Đang tải... (xem toàn văn)
nói về các kênh truyền tin trong truyền dẫn vô tuyến số, các mã lọc, lấy mẫu, lượng tử hóa, các hàm haming, sai số lượng tử, tốc độ bít thấp, các kênh truyền lớn, các khối dẫn tốt, điều chế mã xung pcm , điều chế mã xung vi sai dpcm, nguyên tắc điều chế, băng thông rộng.
KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ Môi trường truyền sóng yếu tố ảnh hưởng Giáo viên môn : Trần Thị Hường Sinh Viên: Bùi Ngọc Thúy Môi trường truyền sóng yếu tố ảnh hưởng Lý thuyết chung sóng vô tuyến 1.1 Khái niệm: a) Môi trường truyền sóng: Sóng điện tử +Kênh thông vô tuyến: TB phát TB thu Lan truyền qua môi trường vật lý + Môi trường truyền sóng: Khép kín mạch cho kênh thông tin -> Để đảm bảo chất lượng kênh thông tin vô tuyến cần lưu ý đến môi trường truyền sóng, lựa chọn tần số công tác chọn phương thức truyền sóng hợp lý + Tác động môi trường truyền sóng: - Làm suy giảm biên độ sóng - Làm méo dạng tín hiệu tương tự - Gây lỗi tín hiệu số nhiễu Môi trường truyền sóng yếu tố ảnh hưởng Sóng mang vô tuyến tín hiệu hình since có tần số cao, thành phần phase, biên độ, tần số biến điệu theo sóng tín hiệu để tạo sóng mang cao tần mang tín hiệu xa không gian Nếu sóng mang sóng tín hiệu truyền xa bị suy hao tần số Sóng vô tuyến sóng điện từ, nằm nhóm với sóng ánh sáng, xạ hồng ngoại tia X Song, sóng điện từ phát với tần số thấp sóng ánh sáng xạ hồng ngoại Trong kỹ thuật thông tin, người ta sử dụng sóng có tần số khoảng 10KHz – 300Ghz Môi trường truyền sóng yếu tố ảnh hưởng b) Đặc điểm truyền song vô tuyến: - Chịu ảnh hưởng lớn vào môi trường truyền dẫn: khí hậu thời tiết - Chịu ảnh hưởng lớn vào địa hình: mặt đất, đồi núi, nhà cửa cối - Suy hao môi trường lớn - Chịu ảnh hưởng nguồn nhiễu thiên nhiên: phóng điện khí quyển, phát xạ hành tinh khác - Chịu ảnh hưởng nhiễu công nghiệp từ động đánh lửa tia lửa điện - Chịu ảnh hưởng nhiễu từ thiết bị vô tuyến khác Môi trường truyền sóng yếu tố ảnh hưởng Phân loại sóng vô tuyến: a) Sóng dài có bước sóng vài kilomét b) Sóng trung có bước sóng vài trăm mét c) Sóng ngắn có bước sóng vài chục mét d) Sóng cực ngắn có bước sóng vài mét Những sóng vô tuyến có bước sóng nhỏ mét xem sóng vô tuyến •Sóng cực ngắn bị tầng điện li mặt đất, mặt biển phản xạ nhiều lần nên truyền khắp Trái Đất có công suất phát đủ lớn •Sóng vô tuyến truyền hình, điện thoại di động, thông tin vệ tinh sóng cực ngắn Môi trường truyền sóng yếu tố ảnh hưởng c) Khái niệm Sóng điện từ : Sóng điện từ trình lan truyền không gian điện từ trường biến thiên theo thời gian.Sóng điện từ sóng ngang, lan truyền chân không với vận tốc vận tốc ánh sáng (c = 3.108 m/s) Các loại sóng vô tuyến: Các thông số đặc trưng cho môi trường truyền song a) Suy hao không gian tự • Suy hao đường truyền cực điểm suy hao yếu tố khác liên quan đến tín hiệu bao gồm suy hao truyền dẫn qua không gian tự (freespace loss), khúc xạ, nhiễu xạ phản xạ sóng, suy hao ghép nối độ mở sóng môi trường (aperture - medium coupling loss) hấp thụ Nhưng bị ảnh hưởng yếu tố đường biên địa lý, môi trường khu vực, môi trường tự nhiên (chẳng hạn tán lá) môi trường lan truyền (tức độ ẩm không khí) • Path Loss (sự suy giảm đường tín hiệu) suy giảm mật độ công suất (attenuation) sóng truyền dẫn vô tuyến lan truyền thông qua môi trường khoảng cách Nó yếu tố quan trọng nói đến việc thiết kế quy hoạch mạng vô tuyến yếu tố khóa tính toán mức lượng sẵn có cho liên kết • Suy hao đường truyền mà suy hao truyền dẫn không gian tự (Free-space Loss) có lẽ yếu tố quan trọng quy hoạch mạng trời, liên kết tầm xa với cường độ tín hiệu giảm lần khoảng cách thiết bị tăng gấp đôi Suy hao truyền dẫn không gian tự không bao gồm yếu tố độ lợi anten sử dụng máy phát máy thu, mát liên quan đến không hoàn hảo phần cứng, dựa LoS (Line of Sight) thông qua không gian tự Suy hao truyền dẫn không gian tự tính toán sử dụng phương trình sau: Trong : • • • FSL (dB) = Free-Space Loss (Suy hao truyền dẫn không gian tự do) (dB) d = Khoảng cách trạm phát trạm thu (km) f = Tần số tín hiệu (GHz) VÍ DỤ => Khi mà tần số tang lên , suy hao truyền dẫn không gian tự ( giảm công suất tín hiệu ) tăng lên với khoảng cách Công suất tín hiệu điểm thu điểm trường khu xa anten phát là: Biểu thức suy hao: Ý nghĩa công thức này: Cường độ trường điểm thu giảm khoảng cách máy thu – phát tăng Khi tăng tần số truyền lan sóng, cự ly thông tin giảm với b) Ảnh hưởng khí đến truyền dẫn vô tuyến Khi truyền tải tín hiệu vô tuyến qua khí có nhiều yếu tố môi trường ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu thường hay xảy tượng phản xạ, tán xạ từ tầng điện ly & tầng đối lưu Các chế quan trọng khí không bị ion hoá tác động gây biến thiên cường độ tín hiệu sóng vô tuyến điện từ (fading) tần số 30 MHz bao gồm: xạ không gian tự do, không đồng khí quyển, hiệu ứng khúc xạ, phản xạ, tán xạ Các đường thông tin vi ba không bị fading nghiêm trọng hầu hết điều kiện khí tượng Tuy nhiên, phân tầng khí điều kiện khí tượng khác gây fading nghiêm trọng b) Ảnh hưởng khí đến truyền dẫn vô tuyến Ở dải tần số cao GHz, hiệu ứng nhiễu xạ đa đường, suy hao khử phân cực chất khí, bụi, nước khí cần quan tâm Ở dải tần cao 10 GHz, chủ yếu xảy hiệu ứng tán xạ, hấp thụ nước, hạt ẩm oxy Suy hao lượng tín hiệu xạ hấp thụ khí xảy từ hấp thụ sóng vô tuyến oxy nước không khí Các hạt nước khí quyển, mà chủ yếu hạt mưa gây suy hao lẫn tán xạ cho sóng vô tuyến Vì việc nghiên cứu đánh giá độ lớn trường nhiễu tiềm tàng hạt mưa tán xạ gây dải tần số quan trọng Ở dải tần số trung bình cao, phản xạ tầng điện ly cho phép truyền dẫn vô tuyến khoảng cách lớn Suy hao đáng kể dải tần suy hao mưa (với sóng có bước sóng λ cỡ vài cm nhỏ hơn) tuyết Với sóng có bước sóng λ cỡ vài mm, suy hao chủ yếu sương mù, nước chất khí khác khí Các ảnh hưởng khí a) Hiện tượng khúc xạ Khúc xạ hay chiết xạ thường dùng để tượng ánh sáng đổi hướng qua mặt phân cách hai môi trườngtrong suốt có chiết suất khác Khúc xạ sóng, giải thích theo quan điểm Huygens Các ảnh hưởng khí b) Hiện tượng phản xạ • phản xạ tượng sóng lan truyền tới bề mặt tiếp xúc hai môi trường bị đổi hướng lan truyền quay trở lại môi trường mà tới Các ví dụ phản xạ quan sát với sóng ánh sáng, âm hay sóng nước • Sự phản xạ ánh sáng phản xạ định hướng (như phản xạ gương) hay phản xạ khuếch tán (như phản xạ tờ giấy trắng) tuỳ thuộc vào bề mặt tiếp xúc Tính chất bề mặt ảnh hưởng đến thay đổi biên độ, pha hay trạng thái phân cực sóng Các ảnh hưởng khí c) Hiện tượng ống dẫn sóng ống dẫn sóng dùng để cấu trúc để dẫn hướng cho sóng điện từ lan truyền từ hai địa điểm định trước Thuật ngữ sử dụng nhiều cho sóng radio vi ba Với tia hồng ngoại hay ánh sáng, thuật ngữ cáp quang sử dụng nhiều Các ống dẫn sóng cấu tạo từ ống kim loại rỗng, từ ống chất điện môi rỗng đặc Các đường cáp điện cáp đồng trục coi dạng ống dẫn sóng Sóng lan truyền ống dẫn sóng, coi bị phản xạ qua lại thành ống (phản xạ bề mặt kim loại hay phản xạ toàn phần bề mặt điện môi), khiến cho lượng sóng điện từ dẫn truyền lòng ống Các ảnh hưởng khí Xây dựng miền Fresnel + dựng mặt sóng qua No +dựng mặt nón tròn xoay trục BNo, đường sinh (BNo+n.λ/2) cắt mặt sóng Nn Khái niệm miền Frensel Miền Fresnel thứ n (Fn) vùng không gianđược giới hạn quỹ tích điểm mà hiệu sốgiữa tổng khoảng cách từ điểm đến điểmphát điểm thu với khoảng cách hai điểmthu phát số có giá trị n lần nửa bước sóng công tác ANn +NnB -AB = n.(λ/2) Miền Fresnel có dạng elip tròn xoay nhận hai điểmthu phát làm tiêu điểm, có bán kính bn Các ảnh hưởng khí d) Hiện tượng tán xạ Tán xạ tượng photon bị đổi hướng gặp vật, vĩ mô tiểu hành tinh, viên đá vành đai Sao Thổ, hay vật chất vi mô hạt bụi Trong trình tán xạ túy,năng lượng photon không thay đổi, có hướng thay đổi ngẫu nhiên theo hàm mật độ xác suất gọi hàm tán xạ Thực tế, photon gặp vật chất, hướng thay đổi mà lượng thay đổi (giảm tượng hấp thụ hay tăng tượng xạ) Lúc xảy tán xạ túy hấp thụ/bức xạ túy e) Hiện tượng nhiễu xạ Nhiễu xạ tượng quan sát sóng lan truyền qua khe nhỏ mép vật cản (rõ với vật cản có kích thước tương đương với bước sóng), sóng bị lệch hướng lan truyền, lan toả phía từ vị trí vật cản, tự giao thoa với sóng khác lan từ vật cản Hiện tượng nhiễu xạ quan sát với loại sóng, âm thanh, sóng nước, sóng điện từ (như ánh sáng hay sóng radio), hay hạt thể tính chất sóng thông qua lưỡng tính sóng hạt Các ảnh hưởng Khí f) Hiện tượng Fading Fading tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy hệ thống vô tuyến tác đông môi trường truyền dẫn Các yếu tố gây Fading hệ thống vô tuyến măt đất như: • • Sự thăng giáng tầng điện ly hệ thống sóng ngắn Sự hấp thụ gây phân tử khí, nước, mưa, tuyết, sương mù hấp thụ phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt dải tần cao (>10Ghz) • • Sự khúc xạ gây không mật đô không khí Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trường hợp có bề măt nước phản xạ sóng từ bất khí Đây môt yếu tố dẫn đến truyền lan đa đường • Sự phản xạ, tán xạ nhiễu xạ từ chướng ngại đường truyền lan sóng điện từ, gây nên tượng trải trễ giao thoa sóng điểm thu tín hiệu nhận tổng nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng đăc biệt quan trọng thông tindi động a) Phân loại fading • • • • • - Fading phẳng - Fading chọn lọc tần số - Fading nhanh - Fading chậm Chúng phân loại theo chu kỳ tín hiệu băng thông tín hiệu dãi sau: • Fading phẳng • Là Fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số không đáng kể số với toàn băng tần hiệu dụng tín hiệu • Fading phẳng thường xảy hệ thống vô tuyến có dung lượng nhỏ vừa, độ rộng băng tín hiệu nhỏ nên fading truyền dẫn đa đường mưa gần xem chọn lọc theo tần số • Fading phẳng truyền dẫn đa đường: hình thành phản xạ chướng ngại thay đổi độ khúc xạ khí cường đô trường thu đầu thu bị suy giảm di chuyển trình truyền dẫn • Trong hệ thống chuyển tiếp số LOS (Line-Of-Sight), biến thiên đọ khúc xạ nguyên nhân chủ yếu dẫn đến tượng truyền dẫn đa đường mà kết tổn hao Fading thay đổi theo tần số Tuy nhiên, hệ thống có băng tín hiệu nhỏ nên tín hiệu suy hao fading đa đường nhỏ nên bỏ qua fading đa đường xem fading phẳng • Đối với fading đa đường, việc thực đánh giá đo công suất tín hiệu thu tần số băng tín hiệu Đặc trưng thống kê fading phẳng đa đường phân bố thời gian fading vượt mức Fading phẳng hấp thụ: Là tượng sóng điện từ bị hấp thụ bị tán xạ mưa, tuyết, sưong mù.hay phần tử khác tổn môi trường truyền dẫn nên tín hiệu vào đầu thu bị suy giảm Nói chung tượng fading thay đổi phụ thuộc vào thời gian • Ảnh hưởng flat fading tác động lên toàn dải tần tín hiệu truyền kênh nhau, việc tính toán độ dự trữ fading (fading margin) dễ dàng (các tần số băng tần bị tác động việc tăng thêm phát cho tất băng tần Thực tế có gọi tự động điều chỉnh độ lợi-AGC (Auto Gain Control) điều chỉnh mức bù nhiễu này) Fading lựa chọn tần số (selective fading) Xảy băng tần tín hiệu lớn băng thông kênh truyền Do hệ thống tốc độ vừa lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn độ rộng kênh) chịu nhiều tác động selectivefading Nói chung đối toàn băng thông kênh truyền ảnh hưởng không đều, chỗ nhiều chỗ ít, chỗ làm tăng chỗ làm giảm cường độ tín hiệu Loại chủ yếu fading đa đường gây Tác hại lớn loại fading gây nhiễu lên kí tự -ISI Selective fading tác động lên tần số khác (trong băng tần tín hiệu) khác nhau, việc dự trữ flat fading Do để khắc phục nó, người ta sử dụng số biện pháp: 1/Phân tập (diversity): không gian (dùng nhiều anten phát thu) thời gian (truyền nhiều thời điểm khác nhau) 2/ Sử dụng mạch san thích nghi, thường ATDE (Adaptive Time Domain Equalizer) với thuật toán thích nghi thông dụng Cưỡng ép không ZF (Zero Forcing) Sai số trung bình bình phương cực tiểu LMS (Least Mean Square error); 3/Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn lớn selective fading gây nên); 4/Trải phổ tín hiệu (pha-đinh chọn lọc thường tượng truyền dẫn đa đường (multipath propagation) gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp, với máy thu RAKE, có khả tách tia sóng tổng hợp chúng lại, loại bỏ ảnh hưởng multipath propagation); 5/Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu OFDM (cái nợ ngày ứng dụng khắp nơi, di động 3G, WIFI, WIMAX hay truyền hình số mặt đất DVB-T ) Fading nhanh fading chậm a/ Nguyên nhân: Fading nhanh (fast fading) hay gọi hiệu ứng Doppler, nguyên nhân có chuyển động tương đối máy thu máy phát dẫn đến tần số thu bị dịch tần lượng delta_f so với tần sô phát tương ứng f_thu = f_phát (c + v_thu) / (c+v_phát) => delta_f=abs[f_thu-f_phát]=abs[v/(c+v_phát)].f_phát Mức độ dịch tần thay đổi theo vận tốc tương đối (v) máy phát thu (tại t/s phát) Do tượng gọi fading nhanh Tuy nhiên, toàn nội dung fading nhanh mà hiệu ứng đa đường (multipath) kéo theo biến đổi nhanh mức nhiễu đầu thu gây fast fading Fading chậm (slow fading): Do ảnh hưởng vật cản trở đường truyền VD: tòa nhà cao tầng, núi, đồi…làm cho biên độ tín hiệu suy giảm, gọi hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Tuy nhiên, tượng xảy khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Hay không ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi suy hao chậm Vì hiệu ứng gọi Fading chậm (slow fading) Như vậy, slow fading fast fading phân biệt mức độ biến đổi nhiễu anten thu b/ Khắc phục: cách tính toán đọ dự trữ fading - Dự trữ fading che khuất chuẩn-log (dự trữ fading chậm - Slow/Shadowing Fading Margin) Khoản tính dựa xác suất rớt gọi cho phép fading chậm gây nên, thường 1% theo nhiều tài liệu Lượng dự trữ fading chậm tính ta có đường cong mật độ xác suất fading che khuất (dạng chuẩn-log) Cái đường cong mật độ có nhờ phương pháp thống kê (nhờ đo driving-test để có độ lệch quân phương (zigma) hay gọi độ lệch chuẩn - standard deviation - biến ngẫu nhiên mức fading che khuất, phân bố chuẩn có kỳ vọng không hoàn toàn xác định pdf biết zigma) - Dự trữ fading nhanh (Multipath Fading Margin) Cái có rắc rối đôi chút Với hệ thống băng hẹp GSM (tốc độ liệu kênh thấp chủ yếu phục vụ dịch vụ thoại liệu tốc độ thấp) multipath fading xem flat-fading Khi dự trữ fading nhanh xác định theo phân bố mức fading nhanh Với môi trường khác nhau, có phân bố khác nhau, trải từ phân bố chuẩn (kênh Gauss) hay Ricean (kênh Rice) Rayleigh (kênh Rayleigh), kênh Rayleigh kênh tồi nhất, hay gặp môi trường macro khu vực đô thị Do vậy, tính toán thiết kế vô tuyến (tính toán phủ sóng) người ta thường tính với trường hợp xấu với kênh Rayleigh Pdf(Probability Density Function - hàm mật độ xác suất) Rayleigh biến ngẫu nhiên mức fading nhanh hoàn toàn xác định có độ lệch quân phương zigma Cái (zigma) phải xác định đo lường (drivingtest) Từ ta xác định độ dự trữ fading nhanh để bảo đảm xác suất rớt gọi fading nhanh gây thấp mức đó, thường 1% [...]... dữ liệu trên kênh thấp do chủ yếu chỉ phục vụ dịch vụ thoại và dữ liệu tốc độ thấp) thì multipath fading xem được là flat-fading Khi đó dự trữ fading nhanh có thể xác định được theo phân bố của mức fading nhanh Với các môi trường khác nhau, sẽ có các phân bố khác nhau, trải từ phân bố chuẩn (kênh Gauss) hay Ricean (kênh Rice) cho tới Rayleigh (kênh Rayleigh), trong đó kênh Rayleigh là kênh tồi nhất,... bù nhiễu này) Fading lựa chọn tần số (selective fading) Xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền 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 selectivefading Nói chung là đối toàn bộ băng thông kênh truyền thì nó ảnh hưởng không đều, chỗ nhiều chỗ ít, chỗ làm tăng chỗ làm giảm cường độ tín hiệu Loại này chủ... nhất trong khí quyển Đây cũng là môt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường • Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng này đăc biệt quan trọng trong thông tindi động a) Phân loại fading • • • • • - Fading phẳng... nhỏ và vừa, do độ rộng băng tín hiệu khá nhỏ nên fading do truyền dẫn đa đường và do mưa gần như là xem không có chọn lọc theo 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),... sóng điện từ bị hấp thụ và bị tán xạ do mưa, tuyết, sưong mù.hay các phần tử khác tổn tại trong môi trường truyền dẫn nên các tín hiệu vào đầu thu bị suy giảm Nói chung hiện tượng fading này thay đổi phụ thuộc vào thời gian • 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... điểmthu phát là hằng số có giá trị bằng n lần nửa bước sóng công tác ANn +NnB -AB = n.(λ /2) Miền Fresnel có dạng elip tròn xoay nhận hai điểmthu và phát làm tiêu điểm, có bán kính là bn Các ảnh hưởng của khí quyển d) Hiện tượng tán xạ Tán xạ là hiện tượng photon bị đổi hướng khi gặp các vật, có thể vĩ mô như các tiểu hành tinh, các viên đá trong vành đai Sao Thổ, hay các vật chất vi mô như các hạt bụi Trong... đó cùng xảy ra tán xạ thuần túy và hấp thụ/bức xạ thuần túy e) Hiện tượng nhiễu xạ Nhiễu xạ là hiện tượng quan sát được khi sóng lan truyền qua khe nhỏ hoặc mép vật cản (rõ nhất với các vật cản có kích thước tương đương với bước sóng), trong đó sóng bị lệch hướng lan truyền, lan toả về mọi phía từ vị trí vật cản, và tự giao thoa với các sóng khác lan ra từ vật cản Hiện tượng nhiễu xạ đã được quan sát...b) Ảnh hưởng của khí quyển đến truyền dẫn vô tuyến Khi truyền tải các tín hiệu vô tuyến qua khí quyển có rất nhiều yếu tố môi trường ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu do thường hay xảy ra các hiện tượng phản xạ, tán xạ từ tầng điện ly & tầng đối... tự do, sự không đồng nhất của khí quyển, các hiệu ứng khúc xạ, phản xạ, tán xạ Các đường thông tin vi ba không bị fading nghiêm trọng trong hầu hết các điều kiện khí tượng Tuy nhiên, sự phân tầng khí quyển và những điều kiện khí tượng khác có thể gây ra fading nghiêm trọng b) Ảnh hưởng của khí quyển đến truyền dẫn vô tuyến Ở dải tần số cao hơn 7 GHz, ngoài hiệu ứng nhiễu xạ và đa đường, suy hao và... suốt có chiết suất khác nhau Khúc xạ của sóng, giải thích theo quan điểm của Huygens Các ảnh hưởng của khí quyển b) Hiện tượng phản xạ • phản xạ là hiện tượng sóng khi lan truyền tới bề mặt tiếp xúc của hai môi trường bị đổi hướng lan truyền và quay trở lại môi trường mà nó đã tới Các ví dụ về phản xạ đã được quan sát với các sóng như ánh sáng, âm thanh hay sóng nước • Sự phản xạ của ánh sáng có thể là