Slide 1 1Nguyễn Viết Đảm Fundamentals of Wireless Communication BÀI GIẢNG CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN VÔ TUYẾN KHOA VIỄN THÔNG 1 Hà nội 04 2017 KHÔNG GIAN TÍN HIỆU VÀ ĐIỀU CHẾ Chương 3 Nguyễn Viết Đảm Kh[.]
Fundamentals of Wireless Communication KHOA VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN VÔ TUYẾN Chương KHƠNG GIAN TÍN HIỆU VÀ ĐIỀU CHẾ Nguyễn Viết Đảm Khoa Viễn thơng HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Địa chỉ: PTIT- Km10- Đường Nguyễn Trãi, Quận Hà đông, Thành phố Hà nội Điện thoại: 0912699394 Email: damnvptit@gmail.com HàNguyễn nội 04-2017 Viết Đảm NỘI DUNG Fundamentals of Wireless Communication 3.1 Giới thiệu 3.2 Điều chế số 3.3 Khn dạng điều chế số 3.4 Khơng gian tín hiệu 3.5 Đáp ứng tương quan lên tạp âm 3.6 Bộ tách sóng khả giống 3.7 Tính toán xác suất lỗi truyền dẫn kênh AWGN 3.8 Điều chế/giải điều chế BPSK quán 3.9 Điều chế/giải điều chế QPSK quán 3.10 Điều chế OQPSK 3.11 MSK GMSK 3.12 Điều chế ASK nhiều trạng thái, M-ASK 3.13 M-PSK 3.14 Điều chế M-QAM quán 3.15 Bo lọc RRC 3.16 Biểu diễn tín hiệu điều chế dạng phức 3.17 Mật độ phổ công suất tín hiệu điều chế 3.18 So sánh hiệu kỹ thuật điều chế Nguyễn Viết Đảm 3.1 MỞ ĐẦU Fundamentals of Wireless Communication Tại phải điều chế tín hiệu? Để sử dụng mơi trường truyền dẫn vào mục đích truyền thơng cần phải: Đặc tính hóa, thơng số hóa mơi trường truyền dẫn (xác định, khám phá tài nguyên truyền dẫn) VD: xác định cửa sổ truyền dẫn quang, cửa sổ truyền dẫn vô tuyến, dải tần truyền dẫn cáp đồng khả truyền dẫn môi trường tham số đặc trưng Đặc tính hóa nguồn tín hiệu cần truyền VD: âm thanh, hình ảnh, liệu, tín hiệu điện, => độ rộng băng tần (lượng tin) nguồn tin tham số đặc trưng nguồn tin Dùng sóng mang có thơng số đặc trưng phù hợp với thông số đặc trưng môi trường truyền để truyền tín hiệu tin tức cách điều chế sóng mang, biến đổi tín hiệu, kết hợp chúng VD: truyền tín hiệu âm cáp đồng cách dùng Micro để biến đổi áp thành tín hiệu điện âm tần; điều chế quang để truyền tín hiệu điện môi trường cáp sợi quang (phù hợp hóa thơng số sóng ánh sáng cửa sổ truyền dẫn sợi quang); kết hợp điều chế sóng mang RF (dịch phổ tần tín hiệu thông tin lên vùng tần RF) anten xạ sóng điện từ tường (chuyển tín hiệu RF thành điện từ trường) để truyền dẫn tín hiệu mơi trường vô tuyến Nguyễn Viết Đảm 3.1 Mở đầu Fundamentals of Wireless Communication Giảm kích thước anten: Điện thoại di động, anten có kích thước tiêu biểu ¼ λ Nếu truyền tín hiệu băng sỏ (3000Hz), kích thước anten 8cm c 25 km 4f Phải điều chế sóng mang tần số cao RF (ví dụ 900MHz) Đặt phổ tần tín hiệu vào dải tần mong muốn (trong cửa sổ truyền dẫn) nhằm: sử dụng hết tài nguyên phổ tần (ghép kênh phân chia tần số FDM, WDM); phân bổ phổ tần, quy hoạch quản lý tài nguyên phổ tần,v,v,v Phục vụ kỹ thuật sử dụng hiệu quả, triệt để tài nguyên phổ 25km Khái niệm điều chế: Điều chế trình làm thay đổi tham số sóng mang theo tín hiệu tin tức, Ví du: AM, FM, PM; ASK, FSK, PSK; MPSK; M-QAM; MSK; GMSK; AMC; OFDM,v,v,v… Nguyễn Viết Đảm of Wireless Communication 3.2 ĐIỀU CHẾ SỐ VÀFundamentals KHUÔN DẠNG ĐIỀU CHẾ SỐ Phân loại tín hiệu điều chế: Dựa vào tài nguyên phổ tần mục đích truyền thơng (tối đa hóa dung lượng chất lượng): Tín hiệu băng tần sở, điều chế/giải điều chế băng tần sở, truyền dẫn tín hiệu băng tần sở như: OFDM… Tín hiệu thơng dải (thơng băng), điều chế/giải điều chế tín hiệu thơng băng như: BPSK; QPSK; M-PSK; M-QAM… Baseband signal Matlab AM Tín hiệu băng tần gốc phức e j2 fc t e-j2 fc t Bandpass signal Local oscillator Tín hiệu thơng băng giá trị thực Chuyển đổi tín hiệu băng gốc-tín hiệu thơng băng miền thời gian (vịng trong)và miền tần số (vịng ngồi) Minh họa tín hiệu băng tần gốc tín hiệu thơng băng Đánh giá hiệu năng: Trên quan điểm truyền thông, tiêu chí để đánh giá so sánh phương pháp điều chế/giải điều chế khác là: hiệu dung lượng hiệu chất lượng (khả đối phó nhược điểm mơi trường truyền dẫn: phađinh, suy hao, nhiễu hạn chế băng thông kênh) Hiệu chất lượng (BER, SER), khả đối phó nhược điểm chất lượng, khả khắc phục ảnh hưởng phađinh, suy hao môi trường truyền Hiệu dung lượng (hiệu chiếm dụng phổ tần môi trường truyền) Nguyễn Viết Đảm Giải pháp điển hình Kết hợp điều chế/giải điều chế tín hiệu băng tần sở thơng giải điển hình như: kết hợp OFDM M-QAM Các kỹ thuật điều chế/giải thích ứng điển hình như: A-OFDM A-QAM Kết hợp mã hóa kênh điều chế thích ứng AMC.` Fundamentals of Wireless Communication 3.2 Điều chế số khuôn dạng điều chế số Mục tiêu thiết kế Tối đa tốc độ số liệu Giảm thiểu xác suất lỗi ký hiệu Giảm thiểu công suất suất phát Giảm thiểu độ rộng kênh Tối đa khả chống nhiễu Tồn số mục tiêu đối lập như: mục tiêu (1&2) đối lập với mục tiêu (3&4) => cần lựa chọn giải pháp Giảm thiểu mức độ phức tạp mạch tối đa tận dụng dung hòa (tối ưu) tài nguyên (trang thiết bị & phổ tần, không gian, mã, thời cho thỏa mãn gian) nhiều mục tiêu Các ràng buộc Độ rộng băng tần cực tiểu theo lý thuyết Nyquist Lý thuyết dung lượng kênh Shannon Phân bổ phổ tần Hạn chế kỹ thuật Các yêu cầu khác quỹ đạo vệ tinh Dung hòa điều chế mã hóa xem thay đổi quan điểm khai thác hiệu xác suất lỗi & hiệu sử dụng băng thông Nguyễn Viết Đảm Fundamentals of Wireless Communication 3.4 KHƠNG GIAN TÍN HIỆU LÀ MỘT KHƠNG GIAN TRỰC GIAO N CHIỀU Khơng gian tín hiệu trực giao N chiều đặc trưng N hàm độc lập tuyến tính (t) gọi hàm sở, phải thỏa mãn điều kiện trực giao T N j j1 i (t), j (t) 0tT i (t) (t)dt K i ji ; i, j 1, , N * j 1, nÕu i=j Ki 0, i j K i 1, không gian tín hiệu gọi trực chuẩn (các trực chuẩn sở) Cỏc hàm trực giao chuẩn sở tạo thủ tục Gram-Schmidt Nguyễn Viết Đảm Fundamentals of Wireless Communication 3.4 Khơng gian tín hiệu Mục đích khơng gian tín hiệu: Trình bày vectơ tín hiệu (chuyển tín hiệu vào vectơ & ngược lại) Tách tín hiệu (chuyển tín hiệu thành dạng sóng ngược lại) Tính lượng tín hiệu khoảng cách Euclidean tín hiệu Ước tính hiệu SER (đánh giá hiệu chất lượng phương pháp điều chế) Khoảng cách Euclidean tín hiệu: Với mục đích tách tín hiệu: Tín hiệu thu chuyển thành vectơ thu Tín hiệu có khoảng cách Euclic nhỏ so với tín hiệu thu ước tính tín hiệu phát Nguyễn Viết Đảm Fundamentals of Wireless Communication 3.4 Khơng gian tín hiệu Nguồn tin mi Tạo vector (DEMUX MAP) si Điều chế si ( t ) Kênh Phát y( t ) Giải điều chế (Tương quan) Y Thu vector (Quyết định, MUX) mˆ i Thu Mơ hình đơn giản hệ thống truyền thơng Trình bày tín hiệu điều chế/giải điều chế khơng gian tín hiệu: Tập sóng mang điều chế si(t) trình bày dạng vector khơng gian tín hiệu theo nguyên tắc: Nếu tạo tập hữu hạn M tín hiệu lượng giá trị thực {si(t)}, i=1, ,M với tín hiệu có độ lâu T giây, tín hiệu điểu chế si(t) trình bày tổ hợp tuyến tính NM hàm trực giao chuẩn sở giá trị thực {j(t)}, j=1, ,N S11 S = Si1 SM1 S1j Sij SMj S1N 1 (t) s1 (t) S11 j (t) si (t) SMN N (t) s M (t) Các hàm trực giao chuẩn sở tạo thủ tục Gram-Shmit 1, (t) (t)dt 0 i j 0, T 0tT note si (t) sij j (t) víi j1 i 1, 2, , M N HƯ sè khai triĨn T nÕu i j, Unit Energy i 1,2, ,M sij si (t). j (t)dt ; si si1 siN , i 1, 2, , M nÕu i j Orthogonality Nguyễn j 1,2, ,N Viết Đảm Fundamentals of Wireless Communication 3.4 Khơng gian tín hiệu Các tham số đặc trưng vectơ tín hiệu: si si si Dé dµi vect¬: N s j1 ij s s Cosin góc hai vectơ: i j si s j T N E i s (t)dt sij2 si Năng lượng tín hiệu điều chế: i j1 Khoảng cách ơclit hai vectơ tÝn hiÖu: si s k s N j1 ij s kj T s (t) s i (t) dt k T T s (t) dt 2 s (t)s i i NÕu hai tÝn hiƯu si (t) & s k (t) trùc giao th× si s k k Ei Nguyễn Viết Đảm T (t)dt s k (t) dt Note Ek Ei E k 10 of Wireless Communication 3.17 Mật độ phổ côngFundamentals suất PSD tín hiệu điều chế Mật độ phổ cơng suất PSD tín hiệu QPSK Tín hiệu băng gốc ngẫu nhiên thành phần I Q: ACF : E g (t ) AK pT (t kT ); Ak T k PSD băng gốc QPSK thành phần I Q g (f) E.Sinc (fT) P Sinc (f / R) R g ( ) Ak2 T ( ) PSD : g ( f ) Ak2T Sinc ( fT ) ACF : S ( ) g ( ) cos(2 f c ) PSD : S ( f ) g ( f f c ) g ( f f c ) 4 PSD tín hiệu điều chế QPSK (tổng PSD thành phần I Q): E 2 S (f ) Sinc f f c T Sinc f f c T P Sinc f f c T Sinc f f c T 2R Nguyễn Viết Đảm 108 of Wireless Communication 3.17 Mật độ phổ cơngFundamentals suất PSD tín hiệu điều chế Mật độ phổ công suất PSD tín hiệu MSK Tín hiệu băng gốc thành phần I Q MSK: k g1 (t) A k pTb (t kTb ); A k 2E b t sin Tb 2Tb A k pTb (t kTb ); A k 2E b t cos Tb 2Tb k k g (t) k PSD tín hiệu băng gốc thành phần I Q g 32E b cos(2 fTb ) 2 16Tb f (f) PSD MSK (tổng PSD thành phần I Q): s (f) 16E b cos(2 b 16T f f fc Tb ) fc Nguyễn Viết Đảm cos(2 b 16T f f fc Tb ) fc 109 of Wireless Communication 3.17 Mật độ phổ côngFundamentals suất PSD tín hiệu điều chế PSD tín hiệu QPSK PSD tín hiệu MSK E Sinc ( f f c )T Sinc ( f f c )T P Sinc ( f f c )T Sinc ( f f c )T 2R S ( f ) (f) s 16E b cos(2 f fc Tb ) 16Tb2 f fc 2 cos(2 f fc Tb ) 16Tb2 f fc Mật độ phổ cơng suất chuẩn hóa s(f)/E 1,0 Mật độ phổ cơng suất biên tín hiệu QPSK MSK -1,25 -1 -0,75 QPSK 0,5 MSK -0,5 -0,25 0,25 Nguyễn Viết Đảm 0,5 0,75 1,0 1,25 ( f f c )Tb 110 of Wireless Communication 3.17 Mật độ phổ cơngFundamentals suất PSD tín hiệu điều chế Mơ tả, so sánh PSD tín hiệu QPSK MSK trờn Matlab Mật độ phổ công suất PSD tín hiệu đầu vào khối điều chế R b =200b/s -3 PSD đầu vào khối điều chế x 10 -500 -400 -300 -200 -100 100 200 300 400 500 Tần số [Hz] So sánh -3 PSD cđa QPSK & MSK, R =200b/s; TÇn sè sãng mang f =250H b x 10 c PSD cña QPSK PSD cña MSK -4 So s¸nh -3 PSD cđa QPSK & MSK, R =200b/s; TÇn sè sãng mang f =250H Z PSD cđa QPSK & MSK PSD cña QPSK & MSK -3 -2 -1 TÇn sè chuÈn hãa (f-f )T c b x 10 c Z PSD cña QPSK PSD cña MSK -500 -400 -300 -200 -100 100 200 300 400 500 TÇn sè [H ] b z NVD_PSD_Modulation PSD tín hiệu MSK PSD tín hiệu QPSK P S (f ) Sinc2 (f f c )T Sinc2 (f f c )T S ( f ) 2R Nguyễn Viết Đảm 2 16 Eb cos 2 ( f f c )Tb cos 2 ( f f c )Tb 2 2 16Tb ( f f c ) 16Tb ( f f c ) 111 of Wireless Communication 3.17 Mật độ phổ cơngFundamentals suất PSD tín hiệu điều chế Mật độ phổ công suất PSD tín hiệu M-PSK g E.Sinc Tf f E b log M.Sinc Tb log M.f T Tb log M; E=Eb log M Eb log M Sinc ( f f c )Tb log M Sinc ( f f c )Tb log M P log M Sinc ( f f c )Tb log M Sinc ( f f c )Tb log M Rb S ( f ) Mật độ phổ cơng suất chuẩn hóa s(f)/Eb 3,0 M=8 2,0 M=4 1,0 M=2 -1,0 -0,5 0,5 Mật độ phổ công suất M-PSK biên cho M=2,4,8 Nguyễn Viết Đảm 1,0 ( f f c )Tb 112 of Wireless Communication 3.17 Mật độ phổ côngFundamentals suất PSD tín hiệu điều chế Mơ tả, so sánh PSD ca tớn hiu M-PSK trờn Matlab Mật độ phổ công suất PSD tín hiệu đầu vào khối điều chế R b =200b/s -3 PSD đầu vào khối điều chế x 10 -500 -400 -300 -200 -100 100 200 300 400 500 TÇn số [Hz] So sánh mật độ phổ công suất PSD cđa tÝn hiƯu BPSK; QPSK; 8-PSK víi tèc ®é R =200b/s; TÇn sè sãng mang f =250H -3 PSD cđa BPSK-QPSK-8PSK b x 10 c Z PSD cña BPSK PSD cña QPSK PSD cña 8PSK -500 -400 -300 -200 -100 100 200 300 400 500 TÇn sè [Hz] E b log M S (f ) Sinc2 f f c Tb log M Sinc f f c Tb log M Nguyễn Viết Đảm 113 of Wireless Communication 3.17 Mật độ phổ cơngFundamentals suất PSD tín hiệu điều chế Nguyễn Viết Đảm 114 Fundamentals of Wireless Communication SO SÁNH HIỆU NĂNG CỦA CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ Chất lượng (độ tin cậy): Thường đánh giá xác suất lỗi ký hiệu Dung lượng: Thường đánh giá hiệu suất sử dụng băng tần Nguyễn Viết Đảm 115 Wireless Communication 3.18 SO SÁNH HIỆU Fundamentals NĂNGofCỦA CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ Xác suất lỗi ký hiệu trung bình Pe sơ đồ điều chế quán: BPSK, QPSK, MSK M-QAM môi trường kênh AWGN Eb Pe Q BPSK: N0 QPSK Eb Eb Pe = 2Q Q MSK N0 N0 4Eb M-PSK M : Pe 2Q log2 M sin N0 2M n 3Ebav Pe 1 M-QAM: Q M-1 N 0 M Nguyễn Viết Đảm , M 116 Fundamentals of Wireless 3.18 So sánh hiệu kỹCommunication thuật điều chế b) Xác suất lỗi bit a) Xác suất lỗi ký hiệu M-PSK BER1 10-1 -1 M=4 10-2 10 -3 Giới hạn Shannon Xác suát lỗi ký hiệu 10 M=16 M=32 M=64 10-2 M=2 M=8 10-3 10-4 10-4 10-5 -1,6dB 64 QAM 16QAM QPSK BPSK 10 15 20 25 30 SNR=Eb/N0 , dB 10 15 20 25 30 SNR1=5,7dB Nguyễn Viết Đảm SNR3=16dB SNR4=22dB SNR2=10dB SNR=Eb/N0 , dB 117 Fundamentals of Wireless 3.18 So sánh hiệu kỹCommunication thuật điều chế Nguyễn Viết Đảm 118 Fundamentals of Wireless 3.18 So sánh hiệu kỹCommunication thuật điều chế Hai nguồn tài nguyên sơ cấp: Công suất phát (phụ thuộc vào xác suất lỗi ký hiệu yêu cầu) Độ rộng băng tần cấp phát Hiệu suất sử dụng băng tần: Nếu ký hiệu: (i) tốc độ bit đầu vào sơ đồ điều chế Rb; (ii) độ rộng băng thông chiếm dụng sơ đồ điều chế B, hiệu suất sử dụng băng thông sơ đồ iu ch: Rb [bits/s/Hz] B Phụ thuộc vào loại điều chÕ: trêng hỵp M-PSK & M-QAM Rb B log M, [bits/s/Hz] Nguyễn Viết Đảm 119 Fundamentals of Wireless 3.18 So sánh hiệu kỹCommunication thuật điều chế P Dung lượng C B log [bits / s ] N0 B kênh có độ P công suất trung bình rng bng thụng B Một hệ thống lý tưởng hệ thống có tốc độ bit R b đạt đến dung lượng kênh C kªnh (R b =C ) [Hz] bị nhiễu NÕu E b =PTb P E b R b P.C tạp âm trắng cộng Eb C C Gauss có mật độ log B N0 B phổ công suất N0/2 giới hạn C B E b độ rộng băng C N thông B [Hz] B Nguyễn Viết Đảm 120 Fundamentals of Wireless 3.18 So sánh hiệu kỹCommunication thuật điều chế C B log P N0 B [bits / s ] P công suất phát trung bình Khả o sá t dung l-ợng kênh S IS O theo độ rộng bă ng B & S NR Dung l-ợng bits/s) 1500 1000 500 40 10000 20 8000 6000 P/N (dB) 4000 -20 2000 0 Nguyễn Viết Đảm Độ rộng băng Hz 121 Fundamentals of Wireless 3.18 So sánh hiệu kỹCommunication thuật điều chế 16 So sánh phương thức điều chế ánh sáng lý thuyết dung lượng kênh Giới hạn dung lượng Rb=c M = 256 Hiệu suất sử dụng băng tần Rb/B, bit/s/Hz M=16 M=8 1/2 Giới han Shannon Vùng Rb < c M=4 -6 -1,6 Vùng băng tần hạn chế M=64 C M=2 12 18 M=8 24 30 36 B log Eb /N0 ,dB P N0 B [bits / s ] TTb log M log M Rb Ký hiÖu: M=16 M-PSK quán với Pe = 10-5 M=32 -5 M-FSK quán với Pe = 10 1/4 Vùng công suất hạn chế -5 M-QAM quán với Pe = 10 BPSK 4-FSK quán với Pe = 10-5 Mặt phẳng hiệu suất sử dụng băng tần Nguyễn Viết Đảm 122 ... 3. 8 Điều chế/ giải điều chế BPSK quán 3. 9 Điều chế/ giải điều chế QPSK quán 3. 10 Điều chế OQPSK 3. 11 MSK GMSK 3. 12 Điều chế ASK nhiều trạng thái, M-ASK 3. 13 M-PSK 3. 14 Điều chế M-QAM quán 3. 15... tín hiệu điều chế/ giải điều chế sở khơng gian tín hiệu Tham số hóa tín hiệu điều chế theo tham số đặc trưng khơng gian tín hiệu Ngun lý hoạt động q trình điều chế/ giải điều chế sở khơng gian. .. THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ Xây dựng sơ đồ điều chế /giải điều chế sở khơng gian tín hiệu: Mơ hình hóa q trình truyền tín hiệu sở khơng gian tín hiệu, tham số đặc trưng khơng gian tín hiệu