หน้านี้อธิบายพื้นฐานและประเภทของการลดทอนสัญญาณในระบบสื่อสารไร้สาย ประเภทของการลดทอนสัญญาณแบ่งออกเป็น การลดทอนสัญญาณขนาดใหญ่และการลดทอนสัญญาณขนาดเล็ก (การแพร่กระจายความล่าช้าแบบหลายเส้นทางและการแพร่กระจายแบบดอปเปลอร์)
การลดทอนสัญญาณแบบราบเรียบและการลดทอนสัญญาณแบบเลือกความถี่เป็นส่วนหนึ่งของการลดทอนสัญญาณแบบหลายเส้นทาง ในขณะที่การลดทอนสัญญาณแบบเร็วและการลดทอนสัญญาณแบบช้าเป็นส่วนหนึ่งของการลดทอนสัญญาณแบบดอปเปลอร์ การลดทอนสัญญาณประเภทเหล่านี้ถูกนำไปใช้ตามการแจกแจงหรือแบบจำลองของ Rayleigh, Rician, Nakagami และ Weibull
การแนะนำ:
อย่างที่เราทราบกันดีว่า ระบบสื่อสารไร้สายประกอบด้วยเครื่องส่งและเครื่องรับ เส้นทางจากเครื่องส่งไปยังเครื่องรับนั้นไม่ราบเรียบ และสัญญาณที่ส่งอาจผ่านการลดทอนหลายประเภท รวมถึงการสูญเสียระหว่างทาง การลดทอนจากหลายเส้นทาง เป็นต้น การลดทอนของสัญญาณระหว่างทางขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ ได้แก่ เวลา ความถี่วิทยุ และเส้นทางหรือตำแหน่งของเครื่องส่ง/เครื่องรับ ช่องสัญญาณระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับอาจเปลี่ยนแปลงตามเวลาหรือคงที่ ขึ้นอยู่กับว่าเครื่องส่ง/เครื่องรับอยู่กับที่หรือเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน
การจางหายคืออะไร?
การเปลี่ยนแปลงของกำลังสัญญาณที่ได้รับตามเวลาเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของตัวกลางหรือเส้นทางการส่งสัญญาณเรียกว่า การเฟด (Fading) การเฟดขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ ดังที่กล่าวมาข้างต้น ในสถานการณ์คงที่ การเฟดขึ้นอยู่กับสภาพบรรยากาศ เช่น ปริมาณน้ำฝน ฟ้าผ่า เป็นต้น ในสถานการณ์เคลื่อนที่ การเฟดขึ้นอยู่กับสิ่งกีดขวางบนเส้นทางซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา สิ่งกีดขวางเหล่านี้สร้างผลกระทบที่ซับซ้อนต่อสัญญาณที่ส่ง
ภาพที่ 1 แสดงแผนภูมิความสัมพันธ์ระหว่างแอมพลิจูดกับระยะทาง สำหรับการลดทอนสัญญาณแบบช้าและแบบเร็ว ซึ่งเราจะกล่าวถึงในภายหลัง
ประเภทการซีดจาง
เมื่อพิจารณาถึงความบกพร่องต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับช่องสัญญาณและตำแหน่งของเครื่องส่ง/เครื่องรับ ประเภทของการลดทอนสัญญาณในระบบสื่อสารไร้สายมีดังต่อไปนี้
➤การลดทอนสัญญาณในวงกว้าง: รวมถึงเอฟเฟ็กต์การสูญเสียเส้นทางและการเกิดเงา
➤การลดทอนสัญญาณในระดับเล็ก: แบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ การแพร่กระจายสัญญาณเนื่องจากความล่าช้าหลายเส้นทาง และการแพร่กระจายสัญญาณแบบดอปเปลอร์ การแพร่กระจายสัญญาณเนื่องจากความล่าช้าหลายเส้นทางยังแบ่งย่อยออกเป็น การลดทอนสัญญาณแบบราบเรียบ และการลดทอนสัญญาณแบบเลือกความถี่ ส่วนการแพร่กระจายสัญญาณแบบดอปเปลอร์แบ่งออกเป็น การลดทอนสัญญาณแบบเร็ว และการลดทอนสัญญาณแบบช้า
➤แบบจำลองการลดทอนสัญญาณ: แบบจำลองการลดทอนสัญญาณข้างต้นถูกนำไปใช้ในแบบจำลองหรือการแจกแจงต่างๆ ซึ่งรวมถึง Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull เป็นต้น
อย่างที่เราทราบกันดี สัญญาณอ่อนลงเกิดจากการสะท้อนจากพื้นดินและอาคารโดยรอบ รวมถึงสัญญาณกระจัดกระจายจากต้นไม้ ผู้คน และเสาส่งสัญญาณที่อยู่ในพื้นที่กว้าง การลดทอนสัญญาณมีสองประเภท ได้แก่ การลดทอนสัญญาณในวงกว้างและการลดทอนสัญญาณในวงแคบ
1.) การซีดจางในวงกว้าง
การลดทอนสัญญาณในวงกว้างเกิดขึ้นเมื่อมีสิ่งกีดขวางอยู่ระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ สัญญาณรบกวนประเภทนี้ทำให้ความแรงของสัญญาณลดลงอย่างมาก เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกบดบังหรือถูกปิดกั้นโดยสิ่งกีดขวาง ซึ่งเกี่ยวข้องกับความผันผวนของสัญญาณในระยะทางไกล
1.ก) การสูญเสียสัญญาณระหว่างทาง
การสูญเสียสัญญาณในพื้นที่ว่างสามารถแสดงได้ดังนี้
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)2/ λ2} = (4*π*f*d)2/c2
ที่ไหน,
Pt = กำลังส่ง
Pr = รับพลังงาน
λ = ความยาวคลื่น
d = ระยะห่างระหว่างเสาอากาศส่งและเสาอากาศรับ
c = ความเร็วแสง เช่น 3 x 108
จากสมการแสดงให้เห็นว่าสัญญาณที่ส่งจะลดทอนลงตามระยะทาง เนื่องจากสัญญาณถูกกระจายออกไปในพื้นที่ที่กว้างขึ้นเรื่อยๆ จากฝั่งผู้ส่งไปยังฝั่งผู้รับ
1.ข) ผลกระทบจากเงา
• ปรากฏการณ์นี้พบได้ในระบบสื่อสารไร้สาย การเกิดเงาคือค่ากำลังรับสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เบี่ยงเบนจากค่าเฉลี่ย
• เป็นผลมาจากสิ่งกีดขวางบนเส้นทางระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ
• ขึ้นอยู่กับตำแหน่งทางภูมิศาสตร์และคลื่นความถี่วิทยุของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย
2. การซีดจางในวงแคบ
การลดทอนสัญญาณในระยะสั้น หมายถึงความผันผวนอย่างรวดเร็วของความแรงสัญญาณที่ได้รับในระยะทางสั้นมากและช่วงเวลาสั้น ๆ
อ้างอิงจากการแพร่กระจายความล่าช้าแบบหลายเส้นทางการลดทอนสัญญาณในระดับเล็กมีสองประเภท ได้แก่ การลดทอนแบบราบเรียบ (flat fading) และการลดทอนแบบเลือกความถี่ (frequency selective fading) การลดทอนแบบหลายเส้นทางเหล่านี้ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมการแพร่กระจายสัญญาณ
2.ก) การเฟดแบบเรียบ
กล่าวได้ว่าช่องสัญญาณไร้สายมีการลดทอนแบบราบเรียบ (flat fading) หากมีอัตราขยายคงที่และการตอบสนองเฟสเชิงเส้นในช่วงแบนด์วิดท์ที่มากกว่าแบนด์วิดท์ของสัญญาณที่ส่ง
ในการลดทอนสัญญาณประเภทนี้ ส่วนประกอบความถี่ทั้งหมดของสัญญาณที่ได้รับจะผันผวนในสัดส่วนเดียวกันพร้อมกัน เรียกอีกอย่างว่าการลดทอนสัญญาณแบบไม่เลือกความถี่
• แบนด์วิดท์สัญญาณ << แบนด์วิดท์ช่องสัญญาณ
• ระยะเวลาสัญลักษณ์ >> ส่วนต่างความล่าช้า
ผลของการลดทอนสัญญาณแบบราบเรียบจะเห็นได้จากการลดลงของอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ช่องสัญญาณที่มีการลดทอนสัญญาณแบบราบเรียบเหล่านี้เรียกว่าช่องสัญญาณที่มีแอมพลิจูดแปรผัน หรือช่องสัญญาณแถบความถี่แคบ
2.b) การลดทอนสัญญาณแบบเลือกความถี่
ปรากฏการณ์นี้ส่งผลกระทบต่อส่วนประกอบสเปกตรัมต่างๆ ของสัญญาณวิทยุที่มีแอมพลิจูดต่างกัน จึงเป็นที่มาของชื่อ "การลดทอนแบบเลือกสรร" (selective fading)
• แบนด์วิดท์สัญญาณ > แบนด์วิดท์ช่องสัญญาณ
• ระยะเวลาสัญลักษณ์ < การกระจายความล่าช้า
อ้างอิงจากการแพร่กระจายแบบดอปเปลอร์การลดทอนสัญญาณมีสองประเภท ได้แก่ การลดทอนสัญญาณอย่างรวดเร็วและการลดทอนสัญญาณอย่างช้าๆ การลดทอนสัญญาณแบบดอปเปลอร์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับความเร็วของอุปกรณ์เคลื่อนที่ กล่าวคือ ความเร็วของเครื่องรับเมื่อเทียบกับเครื่องส่ง
2.ค) สีซีดจางเร็ว
ปรากฏการณ์การลดทอนสัญญาณอย่างรวดเร็ว (Fast Fading) คือการผันผวนของสัญญาณอย่างรวดเร็วในพื้นที่ขนาดเล็ก (เช่น แบนด์วิดท์) เมื่อสัญญาณมาถึงจากทุกทิศทางในระนาบ จะสังเกตเห็นการลดทอนสัญญาณอย่างรวดเร็วในทุกทิศทางการเคลื่อนที่
การเฟดอย่างรวดเร็วเกิดขึ้นเมื่อการตอบสนองของสัญญาณพัลส์ในช่องสัญญาณเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วมากภายในระยะเวลาของสัญลักษณ์
• การกระจายตัวของคลื่นดอปเปลอร์สูง
• ระยะเวลาของสัญลักษณ์ > เวลาความสอดคล้อง
• การเปลี่ยนแปลงของสัญญาณ < การเปลี่ยนแปลงของช่องสัญญาณ
พารามิเตอร์เหล่านี้ส่งผลให้เกิดการกระจายความถี่หรือการลดทอนสัญญาณแบบเลือกเวลาเนื่องจากการแพร่กระจายแบบดอปเปลอร์ การลดทอนสัญญาณอย่างรวดเร็วเป็นผลมาจากการสะท้อนของวัตถุในบริเวณใกล้เคียงและการเคลื่อนที่ของวัตถุเมื่อเทียบกับวัตถุเหล่านั้น
ในการลดทอนสัญญาณอย่างรวดเร็ว สัญญาณที่ได้รับจะเป็นผลรวมของสัญญาณจำนวนมากที่สะท้อนจากพื้นผิวต่างๆ สัญญาณนี้อาจเป็นผลรวมหรือผลต่างของสัญญาณหลายๆ สัญญาณ ซึ่งอาจเสริมกันหรือหักล้างกันได้ ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงเฟสสัมพัทธ์ระหว่างสัญญาณเหล่านั้น ความสัมพันธ์ของเฟสขึ้นอยู่กับความเร็วในการเคลื่อนที่ ความถี่ในการส่ง และความยาวของเส้นทางสัมพัทธ์
การลดทอนสัญญาณอย่างรวดเร็วทำให้รูปร่างของพัลส์เบสแบนด์บิดเบี้ยว การบิดเบี้ยวนี้เป็นแบบเชิงเส้นและก่อให้เกิดไอเอสไอ(การรบกวนระหว่างสัญลักษณ์) การปรับสมดุลแบบปรับได้ช่วยลด ISI โดยการกำจัดความผิดเพี้ยนเชิงเส้นที่เกิดจากช่องสัญญาณ
2.d) ค่อยๆจางลง
การจางหายไปอย่างช้าๆ เป็นผลมาจากการที่อาคาร เนินเขา ภูเขา และวัตถุอื่นๆ บดบังเส้นทาง
• การกระจายตัวของดอปเปลอร์ต่ำ
• สัญลักษณ์จุด <
• การเปลี่ยนแปลงสัญญาณ >> การเปลี่ยนแปลงช่องสัญญาณ
การนำแบบจำลองการลดทอนสัญญาณหรือการกระจายการลดทอนสัญญาณไปใช้
การนำแบบจำลองการลดทอนสัญญาณหรือการกระจายการลดทอนสัญญาณไปใช้ ได้แก่ การลดทอนสัญญาณแบบ Rayleigh, การลดทอนสัญญาณแบบ Rician, การลดทอนสัญญาณแบบ Nakagami และการลดทอนสัญญาณแบบ Weibull การกระจายช่องสัญญาณหรือแบบจำลองเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อรวมการลดทอนสัญญาณในสัญญาณข้อมูลเบสแบนด์ตามข้อกำหนดของโปรไฟล์การลดทอนสัญญาณ
เรย์ลีจางลง
• ในแบบจำลอง Rayleigh จะจำลองเฉพาะส่วนประกอบที่ไม่เห็นเส้นตรง (Non Line of Sight: NLOS) ระหว่างตัวส่งและตัวรับเท่านั้น โดยถือว่าไม่มีเส้นทางเห็นเส้นตรง (Line of Sight: LOS) ระหว่างตัวส่งและตัวรับ
• MATLAB มีฟังก์ชัน "rayleighchan" สำหรับจำลองแบบจำลองช่องเรย์ลี (Rayleigh channel model)
• กำลังไฟฟ้ามีการกระจายแบบเลขชี้กำลัง
• เฟสมีการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอและไม่ขึ้นอยู่กับแอมพลิจูด เป็นรูปแบบการลดทอนสัญญาณที่พบได้บ่อยที่สุดในการสื่อสารไร้สาย
การจางหายไปของริเชียน
• ในแบบจำลองของริเชียน ทั้งส่วนประกอบที่มองเห็นได้โดยตรง (Line of Sight: LOS) และส่วนประกอบที่มองไม่เห็นโดยตรง (Non Line of Sight: NLOS) จะถูกจำลองขึ้นระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ
• MATLAB มีฟังก์ชัน "ricianchan" สำหรับจำลองแบบจำลองช่องสัญญาณริเซียน
นากากามิจางหายไป
ช่องสัญญาณเฟดดิ้งแบบนากากามิเป็นแบบจำลองทางสถิติที่ใช้อธิบายช่องทางการสื่อสารไร้สายซึ่งสัญญาณที่ได้รับจะเกิดการเฟดดิ้งเนื่องจากหลายเส้นทาง แบบจำลองนี้แสดงถึงสภาพแวดล้อมที่มีการเฟดดิ้งระดับปานกลางถึงรุนแรง เช่น ในเขตเมืองหรือชานเมือง สามารถใช้สมการต่อไปนี้ในการจำลองแบบจำลองช่องสัญญาณเฟดดิ้งแบบนากากามิได้
• ในกรณีนี้ เรากำหนดให้ h = r*ejΦและมุม Φ มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอในช่วง [-π, π]
• ตัวแปร r และ Φ ถือว่าไม่ขึ้นต่อกัน
• ไฟล์ PDF ของ Nakagami แสดงไว้ดังที่แสดงด้านบน
• ในไฟล์ PDF ของ Nakagami ระบุว่า 2σ2= E{r2}, Γ(.) คือฟังก์ชันแกมมา และ k >= (1/2) คือค่าเฟดดิ้ง (องศาอิสระที่เกี่ยวข้องกับจำนวนตัวแปรสุ่มเกาส์เซียนที่เพิ่มเข้ามา)
• เดิมทีวิธีการนี้ได้รับการพัฒนาขึ้นโดยอาศัยการวัดผลเชิงประจักษ์
• กำลังรับสัญญาณทันทีมีการกระจายแบบแกมมา • เมื่อ k = 1 เรย์ลี = นากากามิ
ไวบูลกำลังจางหายไป
ช่องสัญญาณนี้เป็นแบบจำลองทางสถิติอีกแบบหนึ่งที่ใช้ในการอธิบายช่องทางการสื่อสารไร้สาย ช่องสัญญาณเฟดดิ้งแบบไวบูล (Weibull fading channel) มักใช้เพื่อแสดงสภาพแวดล้อมที่มีสภาวะเฟดดิ้งหลายประเภท รวมถึงเฟดดิ้งอ่อนและเฟดดิ้งรุนแรง
ที่ไหน,
2σ2= E{r2}
• การแจกแจงแบบไวบูล (Weibull distribution) เป็นการขยายความอีกรูปแบบหนึ่งของการแจกแจงแบบเรย์ลี (Rayleigh distribution)
• เมื่อ X และ Y เป็นตัวแปรสุ่มแบบเกาส์เซียนที่มีค่าเฉลี่ยเป็นศูนย์และเป็นอิสระต่อกัน ขอบเขตของ R = (X2+ Y2)1/2มีการกระจายแบบเรย์ลี • อย่างไรก็ตาม ซองจดหมายถูกกำหนดเป็น R = (X2+ Y2)1/2และฟังก์ชันความหนาแน่นความน่าจะเป็น (pdf) ที่เกี่ยวข้อง (โปรไฟล์การกระจายกำลัง) มีการกระจายแบบไวบูล (Weibull)
• สมการต่อไปนี้สามารถใช้จำลองแบบจำลองการลดลงของสัญญาณแบบ Weibull ได้
ในหน้านี้ เราได้กล่าวถึงหัวข้อต่างๆ เกี่ยวกับการลดทอนสัญญาณ เช่น ช่องสัญญาณลดทอนคืออะไร ประเภทของช่องสัญญาณลดทอน รูปแบบการลดทอน การใช้งาน หน้าที่ และอื่นๆ คุณสามารถใช้ข้อมูลในหน้านี้เพื่อเปรียบเทียบและหาความแตกต่างระหว่างการลดทอนสัญญาณขนาดเล็กและขนาดใหญ่ ความแตกต่างระหว่างการลดทอนแบบราบเรียบและการลดทอนแบบเลือกความถี่ ความแตกต่างระหว่างการลดทอนแบบเร็วและการลดทอนแบบช้า ความแตกต่างระหว่างการลดทอนแบบเรย์ลีและการลดทอนแบบริเชียน และอื่นๆ
E-mail:info@rf-miso.com
เบอร์โทรศัพท์: 0086-028-82695327
เว็บไซต์: www.rf-miso.com
วันที่โพสต์: 14 สิงหาคม 2566
