Giáo trình thông tin vô tuyến

NGUYỀN VẤN ĐỨC (Chủ biên) VŨ VẤN YÊM, NGUYỀN QUỐC KHUÔNG n _n_ Thư viện - ĐH Quy Nhơn Ịliill 1 1 1 ldio VVD 7 I NHÀ XUÀT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẠT ■ Nguyễn Văn Đức (Chủ biên) Vũ Văn Yêm, Nguyễn Qụốc Khương THânG Tin võ TuyẾn (Radio Communications) TRƯỜNG ĐẠI HỌ C QUY N H ÍN THƯ VIỆN w t> - U = fT NHÀ XUẮT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT L i NĨI ĐẦU Các phương tiện thơng tin nói chung chia thành hai phương pháp thông tin bản, thơng tin vơ tuyến thơng tin hữu tuyến Mạng thông tin vô tuyến ngày trở thành phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho sống đại Nhận thức tầm quan trọng này, Hội đồng Khoa học Viện Điện tử Viễn thơng năm 2004 thành lập nhóm chun mơn xây dựng giáo trình mơn học Thơng tin vơ tuyến Mơn học có nhiệm vụ truyền đạt cho sinh viên kiến thức đặc tính, mơ hình kênh vơ tuyến, kiến trúc lớp vật lý, lớp điều khiển đa truy nhập (MAC layer), vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến vấn đề thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến Đe tiếp thu môn học này, sinh viên cần trang bị kiến thức mơn học Xử lý số tín hiệu, Cơ sở thông tin số Lý thuyết điều chế số, Cơ sờ lý thuyết thông tin Môn học lại hỗ trợ số môn học khác Viện môn Thông tin di động, Thơng tin vệ tinh, Trong chương trình giảng dạy Khoa, môn học Thông tin di động trang bị cho sinh viên kiến thức mạng di động từ lớp MAC trở lên, bao gồm vấn đề kiến trúc mạng tổ chức mạng, ứng dụng cụ thể mạng di động Môn học Di động tập trung giới thiệu công nghệ thông tin di động với mục đích để sinh viên nắm bắt triển khai công nghệ trường, mơn học Thơng tin vơ tuyến tập trung giới thiệu vấn đề chất vật lý xảy truyền dẫn vô tuyến vấn đề kiến trúc thiết kế chù yếu lớp vật lý lớp MAC cho hệ thống thông vô tuyến Do vậy, môn học Thông tin vô tuyến nện tảng cho lĩnh vực thông tin di động, thông tin vệ tinh, thông tin vi ba, phát truyền hình Ke từ ngày thành lập, nhóm chun mơn làm việc với tinh thần trách nhiệm cao, cố gắng cập nhật thông tin bản, đại lĩnh vực thông tin vơ tuyến giới vào chưcmg trình giảng dạy khoa Sau hai năm chuẩn bị, học kỳ I sinh viên K48 năm học 2006 - 2007, môn học Thông tin vô tuyến đưa vào chương trình giảng dạy nhà trường Giáo trình Thơng tin vơ tuyến xuất lần thứ vào năm 2006 50 năm thành lập trường Sau 10 năm sừ dụng, nhóm tác giả nhận đựợc đóng góp ý kiến rộng rãi từ đồng nghiệp, nhà khoa học sinh viên Nhân kỷ niệm 60 năm thành lập Trường Đại học Bách khoa Hà NỘI đông thời chỉnh sứa nội dung cập nhật kiến thức công nghẹ mơi, nhom tác giả xuất lại giáo trình Nội dung giáo trình lần xuất trình bày vắn tắt sau: Chương 1: Giới thiệu kiến thức tổng quan thông tin vô tuyến PGS TS Nguyễn Văn Đức soạn thảo Chương 2: Giới thiệu kiến thức bàn đặc tính kênh vơ tuyen, hiẹn tượng trun dẫn phân tập đa đường, tượng ading mien tân sô miền thời gian, hiệu ứng Doppler, mô inh toan học củạ kênh, phương pháp đo đạc tạo kênh „ tu^en' Cạp nhận thêm số nội dung đo đạc kênh thông tin thủy da thực hiẹn bời nhóm nghiên cứu Chương PGS TS Nguyên Văn Đức PGS TS Vù Văn YênTbiên soạn hương Giơi thiệu vê phương pháp lọc nhiễu cân băng kênh thông tin vô tuyến TS Nguyễn Quốc Khương PGS TS Nguyên Văn Đức biên soạn Chưong 4: Giơi thiệu vê kiên trúc hệ thống vô tuyên PGS TS Vũ Văn Yêm biên soạn Chương 5: Giới thiệu công nghệ đĩều chế tiên tiến giao diện vô tuyến TS Nguyễn Quốc Khương PGS TS Nguyễn Văn Đức biên soạn Chmmg 6: Giới thiệu kiến thức quàn lý tài nguyên vô tuyến, phương pháp cấp phát kênh PGS TS Nguyễn Văn Đức biên soạn Cuốn sách khó tránh khỏi thiếu sót Nhóm soạn thảo giáo trình xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp để lần xuất sau tốt Thư ý kiến đóng góp xin gửi Viện Điện tử Viễn thơng, C9 - 403, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hà Nội, tháng năm 2017 Các tác giả MỤC LỤC LỜI NÓI ĐÀU CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM VÈ THƠNG TIN VƠ TUN 1.1 Khái niệm thơng tin vô tuyến 1.2 Khái niệm kênh truyền 1.3 Khái niệm truyền dẫn băng tần sờ báng thong 1.4 Khái niệm sóng mang 1.5 Khái niệm quản lý tài nguyên vô tuyến 1.6 Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến 1.7 Khái niệm chuẩn vô tu y ến CHƯƠNG 2: LÝ THƯYÉT VÈ KÊNH VÔ TUYẾN 2.1 Khái niệm truyền dẫn phân tập đa đường 2.2 Đáp ứng xung cùa kênh không phụ thuộc thời gian 2.3 Hàm truyền đạt kênh không phụ thuộc thời gian 2.4 Be rộng độ ổn định tần số cùa kênh 2.5 Hiệu ứng Doppler 2.6 Kênh phụ thuộc thời gian 2.7 Bề rộng độ ổn định thời gian kênh 2.9 Quan hệ tín hiệu phát, tín hiệu thu mo hin 2.10 Các mơ hình toán học kênh i 2.11 Các phương pháp đo đặc tính cùa kênh vo t y 2.12 Các phương pháp tạo kênh vô tu y en 2.13 Các tập giải mẫu 2.14 Bài tập 12 12 13 13 13 13 14 14 15 15 17 18 19 21 23 26 27 28 31 36 52 56 58 CHƯƠNG 3: ƯỚC LƯỢNG VÀ CÂN BẰNG KÊNH CHO CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN 65 3.1 ước lượng kênh vô tuyến 65 3.2 Cân kênh„ CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG VÀ KIẾN TRÚC CÁC HỆ THĨNG VƠ TUYẾN ' 69 Tóm tắt việc sử dụng băng tần s ố Các chuẩn vô tuyến Một số vấn đề thiết kế hệ thống vô tuyến Kiến trúc hệ thống vô tuyến Bài tập 80 80 82 98 116 145 CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU VÈ KỸ THUẬT ĐIÈU CHẾ OFDM 5.1 Lịch sử phát triển 5.2 Các ưu nhược điểm 5.3 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM Việt Nam 5.4 Các hướng phát triển tương la i 5.5 Phương pháp điều chế đơn sóng mang 5.6 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM 5.7 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 5.8 Kiến trúc phát tín hiệu OFDM 5.9 Hệ thống thu - giải mã tín hiệu OFDM 5.10 Bài tậ p 148 148 149 150 150 151 152 154 155 164 166 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 CHƯƠNG 6: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN VÀ ĐIỀU KHIẾN ĐA TRUY NHẬP CHO MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 6.1 Khái niệm quản lý tài nguyên vô tuyến 6.2 Các phương pháp điều khiển đa truy nhập mạng thông tin vô tuyến 6.3 Câu hỏi 167 167 172 179 PHỤ LỤC A 180 PHỤ LỤC B Z Z IZ Z .Z Z 185 PHỤ LỤC c 199 TÀI LIỆU THAM KHẢO 222 CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tieng Anh Tiếng Việt AWGN Nhiễu tạp âm trắng BER Additive White Gaussian Noise Bit-Error-Ratio CIR Channel Impulse Response Tỷ lệ lỗi bít Đáp ứng xung kênh CTF Channel Transfer Function Hàm truyền kênh Fast Fourier Transform FFT HiperLAN/2 High Performance Local Area Network type Phép biến đổi Fourier nhanh IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Phép biến đồi ngược Fourier IFFT Inverse Fast Fourier Transform ISI Intersymbol Interference Thuât toán biến đổi nhanh ngược Fourier Nhiễu liên mẫu tín hiệu PDF Probability Distribution Function Hàm phân bô xác suat SER Symbol Error Rate SNR WSS Signal-to-Noise Ratio Wide sense-stationary us Uncorrelated scattering Tý lệ lỗi mẫu tín hiệu Tỷ lê tín hiệu tạp âm Quá trình dùng theo nghĩa rộng Tán xạ không tưomg quan Mạng cục máy tính khơng dây CÁC KHÁI NIỆM TIẾNG ANH CHUN NGÀNH Tiếng Anh Tỉếng Việt A litocorrelation function Channel coherence bandwidth Characteristic function Non-frequency selective channel Frequency selective channel Frequency autocorrelation function of the channel Tim autocorrelation function of the channel Time-invariant channel Time-variant channel Convolution operation Hàm tự tương quan Độ ổn định băng tần kênh Hàm đặc tính Kênh khơng phụ thuộc vào tàn sổ Kênh phụ thuộc vào tần số Hàm tự tương quan tần số cua kênh Hàm tự tương quan thời gian kênh Kênh không phụ thuộc thời gian Kênh phụ thuộc thời gian Phép chập hai tín hiệu GIẢI NGHĨA CÁC KÝ HIỆU TỐN HỌC Ký hiệu tốn học Ý nghĩa B c Độ rộng toàn băng tần hệ thống Thơng lượng kênh Es Cơng suất tín hiệu phát E[.] Hàm đợi /o Tần số sóng mang /í.inax Tần số Doppler lớn h{T,t) Đáp ứng xung kênh H{j(0,l) Vận tốc chuyển động tương đối máy phát máy thu Hàm truyền đạt kênh S(T,f) Hàm tán xạ kềnh n{t) Nhiễu trắng x(t) Tín hiệu phát y( t) Tín hiệu thu ^"max M-ary Trễ truyền dẫn lớn kênh cos Khoảng cách hai sóng mang phụ đơn vị radian (.)• Phép lấy liên hiệp phức Phép chuyển vị vector ma trận (.)w Phép chuyển vị vector ma trận đồng thời lấy liên hiộp phức {Hermitan trcmspose) Xung Dirac S{t) 10 Số bít mẫu tín hiệu Độ dài FFT trình vi xử lý quen với hai phương pháp dùng đê vào liệu phương pháp hỏi vòng (polling) ngắt (Interrupt) Tương tự vậy, sử dụng dòng vi xử lý chuyên dụng DSP áp dụng hai cách để đưa tín hiệu vào xử lý bo mạch DSK đưa tín hiệu từ bo mạch DSK Ngồi sứ dụng dịng vi xừ lý số DSP làm quen với mô hình EDMA, mơ hình vào đặc thù DSK 6713 Cụ thể: a Mơ hình vào kiểu polling Đây mơ hình vào đơn giản Trong mơ hình CPU phải tự thực chức vào bàng cách “hỏi đáp’, tức xử lý (CPU) liên tục kiêm tra liệu từ cổng I/O (in/out) sắn sàng chưa (trong trường hợp cần lấy liệu), sẵn sàng đọc liệu từ cơng I/O rơi thực ghi vào nhớ Với phương pháp CPU phải thực hai nhiệm vụ lấy, ghi liệu xử lý liệu h Mơ hình veto kiểu ngắt CPU xứ lý chuyên dụng DSP, 10 port McBSPs (Multichannel Buffered Serial Port) Đây cổng sử dụng với Codec AIC23 dùng đê cấu hình vào liệu Trong McBSPO cổng vào đieu khiên thông số hoạt động Codec, McBSPl cổng liệu DSK C6713 hỗ trợ nhiều ngất phần cứng hỗ trợ ngắt INTI cho cồng McBSPs để lấy liệu c Mơ hình EDMA Đây mơ hình ứng dụng phổ biến dịng họ vi xử lý chuyên dụng cho xừ lý tín hiệu Nó kết hợp cùa phần mềm phần cưng.Vê mặt phân cứng điều khiển EDMA, mặt phần mềm viẹc pho^ hợp ngắt cứng EDMA xử lý ngắt mềm EDMA cho phép truy en đơng kích hoạt bời kiện (ví dụ ngắt) Nó hoạt động độc lập với CPU, có liệu từ cổng I/O, EDMA điều điêu khiên đưa dừ liệu trực tiếp vào nhớ mà không cần can thiệp CPU 214 2^ EDMA Read data from 10 EDMA Write data to Memory Hình C.10: Kỹ thuật ghi đọc nhớ sử dụng kỹ thuật EDMA [TI] Với việc sử dụng mơ hình liệu đưa vào nhớ dạng khung liệu đóng gói để dễ dàng cho người dùng xử lý mặt khác khơng địi hỏi CPU phải tham gia vào q trình lấy liệu từ CPU tập trung vào việc xử lý liệu nâng cao hiệu suất xừ lý sử dụng cho CPU Kỹ thuật điều phối vào Ping Pong Đây kỹ thuật vào điển hình sử dụng EDMA, kỹ thuật sử dụng kết hợp tính Linked Transfer EDMA kỹ thuật điều phối tiến trình (sử dụng ngắt cứng ngất mềm) Trong kỹ thuật này, liệu vận chuyển qua lại từ codec thông qua McBSPl cổng liệu nối tiếp hai chiều cho việc vào liệu.Bộ điêu khiển EDMA cấu hình để lấy mẫu liệu lóbit có dâu McBSPl lưu vào đệm xử lý Một xử lý xong lại gửi McBSPl đến codec đê phát 21 Một kênh EDMA sử dụng để truyền liệu đến codec kênh khác sử dụng để nhận liệu từ codec Việc việc sử dụng phương pháp cần dùng tới đệm cho việc vào dừ liệu sau: In tl6 gBufferXmtPingfBUFFSIZEJ; //Transmit Ping buffer Ini ỉ gBufferXmtPongfBUFFSIZEJ; //Transmit Pong buffer Intìộ gBufferRcvPingfBUFFSIZEJ; //Receive Ping buffer Intl6 gBuJferRcvPongfBUFFSIZE]; //Receive Pong buffer Và minh họa hình c l ^ Amlio P.TMInput Sti earn tMcBSP2 Receive» Left Right Left Right Left Right Left Right I 0000 10000 I 0001 I 0001 10002 I 0002 I 0003 I 0003 I PING 0000 0002 0004 0001 0003 0005 0508 p o s io 0508 0510 050910509 051110511 n OButCecXntPing Õ pổo 0PÚ2 0PỚ4 g B u ffe cR cv P o n g 0001 0003 0005 0512 0514 0516 10513 10513 051 0515 05 0516 0517 0517 1020 I 1020 1021 110211 n u M n J ptoceasBuffet CQQ «? Pp gB uCCecXatPong 0000 Oữdỉ 0ífỔ2 O0Ớ3 o ộ ĩ ĩ 0pứ5 0.00 W Q “Ị £ ~ p Ë =J s? *> ĩỊ= 1022 I 1022 I 1023 11 ' ôẻ c V p iu c es s B u if et Ị 1 0>0e 0X)8 O5 O9 ỈO 5Í0 1Ị oV ío 11o V il Ệ Ỉ PONG 0000 0002 0004 - o B u ffe c R c v P in g 0509 ịoyíL I AiKtio Data CnftfHrt sw a m