MS di chuyển về phía BS Tần số Doppler được định nghĩa như là sự thay đổi pha do sự di chuyển của

MS trong suốt khoảng thời gian t :

22

l



Y X

d

v

BS

MS

i



i



f D t









 2

1

(2.13) Thay phương trình (2.12) vào phương trình (2.13) ta được:

f D v i f m i

 (2.14)

Với f m =v/  =vf c /c là độ dịch tần doppler cực đại ( từ tần số sóng mang được

phát đi ) do sự di chuyển của MS

Chú ý rằng , tần số Doppler có thể dương hoặc âm phụ thuộc vào góc i

Tần số Doppler cực đại và cực tiểu là f m ứng với góc i=00 và 1800 khi tia sóng truyền trùng với hướng MS di chuyển :

i

 =00 ứng với trường hợp tia sóng đi tới từ phía trước MS

i

 =1800 ứng với trường hợp tia sóng đi tới từ phía sau MS

Điều này tương tự với sự thay đổi tần số của tiếng còi xe lửa được tiếp nhận bởi một người đứng ở đường ray khi xe lửa đang tới gần hoặc đi xa dần người đó Trong một môi trường truyền dẫn thực,tín hiệu đến bộ thu bằng nhiều đường với khoảng cách và góc tới khác nhau Vì vậy, khi một sóng sin được truyền đi, thay

vì bị dịch một khoảng tần số duy nhất (Doppler shift D c i

c

vf

f  cos ) tại đầu thu,

phổ của tín hiệu sẽ trải rộng từ f c (1-v/c) đến f c (1+v/c) và được gọi là phổ Doppler.

Khi ta giả thiết xác suất xảy ra tất cả các hướng di chuyển của mobile hay nói cách khác là tất cả các góc tới là như nhau (phân bố đều ),mật độ phổ công suất của tín hiệu tại bộ thu được cho bởi :

1 2

) (











 





m c m

f

f f f

K f

S

 với k là hằng số (2.15)

Chú ý rằng, khi f=f c => S(f=f c )=

m

f

K

 2

f= f  m f c => S(f= f  m f c )=

Hình dạng của S(f) được mô tả như hình 2.4:

2.8 Trải phổ doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time).

Delay spread và coherence bandwidth là các thông số mô tả bản chất tán xạ thời gian của kênh truyền Tuy nhiên,chúng không cung cấp thông tin về sự thay đổi tính chất theo thời gian của kênh do sự chuyển tương đối giữa MS và BS hoặc do sự

di chuyển của các vật thể khác trong môi trường truyền dẫn.Doppler spread và coherence time là những thông số mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền

Doppler spread B D là thông số do sự mở rộng phổ gây ra bởi sự thay đổi theo

thời gian của kênh vô tuyến di động và được định nghĩa là khoảng tần số mà phổ tần doppler nhận được là khác không.Khi một sóng hình sin có tần số fC được truyền đi ,phổ tín hiệu nhận được ,phổ doppler,sẽ có các thành phần nằm trong

khoảng tần số f c -f d đến f c +f d với f d là độ dịch tần do hiệu ứng doppler Lượng phổ được mở rộng phụ thuộc vào fd là một hàm của vận tốc tương đối của MS và góc

i

 giữa hướng di chuyển của MS và hướng của sóng tín hiệu tới MS.Nếu độ rộng phổ của tín hiệu lớn hơn nhiều so với BD, ảnh hưởng của doppler spread là không đáng kể tại bộ thu và đây là kênh fading biến đổi chậm

24

fc+fm

fc-fm fc

Hình 2.4: Phổ công suất Doppler

Coherence time T c chính là đối ngẫu trong miền thời gian (time domain dual) của doppler spread, dùng để mô tả sự tán xạ tần số và bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền.Doppler spread và coherence time tỉ lệ nghịch với nhau :

T c1/f m (2.16)

Coherence time là khoảng thời gian mà đáp ứng của kênh truyền không thay đổi Nói cách, coherence time là khoảng thời gian mà hai tín hiệu có sự tương quan với nhau về biên độ Nếu nghịch đảo của độ rộng phổ của tín hiệu lớn hơn nhiều so với coherence time của kênh truyền thì khi đó kênh truyền sẽ thay đổi trong suốt thời gian truyền tín hiệu và do đó gây méo ở bộ thu Coherence time được định nghĩa là khoảng thời gian mà hàm tương quan lớn hơn 0.5,khi đó [2]:

m

T

 16

9

 (2.17)

với f m là tần số doppler cực đại: f m =v/ 

Trên thực tế, nếu ta tính TC theo phương trình 2.16 thì trong khoảng TC tín hiêụ truyền sẽ bị dao động nhiều nếu có phân bố Rayleigh, trong khi phương trình 2.17 lại quá hạn chế Vì thế, người ta thường định nghĩa TC là trung bình nhân của hai phương trình trên :

m m

c

f f

16

9

2 



 (2.18) Định nghĩa thời gian kết hợp ngụ ý rằng hai tín hiệu đến bộ thu khác nhau một khoảng thời gian TC sẽ bị ảnh hưởng khác nhau bởi kênh truyền Ví dụ, một MS di chuyển với vận tốc 60 m/phút sử dụng sóng mang tần số 900MHZ, ta có thời gian kết hợp :

ms c

f v fv

f c

T

m

22 2

1 16

9 16

9 16

9

















Khi sử dụng hệ thống kĩ thuật số, nếu tốc độ dữ liệu lớn hơn1/TC =454bps, kênh truyền sẽ không tạo ra méo do sự di chuyển của MS