›
›

Bài giảng Kỹ thuật truyền dẫn số - Đỗ Cụng Hựng

ppt 112 trang ngocly 1320
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật truyền dẫn số - Đỗ Cụng Hựng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_ky_thuat_truyen_dan_so_do_cung_hung.ppt

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật truyền dẫn số - Đỗ Cụng Hựng

  1. ĐẠIĐẠI HỌCHỌC THÀNHTHÀNH ĐÔĐÔ BÀI GIẢNG KỸKỸ THUẬTTHUẬT TRUYỀNTRUYỀN DẪNDẪN SỐSỐ TS:TS: ĐỖĐỖ CỤNGCỤNG HỰNGHỰNG lan 3-Tháng 6 - 2013 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 1
  2. Mục tiêu chương trình - Nắm chắc các nội dung của Kỹ thuật truyền dẫn số - Làm cơ sở nghiên cứu ứng dụng trong các môn học chuyên ngành như TT Di động, TT vệ tinh, TT quang . Nội dung • Các khái niệm cơ bản và nguyên lý làm việc của HT TT số (5 Tiết) • Kênh thông tin và pha đinh đa đường (5 Tiết) • Lý thuyết Điều chế đa mức (5 Tiết) • Kỹ thuật OFDM (5 Tiết) • Nguyên lý thích nghi và OF DM thích nghi (10 Tiết) • Lý thuyết cơ bản về Mã hoá (Mã xoắn, mã Turbo và BICM-ID) (15 Tiết) • Nguyên lý trải phô (5 Tiết) 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 2
  3. Tài liệu học tập Giáo trình 1. Đỗ Công Hùng, (2011) , Bài giảng Kỹ thuật truyền dẫn số, Đại Học Thành Đô, Tài liệu tham khảo Tiếng Việt 1. Nguyễn Quốc Bình, (2000), Kỹ thuật truyền dẫn số, Học viện Kỹ thuật Quân sự. 2. Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình, Đỗ Công Hùng, (2006) “Tối đa hóa dung lượnglượng thôngthông tintin chocho hệhệ thốngthống OFDMOFDM bằngbằng cáccác giảigiải pháppháp thíchthích nghinghi”, Tạp chí Bưu chính Viễn thông và Công nghệ thông tin, Bộ Bưu chính Viễn thông, kỳ 1. 3. Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình, (2006), “Giải pháp thích nghi cho hệ thống OFDM bằng BICM-ID với các bộ ánh xạ tín hiệu khác nhau”, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện KTQS, số 116. 4. Nguyễn Tùng Hưng, Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Phạm Văn Bính, (2003), “Tính toán chất lượng của mã chập nhị phân có loại bỏ xen kẽ”, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện KTQS, số 103. 5. Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình, (2006), “Nâng cao Chất lượnglượng HệHệ thốngthống OFDMOFDM bằngbằng BICM-IDBICM-ID”, Chuyên san Các công trình nghiên cứu- Triển khai Viễn thông và Công nghệ thông tin, Bộ Bưu chính Viễn thông. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 3
  4. Tiếng Anh 1. Amoroso. F., (1987), “Instantaneous Frequency Effects in a Doppler Scattering Environment,” IEEE International Conference on Communications, pp. 1458-66. 2. Benedetto. S. and Biglieri E., (1999), Principles of Digital Transmission With Wireless Applications, New York: Kluwer Academic. 3. Sklar. B., (2001), Digital Communications: Fundamentals and Applications, Second Edition, Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall . 4. Greenwood. D. and Hanzo, L., (1994), Characterization of Mobile Radio Channels, Mobile Radio Communications, edited by R. Steele , London: Pentech Press. 5. Hanzo. L., Webb W., and Keller. T.,(2000), Single-and Multi-Carrier Quadrate Amplitude Modulation, New York: IEEE Press/Wiley. 6. Hara.S., Prasad R., (2003), Multi-carrier Techniques for 4G Mobile Communications, Artech House, Boston, London. 7. Hata. M., (1980) “Empirical Formulae for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services,” IEEE Trans. on Vehicular Technology, vol. VT-29, no. 3, pp. 317-25. 8. Do Cong Hung, Tran Xuan Nam, Dinh The Cuong, (2006), “Adaptive Mapping for BICM-ID OFDM Systems”, Biennial Vietnam conference on Radio and Electronics (REV 2006). 9. Sklar. B., (2001), Digital Communications: Fundamentals and Applications, Second Edition, Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall . 10. Hagenauer. J.,(1997), “The turbo principle: Tutorial introduction and state of the art,” in Proc. Int. Symp. Turbo Codes and Related Topics, pp. 1–11. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 4
  5. Chương 1 Các khái niệm cơ bản và nguyên lý làm việc của HTTT số ( 5 tiết) 1.1.Các khái niệm cơ bản - HTTT: Hệ thống các kỹ thuật và thiết bị dùng để truyền tin tức từ nguồn tin (nơi sinh ra tin tức) đến bộ nhận tin (đích). - Bản tin: Dạng hình thức chứa đựng một lượng thông tin - Tín hiệu: Biểu diễn vật lý của một bản tin. - HTTT tương tự hay HTTT số ứng với Tín hiệu tương tự hay Tín hiệu số. - Tín hiệu tương tự: Đại lượng vật lý được sử dụng làm tín hiệu có quy luật biến thiên tương tự với bản tin được sinh ra từ nguồn tin. Tín hiệu tương tự có thể là liên tục (VD tín hiệu thoại ở lối ra Micro) hoặc tín hiệu rời rạc (Tính hiệu điều biên xung PCM- Pulse Amplitude Modulation). 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 5
  6. - Tín hiệu số: biểu diễn các con số tương ứng với bản tin và có các đặc trưng: - Chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị (M=2: HTTT số nhị phân, M>2: HTTT số đa mức). - Có thời gian tồn tại xác định: Ts (Time interval symbol). - Ưu điểm của HTTT Số: - Tiết kiệm năng lượng - Có khả năng tái sinh tín hiệu nếu vượt qua ngưỡng -> có khả năng loại trừ tạp âm tích lũy sau từng cự ly nhất định. ( Tín hiệu số khỏe hơn tín hiệu tương tự). - Có khả năng Điều khiển, xử lý, khai thác, quản trị và bảo trì (OA&M). - Nhược điểm: Phổ rộng hơn HTTT tương tự. - 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 6
  7. 1.2. Sơ đồ khối của HTTT số Đa Tạo dạng Mã nguồn Mã mật Mã kênh Ghép kênh Điều chế Trải phổ Phát truy nhập Nguồn Nguồn tin khác Đồng bộ Kênh TT Giải Giải Giải Giải Giải Giải Đa Tạo dạng Phân kênh Thu mã nguồn mã mật mã kênh điều chế trải phổ truy nhập Đích Đích Nhận tin Khác 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 7
  8. 1. Khối tạo dạng: Tạo dạng tín hiệu, biến đổi tin tức cần truyền thể hiện ở dạng tín hiệu liên tục hay số có dạng chuỗi bit nhị phân 2. Mã hóa-giải mã nguồn: Nén và giải nén tin nhằm giảm tốc độ bít, giảm phổ chiếm của tín hiệu số 3. Mã hóa-giải mã mật: Mã hóa-giải mã chuỗi bít theo 1 khóa nhằm bảo mật tin tức 4. Mã hóa-giải mã kênh: sửa lỗi hướng đi FEC,chống nhiễu và các tác động xấu khác của kênh truyền 5. Ghép-Phân kênh: Thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khác nhau tới các đích khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn 6. Điều chế-Giải điều chế số (MODEM): Biến đổi chuỗi tín hiệu số thành các tín hiệu liên tục phù hợp (điều chế băng gốc) và điều chế RF ( Trộn tần, lọc, Khuếch đại và phát xạ vào môi trường). 7. Trải- Giải trải phổ: Chống nhiễu cố ý và bảo mật tin tức 8. Đa truy nhập: Cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập mạng thông tin để sử dụng hệ thống truyền dẫn theo yêu cầu 9. Đồng bộ: Đồng bộ nhịp và đồng bộ pha sóng mang đối với HT thông tin liên kết 10. Lọc: Tại máy thu phát đầu cuối, bao gồm lọc cố định nhằm hạn chế phổ tần, 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 8 chống tạp nhiễu và lọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gây bởi đường truyền.
  9. - Tín hiệu từ đầu ra bộ tạo dạng tới đầu ra bộ ghép kênh có dạng chuỗi bít - Tín hiệu từ đầu ra bộ điều chế tới đầu ra máy phát có dạng chuỗi dạng sóng - Các thuật toán từ bộ tạo dạng tới điều chế số: Thuật toán xử lý băng gốc (Baseband) - Các thuật toán đa truy nhập, trải phổ và trộn tần, thu phát: Thuật toán xử lý tín hiệu cao tần băng dải ( Bandpass) 1.3. HTTT số và các tham số đánh giá chất lượng - HTTT số: Tập hợp các thiết bị và giải pháp kỹ thuật được thực hiện để truyền dẫn tín hiệu từ khối tạo dạng tín hiệu từ đầu phát tới khối tái tạo tín hiệu tại đầu thu. v Yêu cầu HTTT số: Độ chính xác và tốc độ truyền tin (mâu thuẫn nhau) - Tham số đánh giá độ chính xác truyền tin : BER, SER - Tham số đánh giá tốc độ truyền tin: Dung lượng tổng cộng (tốc độ truyền tin) của HT với một độ chính xác yêu cầu. - B (tốc độ truyền thông tin-bps) , L: Độ lặp cần thiết - Hiện tại B.L có giá trị từ vài trăm Mb/s-Km với các HT chuyển tiếp số hay cáp đồng trục, tới hàng ngàn Gb/s-Km với các hệ thống cáp quang 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 9
  10. v Phân loại: - Trong HT truyền dẫn số: Các tín hiệu số nhận giá trị trọng một tập hợp hữu hạn và trong một thời gian tồn tại hữu hạn - Khi tập giá trị bao gồm giá trị 0 và 1: HT nhị phân, tín hiệu được gọi là bít - Khi tập giá trị lớn hơn 2 ( giả sử M giá trị): Hệ thống M mức, tín hiệu gọi là Symbol. - Gọi giá trị của Simbol thứ k là Dk và thời gian tồn tại của nó là Tk. - Tại đầu thu tín hiệu được khôi phục là D’k và có độ rộng T’k. - Nếu D’k khác Dk: Symbol bị lỗi - Nếu T’k khác T’k: T’k=Tk+δTk thì / δ/ được gọi là Jitter ( yêu cầu ≤ 5 %),các tín hiệu truyền hình yêu cầu jitter ≤ 500 µs, nhạy cảm với jitter do mất đồng bộ khung hình. - HT nhị phân: đặc trưng bởi Tỉ lệ lỗi bít BER hay xác suất lỗi bít ( yêu cầu thấp nhất ≤ 10-4, - đối với dịch vụ điện báo truyền chữ) - Hệ thống đa mức: Đặc trưng bởi Tỷ lệ lỗi Symbol SER. - Độ giữ chậm tuyệt đối ( Độ trễ tín hiệu): yêu cầu ≤ 400ms 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 10
  11. Chương 2 Kênh thông tin và Pha đinh đa đường Bài 1: Kênh thông tin 2.1. Đặt vấn đề - Các cơ chế gây ra pha-đinh trong truyền dẫn vô tuyến điện được nghiên cứu từ những năm 1950, Lý thuyết và các mô hình về kênh pha-đinh không ngừng được phát triển và hoàn thiện. - Kiến thức cơ sở về kênh thông tin là tối cần thiết cho mọi quá trình nghiên cứu và thiết kế các hệ thống thông tin vô tuyến. - Các nội dung phân tích sau này luôn gắn kết chặt chẽ với các tính chất của kênh pha-đinh. Do đó, trước khi phân tích về các kỹ thuật truyền dẫn, mục này trình bày các kiến thức cơ bản về kênh thông tin và hiện tượng pha-đinh đa đường trên băng tần UHF, ảnh hưởng trực tiếp tới các hệ thống thông tin vô tuyến trong mạng tế bào và mạng LAN. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 11
  12. 2.2. Các khái niệm cơ bản về Kênh thông tin - Kênh thông tin là thuật ngữ chỉ môi trường truyền sóng từ máy phát tới máy thu. Khi nghiên cứu thiết kế các hệ thống thông tin, trước tiên người ta thường khảo sát chất lượng của hệ thống trên kênh tạp âm Gauss trắng cộng tính (AWGN). - Đây là kênh bao gồm các mẫu tạp âm có phân bố độc lập thống kê làm sai lạc các dữ liệu không kể đến ISI. Tạp âm này được coi là có phổ rộng vô hạn với mật độ phổ công suất bằng phẳng trên mọi dải tần . - Môi trường truyền sóng vô tuyến được coi là môi trường tự do, đồng đều và không hấp thụ. Khoảng cách từ đường truyền dẫn tới mặt đất được xem là xa vô cùng và sự phản xạ từ mặt đất coi như không đáng kể. - Trong mẫu không gian tự do lý tưởng đó, công suất tín hiệu nhận được có thể ước lượng trước và hệ số suy giảm công suất phát được xác định theo công thức: - d là khoảng cách từ máy phát tới máy thu, là bước sóng tín hiệu 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 12
  13. - Kênh đa đường: Trong thực tế, việc truyền dẫn tín hiệu hầu hết diễn ra trong tầng khí quyển và gần với mặt đất. Mẫu giả thiết truyền dẫn trong không gian tự do trên là không thoả đáng để mô tả đặc tính của kênh cũng như để đánh giá chất lượng của hệ thống. -Tín hiệu được truyền từ máy phát tới máy thu theo nhiều đường khác nhau (gọi là truyền dẫn đa đường) gây ra hiện tượng thăng giáng ngẫu nhiên về biên độ, pha và góc tới của tín hiệu thu, được gọi là pha-đinh đa đường. - Ảnh hưởng của pha-đinh đa đường tới chất lượng tín hiệu truyền lớn hơn rất nhiều so với ảnh hưởng của AWGN. -Ba cơ chế gây ra truyền dẫn đa đường là phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ, được mô tả tại hình1.1: 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 13
  14. - Hiện tượng phản xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng nhẵn có kích cỡ rất lớn so với bước sóng. - Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che khuất bởi các vật chắn có kích cỡ lớn hơn so với bước sóng, gây ra các tia thứ cấp phía sau vật chắn. -Hiện tượng tán xạ xảy ra khi sóng vô tuyến va chạm vào một bề mặt gồ ghề hay các vật thể có kích cỡ tương đương hoặc nhỏ hơn kích cỡ bước sóng làm đường truyền tín hiệu bị phân tán ra nhiều phía. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 14
  15. - Hiệu ứng Doopler (Xem thêm Trang 185- KT truyền dẫn) - Là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tín hiệu đã phát đi, gây bởi chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát. - Tại máy thu, tần số tín hiệu nhận đuợc theo tia sóng thứ I là: - f= fc+fd.cos фi. Với: - fc: tần số sóng mang - Фi: góc tới của tia sóng thứ i so với hướng chuyển động của máy thu. - fd: Độ dịch tần Doppler: fd= v.fc/c (c: vận tốc ánh sáng) v Như vậy: - Chỉ trong trường hợp máy thu đứng yên hoặc chuyển động vuông góc so với máy phát thì tần số của tín hiệu thu mới không đổi so với tần số phát. - Khi máy thu chuyển động dọc theo huớng truyền sóng cos=1 thì hiệu ứng Doppler xảy ra mạnh nhất (máy thu đặt trên xe chuyển động trên xa lộ, an ten phát được bố trí dọc theo sa lộ). 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 15
  16. 2.3. Phân loại cơ chế pha-đinh 2.3.1. Pha-đinh trên phạm vi rộng Đặc trưng cho sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu do sự thay đổi vị trí trên khoảng cách lớn, bị ảnh hưởng của địa hình và các vật chắn che khuất giữa máy phát và máy thu. Các số liệu thống kê về pha-đinh trên phạm vi rộng được cộng vào lượng suy hao đường truyền và thường được đánh giá bởi các giá trị trung bình của tín hiệu thu qua các khoảng cách 10-30 lần chiều dài bước sóng . 2.3.2. Pha-đinh trên phạm vi hẹp Đặc trưng cho các biến đổi nhanh về biên độ và pha của tín hiệu, được khảo sát trên các thay đổi nhỏ theo vị trí không gian giữa máy phát và máy thu (cỡ 1/2 bước sóng ). 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 16
  17. Mối quan hệ giữa (t) với pha-đinh trên phạm vi rộng m (t) và pha-đinh trên phạm vi hẹp r0 (t) . (a) biểu diễn công suất của tín hiệu nhận được đối với sự thay đổi vị trí của anten theo số nguyên lần bước sóng, là một hàm của (t). Pha-đinh chuẩn log là một hàm biến đổi tương đối chậm, trong khi r0 (t) là một hàm biến đổi nhanh theo thời gian. (a) pha-đinh trên phạm vi hẹp được cộng vào pha-đinh trên phạm vi rộng (b) pha-đinh trên phạm vi rộng được bỏ qua để thấy rõ tác động của pha-đinh trên phạm vi hẹp r0 (t) lên tín hiệu. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 17
  18. Khi ước lượng tổn hao đường truyền để dự trữ năng lượng tín hiệu, cần quan tâm tới các thành phần: • Tổn hao đường truyền trung bình, là một hàm theo khoảng cách. • Dự trữ pha-đinh trên phạm vi rộng. • Dự trữ pha-đinh trên phạm vi hẹp. - Khi tín hiệu thu được tạo thành bởi thành phần tín hiệu trội (điển hình là tia truyền thẳng LOS) cộng với vô số các tín hiệu phản xạ, biên độ đường bao được mô tả bằng hàm mật độ xác suất Rice Khi đó pha-đinh được gọi là pha-đinh Rice Phân bố Rice thường được đặc trưng bởi tham số k, là tỉ số giữa công suất tia trội đối với công suất tín hiệu đa đường và được xác định bởi : k=A2/(22) - 2 : công suất trung bình trước tách sóng của tín hiệu đa đường. - A: biên độ đỉnh của thành phần tín hiệu không bị pha-đinh 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 18
  19. -Khi biên độ của tia trội tiến đến 0, hàm mật độ xác suất Rice tiệm cận tới hàm mật độ Rayleigh: -Với một đường truyền đơn, hàm mật độ xác suất Rayleigh biểu diễn hàm mật độ xác suất của công suất tín hiệu nhận được trong trường hợp pha-đinh xấu nhất. 2.4. Các loại Small Fading 2.4.1. Phân loại pha-đinh do cơ chế trải trễ (phân theo thời gian trễ của tín hiệu) -Căn cứ vào tương quan giữa thời gian trễ cực đại Tm và thời gian symbol Ts. -Nếu Tm Ts: Kênh được gọi là pha-đinh chọn lọc theo tần số, khi các thành phần đa đường nhận được của một symbol nằm ngoài khoảng thời gian của symbol đó. Kênh như vậy còn được gọi là kênh gây ISI. - 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 19
  20. -Băng thông tương quan f0: là giới hạn thống kê của dải tần số mà kênh cho qua toàn bộ các thành phần phổ với độ suy giảm và xoay pha xấp xỉ như nhau. Xấp xỉ f0 1/ Tm. - Trong đó, tốc độ symbol 1/Ts thông thường được lấy bằng tốc độ truyền hay băng thông của tín hiệu W. Trong thực tế W có thể khác 1/Ts do hệ thống lọc hoặc dạng điều chế dữ liệu (QPSK, MPSK, trải phổ ) -Khi : W f0 Kênh được coi là pha-đinh chọn lọc theo tần số - Méo do pha-đinh chọn lọc theo tần số xảy ra khi các thành phần phổ của tín hiệu bị tác động khác nhau bởi kênh truyền. Các thành phần phổ tín hiệu bị nằm ngoài băng thông tương quan f0 sẽ bị tác động khác so với các thành phần nằm trong f0. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 20
  21. 2.4.2. Phân loại pha-đinh do trải Doppler (theo biến đổi của kênh do chuyển động) -Sự phân tán trên đặc trưng cho đặc tính trải theo thời gian của tín hiệu trong một vùng cục bộ. Tuy nhiên chúng không thể hiện tính chất thay đổi theo thời gian của kênh do chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát, hoặc do chuyển động của các vật thể trong kênh, gây ra các biến đổi về biên độ và pha tín hiệu tại máy thu. - Gọi thời gian tương quan T0 là khoảng thời gian giới hạn mà trong đó đáp ứng xung không biến đổi như mong muốn. - Ts là khoảng thời gian phát của symbol - T0> Ts: kênh được gọi là pha-đinh chậm. Tình trạng của kênh hầu như không đổi trong quá trình symbol được phát đi. Việc truyền các symbol không bị méo xung mà chỉ bị tổn hao về SNR, tương tự như pha-đinh phẳng. -Nếu T0< Ts : pha-đinh nhanh. Khi đó đặc trưng pha-đinh của kênh có thể thay đổi nhiều lần trong khoảng thời gian phát symbol, dẫn đến méo dạng xung băng gốc gây ra BER không thể giảm nhỏ được bằng cách tăng SNR. - Các xung bị méo gây ra những khó khăn cho đồng bộ (như gây sai lỗi cho vòng khoá pha của máy thu) và thiết kế những bộ lọc phối hợp. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 21
  22. - Đặc tính biến đổi theo thời gian của kênh cũng có thể được mô tả trên miền tần số (còn gọi là miền dịch tần Doppler). - Khi máy di động chuyển động cùng hoặc ngược chiều nhau, độ dịch tần: Fd =V/ - V là vận tốc tương đối của phương tiện,  là chiều dài của bước sóng (= c/fc). Fd có giá trị dương nếu máy thu và máy phát chuyển động ngược nhau, có giá trị âm nếu chúng chuyển động ra xa nhau. Với các chuyển động vuông góc, độ dịch tần bằng 0.- - Trải Doppler fd và thời gian tương quan của kênh T0 tỉ lệ nghịch với nhau, có thể lấy xấp xỉ: T0 1/ fd - Kênh coi là pha-đinh chậm nếu tốc độ tín hiệu lớn hơn tốc độ pha-đinh. Khi đó: W > fd (hay Ts T0). 2.4.3.Tóm tắt các cơ chế gây Fading hẹp 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 22
  23. CƠ CHẾ FADING Fading rộng Fading hẹp Trên thay đổi lớn trên thay đổi nhỏ về vị trí về vị trí Suy giảm tín Sự thay đổi biến đổi hiệu trung bình giá trị trung binh Trải theo thời gian Trễ của tín hiệu theo thời gian theo khoảng cách của kênh Mô tả miền Mô tả miền Mô tả miền Mô tả miền thời gian trễ Tần số thời gian Trải Doppler Fading chậm Fading phẳng Fading Fading nhanh Fd Ts 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 23
  24. Tóm lại: -Do méo tín hiệu: băng thông tương quan f0 đặt ra giới hạn trên cho tốc độ truyền tín hiệu tránh méo do pha-đinh chọn lọc tần số. - Do trải Doppler: fd đặt ra giới hạn dưới cho tốc độ truyền tín hiệu tránh méo do pha-đinh nhanh. Fd<W<B(Fo) 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 24
  25. Ø Đường cong dưới cùng, dạng hàm mũ biểu diễn BER, dùng cho các kênh AWGN. Ø Đường cong nằm giữa được coi là giới hạn Rayleigh mô tả sự suy giảm chất lượng hệ thống do tổn hao về Eb /N0 do pha-đinh phẳng hay pha-đinh chậm (gần như giảm tuyến tính theo Eb /N0, được coi như trường hợp “xấu”. Các tham số Pb và Eb /N0 trung bình được dùng để biểu diễn giá trị trung bình của các đại lượng này do sự thay đổi thăng giáng của pha-đinh. Ø Đường cong tiến tới tỉ lệ lỗi không thể giảm nhỏ được, mô tả tình trạng “tồi tệ” của kênh, khi đó xác suất lỗi bít gần như bằng 0.5. Hiện tượng này mô tả ảnh hưởng của pha-đinh chọn lọc theo tần số hay pha-đinh nhanh. Khi đó không thể tăng Eb/N0 để giảm nhỏ BER mà chỉ có thể thực hiện bằng cách dùng các biện pháp giảm méo do pha-đinh ( mã hóa, xáo trộn). 2.5.Tác hại và các phương pháp xử lý Fading 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 25
  26. - - Cơ Cơchế chế biến biến đổi đổi tần số Cơ chế trễ theo thời gian theotheo thời tôc gian độ do truyền dẫn đa đường dodo chuyểnchuyển động động Fading chậm Fading phẳng (Tổn hao SNR) ( Doppler thấp, tổn hại SNR) Ts>Trải trễ Tm Tốc độ fading kênh Miền thời Fd tốc độ symbol W To(Td) > thời gian symbol Ts Miền Miền Tần số thời gian Cơ chế trải theo thời gian Fading chọn lọc tần số Fading nhanh do đa đường (méo ISI, cắt xén xung, (Doppler cao, Lỗi PLL, BER không giảm được BER không giảm được) 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 26
  27. ØKhi băng thông tín hiệu càng rộng so với băng thông tương quan của kênh, tính chất chọn lọc theo tần số càng rõ rệt, gây tổn hại nghiêm trọng đến chất lượng truyền dẫn 2.6. Vai trò của OFDM với Fading nhanh và và Fading chọn lọc theo tần số - Để giảm méo do pha-đinh chọn lọc theo tần số, ngoài cách dùng các bộ lọc san bằng và các KT trải phổ thì OFDM là một phương pháp rất hiệu quả. - Trong hệ thống đơn sóng mang, pha-đinh hoặc xuyên nhiễu đơn có thể gây ảnh hưởng tới toàn bộ dữ liệu được phát đi.Nhưng trong hệ thống OFDM, do việc truyền dữ liệu được thực hiện trên nhiều sóng mang nên chỉ một phần dữ liệu bị ảnh hưởng. Sau khi thu, phần dữ liệu sai sẽ được khắc phục bằng các mã sửa sai. - Mặt khác, nhờ việc truyền dữ liệu được thực hiện đồng thời trên một số các sóng mang trực giao nhau nên băng tần được tiết kiệm một cách đáng kể. - Trong ứng dụng thực tiễn, với một trải trễ xác định, việc xây dựng một hệ thống OFDM ít phức tạp hơn nhiều so với một hệ thống sóng mang đơn dùng bộ san bằng 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 27
  28. Chương 3 Kỹ thuật OFDM 3.1. Khái niệm, sự phát triển và vai trò của OFDM 3.1.1. Sự phát triển của OFDM Giai đoạn I : Nghiên cứu thử nghiệm và hoàn thiện 1966 : Patent US số 3,488,445 về OFDM của Robert Chang , Bell 1971 : S.B Weistein, Paul Ebert dề xuất sử dụng DFT, FFT và CP. Giai đoạn II : Ứng dụng trong các hệ thống truyền thông băng rộng 1990 : Các hệ thống truyền dẫn số HDSL1.6 Mbps, ADSL 6Mbps, VDSL 100Mbps. 1995-1997 : Chuẩn ETSI Châu Âu cho các hệ thống DAB, DVB-T, 1999-2002: Chuẩn IEEE 802.11a/g cho WAN(WI-Fi) 5/2.4MHz, 54Mbps Giai đoạn III : Nâng cao chất lượng, mở rộng các ứng dụng băng rộng và UWB 2004 : Chuẩn IEEE 802.16 cho W-MAN (Wi-MAX ), IEEE 802.11.n cho WLAN/MIMO200-540Mbps, IEEE 802.15.3.a cho UWB-WPAN/MB-OFDM 2006 :ứng cử viên có triển vọng nhất cho thế hệ thông tin 4G 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 28
  29. 3.1.2. Khái niệm OFDM - Kỹ thuật truyền dữ liệu song song và FDM bắt đầu phổ biến vào những năm 60. Toàn bộ băng tần tín hiệu được chia thành N kênh con. Mỗi kênh điều chế một symbol M- PSK hoặc M-QAM khác nhau. - Trên miền tần số, các sóng mang được bố trí cách nhau một khoảng cách về tần số (khoảng tần số phòng vệ) sao cho có thể thu được tín hiệu bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. - Khoảng tần số phòng vệ dẫn đến không tận dụng phổ tần một cách hiệu quả. - Ý tưởng ghép kênh phân chia theo các tần số gối nhau, nhằm sử dụng tối đa băng thông và tăng khả năng chống pha-đinh chọn lọc theo tần số: các sóng mang được sắp xếp sao cho điểm cực đại của phổ sóng mang này tương ứng điểm cực tiểu của phổ sóng mang khác. (các sóng mang phải trực giao nhau về mặt toán học). Ø có thể tiết kiệm 50% băng thông. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 29
  30. 3.2. Bản chất OFDM Là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang được phân bổ trực giao nhau. - Máy thu đóng vai trò như một tập hợp các bộ giải điều chế. Tín hiệu sau giải điều chế được tích phân trong khoảng thời gian symbol để khôi phục dữ liệu. - Nếu các sóng mang được chuyển xuống kế tiếp nhau, trên miền thời gian sẽ có toàn bộ chu trình trong khoảng thời gian symbol T. - Quá trình tích phân sẽ có kết quả bằng 0 với các sóng mang khác nếu khoảng cách giữa các sóng mang là 1/2T( Lệch pha 900) (trực giao nhau). 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 30
  31. v Weistein và Ebert : Áp dụng DFT vào các HT truyền dữ liệu song song với tư cách làlà mộtmột phầnphần củacủa quáquá trìnhtrình điềuđiều chếchế vàvà giảigiải điềuđiều chế.chế. (1971).(1971). - Việc sử dụng DFT tại máy thu và tính toán các giá trị tương quan tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang sẽ khôi phục được dữ liệu phát đi mà không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang khác. Ø Nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên DFT, OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng lọclọc giảigiải thôngthông màmà nhờnhờ quáquá trìnhtrình xửxử lýlý băngbăng gốcgốc - Phổ biên độ của xung vuông bằng sinc( fT), và bằng 0 tại các tần số f bằng số nguyên lần của 1/T. ( hình 1.5) - Tại điểm cực đại của mỗi phổ sóng mang, phổ của các sóng mang khác bằng 0. Mỗi máy thu OFDM tính toán cần thiết sao cho giá trị phổ tại các điểm đó tương ứng với cực đại của các sóng mang riêng biệt, có thể giải điều chế từng sóng mang dễ dàng và tránh khỏi xuyên nhiễu của các sóng mang khác. - Ứng dụng IFFT và FFT cho máy phát và máy thu làm giảm đáng kể số phép tính trong quá trình thực hiện. - Việc số hoá hoàn toàn phần cứng thực hiện biến đổi FFT và những tiến bộ trong công nghệ VLSI tạo những chip FFT có dung lượng lớn, tốc độ cao và có khả năng thương phẩm. - 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 31
  32. vv IFFT làm giảm đáng kể tổng số các phép tính bằng cách lợi dụng quy tắc của các thao tác trong IDFT. Việc sử dụng thuật toán bậc 2 và IFFT N điểm chỉ cần có (N/2).log2(N) phép nhân phức. (Ví dụ với phép biến đổi 16 điểm, 256 phép nhân của IDFT được thay bởi với 32 phép nhân của IFFT, giảm hơn 8 lần). •• Sự khác nhau này tăng lên khi số lượng các sóng mang lớn lên, vì sự phức tạp của IDFT tăng theo bình phương N, trong khi sự phức tạp của IFFT chỉ tăng nhanh hơn quy luật tuyến tính một chút . 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 32
  33. 3.3. Các biện pháp kỹ thuật trong OFDM 3.3.1. Chèn khoảng thời gian phòng vệ Tg - Một trong những lý do quan trọng nhất để sử dụng OFDM là hiệu quả của nó trong xử lý trải trễ đa đường. (chia dòng dữ liệu đầu vào thành Ns sóng mang, Ts tăng Ns lần, tương tự trải trễ đa đường giảm Ns lần so với Ts ) - Khoảng thời gian phòng vệ được chọn lớn hơn trải trễ dự đoán để cho các thành phần đa đường từ một symbol không gây nhiễu tới symbol bên cạnh (ISI) 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 33
  34. 3.3.2. Chèn tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix) - Thời gian phòng vệ Tg có thể để trống và không truyền tín hiệu, tuy nhiên khi đó ICI sẽ tăng lên vì chúng không còn trực giao nữa. - VD chỉ có sóng mang 1 không bị trễ và sóng mang 2 bị trễ. Khi máy thu OFDM giải điều chế sóng mang 1, nó sẽ thu cả nhiễu từ sóng mang 2 vì trong khoảng FFT không đảm bảo số nguyên lần sự khác nhau về chu kỳ giữa sóng mang 1 và 2. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 34
  35. - Để loại trừ ICI, symbol OFDM cần được kéo dài theo chu kỳ trong thời gian phòng vệ Ø Đảm bảo các bản sao bị trễ của symbol OFDM luôn có 1 số nguyên về chu kỳ giữa khoảng cách FFT, miễn là độ trễ nhỏ hơn thời gian phòng vệ. Ø Các tín hiệu đa đường có độ trễ nhỏ hơn thời gian phòng vệ không gây ra ICI. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 35
  36. - Trong thực tế, một phần tín hiệu trong khoảng thời gian symbol được copy và chèn vào phía trước khoảng thời gian FFT để tạo ra khoảng thời gian phòng vệ (Tg), phần tín hiệu này sẽ bị loại bỏ tại máy thu để loại trừ ISI và ICI 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 36
  37. v Kết quả mô phỏng Giản đồ sao của tín hiệu 16-QAM không bị méo khi trễ đa đường nằm trong khoảng thời gian phòng vệ. - Khi trễ đa đường vượt quá thời gian phòng vệ là 3% của thời gian FFT, các sóng mang không còn trực giao, nhưng xuyên nhiễu vẫn đủ nhỏ và có thể nhận ra dạng của giản đồ hình sao. - Khi trễ đa đường vượt quá thời gian phòng vệ là 10% thời gian FFT, xuyên nhiễu lớn tới mức giản đồ hình sao bị phân tán trầm trọng, gây ra tỷ lệ lỗi không chấp nhận được. Giản đồ hình của tín hiệu OFDM với kênh đa đường 2 tia 6/18/2021 tia thứ 2KT thấp Truyền hơn dẫn 6số dB- TS soĐỗ Côngvới Hùngtia thứ nhất 37
  38. 3.4. Sơ đồ khối băng gốc hệ thống OFDM - Tuyến phát: chuỗi DL được biến đổi từ nối tiếp sang song song, tới bộ ánh xạ điều chế M- PSK hoặc M-QAM; được chuyển từ miền tần số sang miền thời gian nhờ bộ biến đổi IFFT, khoảng phòng vệ được chèn vào symbol OFDM để chống ISI. - Nhánh thu: việc xử lý tín hiệu số bắt đầu với giai đoạn huấn luyện để xác định thời gian symbol và độ dịch tần. - FFT được sử dụng để giải điều chế các sóng mang. Đầu ra của FFT bao gồm Ns giá trị M- PSK hoặc M-QAM, chúng được giải điều chế để tạo ra các dữ liệu ra nhị phân. Để ánh xạ được các giá trị QAM thành các giá trị nhị phân đúng, cần phải thu được pha và biên độ tham6/18/2021 chiếu của các sóng mang.KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 38
  39. 3.5. Thiết kế và lựa chọn các tham số OFDM - Các yêu cầu của hệ thống bao gồm: Băng thông có sẵn, tốc độ bit yêu cầu, trải trễ chấp nhận được và các giá trị Doppler. - Các tham số OFDM cơ bản cần được xác định: Khoảng cách giữa các sóng mang, dạng điều chế cho sóng mang, dạng mã hoá sửa lỗi hướng đi. - Một số trong số các các yêu cầu đặt ra mâu thuẫn với nhau: khi cần có dung sai trải trễ tốt, người ta muốn dùng nhiều sóng mang với khoảng cách sóng mang nhỏ, nhưng đối ngược với dung sai này là trải Doppler và tạp âm pha. Ø Việc lựa chọn các tham số của OFDM cần được dung hoà giữa các yêu cầu để có sự kết hợp tốt nhất. Thông thường, ta chú ý tới 3 yêu cầu cơ bản ban đầu là: Băng thông, tốc độ bit và trải trễ. Cụ thể : - Trước hết , Trải trễ quyết định trực tiếp tới thời gian phòng vệ. Theo quy luật thông thường thời gian phòng vệ cần chọn từ 2 tới 4 lần của trải trễ trung bình rms. Giá trị này phụ thuộc vào dạng mã hoá và điều chế M-QAM. Giá trị bậc M càng cao, hệ thống sẽ càng nhạy với ICI và ISI. - Việc sử dụng các bộ mã mạnh có thể giảm đáng kể ảnh hưởng của xuyên nhiễu đó. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 39
  40. - Khi thời gian phòng vệ đã được xác định, thời gian symbol cũng giữ nguyên. Để giảm nhỏ sự thiệt hại tỷ số tín trên tạp gây bởi thời gian phòng vệ, ta cần thời gian symbol rộng hơn thời gian phòng vệ. (không thể lớn tuỳ tiện vì khoảng thời gian symbol rộng có nghĩa là có nhiều sóng mang với khoảng cách sóng mang nhỏ hơn, việc thực hiện phức tạp hơn, nhậy cảm hơn đối với tạp âm pha và sự dịch tần, cũng như tỷ số công suất đỉnh trên trung bình tăng lên. - Trong thực tế cần chọn khoảng thời gian symbol ít nhất là gấp 5 lần thời gian phòng vệ - Sau đó, số lượng các sóng mang được xác định theo chỉ tiêu băng thông -3dB, xác định bởi khoảng cách sóng mang. Khoảng cách sóng mang tính bằng nghịch đảo của khoảng cách symbol trừ đi thời gian phòng vệ. - Số lượng các sóng mang có thể được chọn bằng tốc độ bit yêu cầu, được chia thành tốc độ bit trên một sóng mang. Tốc độ bit trên một sóng mang được xác định bởi bậc điều chế, tốc độ mã hoá và tốc độ symbol. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 40
  41. 3.6. Ưu-nhược điểm của OFDM. Khi so sánh với các hệ thống đơn sóng mang v Các ưu điểm cơ bản: ü OFDM là một biện pháp hiệu quả trong sử dụng băng tần, chống lại pha-đinh chọn lọc theo tần số và xử lý ISI do đa đường trong truyền dẫn băng rộng. ü OFDM có khả năng rất mạnh chống lại xuyên nhiễu băng hẹp, bởi vì tác động của xuyên nhiễm đó chỉ ảnh hưởng tới một phần trăm nhỏ của các sóng mang, các bít bị sai có thể được khôi phục bằng cách sử dụng các bộ mã sửa lỗi. ü Với một trải trễ xác định, việc thực hiện ít phức tạp hơn đáng kể so với hệ thống sóng mang đơn sử dụng bộ san bằng. ü Do đó OFDM đặc biệt hấp dẫn với các ứng dụng truyền thông và tạo ra khả năng thực thi cho mạng vô tuyến. v Nhược điểm so với hệ thống đơn sóng mang: § OFDM nhạy hơn đối với dịch tần số và tạp âm pha do thời gian symbol tăng. § OFDM có tỷ lệ công suất đỉnh/ trung bình tương đối lớn, làm giảm hiệu quả công suất của bộ khuếch đại RF. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 41
  42. 2.7. Các ứng dụng cơ bản của OFDM. 1957: Hệ thống thông tin quân sự Kineplex sử dụng modem đa sóng mang trên HF. 1966: Patent US số 3,488,445 về OFDM của Chang. R, phòng thí nghiệm của Bell . 1971: Weinstein và Ebert đề xuất sử dụng FFT và khoảng thời gian phòng vệ. 1985: Cimini biểu diễn các ứng dụng của OFDM cho thông tin di động 1987: Alard & Lasalle: COFDM cho phát thanh và truyền hình số. 1988: Thử nghiệm đường truyền vô tuyến bằng OFDM tại Paris. 1990: Thử nghiệm OFDM tại Princeton, USA 1992: Thử nghiệm thiết bị OFDM thế hệ 2 với tốc độ 70 Mbit/s trên kênh 8 MHz tại Wuppertal, Germany 1992: Thử nghiệm thiết bị OFDM thế hệ 2 với BBC, London, UK. 1993: Triển lãm hệ thống 4 kênh TV và một kênh HDTV trên kênh 8MHz. 1993: Morris thử nghiệm hệ thống wireless LAN -OFDM 150Mbit/s 1995: Chuẩn đầu tiên ETSI tại châu Âu cho hệ thống DAB sử dụng OFDM . 1997: Chuẩn ETSI cho hệ thống DVB-T. 1998: Dự án Magic WAND sử dụng các modem OFDM cho wireless LAN . 1999: chuẩn IEEE 802.11a cho wireless LAN (Wi-Fi) với tốc độ truyền tới 54Mbps, băng thông 20Mhz trên băng tần 5Mhz. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 42
  43. 2000: Bản quyền truy nhập mạng wireless cố định (V-OFDM, Flash-OFDM, etc.) 2002: Chuẩn IEEE 802.11g cho wireless LAN với tốc độ truyền tới 54Mbps, băng thông 20Mhz trên băng tần 2.4 Mhz. 2004: Chuẩn IEEE 802.16-2004 cho wireless MAN (WiMAX) 2004: Chuẩn ETSI cho hệ thống DVB-H 2004: Chuẩn IEEE 802.11n cho mạng wireless LAN thế hệ mới với tốc độ truyền từ 200- 540Mbps trên băng tần 2, 4 và 5Mh nhờ sự kết hợp của OFDM và công nghệ MIMO. 2004: Chuẩn IEEE 802.15.3a cho hệ thống UWB- wireless PAN sử dụng MB-OFDM 2005: Ứng cử viên cho các chuẩn tế bào di động 3.75G (3GPP & 3GPP2 Long Term Evolution)) với tên gọi là High Speed OFDM Packet Access (HSOPA) 2006: Ứng cử viên cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ 4G Sự phát triển của OFDM liên tục theo các mốc thời gian như trên chứng tỏ rằng đây là một giải pháp hữu hiệu và được ứng dụng rộng rãi không chỉ cho các hệ thống thông tin băng rộng mà còn cả cho hệ thống thông tin băng cực rộng (UWB). 2010: Ứng dụng OFDM cho các hệ thống 4G cùng công nghệ MIMO Các biện pháp nâng cao chất lượng hệ thống OFDM là một chủ đề hiện được các nhà khoa học trên thế giới hết sức tập trung nghiên cứu. Một trong những hướng nghiên cứu mới về OFDM là OFDM thích nghi (AOFDM). Các nội dung cơ bản của AOFDM sẽ được phân tích cụ thể trong mục tiếp theo. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 43
  44. 3.7. OFDM thích nghi 3.7.1. ý tưởng và điều kiện OFDM thích nghi - Trên các kênh pha đinh chọn lọc theo tần số: ảnh hưởng của pha đinh tới các sóng mang con là khác nhau, đặc tính BER trên các sóng mang con là khác nhau Ø ý tưởng AOFDM: Trong điều kiện kênh biến đổi chậm, có thể tăng chất lượng của hệ thống OFDM bằng cách thay đổi các tham số phát trên các sóng mang thích nghi theo điều kiện truyền. 3.7.2. Chu trình thích nghi • Ước lượng kênh (Channel Estimation). ü Thay đổi tham số thích nghi (Parameter Adaptation) • Báo hiệu tham số (Signaling Parameters) 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 44
  45. 3.7.3. Thích nghi tham số (Parameter Adaptation) • Adaptive Modulation : Thích nghi các sơ đồ điều chế bậc cao theo SNR trên các sóng mang (Steele, Webb -1991) • Adaptive Coding : Thích nghi các tham số mã hoá theo SNR trên các sóng mang (Sampei, Gold Smith, Pearce, Hanzo - 2000) , - Thích nghi tham số OFDM (Lai Lifeng-2003) • Adaptive Mapping : Đề xuất trong luận án TS 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 45
  46. 1. Ước lượng kênh - Xác định hàm truyền đạt của kênh trên các băng con. - Phương pháp sử dụng các sóng mang Pilot 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 46
  47. 2. Các phương thức báo hiệu n BáoBáo hiệuhiệu vòngvòng hởhở BS MS Đánh giá chất lượng Đánh giá chất lượng kênh Downlink Các dạng điều chế kênh nhận được và quyết quan sát được và quyết tín hiệu được sử định dạng truyền của TX định dạng truyền của TX tại dụng bởi BS tại chỗ chỗ n BáoBáo hiệuhiệu vòngvòng kínkín MS BS Đánh giá chất lượng kênh Đánh giá chất lượng kênh quan sát được và báo hiệu Downlink quan sát được và báo dang truyền yêu cầu tới Các dạng điều chế tín hiệu được hiệu dang truyền yêu cầu sử dụng bởi MS BSTX tới MSTX 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 47
  48. 3. Điều chế thích nghi n MãMã hóahóa thíchthích nghinghi n ThíchThích nghinghi thamtham sốsố OFDMOFDM . . n ĐiềuĐiều chếchế thíchthích nghinghi 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 48
  49. Chương 4. Lý thuyết về điều chế đa mức 4.1. Đặt vấn đề - Nhu cầu về dung lượng của HTTT - Nhu cầu về điều chế thích nghi trên kênh chọn lọc theo tần số Ø Vai trò điều chế đa mức 4.2. Phân biệt HTTT nhị phân và đa mức 4.3. Các bộ điều chế M-PSK - Ánh xạ giữa tập bit được truyền và tập symbol tín hiệu - Mỗi Symbol tín hiệu tương ứng với log M bit Data Điều chế QPSK - Xét bộ ánh xạ Gray, SP - Mỗi Symbol truyền đi tương ứng với 2 bit Data Điều chế 8-PSK - Xét bộ ánh xạ Gray, SP - Mỗi Symbol truyền đi tương đương với 3 bit Data 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 49
  50. 4.4. Các bộ điều chế M-QAM - Ánh xạ giữa tập bit truyền và tập symbol tín hiệu - Mỗi Symbol tín hiệu tương đương với log2 M bit Data Điều chế 4-QAM - Mỗi Symbol truyền đi tương đương với 2 bit Data - Xét sự tương đương với 4-PSK/QPSK Điều chế 16-QAM - Xét bộ ánh xạ Gray, SP - Mỗi Symbol truyền đi tương đương với 4 bit Data 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 50
  51. v Nhận xét: ( xem thêm trang 130 KT truyền dẫn số) - Để cùng đạt được một BER đã cho, với M>8, EQ sẽ lợi hơn Ep ( với EQ là năng lượng max của tín hiệu QAM, do đó năng lượng trung bình của tín hiệu M-QAM sẽ còn bé hơn). - Với hệ thống có dung lượng lớn ( tốc độ bít lớn) người ta thường sử dụng các bộ điều chế đa mức để tiết kiệm phổ tần như 2,4,8 PSK, hay 4, 16, 64 QAM - Trong hệ thống điều chế đa mức người ta còn đánh giá sai lỗi của hệ thống qua chỉ số SER (Symbol Error Rate) - Trong hệ thống M mức, mỗi symbol gồm k bít (k=log2M) SER/k≤BER≤SER BER=SER/log2M 4.5.Ứng dụng các bộ điều chế đa mức trong HTTT - Ứng dụng trong OFDM thích nghi - Ứng dụng trong OFDM-BICM-ID ánh xạ thích nghi 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 51
  52. 4.6. Mô phỏng các HTTT và HT điều chế đa mức 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 52
  53. Thuật toán thích nghi Ban đầu với mức SNR = 0 BPSK BPSK Tăng SNR = 0,1,2, ,35 So Sánh S BER <10 4 - Đ Tăng mức điều chế: QPSK, 8PSK, 16QAM, 64QAM . 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 53
  54. Kết quả BER của hệ thống OFDM trên kênh pha đinh Riceệ có số h k=32 , D=40 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 54
  55. Kết quả BER của hệ thống OFDM thích nghi với BER mục tiêu là 10-4 trên kênh pha đinh Rice có hệ số k=32 , D=40 . 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 55
  56. Kết quả số bít trung bình trên 1 sóng mang con BPSc Hệ thống AOFDM ớv i BER mục tiêu 10-4 trên kênh pha đinh Riceệ có số h k=32 , D=40 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 56
  57. TómTóm tắttắt 44 chươngchương Các nội dung đã trình bày Ø Phân tích cơ sở lý thuyết kênh truyền dẫn đa đường Ø Cơ sở lý thuyết Điều chế đa mức Ø Cơ sở lý thuyết hệ thống OFDM Ø Cơ sở lý thuyết thích nghi Ø Xây dựng mô hình và khảo sát chất lượng BER của hệ thống OFDM, OFDM Thích nghi trên kênh fading đa đường có sự tác động đồng thời của Tạp âm Gauss. 4.7. Vai trò của mã hóa trong HTTT và HT điều chế đa mức - Vai trò của mã hóa trong HTTT - Vai trò của mã hóa trong HT điều chế đa mức 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 57
  58. 4.8. Một số hướng nghiên cứu Giải quyết các hạn chế Nâng cao chất lượng của OFDM hệ thống OFDM Đồng bộ Giảm tỷ lệ Dùng Adaptive sóng mang công suất mã hóa OFDM OFDM đỉnh/trung bình (Hình 5) 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 58
  59. Chương 5: Tổng quan về Mó hoỏ 5.1. Đặt vấn đề 5.2. Mụ hỡnh kờnh và dung lượng kờnh 5.3. Cỏc khỏi niệm chung v Phõn loại mó húa Nguồn tin Mã nguồn Mã kênh Điều chế Kênh Nhận tin Giải Mã N Giải mã K Giải ĐC - Mó nguồn: loại bỏ cỏc bớt dư của nguồn tin, nộn DL - Mó kờnh: thờm cỏc bớt mó ở mỏy phỏt, sử dụng khối giải mó ở mỏy thu để phỏt hiện và sửa sai do tỏc động của kờnh truyền. - Dựa vào cỏc bớt mó, Mỏy thu cú thể phỏt hiện lỗi và yờu cầu tự động phỏt lại (ARQ) hoặc tự động sửa sai (FEC). - Trong thực tế, Kờnh truyền là kờnh dạng súng, khụng thể truyền trực tiếp tớn hiệu số, bộ Điều chế cú chức năng biến đổi chuỗi bớt thành chuỗi dạng súng (symbol) 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 59
  60. - Do tỏc động của kờnh truyền, chuỗi đầu ra của bộ giải điều chế cú thể khụng giống hệt như đầu vào bộ Điều chế, nhiệm vụ của bộ Giải mó kờnh là dựa vào thụng tin của cỏc bớt mó đó thờm vào để giải mó thành chuỗi cú lỗi nhỏ nhất. - Trong một số HT, khối mó kờnh đuợc kết hợp với khối điều chế thành một khối, gọi là mó hoỏ dạng súng (TCM). - Chất lượng của một bộ mó được đỏnh giỏ bằng giỏ trị SNR cần thiết để đạt được BER, FER hoặc PER yờu cầu. (Sự trả giỏ là tốc độ truyền, độ rộng băng tần, độ phức tạp ). - Mó mật: Mó húa để đảm bảo độ bảo mật của thụng tin v Lý thuyết mó kờnh Shannon (1948): - Với kờnh AWGN cú băng tần vụ hạn: - C: Dung lượng kờnh; N0/2:mật độ phổ cụng suất tạp õm song biờn, P: Cụng suõt trung bỡnh của tớn hiệu. - C: số bớt truyền trờn 1s với tỷ lệ lỗi nhỏ tuỳ ý qua kờnh. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 60 -
  61. v Lý thuyết mó kờnh Shannon : Nếu tốc độ mó R C: khụng cú một bộ mó nào cú thể truyền được để thoả món xỏc suất tiến đến 0. - Trường hợp đầu vào nhị phõn, đầu ra bất kỳ, tốc độ mó ẵ, giới hạn Shannon là xỏc suất lỗi bớt -5-5 Pb(e)=10 tạitại xấpxấp xỉxỉ 0.20.2 dB.dB. v Phõn loại mó kờnh: Mã kênh Mã Mã chuỗi dạng sóng có cấu trúc Mã khối Mã xoắn Mã liên kết Mã liên kết Mã kết hợp (Hamming, RS, BCH) (Convolution Code) Nối tiếp song song Liên kết (SCCC) (PCCC- Turbo) (TCM, BICM-ID) 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 61
  62. v Mã khối (n,k): - Được nghiên cứu đầu tiên nên hoàn chỉnh về mặt lý thuyết. - Gồm n từ mã, trong đó có k bít tin. (số lượng bít dư là n-k, tốc độ mã hoá là k/n). - K bít tin đuợc sắp xếp độc lập giữa các từ mã nên đuợc gọi là mã không nhớ. - Đầu tiên là mã Hamming, sau đó là mã RS, Mã BCH ( tổng quát cho bộ mã Hamming và Golay) có tối ưu khoảng cách giữa các từ mã với khả năng sửa lỗi cụm mạnh, thường sử dụng trong các mã liên kết - Các thuật toán giải mã: Giải mã ngưỡng, giải bằng hàm số tuyến tính, giải mã tuần tự Ø Nhận xét: - Chuỗi DL phát có cấu trúc khung, bộ giải mã làm việc sau khi toàn bộ khung đã thu được, dẫn đến trễ tín hiệu khi khung DL quá lớn. - Giải mã khối đòi hỏi đồng bộ khung chính xác, bộ giải mã phải biết đâu là ký hiệu đầu tiên trong từ mã hoặc khung DL. - Các bộ giải mã khối dựa trên cơ sở đại số thường là giải mã quyết định cứng, đầu vào bộ giải mã là các giá trị nhị phân. ( các bộ giải mã khối quyết định mềm có độ phức tạp lớn ). - Cùng một độ phức tạp, mã xoắn cho chất lượng tốt hơn nhiều so với mã khối. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 62
  63. 5.4. Mã Xoắn (convolutional Code) 5.4.1. Khái niệm chung: - Ý tưởng: Với các khung tin lớn, nếu dùng mã khối thì các khối sẽ độc lập nhau. Trong khi việc truyền tín hiệu trên kênh là liên tiếp, các khung tín hiệu sẽ chịu tác động liên quan đến nhau. Ø Làm sao cho các khối mã có liên hệ, dùng kết quả giải mã lần trước để làm tham số cho lần sau. - Với kênh Gauss: phương sai σ2 có thể thay đổi. Vì vậy cần có giải mã quyết định mềm phù hợp với trạng thái của kênh. Khái niệm: (Elias-1955): Là bộ mã có nhớ, k bít đầu vào được xắp xếp để tạo thành n bít đầu ra, là một hàm phụ thuộc vào quá khứ. 5.4.2. Thuật toán giải mã: - Thuật toán giải mã tuần tự ( Wozencraft 1957 và được phát triển bởi Fano 1963) (số lượng tính toán giải mã là vô hạn), - Thuật toán giải mã ngưỡng (Masey-1963) (số lượng tính toán hạn chế), - Thuật toán Viterbi (VA-1967): Giải mã không tuần tự, giới hạn số lượng phép tính trên mỗi bước giải mã (không bị tràn như thuật toán giải mã chuỗi, đơn giản hơn thuật toán giải mã ngưỡng). Là thuật toán giải mã cực tiểu xác suất lỗi. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 63
  64. - 1966: Forney đưa ra ý tưởng liên kết các mã thành các tầng: Mã xoắn được sử dụng làm mã vòng trong, mã RS làm mã vòng ngoài kết hợp bộ xáo trộn, được sử dụng làm chuẩn NASA trong các HT TT vũ trụ. - Theo Forney: NếuNếu độđộ phứcphức tạptạp củacủa bộbộ mãmã hóahóa vàvà giảigiải mãmã tăngtăng theotheo hàmhàm đạiđại sốsố thìthì chấtchất lượnglượng sửasửa sai tăng theo hàm Log. - Chất lượng của các họ mã trên còn cách xa giới hạn Shannon: VD bộ mã Qualcom tốc độ ½ với chiều dài ràng buộc k=7 chỉ đạt xác suất lỗi 10-5-5 tạitại 4.34.3 dB.dB. - 1993, 1996: CácCác bộbộ mãmã liênliên kếtkết songsong songsong (( TurboTurbo hayhay PCCC)PCCC) cùngcùng vớivới thuậtthuật toántoán giảigiải mãmã lăplăp được giới thiệu, chất lượng của các bộ mã này có thể tiến gần vài phần mười dB so với giới hạn Shannon. - Các mã liên kết sau này (TCM, BICM-ID đều sử dụng với mã hạt giống là mã xoắn 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 64
  65. 5.4.3.Tóm lược lịch sử phát triển n Ý TƯỞNG TẠO SỰ RÀNG BUỘC TRONG CHUỖI TIN THEO THỜI GIAN n 1955 ELIAS ĐƯA RA KHÁI NIỆM CONVOLUTIONAL CODES n 1957 WOZENCRAFT ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP GIẢI MÃ TUẦN TỰ n 1963 FANO PHÁT TRIỂN TIẾP PHƯƠNG PHÁP NÀY n 1963 MASSEY GỢI Ý VIỆC GIẢI MÃ NGƯỠNG MÃ XOẮN n 1966 ZIGANGINOV GIỚI THIỆU THUẬT TOÁN NGĂN XẾP PHỤC VỤ GIẢI MÃ TUẦN TỰ n 1967 VITERBI GIỚI THIỆU THUẬT TOÁN GIẢI MÃ VITERBI n 1967 FORNEY ĐƯA RA KHÁI NIỆM LƯỚI (TRELLIS) (Chuyªn ®Ò 2) 65
  66. v MáyMáy mãmã WozencraftWozencraft (Feed(Feed Forward)Forward) n Sơ đồ tổng quát - b bit đầu vào - c bit ra - Giá trị bít ra Phụ thuộc giá trị bít đầu vào và trạng tháI của ô nhớ. n Thí dụ mã [5 7] 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 66
  67. v MáyMáy mãmã FanoFano (systematic)(systematic) n Sơ đồ tổng quát n Thí dụ mã [5 7] 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 67
  68. vMáyMáy mãmã cócó phảnphản hồihồi (Recursive(Recursive Systematic)Systematic) n SSơơ đđồồ tổngtổng quátquát n CóCó cùngcùng hàmhàm truyềntruyền 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 68
  69. 5.4.4.5.4.4. BiểuBiểu diễndiễn mãmã ởở dạngdạng mama trậntrận sinhsinh v vv == uGuG v VớiVới mãmã [5,7]:[5,7]: n n GG00 == (11)(11) n n GG11 == (10)(10) n n GG22 == (11)(11) 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 69
  70. 5.4.5. Biểu diễn mã bằng đồ hình chuyển trạng thái n Cấu tạo máy mã: Xét mã 4 trạng thái G [5 7] 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 70
  71. 5.4.6. Biểu diễn mã ở dạng cây n Cây mã Đầu vào 1011 Đầu ra 11 10 00 01 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 71
  72. 5.4.7. Biểu diễn mã dạng lưới n . 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 72
  73. 5.4.8.5.4.8. CácCác kháikhái niệmniệm củacủa mãmã xoắnxoắn n Khoảng cách tự do Ø Khả năng sửa lỗi của bộ mã: <dfreefree/2 n Hàm truyền: Xuất phát từ đồ hình chuyển đổi trạng thái máy mã, ta tìm được hàm truyền bằng kĩ thuật lưu đồ tín hiệu chuẩn. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 73
  74. HàmHàm truyền:truyền: SuySuy ra:ra: T(W)=WT(W)=W55/(1-2W)/(1-2W) == WW55+2W+2W66 +4W+4W77 + ++ + 22kk WWk+5k+5 DoDo đđóó ddfreefree=5=5 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 74
  75. 5.4.9. Giải mã Maximum Likelihood ( hợp lẽ Cực đại) n Có dH=5, Gỉa sử thu được từ mã 11 00 11 00 10 tata giaigiai mãmã được 11 10 11 00 00, sửa được 2 bít. n Chọn từ mã ước lượng r,, saosao chocho cócó cựcự lyly tớitới từtừ mãmã rr thuthu được là nhỏ nhất 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 75
  76. 5.4.10. Giải mã Viterbi n Ta có dfree=5 : Giả sử chuỗi thu vào là: 10 01 10 01 01 00 n Giải mã sẽ là : 11 01 10 01 11 00 (sửa được 2 bit) 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 76
  77. 5.4.11.Giới hạn dung lượng và mức độ độ lợi mã hoá n . 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 77
  78. 5.5. Mã liên kết nối tiếp (SCCC) v Liên kết nối tiếp với mã Reed-Solomon - Giới thiệu bởi Forney năm 1967: mã vòng ngoài là mã RS và mã vòng trong là mã xoắn, cách biệt nhau bởi 1 bộ xáo trộn bít. - Ưu: lợi dụng được khả Năng chống lỗi cụm tốt của mã RS và khả năng sửa lỗi của mã xoắn kết hợp với bộ xáo trộn bít. - Nhược: Số lượng tính toán lớn, chất lượng kém tại vùng SNR nhỏ. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 78
  79. 5.6. Mã liên kết song song (Turbo) 1. Bộ mã hóa: - Gồm ít nhất 2 bộ mã xoắn hệ thống đệ quy và bộ xáo trộn 2. Giải mã Turbo: - Sử dụng thuật toán giải mã lặp của Berrou: đầu vào mềm. đầu ra mềm SISO. - Đầu ra bộ giải mã là tổng hợp của xác suất tiên nghiệm, xác suất hậu nghiệm về bít hệ thống theo các bít hệ thống và lưới cơ sở. - Thông tin về các bít trong lần lặp này được sử dụng làm thông tin tiên nghiệm cho lần lặp tiếp theo. - Với số lần lặp và kích thước bộ giả xáo trộn lớn, v Các kết quả mô phỏng (ĐATN Thùy ) 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 79
  80. 5.7. Mã BICM-ID (Bit-Interleaved Coded Modulation With Iterative Decoding) 5.7.I. Tại sao dùng BICM-ID? • 1982 : Sơ đồ TCM của Ungerboek [40] Kết hợp bộ mã hóa và điều chế Có chất lượng tốt trên kênh Gauss và kém trên kênh pha đinh. • 1992 : E. Zehavi – sơ đồ Điều chế mã hóa có xáo trộn bít BICM [44] Có chất lượng tốt trên kênh pha đinh nhưng lại kém trên kênh Gauss do không thể tối ưu hóa theo tiêu chuẩn cực đại hóa cự ly Euclid. • 1997 : X.Li và Ritcey- Sơ đồ BICM –ID[28] Kết hợp BICM và giải mã lặp Có chất lượng tốt cả trên kênh Gauss và kênh pha đinh 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 80
  81. 5.7. 2. Nguyên lý giải mã lặp BICM-ID 6/18/2021 KT Truyền dẫn số(Hình - TS Đỗ Công 6) Hùng 81
  82. 5.7.3. Nhận xét: Chất lượng của hệ thống BICM-ID phụ thuộc: • Chất lượng giải điều chế khi không có thông tin tiên nghiệm ( hoặc khi hệ thống làm việc ở vùng SNR thấp) • Mức độ cải thiện khi có thông tin phản hồi trong các lần lặp sau (khi hệ thống làm việc ở vùng SNR cao). Ø Nhờ tăng ích xáo trộn bít và giải mã lặp Đặc tính BER vượt trội của hệ thống BICM-ID là một giải pháp để nâng cao chất lượng hệ thống OFDM và AOFDM. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 82
  83. 5.7.4.5.7.4. MôMô phỏngphỏng hệhệ thốngthống OFDMOFDM BICM-IDBICM-ID 6/18/2021 KT Truyền dẫn(Hình số - TS Đỗ 9) Công Hùng 83
  84. v KếtKết quảquả mômô phỏngphỏng hệhệ thốngthống OFDMOFDM BICM-IDBICM-ID (Hình 10) (a) (b) (d) (c) Ø Với bộ mã BICM-ID có kết cấu tương đối đơn giản, có thể cải thiên đáng kể chất lượng hệ thống OFDM trên kênh pha đinh +AWGN. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 84
  85. 5.7.5.OFDM Thích nghi tham số (Parameter Adaptation) • Điều chế thích nghi ( Adaptive Modulation) : (Steele, Webb -1991) -Thích nghi các sơ đồ điều chế bậc cao theo SNR trên các sóng mang • Mã hóa thích nghi (Adaptive Coding) : (Sampei, Gold Smith, Pearce, Hanzo - 2000) - Thích nghi các tham số mã hoá RRNSC, Tur bo. • Tham số thích nghi (Adaptive parameters ) (Lai Lifeng-2003)- Thích nghi khoảng thời gian phòng vệ • Nhược điểm: Thông lượng của hệ thống thay đổi Ø Nghiên cứu phương pháp thích nghi mới -Ánh xạ thích nghi (Adaptive Mapping) ( Xem thêm ĐATN- Đăng Ái- ĐHĐT K1) 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 85
  86. 5.7.6. Kết quả nghiên cứu hệ thống AOFDM BICM –ID (Tham khảo) AOFDM truyền thống (Adaptive Modulation) (Hình 11) Hạn chế: •Thông lượng thông tin thay đổi trên các sóng mang. •Tỷ số công suất đỉnh trên trung bình •Quá trình thích nghi đa mức bị hạn chế tại ngưỡng mà tại đó các bộ mã sửa lỗi vẫn hoạt động tốt. Giải pháp Ánh xa thích nghi § Lợi dụng đặc tính lỗi bít theo SNR khác nhau của các bộ ánh xạ tín hiệu điều chế. Ø Thay đổi các bộ ánh xạ tín hiệu theo ngưỡng SNR nhận biết được Tối ưu hóa đặc tính lỗi bít của hệ thống, đảm bảo được thông lượng của hệ thống là không đổi. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 86
  87. v ÁnhÁnh xạxạ thớchthớch nghinghi chocho hệhệ thốngthống QPSK • LựaLựa chọnchọn cỏccỏc bộbộ ỏnhỏnh xạxạ QPSKQPSK (Hình 12) (a) Bộ ánh xạ Gray [ 0 1 3 2] (b)Bộ ánh xạ SP [ 0 1 2 3] 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 87 (c) Bộ ánh xạ MSE W [ 0 2 1 3] (d) Bộ ánh xạ “4 in 6” [ 0 2 1 3]
  88. Kết quả BER Hệ thống Ánh xạ thích nghi QPSK (a) (b) (c) (d) Dùng phương pháp Ánh xạ thích nghi Ø Tối ưu hóa đặc tính lỗi bít của hệ thống, đạt lợi ích đáng kểt về SNR 6/18/2021 Ø Thông lượng củaKT hệ Truyền thống dẫn sốlà - TSkhông Đỗ Công đổi. Hùng 88
  89. v ÁnhÁnh xạxạ thớchthớch nghinghi chocho hệhệ thốngthống 8-PSK • CấuCấu trỳctrỳc cỏccỏc bộbộ ỏnhỏnh xạxạ 8-PSK8-PSK truyềntruyền thốngthống (Hình 14) (a) Bộ ánh xạ Gray [0 1 3 2 7 6 4 5] 6/18/2021 (b) BộKT ánh Truyền xạ dẫn SP số [ - 0TS 1 Đỗ 2 Công3 4 5Hùng 6 7] 89
  90. • CấuCấu trúctrúc cáccác bộbộ ánhánh xạxạ 8-PSK8-PSK cócó cựcự lyly bítbít lớnlớn (Hình 15) (c) Bộ ánh xạ Gray modified [ 0 1 3 5 4 6 7 2 ] 6/18/2021 (d) Bộ ánhKT xạ Truyền MSEW-C dẫn số - [TS 0 Đỗ 3 6Công 1 2 Hùng 5 4 7 ] 90
  91. KếtKết quảquả BERBER HệHệ thốngthống ÁnhÁnh xạxạ thíchthích nghinghi 8-PSK (a) (b) (c) (d) 6/18/2021 KT Truyền(Hình dẫn số - 16)TS Đỗ Công Hùng 91
  92. v ÁnhÁnh xạxạ thớchthớch nghinghi chocho hệhệ thốngthống 16QAM • CấuCấu trỳctrỳc cỏccỏc bộbộ ỏnhỏnh xạxạ 16QAM16QAM truyềntruyền thốngthống (Hình 17) (a) Bộ ánh xạ Gray 6/18/2021 KT Truyền(b) Bộ dẫn ánh số - xạTS ĐỗSP Công Hùng 92
  93. • CấuCấu trúctrúc cáccác bộbộ ánhánh xạxạ 16QAM16QAM cócó cựcự lyly bítbít lớnlớn (Hình 18) (c) Bộ ánh xạ Gray modifed 6/18/2021 KT Truyền(d) Bộ dẫn ánh số - TSxạ Đỗ MSEW Công Hùng 93
  94. Kết quả BER HệHệ thốngthống ÁnhÁnh xạxạ thíchthích nghinghi 16QAM (a) (b) (c) (d) 6/18/2021 KT Truyền(Hình dẫn số - 19)TS Đỗ Công Hùng 94
  95. v GiảiGiải pháppháp kếtkết hợphợp ÁnhÁnh xạxạ thíchthích nghinghi vàvà ĐiềuĐiều chếchế thíchthích nghinghi (a) (a) (Hình 20) (b) LợiLợi ích:ích: TốiTối ưuưu hóahóa đặcđặc tínhtính lỗilỗi bítbít trêntrên toàntoàn dảidải SNR.SNR. TránhTránh sựsự nhảynhảy mứcmức lênlên xuốngxuống liênliên tiếp.tiếp. vNX: Mấu chốt của Phương pháp ánh xạ thích nghi là tìm được 6/18/2021 các bộ ánh xạ tín hiệuKT Truyền có chất dẫn số lượng- TS Đỗ Công tốt Hùng trên các dải SNR 95
  96. v NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ Căn cứ Chất lượng của hệ thống BICM-ID phụ thuộc vào cấu trúc của các bộ ánh xạ tín hiệu và SNR công tác (*) [28]. Mục đích Ø Tạo ra các bộ ánh xạ có cự ly bít lớn theo tiêu chuẩn MSEW (Maximum Squared Euclidean Weight ). Hiện tại Một số bộ ánh xạ tìm được theo phương pháp hàm truyền bởi Jutan, Gordon và Stuber (2005) [25], song quá phức tạp và chưa đầy đủ. Phương phápmới Mỗi bộ ánh xạ tín hiệu đa mức có đặc trưng khác nhau. Cần phải có một phương pháp thiết kế thích hợp 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 96
  97. vTHIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ QPSK (Hình 21) Số hoán vị 3! = 6 (a) Bộ ánh xạ Gray [ 0 1 3 2] 6/18/2021(c) Bộ ánh xạ MSE W [ 0 2 1 3]KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công(d) Bộ Hùng ánh xạ “4 in 6” [ 0 2 1 3] 97
  98. v THIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ 8-PSK Định nghĩa các điểm tín hiệu trên Constellation Sinh các hoán vị nhờ hàm “Perms” trong MATLAP Tính toán hồ sơ cự ly bit của các tập tín hiệu mới (Hình 22) Số hoán vị 7! = 5040 Kết quả Ø 24 bộ ánh xạ có cự ly bít đều Phân chia thành nhóm Ø 96 bộ ánh xạ có cự ly bít các bộ ánh xạ đều và không đều không đều Có cự ly tối đa theo tiêu chuẩn MSEW Sắp xếp theo thư tự lưu và in ra các tập ánh xạ 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 98
  99. CÁC BỘ ÁNH XẠ 8-PSK TÌM ĐƯỢC CÓ CỰ LY BÍT ĐỀU 6/18/2021 Bảng 3.1: Kết quả 10/24KT Truyền tập dẫnánh số -xạ TS 8-PSKĐỗ Công HùngMSEW-CH có cự ly bít đều 99
  100. CÁC BỘ ÁNH XẠ 8-PSK TÈM ĐƯỢC CỂ CỰ LY BÍT KHỄNG ĐỀU 6/18/2021Bảng 3.2: Kết quả 10/96 KTtập Truyền ánh dẫn xạ số 8-PSK - TS Đỗ Công MSEW-CH Hùng có cự ly bít không đều 100
  101. CẤU TRÚC MỘT SỐ BỘ ÁNH XẠ 8-PSK MỚI ĐIỂN HÌNH (Hình 23) (a) Bộ ánh xạ MSEW-C [ 0 3 6 1 2 5 4 7] với hồ sơ bít (2, 2, 3.4) 6/18/2021 (b) Bộ ánh xạ MSEW-CH1KT Truyền dẫn [số 0 - 6TS 5 Đỗ 3 Công4 2 1Hùng 7] với hồ sơ bít (4, 3.4, 2) 101
  102. v THIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ 16-QAM • Lý do - Phương pháp hàm truyền [25] tỏ ra quá phức tạp và không đầy đủ. - Với 16 điểm trên constellation có tới 16! hoán vị, vượt quá khả năng tính toán của máy tính hiện thời. • Giả thiết Thông tin phản hồi là đủ tin cậy. • Kênh truyền với điều chế M=2k mức có thể được coi là k kênh truyền song song. • Phương pháp Các bộ ánh xạ mới được thiết kế dựa trên ánh xạ từ khối bít tới Constenlation sao cho bít có độ bảo vệ bít thấp được kết hợp truyền với bít có độ bảo vệ bít cao hơn. Ø Thực hiện các phép cộng modulo 2 giá trị của các bít khác vào bít được xét. Ø Độ bảo vệ bít trung bình của cả khối bit sẽ lớn hơn. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 102
  103. THUẬT TOÁN THIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ 16- QAM Định nghĩa các điểm tín hiệu trên Constellation Khai báo và tính toán hồ sơ cự ly bít của tập tín hiệu gốc Sinh các phép biến đổi tuyến tính áp dụng lên vị trí mỗi bít Tính toán hồ sơ cự ly bit của các tập tín hiệu mới Lựa chọn theo tiêu chuẩn Lưu các bộ tín hiệu mới 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 103
  104. KẾT QUẢ CÁC BỘ ÁNH XẠ 16-QAM MỚI 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 104 Bảng 3.3. 12/99 tập tín hiệu 16-QAM mới tìm được điển hình
  105. KẾT QUẢ TÌM CÁC BỘ ÁNH XẠ 16-QAM MỚI Bảng 3.3. 12/99 tập tín hiệu 16-QAM mới tìm được điển hình 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 105
  106. CẤU TRÚC CÁC BỘ ÁNH XẠ 16-QAM MỚI (Hình 24) (a) Bộ ánh xạ MSEW- CH5 [11 4 6 13 2 9 15 8 14 5 3 12 7 16 10 1] (24, 36, 40, 20) dt =120 6/18/2021(b) Bộ ánh xạ MAX–CH1 [11 2 5KT 16 Truyền 1 12 dẫn 15 số 6 - TS13 Đỗ 8 3Công 10 Hùng7 14 9 4] (20, 32, 36, 36) dt =124 106
  107. KếtKết luậnluận chươngchương 55 v Mã hóa nói chung và mã sửa sai hướng đi ( FEC) nói riêng là nội dung không thể thiếu trong HTTT. v Chất lượng mã hóa và giải mã cải thiện đáng kể đặc tính lỗi bít của HTTT. v Sự phát triển của các họ mã sửa sai: mã khối, mã xoắn, mã SCCC, Turbo, TCM, v Sự phát triển của các họ mã sửa sai: mã khối, mã xoắn, mã SCCC, Turbo, TCM, BICM-ID gắn liền với sự phát triển của các thế hệ của HTTT. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 107
  108. ChươngChương 6:6: CơCơ sởsở lýlý thuyếtthuyết vềvề sansan bằngbằng vàvà trảitrải phổphổ 6.1. Kỹ thuật san bằng - Khái niệm - Cơ sở toán học - Thiết kế các bộ san bằng 6.2. Kỹ thuật trải phổ - Từ cuối những năm 1940, ITT theo yêu cầu của BQP Mỹ về: - Chống tác động của can nhiễu cố ý (jamming). - Đảm bảo bảo mật thông tin - Chống pha đinh đa đường 6.2.1. Cơ sở lý thuyết trải phổ - Dựa trên định lý Shannon 3: trên một kênh tạp âm trắng chuẩn cộng tính: C=B.log2( 1+S/N) C: Dung lượng kênh B: Độ rộng phổ tần chiếm của tín hiệu - Do vậy, cùng trên một băng thông C của kênh, có thể truyền đuợc tín hiệu với S/N rất thấp nêú tín hiệu có phổ rộng B vô cùng. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 108
  109. - HT như vậy có thể đảm bảo được tính bảo mật cao (đối phương không phát hiện được khi nào máy phát của ta hoạt động) do tín hiệu chìm vào nền nhiễu. - Do sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên nên hầu như đối phuơng không thể giải được mã tin - Cho phép HT liên lạc tốt ở điều kiện nhiễu mạnh ( Nhiễu cố ý và nhiễu chọn lọc theo tần số) 6.2.2. Đặc điểm của HT trải phổ - Độ rộng băng tần W của tín hiệu lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng tần tối thiểu B cần thiết để truyền TT. - Việc trải phổ được thực hiện nhờ bộ mã trải phổ độc lập với DL cần truyền, nhằm tạo ra tín hiệu tổng cộng gần giống tạp âm. - Quá trình nén phổ được thực hiện nhờ tín hiệu giải trải phổ là bản sao đồng bộ của tín hiệu trải phổ - ( Các HT điều chế băng rộng như HT điều tần, HT điều chế mã xung dù thoả mãn điều kiện về độ rộng phổ nhưng không phải là HT trải phổ) - Hiệu quả trải phổ của HT được đánh giá bằng Tăng ích xử lý: PG=W/Bi 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 109
  110. 6.2.3. Hệ thống trải phổ trực tiếp DS (Direct Sequense) - Chuỗi DL d(t) có phổ D (ω) được nhân (cộng module 2) trực tiếp với chuỗi giả ngẫu nhiên c(t) có phổ C (ω). - Tín hiệu sau trải phổ sẽ có dạng: d(t).c(t) - Phổ tín hiệu trải phổ có dạng D (ω) *C (ω), phụ thuộc chủ yếu vào phổ của c(t) do tốc độ chíp trong HT trải phổ có tốc độ lớn hơn rất nhiều so với tốc độ DL. - Tín hiệu thu bao gồm các thành phần: Tín hiệu trải phổ, Tạp âm Gauss, nhiễu băng hẹp - Nhờ được nhân với chuỗi giải trải phổ ( là bản sao đồng bộ của c (t): do c2(t)=1 nên d(t).c(t).c(t)=d(t) - Các nhiễu băng hẹp được nhân với c(t) nên bị trải ra. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 110
  111. v Minh hoạ quá trình trải phổ: D(f) C(f) D(f)*C(f) D(f)*C(f)*C(f) v Chú ý: - Do các tín hiệu nhiễu băng hẹp tại đầu vào máy thu bị trải do tác động của chuỗi trải phổ nên tỉ số S/N tăng - Trải phổ không có tác dụng đáng kể với tạp băng rộng như tạp âm nhiệt và các tín hiệu trải phổ băng rộng khác. 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 111
  112. 6.2.4. Một số HT trải phổ : - Hệ thống thông tin CDMA (IS-95). - Hệ thống thông tin W-CDMA (IMT-2000). 6/18/2021 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 112