Đồ án Áp dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot trên hệ thống OFDM trong môi trường Fading (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Áp dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot trên hệ thống OFDM trong môi trường Fading (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP UỚC LUỢNG KÊNH DÙNG TÍN HIỆU PILOT TRÊN HỆ THỐNG OFDM TRONG MÔI TRUỜNG FADING GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN SVTH: HUỲNH HOÀNG NAM MSSV: 12141342 S K L 0 0 4 6 3 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH DÙNG TÍN HIỆU PILOT TRÊN HỆ THỐNG OFDM TRONG MÔI TRƯỜNG FADING SVTH: HUỲNH HOÀNG NAM MSSV: 12141342 Khoá: 2012 Ngành: CNKT Điện Tử, Truyền Thông GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016
3. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm . NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Huỳnh Hoàng Nam MSSV:12141342 Ngành: CNKT Điện Tử, Truyền Thông Lớp: 12141CLVT Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hồng Liên ĐT: 093 979 21 24 Ngày nhận đề tài: 03/2016 Ngày nộp đề tài: 23/07/2016 1. Tên đề tài: Áp dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot trên hệ thống OFDM trong môi trường Fading 2. Nội dung thực hiện đề tài: Mô phỏng hệ thống OFDM sử dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot trong các môi trường truyêng Fading 3. Sản phẩm: Mô phỏng hệ thống OFDM sử dụng phương pháp ước lượng kênh dựa vào tín hiệu pilot trong môi trường kênh truyền bị fading bằng phần mềm Matlab TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i
4. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: Huỳnh Hoàng Nam MSSV: 12141342 Ngành: CNKT Điện Tử, Truyền Thông Tên đề tài: Áp dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot trên hệ thống OFDM trong môi trường Fading Họ và tên giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hồng Liên NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii
5. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: Huỳnh Hoàng Nam MSSV: 12141342 Ngành: CNKT Điện Tử, Truyền Thông Tên đề tài: Áp dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot trên hệ thống OFDM trong môi trường Fading Họ và tên giáo viên phản biện: NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày .tháng .năm Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iii
6. LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình học ngành Điện Tử Viễn Thông thuộc khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, em đã thực hiện đề tài “ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH DỰA VÀO TÍN HIỆU PILOT TRÊN HỆ THỒNG OFDM TRONG MÔI TRƯỜNG FADING”. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến: Em xin được chân thành gửi lời cảm ơn đến Cô PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN, người đã trực tiếp hướng dẫn em thực hiện đề tài. Trong quá trình thực hiện đề tài, Cô đã tận tình chỉ bảo, theo dõi cũng như hỗ trợ em để em có thể hoàn thành tốt đề tài. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các Thầy/Cô của khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao cũng như là của trường đã hỗ trợ, tận tình chỉ dạy em trong suốt thời gian em theo học tại trường, cung cấp cho em những kiến thức để em có thể thực hiện được đề tài. Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, nhà trường và bạn bè đã tạo điều kiện, hỗ trợ, động viên em trong suốt quá trình học cũng như là làm đề tài tốt nghiệp này. Tuy nhiên, do kiến thức của em cũng còn hạn chế nên chắc chắn sẽ còn những thiếu sót trong đề tài. Rất mong nhận được sự góp ý của quý Thầy/Cô, bạn bè để em có thể hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn. Người thực hiện đề tài Huỳnh Hoàng Nam iv
7. TÓM TẮT Ngày nay khi yêu cầu truyền thông không dây ngày càng phát triển mạnh, thì đòi hỏi kỹ thuật điều chế càng khắt khe để cung cấp một tốc độ truyền dữ liệu cao hơn. Đặc biệt như các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao như truyền thông đa phương tiện không dây, truy cập Internet không dây hay các thế hệ thiết bị tương lai . Vì thế kỹ thuật OFDM ra đời là một kỹ thuật hứa hẹn sẽ giải quyết được các yêu cầu đó. Lợi ích của OFDM là thực thi đơn giản và có thể hạn chế ảnh hưởng của kênh truyền chọn lọc tần số. Ngoài ra một trong những vấn đề chính phải đối mặt trong hệ thống truyền thông không dây là ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến. Để giải quyết vấn đề trên thông thường người ta sẽ sử dụng ước lượng kênh truyền. Mà phương pháp truyền thống cho ước lượng kênh truyền là sử dụng chuỗi dữ liệu biết trước (tín hiệu pilot) để xác định ra hàm truyền kênh truyền. Kỹ thuật đó rất hiệu quả để loại bỏ ảnh hưởng của kênh truyền. Đồ án này thực hiện đã ứng dụng phương pháp ước lượng kênh dựa vào tín hiệu pilot với giải thuật LS trên hệ thống OFDM trong môi trường kênh truyền fading. v
8. ABSTRACT Recently, increasing interest has been concentrated on modulation techniques that provide high data rates over broadband wireless channels for applications, including wireless multimedia, wireless Internet access, and future-generation mobile communication systems. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a promising digital modulation scheme to simplify the equalization in frequency selective channels. The main benefit is that it simplifies implementation, and it is against the frequency-selective fading channels. Thus, OFDM systems can provided high-performance transmission. Moreover, one of the main problems faced in wireless communications is the influence of radio channels. To resolve common problems people will use the estimated channels. That traditional methods for estimating channels using sequence data are known in advance (pilot signal) to determine the channel transfer function. That technique is very effective to eliminate the influence of channels. This thesis is focused on working out a equalizer based on LS algoritm for OFDM system in fading channel. Key words: OFDM, channel estimation with pilot signal, LS algorithm,Fading. vi
9. MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii TÓM TẮT v ABSTRACT vi MỤC LỤC vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH xi CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1 1.1 Vai trò của đề tài 1 1.2 Mục đích của đề tài 1 1.3 Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài 1 1.4 Bố cục đề tài 2 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 3 2.1. Kênh truyền vô tuyến 3 2.1.1. Mô hình suy giảm diện rộng 3 2.1.1.1 Suy hao theo khoảng cách truyền 3 2.1.1.2 Ảnh hưởng của phản xạ 4 2.1.1.3 Suy hao do vật cản 5 2.1.2. Mô hình fading diện hẹp và hiệu ứng đa đường 5 2.1.2.1 Hiệu ứng đa đường 5 2.1.2.2 Hiệu ứng Doppler 6 2.1.2.3 Các thông số của kênh truyền đa đường 8 2.1.2.4 Phân loại kênh truyền Small scale fading 10 2.2. Kỹ thuật điều chế OFDM 14 2.2.1 Nguyên lí cơ bản của OFDM 14 2.2.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 17 2.2.2.1 Ánh xạ điều chế 18 2.2.2.2 Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song 22 vii
10. 2.2.2.3 Chuyển đổi miền tần số sang miền thời gian 23 2.2.2.4 Chèn khoảng bảo vệ 24 2.2.2.5 Điều chế RF 25 2.2.2.6 Máy thu OFDM 25 2.2.3 Ưu nhược điểm của kỹ thuật điều chế OFDM 28 2.2.3.1 Ưu điểm của kỹ thuật điều chế OFDM 28 2.2.3.2 Nhược điểm của kỹ thuật điều chế OFDM 29 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN DÙNG TÍN HIỆU PILOT 30 3.1 Cấu trúc của tín hiệu pilot 30 3.1.1 Pilot dạng khối 30 3.1.2 Pilot dạng lược 31 3.1.3 Pilot dạng Lattice 31 3.2 Ước lượng kênh truyền sử dụng tín hiệu pilot 32 3.2.1 Ước lượng kênh truyền sử dụng pilot dạng khối 32 3.2.1.1 Ước lượng LS 33 3.2.1.2 Ước lượng MMSE 33 3.2.1.3 Ước lượng MMSE cải tiến 34 3.2.2 Ước lượng kênh truyền sử dụng pilot dạng lược 36 3.2.2.1 Ước lượng LS nội suy 1 chiều 37 Nội suy tuyến tính (Linear Interpolation) 37 Nội suy bậc 2 (Second Order) 37 Nội suy lowpass 38 Nội suy spline cubic 38 3.2.2.2 Ước lượng ML 38 3.2.2.3 Ước lượng PCMB 39 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 40 4.1 Mô phỏng 40 4.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM áp dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot 40 4.1.2 Mô hình kênh truyền ITU sử dụng cho WiMax di động 41 4.2 Kết quả mô phỏng 43 viii
11. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 50 5.1 Kết luận 50 5.2 Hướng phát triển đề tài 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC 52 ix
12. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC Analog to Digital Converter AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bits Error Rate PCMB Parametric Channel Modeling-Based CP Cyclic Prefix DAC Digital to Analog Converter DFT Discrete Fourier Transform FFT Fast Fourier Transform FIR Finite Impulse Response IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform ISI Intersymbol Interference LI Linear Interpolation LPI Low Pass Interpolation LS Least Square ML Maximum Likelihood MMSE Minimum Mean Square Error OFDM Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex P/S Parallel to Serial(converter) QAM Quadrature Amplitude Modulation S/P Serial to Paralle(converter) SNR Signal-to-Noise Ratio x
13. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Phân loại kênh truyền fading diện hẹp Bảng 4.1 Mô hình kênh truyền indoor Bảng 4.2 Mô hình kênh truyền pedestrian Bảng 4.3 Mô hình kênh truyền vehicular Bảng 4.4 Kết quả BER của ước lượng LS khi sử dụng điều chế 16QAM và 16PSK Bảng 4.5 Kết quả BER của ước lượng LS khi sử dụng các loại điều chế khác nhau Bảng 4.6 Kết quả BER ước lượng LS trong môi trường Single Path (LoS) với các vận tốc khác nhau Bảng 4.7 Kết quả BER ước lượng LS trong các môi trường khác nhau DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH Hình 2.1 Mô hình phản xạ 2 tia Hình 2.2 Mô hình suy hao do vật cản Hình 2.3 Hiệu ứng đa đường Hình 2.4 Hiệu ứng Doppler Hình 2.5 Tương quan Power Delay Profile, trãi trễ hiệu dụng và băng thông kết hợp Hình 2.6 Đáp ứng của kênh truyền fading phẳng Hình 2.7 Đáp ứng kênh truyền chọn lọc tần số Hình 2.8 So sánh kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng xung (b) Hình 2.9 Phổ các sóng mang con trong hệ thống OFDM Hình 2.10 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM Hình 2.11 Bộ điều chế và giải điều chế Hình 2.12 Quan hệ giữa tốc độ bit và tốc độ baund Hình 2.13 Biểu đồ chòm sao 4 – PSK và 16 - PSK Hình 2.14 Chòm sao QAM 16 và 64 xi
14. Hình 2.15 Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song và ngược lại Hình 2.16 Bộ IFFT và bộ FFT Hình 2.17 Chèn khoảng dự trữ vào ký hiệu OFDM Hình 2.18 Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI Hình 2.19 Mô hình đơn giản của hệ thống truyền thông OFDM Hình 2.20 Biểu diễn thời gian – tần số của ký hiệu và khung OFDM Hình 3.1 Sơ đồ bố trí pilot dạng khối trong ước lượng kênh truyền OFDM Hình 3.2 Sơ đồ bố trí pilot dạng lược trong ước lượng kênh truyền OFDM Hình 3.3 Sơ đồ bố trí pilot dạng Lattice trong ước lượng kênh truyền OFDM Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM sử dụng pilot để ước lượng kênh truyền Hình 4.2 So sánh BER của 16QAM và 16PSK Hình 4.3 So sánh BER các kiểu và các mức điều chế khác nhau Hình 4.4 So sánh BER với các hàm nội suy khác nhau Hình 4.5 So sánh BER với các vận tốc khác nhau trong điều kiện LOS Hình 4.6 So sánh BER với các môi trường khác nhau xii
15. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Trong chương này sẽ giới thiệu về vai trò của đề tài, mục đích nghiên cứu, phạm vi, giới hạn của đề tài và cuối cùng là bố cục của luận văn. 1.1 Vai trò của đề tài Xã hội ngày càng phát triển kéo theo nhu cầu của con người cũng ngày một tăng và trong đó nhu cầu về trao đổi về thông tin là rất lớn và không thể thiếu. Đầu tiên, các hệ thống truyền thông có dây ra đời để đáp ứng nhu cầu đó. Tuy nhiên, do nhu cầu về sự tiện lợi mà các hệ thống truyền thông không dây ra đời, dần thay thế các hệ thống có dây và đã trở thành xu hướng phát triển hiện nay. Các công nghệ truyền thông không dây không ngừng ra đời và cải thiện về chất lượng, song vẫn còn gặp một số khó khăn như sự ảnh hưởng của ISI, ICI gây ra sự thiếu ổn định của hệ thống, việc cải thiện băng thông hệ thống, các ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến Để giải quyết các vấn đề đó thì có rất nhiều giải pháp, tuy nhiên một trong những giải pháp hiệu quả và phổ biến được sử dụng trong các hệ thống truyền thống vô tuyến hiện nay đó là sử dụng kỹ thuật điều chế phân chia tần số trực giao OFDM. Kỹ thuật OFDM ra đời đã giúp cải thiện được rất nhiều về mặt băng thông so với các kỹ thuật điều chế trước đây như FDM, và cũng đã loại bỏ được nhiễu ISI, ICI. Tuy nhiên, với một hệ thống truyền thông vô tuyến thì sự ảnh hưởng từ kênh truyền vô tuyến là rất lớn, chính vì vậy mà vấn đề ước lượng kênh truyền ở phía thu để có thể khôi phục lại tín hiệu phát luôn là một công việc hết sức quan trọng. Một trong những giải pháp phổ biến đó là sử dụng bộ ước lượng kênh truyền dùng tín hiệu pilot kết hợp với việc dùng hệ thống điều chế OFDM. 1.2 Mục đích của đề tài Luận văn này được thực hiện với mục đích trình bày các vấn đề về kênh truyền thông tin vô tuyến như là các loại mô hình kênh truyền vô tuyến, các ảnh hưởng đến kênh truyền. Sau đó là giới thiệu về kỹ thuật điều chế OFDM bao gồm các lý thuyết về OFDM, hệ thống OFDM và đưa ra các ưu nhược điểm của kỹ thuật này. Cuối cùng là trình bày về các phương pháp ước lượng kênh truyền dùng tín hiệu pilot. Đồng thời, tiến hành mô phỏng hệ thống OFDM sử dụng phương pháp ước lượng kênh truyền dùng tín hiệu pilot trong các điều kiện môi trường kênh truyền khác nhau. 1.3 Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài 1
16. Việc tìm hiểu về các vấn đề đã nêu là một việc hết sức khó khăn và phức tạp đòi hỏi phải có thời gian cũng như là một lượng kiến thức nhất định. Thêm vào đó, với sự hạn chế về mặt thời gian chỉ trong vài tháng và những hạn chế về mặt kiến thức nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu một số vấn đề. - Lý thuyết về mô hình kênh truyền vô tuyến và các ảnh hưởng đến kênh truyền. - Lý thuyết về kỹ thuật điều chế phân chia tần số trực giao OFDM. - Các phương pháp ước lượng kênh truyền dùng tín hiệu pilot. - Áp dụng các phương pháp ước lượng kênh truyền dùng tín hiệu pilot dạng lược dùng giải thuật LS vào hệ thống OFDM với môi trường truyền Rayleigh Fading sử dụng điều chế PSK và QAM. Tiến hành mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab. 1.4 Bố cục đề tài Từ các vấn đề được đặt ra thì luận văn được thực hiện theo bố cục như sau: Chương 1: Giới thiệu. Giới thiệu về tình hình về nghiên cứu về ước lượng kênh truyền mù, mục đích, phạm vi nghiên cứu cũng như là bố cục của đề tài. Chương 2: Lý thuyết liên quan. Trong chương này sẽ trình bày về các loại mô hình kênh truyền vô truyến, cách ảnh hưởng đến kênh truyền, lý thuyết về OFDM. Chương 3: Phương pháp ước lượng kênh truyền dùng tín hiệu pilot. Chương 4: Kết quả mô phỏng. Các vấn đề liên quan đến việc mô phỏng như các thông số. Chương còn đưa ra các kết quả mô phỏng và những đánh giá từ kết qủa đó. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. Chương này sẽ tổng hợp các công việc luận văn đã thực hiện, đưa ra kết luận và đề xuất hướng phát triển của đề tài. 2
17. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN Trong chương 2 sẽ trình bày các lý thuyết về kênh truyền vô tuyến như các loại mô hình kênh truyền, các ảnh hưởng đến kênh truyền, lý thuyết về kỹ thuật điều chế OFDM. 2.1. Kênh truyền vô tuyến Như chúng ta đã biết, kênh truyền vô tuyến là yếu tố quyết định những giới hạn cơ bản đối với chất lượng của hệ thống thông tin di động. Do bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian và không gian, kênh truyền ảnh hưởng to lớn đến hoạt động của toàn bộ hệ thống. Để hạn chế ảnh hưởng của kênh truyền và thiết kế thành công một hệ thống thông tin với các thông số tối ưu, ta phải nắm bắt được các đặc tính của kênh truyền vô tuyến cũng như mô hình hoá kênh truyền hợp lí. Người ta xem xét ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu dựa trên các mô hình Large scale path loss (mô hình suy giảm diện rộng) và Small scale fading and multipath (mô hình fading diện hẹp và hiệu ứng đa đường) [4]. 2.1.1. Mô hình suy giảm diện rộng 2.1.1.1 Suy hao theo khoảng cách truyền Mô hình truyền sóng trong không gian tự do được dùng để xác định cường độ tín hiệu tại nơi thu khi môi trường giữa anten phát và anten thu là dạng có thể nhìn thẳng (Light of Sight) và không bị ảnh hưởng của méo. Công suất tại anten thu đặt cách anten phát một khoảng cách d được cho bởi phương trình Friis trong không gian tự do: 푃 휆2 P ( ) = 푡 푡 (2.1) r (4 )2 2퐿 Trong đó Pt là công suất phía phát (W), Pr(d) là công suất thu được, Gt là độ lợi anten phát và Gr là độ lợi anten thu, d là khoảng cách truyền (m), L là hệ số mất mát (L≥1), và 흀 là khoảng cách bước sóng (m). Có thể viết lại công thức Friis như sau: 푃 1 4 2 1 1 1 4 2 1 1 푡 = ( ) = ( ) 2 2 (2.2) 푃 ( ) 퐿 휆 푡 퐿 푡 3
18. Hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do là: 퐿 푡( ) = 푃푡( ) − 푃 ( ) = −10푙표 푡 − 10푙표 + 20푙표 + 20푙표 − 47.6( ) (2.3) Có 3 cơ chế truyền cơ bản là: Phản xạ (Reflection) Nhiễu xạ (Diffraction) Tán xạ (Scattering) 2.1.1.2 Ảnh hưởng của phản xạ Trong thực tế, anten thu không chỉ nhận tín hiệu truyền thẳng từ anten phát. Khi sóng vô tuyến truyền theo một môi trường đập tới một môi trường khác có tính chất điện từ khác nhau, sóng sẽ truyền đi một phần và phản xạ một phần. Sự phản xạ trên mặt đất hay còn gọi là đa đường thẳng đứng và sự phản xạ theo phương ngang đều làm suy hao tín hiệu truyền đi. Ví dụ ta xét mô hình phản xạ 2 tia: một tin truyền trực tiếp từ phía phát đến phía thu và một đường phản xạ từ mặt đất. Hình 2.1 Mô hình phản xạ 2 tia Anten phát và anten thu lần lượt đặt tại chiều cao ℎ푡 và ℎ . Nếu gọi 0 là trường điện từ tại một điểm tham khảo có khoảng cách 0 so với anten phát thì trường điện từ tổng hợp tại nơi thu ở khoảng cách ( > 0) được cho như sau : ′ " ( , 푡) = 0 0 cos (휔 (푡 − )) − 0 0 cos (휔 (푡 − )) (2.4) 푡ℎ ′ " 4
19. 2ℎ ℎ Nếu định nghĩa 훥 = " − ′ = √(ℎ + ℎ )2 + 2 − √(ℎ − ℎ )2 + 2 ≈ 푡 푡 푡 Thì trường điện từ tổng hợp : 2 2 ℎ ℎ ( ) = 0 0 푡 (2.5) 푡ℎ 휆 Theo đó, công suất nơi nhận : ℎ2ℎ2 푃 = 푃 푡 (2.6) 푡 푡 4 Như vậy, trong trường hợp truyền thẳng, công suất bức xạ giảm 6dB khi khoảng cách gấp đôi, còn đối với đa đường, giá trị này là 12dB. 2.1.1.3 Suy hao do vật cản Trên đường truyền vô tuyến, tín hiệu giữa nơi phát và nơi thu bị che khuất bởi các vật cản như đồi, núi hay các nhà cao tầng (đặc biệt thường gặp với môi trường đô thị). Sự nhiễu xạ từ các vật che chắn tạo ra ảnh của tín hiệu. Tần số tín hiệu càng thấp thì sự nhiễu xạ càng lớn. Để khắc phục vấn đề này thì các bộ phát thường được đặt lên cao nhưng nói chung cách làm này rất bất tiện. Hình 2.2 Mô hình suy hao do vật cản 2.1.2. Mô hình fading diện hẹp và hiệu ứng đa đường Small scale fading là sự thay đổi về biên độ và pha của tín hiệu khi có sự thay đổi nhỏ về khoảng cách của bộ phát và bộ thu. 2.1.2.1 Hiệu ứng đa đường Đa đường trong truyền vô tuyến tạo nên hiệu ứng fading diện hẹp, có 3 hiệu ứng quan trọng nhất là: 5
20. - Sự thay đổi đột ngột mật độ công suất tín hiệu trên khoảng cách di chuyển nhỏ hoặc trong khoảng thời gian nhỏ. - Sự điều chế tín hiệu ngẫu nhiên do những dịch Doppler khác nhau trên những tín hiệu đa đường khác nhau. - Sự trãi về thời gian gây nên bởi trễ trong truyền đa đường. Tín hiệu khi truyền từ bộ phát truyền đến nơi thu đi theo nhiều đường khác nhau, mỗi đường là bản sao của tín hiệu gốc. Sự lệch nhau về khoảng cách đường truyền gây nên trễ và sự dịch pha so với tín hiệu gốc. Kết quả tại bộ thu, tín hiệu có biên độ và pha khác rất nhiều so với tín hiệu gốc. Nếu các tín hiệu cùng pha với nhau, fading làm tăng cường độ tín hiệu tại nơi thu, ngược lại, nó sẽ triệt tiêu tín hiệu tạo nên hiện tượng fading sâu. Đường trễ L L ()t  L ()t Đường trễ 1 1()t 1()t Máy phát Tx Máy thu Rx Hình 2.3 Hiệu ứng đa đường 2.1.2.2 Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler hình thành do sự dịch tần khi có sự di chuyển của bộ phát và bộ thu. Bên cạnh đó, các vật di chuyển trong môi trường vô tuyến cũng tạo nên hiện tượng này. Ta xem xét một thuê bao đang di chuyển với một vận tốc không đổi 푣 trên một đoạn đường chiều dài giữa 2 điểm X và Y, trong khi đó, nó nhận tín hiệu từ một nguồn S 6
21. Hình 2.4 Hiệu ứng Doppler Độ lệch về chiều dài đường truyền khi sóng từ nguồn S đến các điểm X và Y là 훥푙 = 표푠휃 = 푣훥푡 표푠휃 (2.7) Trong đó , Δt là khoảng thời gian thuê bao di chuyển từ X đến Y, góc θ có thể xem như không đổi khi giả sử nguồn ở khoảng cách xa, khi đó độ dịch pha ở tín hiệu thu do các đường truyền khác nhau là 2 훥푙 2 푣훥푡 훥휙 = = 표푠휃 (2.8) 휆 휆 Như vậy, độ thay đổi tần số hay dịch Doppler là 1 훥휙 푣 = = 표푠휃 (2.9) 2 훥푡 휆 Ta thấy độ dịch Doppler càng lớn khi tốc độ di chuyển của vật càng nhanh. Dịch Doppler cực đại khi | 표푠휃| = 1 và bằng = 푣 ⁄ với là tần số sóng mang. Khi một sóng sin được truyền đi, thay vì bị dịch một khoảng tần số duy nhất tại bộ thu, phổ của tín hiệu sẽ trải rộng từ − đến + được gọi là phổ Doppler. Sử dụng mô hình 2 chiều và giả sử góc đến của mỗi tín hiệu được chọn từ một phân bố đồng nhất từ 0 đến 2π, phổ tại bộ thu được xác định như sau: 2푠 푌( ) = , | − | ≤ (2.10) 2 − 휔 √1 − ( ) 7