Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1. Khái niệm về thông tin vô tuyến Mô hình kênh (Discrete Channel) Nguồn Mã nguồn Má kênh Điều chế tin I (Source Coding)\ (Channel (Modulation) Coding) K) Kênh vô tuyến (Channel) K} Giải má nguồn Giải mã kênh Tín hiêu đích Giải điều chế (Source (Channel (Deshnatỉon) (Demodulaiion) Decoding) Decoding) Hình ỉ. ỉ: Mô hình hệ thống thông tin Hinh 1.1 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thông thông tin vô tuyến. Nguồn tin trước hết qua mã nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã kênh để chống các lỗi do kênh truyên gây ra.
Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế để có thể truyên tải được xa. Các mức điêu chê phải phù hợp với điều kiện của kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với máy phát. Kết quả tín hiệu được giải mã và thu lại được ở máy thu.
Chat lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyên và các phương, pháp điều chế và mã hóa khác nhau. Khái niệm kênh truyền Kênh truyền là môi trường truyền dẫn cho phép truyền lan sóng vô tuyến. Môi trường truyền dẫn có thể là trong một tòa nhà, ngoài trời, hoặc phản xạ trên các tầng điện li. Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn mà kênh truyền dần có các tính chất khác nhau.
Các tính chất của kênh vô tuyến được trinh bày ờ chương 2 trong cuốn sách này. Khái niệm về truyền dẫn ỏ' băng tần CO'sỏ’và băng thông Truyền dẫn vô tuyến thông thường dược thực hiện ớ băng thông (banđpass), nghĩa là tín hiệu phải được điều chế bàng một sóng mang nào đó trước khi phát đi. Truyền dẫn ở băng tần cơ sở (baseband) là việc truyền dẫn không qua sóng mang. Tín hiệu không qua sóng mang không có kha nàng truyền được đi xa do suy hao lớn.
Khái niệm về sóng mang Sóng mang là sóng được nhân với tín hiệu có ích trước khi cửi ra àngten phát. Sóng mang băn thân nó không mang tín hiệu có ích. Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn và giải tín hiệu (băng tần) cho phép mà người ta lựa chọn giá trị tần số sóng mang. Thông thường thì sóng mang là sóng trung tâm cùa giải băng tần cho phép'cùa hệ thống thông tin.
Đối với hệ thống truyền dẫn tín hiệu tương tự. phép nhân sónc mạng chi đơn thuần là bộ trộn tín hiệu có ích với tín hiệu sóng mang. Đối với hệ thống thông tin sổ, để chuyên tín hiệu từ băng tần cơ sở sang tín hiệu ờ băng thông cân thực hiện bộ diêu chế I/Q để chuyển tín hiệu phức ờ kênh / và kênh Q sang tín hiệu thực ờ tần số cao. Khái niệni vồ quản lý tài nguyên vô tuyến.
Tài nguyên vô tuyến được hiểu theo phương pháp truvền thống là bề rộng phô cho phép đế truyền tin. Bồ rộng phố cho phép là giới hạn trong khi đó bât kỳ hệ thống truyền dẫn nào người ta đều yêu cầu chắt lượng tối thiểu, đông thời nhu cầu về tốc độ truyền dẫn ngày càng cao để đáp ứng các dịch vụ phức tạp. vấn đề cùa quàn lý tài nguvên vô tuyến là làm sao với một giải bâng tân cô định cho trước hệ thống hoạt dộng với chât lượng tôt nhât và với tôc độ truyền số liệu cao nhắt, đồne thời can nhiễu sanc các hệ thống lân 13 cận là nhỏ nhất. Vơi chất lượng càng cao và tốc độ truyền số liệu cao, người ta nói hệ thống có'hiệu suất sử dụng phổ tín hiệu cao.
Nhiệm vụ của quản lý tài nguyên vô tuyến còn là phân chia bề rộng phô săn cỏ cho các hệ thông thông tin khác nhau sao cho các hệ thổng có hiệu suất sử dụng phô cao nhât. Đối với các hệ thống nhiều người sử dụng, thì quản lý tài nguyên vô tuyến là sự phân chia bề rộng băng tần và điểu khiến đa truy nhập sao cho hệ thông được tối ưu về chất lượng và phổ tín hiệu. Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến Các hệ thống thông tin vô tuyến có thê được phân loại theo sự cung câp dịch vụ Ví dụ hệ thống phát thanh và truyên hình. Dịch vụ của hai hệ thông là thoại và hình ảnh.
Co thể phân loại hệ thống thông tin vô tuyến theo phương thức truyền dẫn như hệ thống truyền bán song công (bộ đàm) hay song công (hệ thống thông tin di dộng). Cũng có thê phân loại hẹ thong theo moi trường truyền dẫn như thông tin vi ba (yêu câu truyên dân trong tâm nhìn thẳng), và thông tin mạng máy tính không dây (phản xạ đa đường và ờ khoảng cách ngắn). Khái niệm về chuẩn vô tuyến Đẻ xây dựng một hệ thống vô tuyến trong phạm vi đa quôc gia hay toàn câu người ta đưa ra các chuẩn cụ thô cho các hệ thông cụ the. Cac chuân nay quy dịnh cấu trúc máy phát, máy thu, câu trúc toàn bộ hệ thông thông tin một cách thống nhất.
Các hãng sản suất thiêt bị thông tin sẽ theo các quy chuấn này để thiết kế hệ thống. Trên thê giới có hai tô chức lớn thực hiện các vấn đề này đó là Hiệp hội Điện tử thê giới IEEE và Tô chức Quy chuân của châu Âu ETSI. 14 Chương 2 LÝ THUYẾT VỀ KÊNH VÒ TUYẾN 2. Khái niệm về tm \c u dần Ị)han lập da diròng Ăngten Hình 2.
ỉ: Mỏ hình phản xa trong truyền dẫn phân tập đa dường Hình 2.1 trình bày khái niệm về truyền dẫn phân tập đa đường. Tín hiệu từ ăngten phát được truyền đến máy thu thông qua nhiều hướng phản xạ hoặc tán xạ khác nhau. Ở hình trên tín hiệu giả sử nhận được băng hai luông tín hiệu. Một luồng là tín hiệu truyền tháng có trễ truyền dẫn tương ứng là Tị.
Tuyên thứ 2 có trễ truyền dẫn là ĩ \. Giả thiêt tfn hiệu phát đi từ máy phát đom giản chỉ là luồng tín hiệu sin(27ĩfì) ) với tần số /ị và / 2. Tín hiệu ở máy thu là tổng của tín hiộu nhận được từ hai tuyến truyền dẫn mô tả ở hình 2. Ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng tín hiệu thu được ở tân sô j x bị suy giảm ờ một mức độ khác so với độ suy giảm ớ tần số f 2.
Do vậy cường độ tín hiệu thu được ờ tần số khác với tín hiệu f 2 cho dù là ở máy phát phát đi hai tín hiệu có cùng biên độ. Hiện tượng này chính là hiện tuợng/ading ỏ’ ntiền tần số. Kênh truyền dẫn phân tập đa đường gây nên hiệu ứng fading ở 15 miền tần số gọi là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel). Thực chất của hiện tượng kênh phụ thuộc tần so là hàm truyền đạt của kênh phụ thuộc vào giá trị của tần số của tín hiệu phát.
Bản chất này sẽ được giải thích rõ ở các mục tiếp theo. a: tín hiệu thu ờ tần số í) b: tín hiệu thu ở tần số f2 3 luồng tín hiệu thứ nhất luồng tín hiệu thứ nhất trục thời gian Hình 2.2: Mô ta sự phàn tập theo lần sỏ cua tin hiệu thu s / s \ //" N\ ỵ / V Scattering \ \\ Che khuàt Tán >:a (ZkadoYnn?) ■ (Ĩkiiíliĩnng ) *À' ¿V Hình 2.3: Mô hình tống quát cua truyền dẫn phún tập đa đường 16 Mô hình tổng quát của truyền dẫn phân tập đa đường không phải chi là hai tuyến truyền dẫn mà có thể là vô số các tuyến truyền dẫn khác nhau như ờ hình (2. Ở mô hình tổng quát tín hiệu phát có thể là phản xạ, tán xạ hoặc khúc xạ theo nhiều hướng khác nhau rồi mới đến máy thu. Trong trường hợp máy phát và máy thu đặt trong tầm nhìn thẳng thì sẽ có một luồng tín hiệu trong tầm nhìn thẳng LOS (line of sight).
Tín hiệu này thường có cường độ lớn hơn hẳn và làm chất lượng tín hiệu thu tốt hơn nhiều. Đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thòi gian ịtime-ỉnvariant channel impulse) • Khái niệm về kênh không phụ thuộc thời gicin Kênh không phụ thuộc thời gian là kênh truyền dẫn trong trường họp không có sự chuyên động tương đổi giữa máy phát và máy thu. Bản chất của hiện tượng này là cả đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian. • Khái niệm về đáp ứng xung cùa kênh (channeỉ impulse response) Đáp ứng xung của kênh là một dãy xung thu được ở máy thu khi máy phát phát đi một xung cực ngắn gọi là xung Dirac ỗ(t) (Dirac impuỉse) • Định nghĩa cùa xung Dirac Xung ổ(l) được định nghĩa là xung Dirac nếu nó thòa mãn hai điều kiện sau ổ(t) = 0 nếu /* 0 _ và ị ồ(t)dt = \ (2.1) Với sự định nghĩa cua xung Dirac, đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian về mặt toán học được biêu diễn như sau h{r) = ¿ < 3 A<5 (r - Tk ) (2.2) *=I ơ phương trình trên các biến: k, h(T), r, ĩ ( I k, hỉ/, lần lượt biêu thị chi số của tuyên truyền dẫn.
đáp ứng xung của kC'nh. biến trễ truyền dẫn. trễ truyền dân tương ứng với tuyến k , hệ số suy hao. và số tuyến truyèn dẫn.
TRƯỜNG Đ Ạ Ĩ h ỌC q u y nhơn. Trễ truyền dẫn T Hình 2.1: Mô tù đáp ímg.xnng cùa kênh 2. Hàm truyền đạt của kcnh không phụ thuộc thòi gian (time-invariant channel transfer function) Đáp ứng xung của kênh: h (r) Hàm truyền đat cùa kênh: H ( j w ) Chuyển đổi Fourier truvển dẫn:r Trễ truyền dẫr Hin lì 2. ỉ : Hàm truyền c1ạt của kênh Hàm truyền đạt của kênh là F • — o hự) (2.1) H(jro) = ]hự)e->a'dT Ớ phương trinh (2.
phép biến đổi /'d ư ợ c định nghĩa là phép biến đổi 1'Ourier. ¡8 Dựa vào hàm truyền đạt của kênh ta có thể nhận biết được ở miền tần sổ nào tín hiệu bị suy hao hay tương ứng với độ fading lớn (deep fading), hoặc ở miền tần số nào tín hiệu ít bị suy hao. Thực chất hầu hết các hệ thống truyền dẫn băng rộng trong môi trường truyền dẫn phân tập đa đường đều có fading12ở miền tần số. Độ phụ thuộc vào tần số phụ thuộc vào trễ truyền dẫn cùa kênh và bề rộng băng tần tín hiệu.
Tác giả Proakis [Pro95] đưa ra định nghĩa về bề rộng độ ồn định về tần so (coherence bandwidth) của kênh được trình bày ở phần tiếp theo 2. Bề rộng độ ổn định về tần số của kênh (coherence bandwidth o f the channel) Be rộng độ on định về tần số cũa kênh được định nghĩa theo lác uiá Proakis: như phương trình (2.1) ơ phương trình (2.