Hiện tượng suy giảm tín hiệu kênh không dâySuy hao tín hiệu là sự thay đổi về biên độ, pha hoặc công suất của tín hiệu nhận được do sự thay đổi trong đường truyền. Nó có thể làm giảm biên độ liên kết, làm méo tín hiệu băng rộng và gây khó khăn cho việc tái tạo các phép đo RF. Hiểu rõ loại suy hao tín hiệu hiện có trong hệ thống giúp các kỹ sư lựa chọn ăng-ten, phương pháp thử nghiệm và kỹ thuật giảm thiểu phù hợp.
Hướng dẫn này giải thích về hiện tượng suy hao tín hiệu quy mô lớn và quy mô nhỏ, các kênh phẳng và kênh chọn lọc tần số, suy hao chậm và nhanh, và các mô hình kênh thống kê phổ biến nhất. Nó cũng chỉ ra cách mà kiểu mẫu anten, phân cực và hình học thử nghiệm ảnh hưởng đến các phép đo suy hao tín hiệu thực tế.
Hiện tượng suy giảm tín hiệu kênh không dây là gì?
Tín hiệu vô tuyến hiếm khi đến được máy thu chỉ thông qua một đường truyền lý tưởng duy nhất. Các tòa nhà, địa hình, phương tiện giao thông, thiết bị và các vật thể khác có thể chặn, phản xạ, nhiễu xạ hoặc tán xạ sóng điện từ. Do đó, nhiều bản sao của cùng một tín hiệu có thể đến với độ trễ, biên độ, pha và góc đến khác nhau. Sự kết hợp của chúng có thể mang tính xây dựng tại một vị trí hoặc tần số và mang tính triệt tiêu tại một vị trí hoặc tần số khác.
Hiện tượng suy giảm tín hiệu (fading) khác với hiện tượng suy hao đường truyền trong không gian tự do có tính chất xác định. Suy hao đường truyền mô tả sự giảm công suất nói chung khi khoảng cách và tần số tăng lên, trong khi suy giảm tín hiệu mô tả sự biến thiên bổ sung xung quanh mức trung bình đó. Các kỹ sư thường phân loại hiện tượng suy giảm tín hiệu dựa trên hai trục độc lập: quy mô không gian và tính chọn lọc của kênh.
Hình 1.Sự thay đổi chậm và nhanh về mức tín hiệu nhận được minh họa cho các thang thời gian hoặc khoảng cách suy giảm khác nhau.
Phân loại hiện tượng suy giảm tín hiệu không dây
Hiện tượng phai màu trên diện rộngMô tả những thay đổi diễn ra dần dần trên những khoảng cách tương đối dài, chủ yếu là do sự biến đổi suy hao đường truyền và hiện tượng che khuất.Sự phai màu quy mô nhỏMô tả những thay đổi nhanh chóng trên quãng đường ngắn hoặc khoảng thời gian ngắn do hiện tượng đa đường truyền và chuyển động.
Hiện tượng suy hao tín hiệu quy mô nhỏ có thể được phân loại theo độ trễ lan truyền là phẳng hoặc chọn lọc tần số, và theo độ lan truyền Doppler là chậm hoặc nhanh. Đây là các phân loại riêng biệt: một kênh có thể là phẳng và nhanh, phẳng và chậm, chọn lọc tần số và nhanh, hoặc chọn lọc tần số và chậm.
Suy hao tín hiệu quy mô lớn: Suy hao đường truyền và hiện tượng che khuất tín hiệu
Xu hướng suy hao đường truyền
Suy hao đường truyền là sự suy giảm trung bình của công suất thu được theo khoảng cách truyền sóng. Trong không gian tự do không bị cản trở, suy hao này liên quan đến bước sóng và khoảng cách. Môi trường thực tế bao gồm địa hình, nhiễu, ảnh hưởng của khí quyển và sự phụ thuộc vào chiều cao của anten, do đó, các tính toán ngân sách liên kết thực tế thường sử dụng mô hình truyền sóng phù hợp với kịch bản triển khai.
Bóng mờ dần
Hiện tượng che khuất xảy ra khi các vật thể lớn cản trở một phần hoặc toàn bộ đường truyền tín hiệu trực tiếp. Các tòa nhà, đồi núi, máy móc và thân xe có thể tạo ra những thay đổi tương đối chậm về mức tín hiệu thu được khi máy phát, máy thu hoặc môi trường xung quanh thay đổi. Hiện tượng suy hao do che khuất thường được biểu diễn bằng thống kê xung quanh mức suy hao đường truyền trung bình cục bộ.
Suy hao tín hiệu quy mô nhỏ: Hiện tượng đa đường truyền và chuyển động
So sánh hiện tượng suy giảm tín hiệu phẳng và hiện tượng suy giảm tín hiệu chọn lọc theo tần số.
Một kênh có kích thước xấp xỉ...mờ dần phẳngKhi băng thông kết hợp của nó rộng hơn băng thông tín hiệu bị chiếm dụng, kênh truyền sẽ thay đổi biên độ và pha của tín hiệu mà không làm thay đổi đáng kể phổ tín hiệu.
Một kênh trở thànhchọn lọc tần sốKhi băng thông tín hiệu lớn hơn nhiều so với băng thông tương quan, các thành phần phổ khác nhau sẽ có độ lợi và pha khác nhau. Nguyên nhân cơ bản là do sự lan truyền độ trễ đa đường có thể phân giải được, gây ra nhiễu xuyên ký hiệu trong các liên kết kỹ thuật số.
Sự phai màu chậm so với sự phai màu nhanh
Mờ dần chậm rãiĐiều này có nghĩa là kênh truyền tín hiệu thay đổi rất ít trong khoảng thời gian báo hiệu liên quan.Mờ nhanhĐiều này có nghĩa là kênh truyền tín hiệu thay đổi đáng kể trong khoảng thời gian đó. Chuyển động tương đối giữa máy phát, máy thu và các vật tán xạ xung quanh tạo ra hiệu ứng Doppler và rút ngắn thời gian duy trì kênh truyền tín hiệu.
| Phân loại | So sánh chính | Hiệu ứng điển hình |
|---|---|---|
| Mờ dần phẳng | Băng thông tín hiệu nhỏ hơn băng thông tương quan. | Biến thiên biên độ và pha rộng khắp toàn bộ tín hiệu |
| Chọn lọc tần số | Băng thông tín hiệu lớn hơn băng thông tương quan. | Biến dạng quang phổ và khả năng nhiễu xuyên ký hiệu |
| Mờ dần chậm rãi | Thời gian đồng bộ dài hơn so với khoảng thời gian phát tín hiệu. | Biến đổi dần dần ở cấp độ liên kết |
| Mờ nhanh | Thời gian đồng bộ ngắn hơn so với khoảng thời gian truyền tín hiệu. | Biến thiên nhanh và suy giảm liên quan đến Doppler |
Các mô hình suy giảm thống kê phổ biến
- Rayleigh đang dần biến mất:Thường được sử dụng khi không có thành phần tín hiệu trực tiếp nào chiếm ưu thế và tín hiệu nhận được được tạo thành từ nhiều thành phần phân tán.
- Rician phai màu:Bao gồm một thành phần chủ đạo cùng với các thành phần đa đường phân tán. Hệ số K của Rician thể hiện tỷ lệ công suất giữa thành phần chủ đạo và thành phần phân tán.
- Nakagami đang dần biến mất:Một phân phối thực nghiệm linh hoạt có thể biểu diễn nhiều mức độ suy giảm khác nhau thông qua tham số hình dạng của nó.
- Suy giảm theo mô hình Weibull:Một phân phối thống kê có thể điều chỉnh khác được sử dụng cho các môi trường truyền dẫn đo được đã chọn.
Việc lựa chọn mô hình phải dựa trên môi trường thực tế, tần số, tính di động, cấu hình anten và dữ liệu đo lường. Các quy trình làm việc MATLAB hiện đại sử dụng các đối tượng như...comm.RayleighChannelVàcomm.RicianChannelthay vì các chức năng lỗi thời được đề cập trong phiên bản trước của bài viết này.
Hình 3.Phân bố bao tín hiệu thống kê cung cấp các mô hình nhỏ gọn cho hành vi suy giảm tín hiệu đã được đo lường.
Ảnh hưởng của hiện tượng suy giảm tín hiệu đến hiệu suất hệ thống RF
Hiện tượng suy giảm tín hiệu có thể làm giảm công suất thu được, giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu, tăng tỷ lệ lỗi và làm gián đoạn liên kết vô tuyến. Suy giảm tín hiệu chọn lọc theo tần số cũng có thể làm biến dạng các dạng sóng băng rộng, trong khi biến thiên Doppler nhanh có thể làm cho việc ước lượng kênh trở nên khó khăn hơn.
Các phương pháp giảm thiểu rủi ro phổ biến bao gồm:
- Khoảng cách kết nối đầy đủ và điều khiển khuếch đại tự động;
- Sự đa dạng về thời gian, tần số, không gian hoặc phân cực;
- Thiết kế dạng sóng cân bằng và đa sóng mang;
- Mã hóa kênh, xen kẽ và điều chế thích ứng;
- Xử lý MIMO và điều khiển chùm tia;
- Việc bố trí ăng-ten cẩn thận, lựa chọn kiểu bức xạ và kiểm soát phân cực.
Không có kỹ thuật nào loại bỏ được mọi cơ chế suy hao tín hiệu. Phương pháp đúng đắn phụ thuộc vào thống kê kênh, băng thông chiếm dụng, tính di động, yêu cầu vùng phủ sóng và xác suất gián đoạn chấp nhận được.
Hình 4.Dữ liệu đo được sẽ giúp xác định xem phân bố thống kê có phù hợp với một kênh cụ thể hay không.
Lựa chọn ăng-ten cho các bài kiểm tra dò kênh và suy hao tín hiệu
Ăng-ten không tự tạo ra kênh truyền dẫn, nhưng nó ảnh hưởng mạnh mẽ đến các đường truyền và phân cực được truyền hoặc nhận. Độ lợi, độ rộng chùm tia, kiểu bức xạ, độ tinh khiết phân cực, độ ổn định pha và hình dạng lắp đặt đều có thể ảnh hưởng đến hành vi kênh truyền dẫn được đo.
Để đo lường kênh hoặc hiện tượng suy giảm tín hiệu lặp lại, hãy ghi lại:
- Toàn bộ dải tần số và băng thông đo tức thời;
- Độ lợi anten và độ rộng chùm tia theo tần số;
- các yêu cầu phân cực tuyến tính, tuyến tính kép hoặc phân cực tròn;
- Chiều cao, hướng, khoảng cách của ăng-ten và các cấu trúc xung quanh;
- Đầu nối RF, tổn hao cáp và mặt phẳng tham chiếu hiệu chuẩn;
- Chuyển động của máy phát, máy thu và vật tán xạ;
- Độ trễ lan truyền, độ lan truyền Doppler và dải động cần thiết.
Các tùy chọn anten RF MISO
RF MISO thiết kế và cung cấp ăng-ten RF và vi sóng cho công việc trong phòng thí nghiệm, ngoài hiện trường và tích hợp hệ thống. Tùy thuộc vào vùng phủ sóng và hình học đo lường yêu cầu, các kỹ sư có thể xem xét...Ăng-ten kèn băng thông rộngđể đo lường băng thông rộng theo hướng xác định,Ăng-ten logarit tuần hoànđể phủ sóng tần số rộng, hoặcĂng-ten đa hướngđể phục vụ cho các nghiên cứu về phạm vi phủ sóng và sự lan truyền đã được chọn lọc.
Hãy xem lại bảng thông số kỹ thuật của mẫu hiện tại để biết dải tần số, độ lợi, phân cực, VSWR, kích thước đầu nối và kích thước cơ khí. Để lựa chọn phù hợp với ứng dụng cụ thể, hãy chia sẻ dải tần thử nghiệm, băng thông, kiểu phân cực yêu cầu, phân cực, các ràng buộc lắp đặt và môi trường đo lường với nhóm RF MISO.
Hãy thảo luận về yêu cầu đo lường tần số vô tuyến của bạn.
RF MISO có thể giúp xác định các tùy chọn anten cho việc khảo sát kênh truyền, nghiên cứu lan truyền sóng, đánh giá hệ thống không dây và các phép đo RF liên quan.
Tài liệu tham khảo và đọc thêm
Thời gian đăng bài: 14 tháng 8 năm 2023
