Thứ Bảy, 24 tháng 10, 2015

Các Loại Gây Suy Nhiễu Tín Hiệu Số

SUY HAO
Cường độ của tín hiệu trên bất cứ một môi trường truyền nào đều bị suy giảm theo khoảng cách. Sự suy giảm này thường theo quy luật hàm logarit trong các đường truyền có định tuyến, hay theo một hàm phức tạp trong các môi trường không định tuyến tùy thuộc vào khoảng cách và áp suất không khí và cả các yếu tố mưa mù, khí hậu nữa. Tín hiệu suy giảm tác động đến các yếu tố sau :
  • Tín hiệu tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu có thể phát hiện và khôi phục tín hiệu
  • Tín hiệu nhận được tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu có thể phát hiện và khôi phục không bị sai lỗi
  • Độ suy giảm thường là một hàm tăng theo tần số
Thường để phát đi xa thì người ta cần các bộ khuếch đại lại tín hiệu và chuyển tiếp, với tần số càng cao thì thường bộ khuếch đại càng phải gần lại. Cần lưu ý là đấy là xu hướng chứ không phải luôn là như vậy như đây là hình vẽ độ suy giảm do mưa (vô tuyến), ta vẫn thấy có những chỗ võng xuống ở các đường  e, c.


Nếu sự suy giảm này là không ổn định mà luôn biến đổi thì gọi là fading

Tác động của môi trường truyền tới việc truyền tín hiệu

 Suy hao không đều thì gây méo (tín hiệu chỗ suy hao nhiều chỗ suy hao ít nên nó không giữa nguyên được "hình hài ban đầu"). Nhưng nhắc đến suy hao thì thường mọi người thường nghĩ đến sự suy yếu của tín hiệu đều trên cả dải tần
Khi tín hiệu truyền qua môi trường (vô tuyến hay hữu tuyến) thì ít nhiều sẽ bị các tác động làm sai lạc. Các yếu tố ảnh hưởng đến truyền tin có thể kể tới là :
  1. Gây méo tín hiệu (distortion)
  2. Nhiễu (Interference)
  3. Suy hao
Trên là các yếu tố chính ảnh hưởng đến sóng điện từ (dùng trong di động và cáp đồng), ở các hệ thống khác lại khác ví dụ với hệ thống thông tin quang:
  1. Suy hao (quan trọng nhất)
  2. Tán sắc (quan trọng nhì)
  3. Hiện tượng phi tuyến (hệ thống tốc độ cao, đường dài dài mới quan tâm)
Mình không có thống kê đầy đủ các loại môi trường, nhưng theo những gì mình đọc thì là như vậy. 

Méo tuyến tính và méo phi tuyến

Méo tuyến tính là méo gây ra cho tín hiệu bởi các phần tử tuyến tính trên kênh truyền, trong đó các phần tử (trong nhiều trường hợp lại có thể xem chúng như các hệ thống - đơn giản là xem chúng như những khối/block) tuyến tính là các phần tử mà phép toán biểu diễn quan hệ đầu ra theo đầu vào thỏa mãn tính chất xếp chồng. Nôm na thì đặc tuyến biên độ vào-ra là một đường thẳng.

Nói chung, các phần tử thụ động trên các kênh (trừ diode) đều có thể xem là các phần tử tuyến tính, miễn là tín hiệu lối vào không quá lớn. Kênh fading đa đường do vậy là một phần tử tuyến tính, gây méo tuyến tính tín hiệu. Xét đến cùng kỳ lý thì chẳng có phần tử nào là hoàn toàn tuyến tính cả, chỉ là trong thực tế thì nếu đặc tuyến đủ thẳng thì người ta xem nó là phần tử tuyến tính thôi*.

Méo phi tuyến, trái lại, lại gây bởi các phần tử phi tuyến (không thỏa mãn tính chất xếp chồng, có đặc tuyến vào-ra là một đường không thẳng). HPA là một thí dụ.

Một điểm bạn biết chưa rõ nữa là tại máy thu, nói chung không mấy khi có HPA. Tín hiệu lối vào máy thu quá nhỏ nên các bộ khuếch đại ở máy thu nói chung làm việc ở đoạn rất thẳng của đặc tuyến công tác. Do vậy, người ta thường xem các bộ khuếch đại ở máy thu là các bộ khuếch đại tuyến tính, không gây méo phi tuyến.

*) Nói cho vui (mà thật đấy): Chẳng có cái gì ở đời này là tuyến tính cả đâu nhé. Bản chất của cuộc sống là phi tuyến. Một bài học cho các bạn: Các bạn chiều chuộng (là hy sinh, là chăm sóc, là tha thiết, là vân vân và vân vân nhé) người yêu một thì người ta yêu bạn một, bạn chiều chuộng người ta ba thì người ta yêu bạn ba. Nhưng mà quên đi nhé, bạn chiều chuộng người ta 10 hay 100 chẳng hạn, thời  đi yêu người khác đấy. Hô hô, thế thì là nô lệ chứ yêu đương cái khỉ gì, nhẻ
Trích dẫn bài của thày bình http://vntelecom.org/diendan/showthread.php?t=4571

HPA là viết tắt của High Power Amplifier (bộ khuếch đại công suất lớn). Đây là một khái niệm bên điện tử, đại thể thì hệ số khuếch đại này với tín hiệu càng lớn thì sẽ càng giảm (vẽ trên đồ thị biểu diễn hệ số khuếch đại nó kiểu như tọa độ đại bác bắn lên rồi rơi xuống ấy, chứ không thẳng - tuyến tính).

Tạp âm nhiệt AWGN (additive white Gaussian noise)


Tạp âm Gaussian mà bạn nói đến là tạp âm nhiệt (thermal noise), là dòng điện không mong muốn gây ra trong mạch điện dưới tác động của chuyển động nhiệt của các hạt mang điện trong mạch điện (các điện tử).

Chuyển động nhiệt ở đây là chuyển động Brown (chuyển động Bờ-rao-nơ như trong vật lý THCS các bạn được học ngay đầu môn vật lý - phần nhiệt học), chuyển động này là ngẫu nhiên, cân bằng về mọi phía, là hệ quả trực tiếp của việc các điện tử nhận nhiệt năng từ môi trường và chuyển thành động năng.

Bây giờ xét một mạch điện gồm một nguồn tín hiệu (nguồn một chiều như pin chẳng hạn) có sức điện động là E, có điện trở nguồn bằng 0, mạch ngoài gồm một điện trở tải R, bỏ qua điện trở dây dẫn. Theo định luật Ohm, dòng điện một chiều qua điện trở tải R là Io = E/R. Tuy nhiên, khi đo thực tế, dòng điện qua mạch là I(t) khác Io. Dòng I(t) quan trắc được nhấp nhô ngẫu nhiên quanh giá trị dòng 1 chiều Io. Do đó, ta có thể phân tích I(t) = Io + một dòng (khá nhỏ) nhấp nhô quanh giá trị 0. Dòng nhấp nhô khá nhỏ ấy ký hiệu là n(t), gọi là tạp âm. Dòng này chính là dòng gây bởi chuyển động nhiệt của các điện tử trong mạch. Điều này có thể thấy được như sau. Giá trị dòng điện tức thời trong mạch I = q/T trong đó T là khoảng thời gian quan trắc nào đó, q là điện lượng chuyển qua thiết diện của dây dẫn. Mọi điện tử trong mạch điện đồng thời chịu 2 lực tác động: Lực điện trường do nguồn E và lực do chuyển động nhiệt gây nên. Nếu lực chuyên động nhiệt cùng hướng với lực điện trường do nguồn E thì điện tử được tăng tốc, do đó trong cùng một T, điện lượng q chuyển qua mạch tăng, dòng I tăng, ngược lại thì dòng I giảm. Do chuyển động nhiệt thì ngẫu nhiên nên sự tăng giảm của dòng điện trong mạch cũng ngẫu nhiên. Tức là n(t) là một quá trình ngẫu nhiên.

Từ phân tích trên có thể thấy dòng tín hiệu do nguồn tín hiệu gây nên là Io, còn tạp âm nhiệt n(t) thì cộng vào với dòng tín hiệu, như vậy, tạp âm nhiệt có tính cộng với tín hiệu - từ đó có cái chữ A, viết tắt của từ ADDITIVE (có tính cộng).

Khi đo mật độ phổ công suất của tạp âm nhiệt N(f), người ta thấy N(f) của tạp âm gần như hằng số trong một dải tần Wn rất rộng, lên tới hàng chục GHz. Độ rộng băng này sở dĩ lớn đến vậy là do có thể xem dòng tạp âm là tổng các xung điện gây ra khi các điện tử chuyển động nhiệt va chạm vào nhau trong mạch - 2 điện tử va vào nhau thì động năng giảm dưới dạng bức xạ ra các xung điện từ n_i (quá trình là: nhiệt năng từ môi trường được điện tử hấp thụ chuyển thành động năng, khi va chạm thì động năng chuyển thành điện năng bức xạ thành các xung điện từ) và dòng tạp âm có thể xem như tổng các xung n_i rất bé này. Trong một giây có đến hàng tỷ, hàng chục tỷ các va chạm như vậy, do vậy tạp âm như tổng một chuỗi xung có tốc độ lên đến hàng chục tỷ xung trong một giây, vì vậy phổ của nó sẽ lên đến cỡ hàng tỷ đến hàng chục tỷ Hertz (hàng GHz đến hàng chục GHz). Do độ dốc của hàm N(f) rất nhỏ, mặt khác bề rộng phổ của tín hiệu trong thực tế lại rất bé, thường chỉ vài chục MHz đến cỡ 100 MHz, nên bên trong băng tín hiệu có thể xem N(f) là hằng số = No.
Ở đây ta cần lưu ý:
a) Với tín hiệu băng gốc, phổ chiếm của tín hiệu W thường rất nhỏ so với Wn (vài chục MHz so với vài - vài chục GHz) nên trong băng tín hiệu N(f) xem như = No = const. Công suất tạp âm lọt vào trong băng tín hiệu sẽ là Pn = No.W.
b) Với tín hiệu thông dải do điều chế, cả tín và tạp đều sẽ cùng điều chế sóng mang nên trên cao tần, phổ tín hiệu sẽ rộng 2W tập trung quanh tần số sóng mang fc, song với biên độ phổ giảm 2 lần (theo định lý điều chế trong biến đổi Fourier), tương tự vậy, hàm mật phổ công suất tạp âm cũng rộng cả về 2 phía của fc và có biên độ phổ là No/2. Điều này cho thấy việc điều chế thực ra như dịch tịnh tiến (tuyến tính) phổ tín hiệu lẫn mật phổ công suất tạp âm No lên tần số fc song biên độ cùng giảm 2 lần, bù lại, bề rộng phổ trên cao tần bây giờ của tín hiệu là 2W (và tạp âm lọt trong băng tín hiệu vẫn là Pn = 2W.No/2 = W.No). Như vậy, có thể xem như mật phổ công suất tạp âm có cả thành phần tần số âm (2 phía) với biên độ No/2 và khi được điều chế chỉ đơn thuần là dịch tịnh tiến lên fc.

Từ a) và b) nảy sinh hai khái niệm: Mật phổ công suất tạp âm một phía (chỉ có phần tần số dương) với biên độ (độ lớn) là No, bề rộng phổ Wn, thường sử dụng để tính SNR với tín hiệu băng gốc hay băng gốc tương đương; và mật phổ công suất tạp âm hai phía (có cả tần số dương lẫn âm - đối xứng quanh tần số 0) với độ lớn No/2, bề rộng phổ từ -Wn đến +Wn, tức là bề rộng phổ 2Wn, thường dùng để xét với tín hiệu thông dải (tín hiệu đã được điều chế).

Trong băng tín hiệu W thì mật phổ công suất tạp âm gần như là hằng số, làm gần đúng là hằng số No hay No/2 tùy trường hợp xét. Điều này gợi ý liên hệ tới phổ ánh sáng trắng (là tổng của mọi sóng điện từ ánh sáng với mọi bước sóng - hay tần số - khác nhau) là hằng số theo trục bước sóng lamda hay trục tần số. Tính chất phổ như vậy gọi là phổ TRẮNG, nên có cái chữ W (WHITE).

Bây giờ xét về mặt biên độ của dòng (hay điện áp rơi trên 1 điện trở nào đó như R của mạch chẳng hạn) tạp âm. Do n(t) là một quá trình ngẫu nhiên nên tại một thời điểm quan trắc to nào đó ta sẽ có một biến ngẫu nhiên là n(to), ký hiệu là n. Như đã nói, n là tổng của một số rất lớn các xung dòng (hay xung điện từ) n_i, từng n_i lại có ảnh hưởng rất yếu tới tổng do từng n_i có giá trị rất yếu. Theo định lý giới hạn trung tâm của Liapunov, n sẽ có hàm mật độ xác suất xấp xỉ được bằng hàm mật độ xác suất chuẩn (Gauss) (phát biểu chính xác của định lý Liapunov ở đây sẽ chỉ tổ làm rối sự theo dõi nên tôi sẽ không nói kỹ). Từ đây có tính chất phân bổ biên độ của tạp âm là phân bố CHUẨN, và do đó có chữ G (GAUSSIAN). Do chuyển động nhiệt là cân bằng về mọi phía nên trung bình của n (là tổng của các xung n_i với giá trị và dấu âm hay dương ngẫu nhiên) sẽ bằng 0. Tức là tạp âm có biên độ phân bố chuẩn, kỳ vọng bằng 0.

Trên đây là các hiểu biết về tạp âm nhiệt có được từ quan trắc và phân tích vật lý. Về mặt toán học áp dụng trong phân tích hệ thống, ta biết rằng máy thu có một mạch lọc để lọc lấy tín hiệu, có độ rộng băng lọc bằng với độ rộng băng W của tín hiệu. Bất luận tần số sóng mang fc là bao nhiêu thì công suất tạp âm tại lối ra Pn (sẽ cho ta tính được tỷ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm SNR = P/Pn, với P là công suất tín hiệu), như trên đã nói, cũng là No.W. Như vậy, để khỏi lệ thuộc vào tần số fc, ta có thể giả định như trong máy thu sẽ hoàn toàn không có tạp âm (khi đó phân tích hệ thống chỉ cần làm với tín hiệu) và tạp âm trong máy thu sẽ được quy ra đầu vào máy thu và cộng với tín hiệu, với tạp âm được mô hình toán học là một nguồn tạp âm có mật phổ công suất tạp âm một hay hai phía rộng vô hạn và có độ lớn là No hay No/2 tùy theo xét mật phổ công suất tạp âm một hay hai phía (khi xét tín hiệu băng gốc hay thông dải) - khi này mô hình tạp âm sẽ thực sự là một tạp âm TRẮNG.

TÓM TẮT:
Như vậy, tạp âm nhiệt có thể quy thành một nguồn tạp âm ở đầu vào máy thu, đã được mô hình hóa là AWGN: CỘNG với tín hiệu tại đầu vào máy thu (A), có mật phổ công suất là hằng số rộng vô hạn (No hay No/2 tùy theo xét ở băng gốc hay cao tần) - tính chất có mật phổ công suất TRẮNG (W), và có biên độ tạp âm là biến ngẫu nhiên tuân theo phân bố CHUẨN (G), viết tắt là AWG Noise hay AWGN. Tiếng Việt gọi là tạp âm cộng trắng chuẩn hay tạp âm trắng chuẩn cộng tính. Đây chỉ là một mô hình toán học chứ không phải là tạp âm thực sự bởi tạp âm được mô hình hóa như thế sẽ có công suất (là diện tích của dải băng dài vô hạn giới hạn bởi trục tần số và đường N(f) = No, diện tích đó là vô hạn) bằng vô hạn, không thực tế.

Lưu ý:
1. No thể hiện về mặt năng lượng của tạp âm, về mặt thống kê thì tạp âm lại được thể hiện qua phương sai của hàm mật độ xác suất của biên độ tạp âm là zigma^2. Như vậy hai cái này có quan hệ với nhau. Người ta đã chứng minh (khá dễ dàng song công thức lằng nhằng gõ ra đây chỉ gây tẩu hỏa nhập ma thôi) rằng No = 2.zigma^2.
2. Công suất tạp âm thực tế đo được trong băng tín hiệu Pn = 4.k.T.W, song ta lại có Pn = No.W, do vậy No = 4.k.T, với T là nhiệt độ tuyệt đối (tính theo độ Kenvin), còn k là hằng số Boltzman. Nhiệt độ càng cao, No càng lớn và công suất tạp âm càng lớn. Để tạp âm nhỏ, cần làm giảm T, điều này dẫn đến các bộ LNA (Low Noise Amplifier - Khuếch đại tạp âm thấp) thường được thiết kế cho có nhiệt độ môi trường thấp - tỷ như nhúng bộ khuếch đại trong khí Heli lỏng chẳng hạn.

Sửa chữa: Các con số tôi có thể không nhớ chính xác. Theo các tài liệu trên Internet, độ rộng băng của tạp âm nhiệt lên tới 1500 GHz chứ không phải chỉ vài chục GHz như trong bài đã viết

Nhiễu trong thông tin vô tuyến
1. Nhiễu trắng (White noise)

Nhiễu trắng là một tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phân bố công suất phẳng nghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn khoảng băng thông. Tín hiệu này có tên là nhiễu trắng vì nó có tính chất tương tự với ánh sáng trắng.

Chúng ta không thể tạo ra nhiễu trắng theo đúng lý thuyết vì theo định nghĩa của nó, nhiễu trắng có mật độ phổ công suất phân bố trong khoảng tần vô hạn và do vậy nó cũng phải có công suất vô hạn. Tuy nhiên, trong thực tế, chúng ta chỉ cần tạo ra nhiễu trắng trong khoảng băng tần của hệ thống chúng ta đang xem xét.


Hình 1: Một tín hiện nhiễu trắng


Lưu ý rằng nhiễu Gaussian (nhiễu có phân bố biên độ theo hàm Gaussian) không phải là nhiễu trắng. Từ "Gaussan" đề cập đến phân bố xác suất đối với giá trị (độ lớn) trong khi từ "While" đề cập đến cái cách phân bố công suất tín hiệu trong miền thời gian hoặc tần số.

Ngoài nhiễu trắng Gaussian chúng ta còn có nhiễu trắng Poisson, Cauchy, ... Khi miên tả hệ thống bằng toán học chúng ta hay sử dụng nhiễu AWGN (additive white Gaussian noise) vì loại nhiễu này dễ tạo ra nhất.


2. Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference)



Hình 2: Mô hình gây nhiễu


Trong môi trường truyền dẫn vô tuyến, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi. Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu.

Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian của một ký tự.

OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần. Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ (guard interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn

3. Nhiễu liên kênh ICI (Interchannel Interference)
Nhiễu xuyên kênh gây ra do các thiết bị phát trên các kênh liền nhau Nhiễu liên kênh thường xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bị dịch tần gây can nhiễu sang các kênh kề nó. Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người ta phải có khoảng bảo vệ (guard band) giữa các dải tần.


Hình 3: Nhiễu xuyên kênh giữa hai sóng mang kề nhau


4. Nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference)

Nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát trên cùng một tần số hoặc trên cùng một kênh. Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai tín hiệu với cường độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát.

Nhiễu đồng kênh thường gặp trong hệ thống thông tin số cellular, trong đó để tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách sử dụng lại tần số. Như vậy có thể coi nhiễu đồng kênh trong hệ thống cellular là nhiễu gây nên do các cell sử dụng cùng 1 kênh tần số.

Nhiễu đồng kênh liên quan tới việc sử dụng tần số. Có thể ví dụ trong mạng GSM: Trong mạng GSM, mỗi trạm BTS được cấp phát một nhóm tần số vô tuyến. Các trạm thu phát gốc BTS lân cận được cấp phát các nhóm kênh vô tuyến không trùng với các kênh của BTS liền kề.

Đặc trưng cho loại nhiễu này là tỉ số sóng mang trên nhiễu (C/I). Tỉ số này được định nghĩa là cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu sau lọc cao tần và nó thể hiện mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu mong muốn so với nhiễu đồng kênh từ các BTS khác.
Một số giải pháp để hạn chế loại nhiễu đồng kênh trong các hệ thống cellular như sau:


  • Không thể dùng bộ lọc để loại bỏ giao thoa này do các máy phát sử dụng cùng một tần số.
  • Chỉ có thể tối thiểu hóa nhiễu đồng kênh bằng cách thiết kế mạng cellular phù hợp.
  • Tức là thiết kế sao cho các cell trong mạng có sử dụng cùng nhóm tần số không ảnh hưởng tới nhau=>khoảng cách các cell cùng tần số phải đủ lớn.

Hình 4: Nhiễu đồng kênh trong hệ thống cellular


5. Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference).
Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các user giao thoa với nhau, là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ thống.

Trong các hệ thống đa truy nhập:
• TDMA: Đa truy nhập phân chia theo thời gian
Trong TDMA là sự giao thoa của các tín hiệu ở khe thời gian này với khe thời gian khác do sự không hoàn toàn đồng bộ gây ra. Người ta phải có khoảng bảo vệ (guard time) để giảm xác suất người dùng bị giao thoa nhưng cũng đồng thời làm giảm hiệu suất sử dụng phổ
• FDMA: Đa truy nhập phân chia theo tần số
Các hiệu ứng Doppler làm dịch phổ tần số dẫn đến có sự giao thoa giữa các dải tần con Guard band để giảm xác xuất giao thoa giữa các kênh kề nhau =>giảm hiệu suất sử dụng phổ
• CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã
Trong CDMA người ta sử dụng tính trực giao của mã nên hầu như không có nhiễu giữa các user.
• DS CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp.
Theo những nghiên cứu gần đây, phương thức đa truy nhập phân chia theo
mã chuỗi trực tiếp DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiplexing Access) dựa vào việc trải phổ dòng dữ liệu bằng cách sử dụng một mã trải phổ được ấn định cho mỗi người sử dụng trong miền thời gian.Khả năng giảm thiểu nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference) dựa vào tính tương quan chéo của mã trải phổ. Trong trường hợp truyền đa đường đòi hỏi rất khắt khe của viễn thông di động, khả năng phân biệt một tín hiệu thành phần từ nhiều thành phần khác trong tín hiệu thu tổng hợp được cung cấp bởi tính tự tương quan của mã trải phổ. Máy thu RAKE có chứa nhiều bộ tương quan, mỗi bộ tương quan được nối với một dường dẫn có khả năng phân giảỉ khác nhau. Vì vậy hoạt động của hệ thống DS-CDMA sẽ phụ thuộc nhiều vào số lượng người sử dụng thực tế, đặc trưng của kênh và số lượng các nhánh được dùng trong máy thu RAKE. Cũng vì lý do này mà dung lượng của hệ thống sẽ bị hạn chế do nhiễu nội (self-interference) và MAI mà nguyên nhân là sự chưa hoàn chỉnh của tính tự tương quan cũng như tính tương quan chéo của mã trải phổ. Điều này gây ra khó khăn cho hệ thống DS-CDMA trong việc sử dụng đầy đủ năng lượng tín hiệu thu bị phân tán trong miền thời gian.

Hiệu ứng Doppler

Hiện tượng: khi một chiếc xe (hay một nguồn phát tiếng động) đi về phía bạn, bạn sẽ cảm thấy tiếng của nó mạnh dần lên và khi nó vượt qua rồi chạy ra xa khỏi bạn thì bạn sẽ thấy tiếng của nó giảm dần đi.
Câu hỏi: có bao giờ bạn tự hỏi tại sao nguồn phát ra tiếng động (tiếng xe chạy) không đổi nhưng tai bạn lại nghe thấy sự thay đổi của tiếng động đó hay không?
BÀN LUẬN
Âm thanh và sự dịch chuyển
Khi chúng ta đang di chuyển, hoặc khi nguồn phát ra âm thanh di chuyển, chúng ta sẽ nghe thấy sự thay đổi của âm thanh truyền đến tai. Bạn có thể cảm thấy tiếng động cơ xe hoặc tiếng còi tàu ngày càng nhỏ hơn khi nó đi ra xa khỏi bạn.  Cường độ của tiếng còi tàu không thay đổi, nhưng bạn lại nghe thấy nó thay đổi. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Doppler. Hiệu ứng  Doppler được đặt theo tên của một nhà vật lý học người Áo, Christian Johann Doppler, là người đã phát hiện ra nó.
Christian Johann Doppler đã phát hiện ra điều gì?
Doppler cho rằng nếu tiếng động đi đến gần bạn, có thể là do nguồn phát ra nó tiến đền gần bạn hoặc bạn đi về phía phát ra tiếng động thì cường độ của nó sẽ có vẻ như tăng lên hơn cường độ thật sự của nó. Nếu bạn đi ra xa khỏi nguồn phát ra tiếng động hoặc nếu như nó đi ra xa khỏi bạn, Doppler cho rằng âm thanh mà bạn nghe được có vẻ như  có cường độ thấp hơn cường độ thật sự của nó. Để kiểm tra lại giả thuyết của Doppler, các nhà khoa học đã thuê những người thổi kèn Trumplet chơi kèn trên một chiếc xe lửa và họ nhận ra rằng khi chiếc xe lửa chạy ra xa khỏi họ thì cường độ của tiếng kèn giảm xuống, y như những gì Doppler đã tiên đoán.
Hiệu ứng Doppler xảy ra do khoảng cách tác động đến khoảng thời gian mà bạn cần có để nghe được âm thanh. Hãy tưởng tượng bạn đang chơi trong công viên với một người bạn, và anh ta đứng từ xa lăn trái banh về phía bạn. Nếu bạn tiến về phía trái banh thì bạn sẽ bắt được nó sớm hơn, nhưng nếu bạn đi ra xa khỏi trái banh thì bạn sẽ bắt được nó muộn hơn. Hiện tượng này cũng xảy ra tương tự đối với âm thanh.  Nhắc lại 2 đại lượng của sóng âm:
  1. Bước sóng: là khoảng cách của một lần nén và một lần dãn. Là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy sóng nằm liền kề nhau
  2. Tần số: là số bước sóng trong 1 đơn vị thời gian (1 giây).
Do đó, nếu như bạn nghe 1 sóng âm có cùng 1 tần số nhưng với thời gian ngắn hơn, như vậy sẽ có vẻ như là bạn đang nghe sóng âm đó với tần số cao hơn. Chẳng hạn như, nếu bạn nghe được một âm có 50 bước sóng khi nó di chuyển được đến bạn, nó phải mất 5 giây để di chuyển đến tai bạn. Như vậy tần số của sóng âm là 50:5 = 10 Hertz. Hãy thử tưởng tượng bạn cũng nghe âm thanh đó, nhưng lần này bạn di chuyển về nơi phát ra tiếng động, như vậy thì sóng âm chỉ phải mất 2 giây để cho 50 bước sóng đi đến tai bạn. Lần này, tần số của sóng âm mà bạn nghe được sẽ là 50:2 = 25 Hertz. Tần số có vẻ như cao hơn do bạn di chuyển. Nếu bạn không di chuyển, sau 2 giây, chỉ có 20 bước sóng đi đến tai bạn, và do đó, tần số sóng âm vẫn chỉ la 10 Hertz.
Hiện tượng ngược lại sẽ xảy ra khi khoảng cách giữa bạn và nguồn phát sóng tăng lên. Khi đó, sóng âm sẽ phải mất nhiều thời gian hơn để cùng một số bước sóng đi đến được tai bạn. Do đó, tần số sẽ có vẻ như thấp hơn. Như vậy, hiệu ứng Doppler làm cho cường độ của sóng thay đổi khi bạn, hoặc nguồn phát sóng, đang di động.
Như vậy, hiệu ứng Doppler được phát biểu như sau:
  • Nếu sóng được phát ra từ nguồn phát cố định đến một đầu thu cố định thì tần số thu bằng tần số phát.
  • Nếu khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát thay đổi trong khoảng thời gian thu sóng (thời gian sóng truyền đến đầu thu) thì bước sóng sẽ dài ra hoặc ngắn lại: ngắn lại trong trường hợp đầu thu và phát lại gần nhau và dài ra trong trường hợp ra xa nhau.


Nếu các bạn chưa thực sự hiểu thì cứ nôm na là tần số cũng có tính chất tương đối như là vận tốc vậy. Các tính toán chứng minh các bạn có thể tham khảo trên các giáo trình, ebook trên mạng.
Hiện tượng Doppler hay hiệu ứng Doppler này là một yếu tố ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu vì khi người dùng di chuyển (gần hoặc xa) trạm bts thì tần số sóng tới máy thu sẽ thay đổi => tần số kênh truyền đến thiết bị bị thay đổi => ảnh hưởng đến việc tiếp nhận thông tin.

Hiện tượng trải trễ


Trễ (delay) là thời gian tính từ khi bắt đầu truyền cho tới khi nhận xong một tin hay một tín hiệu.
Delay spread là lượng tăng của trễ truyền do tín hiệu truyền đi theo nhiều đường khác nhau, thí dụ như trong thông tin di động, tín hiệu lan truyền tới điểm thu theo nhiều đường khác nhau do phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ tại các chướng ngại. Giả sử đầu phát phát đi một xung cực hẹp, tại đầu thu khi đó không chỉ nhận được một xung mà là một cụm (nhóm) xung. Lượng trải trễ là deltaD như trong hình vẽ dưới đây:



Lưu ý rằng, trải trễ không chỉ có trong thông tin di động mà có trong mọi hệ thống vô tuyến điện, chỉ có điều trong nhiều trường hợp nó quá nhỏ. Trải trễ gây bởi các tia phản xạ từ các chướng ngại khác nhau trong truyền hình tương tự là nguyên nhân gây nên hiện tượng hình có "bóng", có đường viền làm nhoè hình, thiếu sắc nét. Trong thông tin quang, do tia sáng trong sợi đa mode được truyền đi theo nhiều tia khác nhau (nếu giải thích theo phương pháp quang hình) sẽ làm xung lối ra giãn ra, về bản chất cũng là hiện tượng trải trễ song người ta lại hay gọi đó là hiện tượng tán sắc.

Hiện tượng fading đa đường (Multipath-Fading)

Nếu mới lần đầu tiếp xúc hoặc chưa thật rõ với khái niệm fading, các bạn có thể xem ở đây 

Multipath-Fading là một hiện tượng rất phổ biến trong truyền thông không dây gây ra do hiện tượng đa đường (Multipath) dẫn tới suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu (fading) không giống nhau tại các thời điểm hoặc/và tại các tần số khác nhau.

Tín hiệu RF truyền qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian , va chạm vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên, sông, núi, biển … gây ra các hiện tượng sau đây:
• Phản xạ (reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng.
• Tán xạ (scaterring): khi sóng đập vào các vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng.
• Nhiễu xạ (diffraction): khi sóng va chạm với các vật có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng.


Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới được máy thu. 

Do các bản sao này này phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên:
• Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha giữa các thành phần này là khác nhau.
• Các bản sao sẽ suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này là khác nhau.

Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và pha của các bản sao:
• Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực (constructive addition) khi các bản sao đồng pha.
• Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực (destructive addition) khi các bản sao ngược pha.

Tuỳ theo mức độ của multipath-fading ảnh hưởng tới đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel) haykênh truyền phẳng (frequency nonselective fading channel), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow fading channel). Tuỳ theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Ricean.

Nguồn http://www.deeforum.net/forum/index.php?topic=53.0
Theo như thày bình dị (cũng là thày dạy mình môn truyền dẫn 1 và 2) thì cần phân biệt giữa hiệu ứng đa đường và fading đa đường

Nói cho đúng ra thì vùng phủ mở rộng kha khá là nhờ việc có phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ..., tức là nhờ có multipath propagation chứ đâu có nhờ fading?  (tức là nhờ có đa đường và phản xạ mà tín hiệu có thể đến với ta mà không cần phải "hứng" sóng trực tiếp từ trạm phát)

Multipath fading chỉ là một cái hệ lụy kèm theo của cái anh multipath propagation thôi và đã là fading thì luôn làm cho việc dự đoán đường truyền trở nên phức tạp và chỉ gây suy giảm chất lượng liên lạc thôi. Cái khoảng thời gian mà flat-fading làm tín hiệu mạnh lên có thể làm cho không có bit lỗi, song cái khoảng thời gian tín hiệu bị yếu đi thì làm BER tăng rất mạnh, tổng hợp lại thì fading, dù chỉ là flat-fading cũng làm cho chất lượng hệ thống giảm chứ không có chuyện tăng, còn selective fading với các hệ thống dung lượng lớn - tức là có độ rộng băng tín hiệu lớn - thì còn gây ra thêm cái gọi là méo tuyến tính/linear distortion, dẫn đến ISI mạnh thì còn tệ hại hơn nữa. Vậy fading chỉ có hại chứ có lợi làm sao được?

Không nên lầm lẫn giữa multipath propagation với multipath fading mặc dù hai cái này cái trước kéo theo cái sau. Cái anh multipath propagation thì cho phép mở rộng thêm cự ly liên lạc (trong nhiều trường hợp thì chỉ là tí chút) song lại kéo theo cái anh multipath fading buộc người ta phải áp dụng hàng loạt các biện pháp mạnh khác (tốn úi xìn nhé) để duy trì chất lượng liên lạc ổn định trong một tỷ lệ lớn thời gian, say là 98% với các cellular mobile systems hay 99.99% với các hệ thống microwave chẳng hạn

1 nhận xét:

  1. With Car Rental 8 you can discover the most affordable rental cars from over 50000 locations globally.

    Trả lờiXóa