Bài giảng Thông tin vô tuyến - Chương 1: Kênh truyền vô tuyến

CHƯƠNG 1: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 
1.1 Giới thiệu chương
Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Mạng thông tin vô tuyến ngày nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho cuộc sống hiện đại. 
Nguồn tin
Kênh tin
Nhận tin
Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin
Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền là một trong ba khâu quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp. Nó là môi trường để truyền thông tin từ máy phát đến máy thu. Vì thế chương này tìm hiểu các thông tin về kênh truyền: Đó là, các hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền, các dạng kênh truyền và các mô hình kênh truyền cơ bản. Ngoài ra chương này còn giới thiệu khái quát về hệ thống thông tin vô tuyến. 
1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến
Hình 1.2 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến. Nguồn tin trước hết qua mã hoá nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã hoá kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế để có thể truyền tải đi xa. Các mức điều chế 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. Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền và các phương pháp điều chế và mã hoá khác nhau. Do đó ngày nay các kỹ thuật mới ra đời nhằm cải thiện chất lượng kênh truyền nói riêng và mạng vô tuyến nói chung, một trong những kỹ thuật đó là MC-CDMA.
Nguồn tin
Mã hoá kênh
(Channel coding)
Mã hoá nguồn
(Source coding)
Tín hiệu đích
(Destination)
Giải mã hoá kênh
(Channel decoding)
Giải mã hoá nguồn
(Source decoding)
Điều chế
(Modulation)
Kênh vô tuyến
(Channel)
Giải điều chế
(Demodulation)
Mô hình kênh
(Discrete channel)
Hình 1.2: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến
1.3 Kênh truyền vô tuyến 
1.3.1 Giới thiệu
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu 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 cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối , bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ, các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác 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 cơ bản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống.
Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading).
Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu. Người ta nói phía thu được bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách. 
Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng. 
Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động:
+ Phản xạ xẩy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF.
+ Nhiễu xạ xẩy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng. Nhiễu xạ là hiện tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phía thu mà không cần đường truyền thẳng. Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua.
+ Tán xạ xẩy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng. Trong môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá.
1.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền
1.3.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath)
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation). Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn. Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.
Che khuất
Trạm di động
Truyền thẳng
Khúc xạ
Tán xạ
Phản xạ
Tán xạ
Trạm gốc
Hình 1.3: Hiện tượng truyền sóng đa đường
1.3.2.2 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu như trình bày ở hình 1.4. 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.
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi đó tần số Doppler của tuyến này là [5]:
	(1.1)
Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu αn = 0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là:
	(1.2)
Vật 
phản
 xạ
Tuyến 1
v
α1
Tuyến 2
Trạm phát
Hình 1.4: Hàm truyền đạt của kênh
Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ ngang hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Doppler được biểu diễn như sau[5]:
0
 các trường hợp còn lại
nếu 
 =
	(1.3)
Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 1.5
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 nhận được 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 1.5. Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống. 
Hình 1.5: Mật độ phổ của tín hiệu thu
1.3.2.3 Suy hao trên đường truyền
Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu. Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác phục bằng các phương pháp điều khiển công suất.
1.3.2.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi, làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm.
1.3.3 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.
1.3.3.1 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 số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 1.6 là f0.
Hình 1.6a: Kênh truyền chọn lọc tần số (f0 <W)
Trên hình 1.6a, ta nhận thấy kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát. Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi qua, 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 tần số.
Hình 1.6b: Kênh truyền không chọn lọc tần số (f0 >W)
Ngược lại, trên hình 1.6b, kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín 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 không chọn lọc tần số hoặc kênh truyền fading phẳng. 
1.3.3.2 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 trên
đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc, luôn luôn có những vật thể mới xuất
hiện 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
theo thời 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 coherent time thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian. Ngược lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian hay phẳng về thời gian.
1.3.4 Các mô hình kênh cơ bản
1.3.4.1 Kênh theo phân bố Rayleigh
Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ. Chúng ta biết rằng đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh. Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất[4],[14]: 
	 	(1.4) 
Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách đường bao (evelope detection). σ2 là công suất trung bình theo thời gian.
Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị R cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy:
	 	(1.5)
Giá trị trung bình rmean của phân bố Rayleigh được cho bởi:
	 	(1.6)
Và phương sai (công suất thành phần ac của đường bao tín hiệu):
 	(1.7)
Giá trị hiệu dụng của đường bao là (căn bậc hai của giá trị trung bình bình phương). Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình: 
	(1.8)
Hình 1.7: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh
0
 σ
2σ
3σ
5σ
4σ
 p(r)
Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau môt lượng là 0.55dB trong trường hợp tín 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 không thể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào. Bằng cách sử dụng giá trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so sánh các phân bố fading khác nhau (có giá trị trung bình khác nhau). Hình 1.7 minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh.
1.3.4.2 Phân bố Ricean 
Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp máy thu 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 đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight. Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần dc vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên. Giống như trong trường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-of-sight (có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn. Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh. Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight mất đi.
Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:
	 	(1.9)
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 số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường: 
	(1.10)
	Hay viết dưới dạng dB: 	(1.11)
	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 1.8 mô tả hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean.
p(r)
k = dB
k = 6 dB
Hình 1.8: 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
1.4 Tổng kết chương
Chương 1 đã nêu lên các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng của kênh truyền, đó là hiệu ứng đa đường, hiệu ứng Doppler, suy hao đường truyền và hiệu ứng bóng râm, từ đây muốn cải thiện chất lượng kênh truyền thì cần phải khắc phục các hiện tượng này, do vậy mà nhiều kỹ thuật đã ra đời. 
Chương 1 còn cho ta biết các dạng kênh truyền trong hệ thống thông tin di động. Và cho ta biết hai mô hình phân bố kênh, đó là Rayleigh và Rice. Tuy nhiên kỹ thuật MC-CDMA được kết hợp từ kỹ thuật CDMA và kỹ thuật OFDM, do vậy chương sau sẽ tìm hiểu về các kỹ thuật này.