Phương pháp cân bằng kênh sử dụng bộ lọc ép không v2

HA NOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY School of Electronics and Telecommunications ========00======= BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN VÔ TUYẾN ĐỀ TÀI PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG KÊNH SỬ DỤNG BỘ LỌC ÉP KHÔNG Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Vũ Văn Yêm Sinh viên : Dương Trung Đức Phan Tất Hải Triều Lê Bùi Phúc Lớp : KSTN-ĐTVT-K55 Hà Nội – 12/2013 Mở đầu Trong thời đại cơng nghệ thơng tin phát triển, vai trị thông tin vô tuyến trở nên ngày quan trọng Với đời liên tiếp công nghệ 3G, 4G, khoảng thời gian ngắn, thông tin vô tuyến cho thấy phát triển vượt bậc ứng dụng phong phú vào điện tử - viễn thơng Để tiếp cận, xa ứng dụng công nghệ mới, trước hết cần phải nắm kỹ thuật thông tin vô tuyến Nhận thấy vai trò quan trọng cân kênh hệ thống thông tin vô tuyến, chúng em chọn đề tài cho tập lớn “Cân kênh phương pháp ZFF” Mục đích tập hiểu thêm kỹ thuật cân kênh, cụ thể phương pháp ZFF vai trị nó Bài tập lớn chúng em khơng tránh khỏi sai sót, chúng em kính mong thầy giáo góp ý để thể hồn thiện tập Qua đây, chúng em xin cảm ơn Thầy giáo, PGS.TS Vũ Văn Yêm bảo, giảng giải giúp đỡ thời gian qua Những giảng thầy nguồn tư liệu quý báu để chúng em tham khảo Chúng em chúc thầy mạnh khỏe công tác tốt Mục lục Lời mở đầu…………………………………………… A Tổng quan về cân bằng kênh…………………… Khái niệm, mục đích và vai trò của cân bằng kênh………………………………………………4 Vài nét về nhiễu xuyên ký tự ISI………………4 B Phương pháp cân bằng kênh ZFF……………… Xây dựng bộ cân bằng lý thuyết………….6 Bài tập ví dụ………………………………… 11 Mô phỏng…………………………………… 13 Tài liệu tham khảo……………………………………15 Phụ lục……………………………………………… 16 A Tổng quan cân kênh Khái niệm, mục đích vai trị cân kênh Trong hệ thống thơng tin vơ tuyến, tín hiệu thu máy thu thơng thường bị suy giảm méo suy hao đường truyền miền tần số thời gian Chính thế, thu tín hiệu cần có cân kênh lọc nhiễu Cân kênh lọc nhiễu q trình khơi phục lại tín hiệu thu cho có xác suất lỗi nhỏ Nguyên nhân gây suy giảm méo chủ yếu nhiễu liên ký hiệu ISI (InterSymbol Interference) sinh truyền sóng đa đường, mục đích cân kênh giảm nhiễu ISI (Khái niệm bộ cân bằng vì thế còn được hiểu theo nghĩa rộng là bộ xử lý tín hiệu làm tối thiểu nhiễu ISI) Nhiễu ISI gây méo và làm tăng tỉ lệ lỗi bit ở phía thu nên phải đặt bộ cân bằng kênh ở phía thu Do đặc tính biến đổi theo thời gian kênh, cân kênh phải có khả thích nghi (adaptive) theo thời gian Input channel Noise – whitening filter + Gauss noise equalizer output Vị trí bộ cân bằng hệ thống vô tuyến Vài nét về nhiễu xuyên ký tự ISI: ISI intersymbol interference, tượng nhiễu liên kí hiệu ISI xảy hiệu ứng đa đường, tín hiệu tới sau gây ảnh hưởng lên kí hiệu trước Trong mơi trường truyền dẫn vô tuyến, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác từ hướng khác từ phát đến thu điều tránh khỏi Ảnh hưởng làm biến dạng hồn tồn mẫu tín hiệu khiến bên thu khơng thể khơi phục lại tín hiệu gốc ban đầu S1 S2 Path S3 S1 t TX τ1 Path S2 S1 S3 S2 S3 τ2 Hình 1: Nhiễu ISI Trong hệ thống đơn sóng mang, ISI vấn đề nan giải Lí độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian kí hiệu, vậy, muốn tăng tốc độ truyền liệu hệ thống này, tức giảm khoảng kí hiệu , vơ hình chung làm tăng mức trải trễ tương đối Lúc hệ thống nhạy với trải trễ Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI Ngoài nhiễu ISI, tín hiệu có ích còn bị ảnh hưởng bởi nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference CCI), nhiễu kênh lân cận (Adjacent Channel Interference ACI), nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference MAI), nhiễu đa người sử dụng (Multi User Interference MUI), nhiễu ISI là nguyên nhân gây ảnh hưởng tới chất lượng TTVT, vì vậy cần phải có bộ cân bằng kênh để giảm thiểu ảnh hưởng này kỹ thuật cân bằng kênh phổ biến để giảm nhiễu ISI là dùng bộ lọc ép không ZFF Input equalizer Communications channel output Hình 2: Tín hiệu trước và sau cân bằng h(t ) B Phương pháp cân kênh ZFF  Giới thiệu Bộ cân kênh ZF (Zero Forcing Equalizer) dạng cân kênh tuyến tính sử dụng hệ thống viễn thơng để chuyển đổi đáp ứng kênh truyền Dạng cân đề xuất Robert Lucky Bộ cân kênh ZF hay gọi lọc đảo có nhiều ứng dụng Ví dụ chuẩn IEEE 802.11n Tên gọi Zero Forcing tương ứng với việc ép nhiễu ISI xuống mức Điều có ý nghĩa nhiễu ISI lớn so với tạp âm Xây dựng bộ lọc cân bằng lý thuyết Để đơn giản xét hệ PAM nhị phân có biên độ báo hiệu dạng cực: (1) Dãy xung Dirac cấp lên lọc phát có đáp ứng xung g(t) tạo nên tín hiệu (hình 3): (2) S(t) tiếp qua kênh h(t) có cộng thêm ồn w(t) tín hiệu x(t) thân x(t) lại qua lọc thu cho lối y(t) Lối lấy mẫu đồng với phát ( thời điểm lấy mẫu gọi xung nhịp, xung nhịp thường tách lọc thu) Khối phát Khối thu n(t) Dữ liệu Máy bk ak Bộ lọc nhị phát phát phân xung đầu vào Xung đồng g(t hồ ) st Kênh truyền xt Bộ lọc thu c(t) yt yti Bộ định Lấy mẫu t=iTb Dữ liệu nhị phân Hình 3: hệ thống truyền liệu nhị phân băng cở sở Cuối cho mẫu định ( so với ngưỡng) để tạo lại dãy liệu ban đầu Lối lọc viết: Chính xác lượng nhỏ trẽ thời gian t0 cần bổ xung thêm vào tham số xung p(t-Tb), song để đơn giản ta coi trễ khơng mà khơng tính tổng quát Đối chiếu biểu thức ta có : Giả sử p(t) chuẩn hoá cách đặt p(0) =1 Chuyển sang vùng tần số: n(t) lối ồn, lối vào w(t) Khi mẫu y(t) ti = iTb ta có : (3) (4) (5) (6) Số hạng biểu diễn bit thứ I truyền, số hạng thứ biểu diễn phần ảnh hưởng bit khác lên bit I (ISI) , phần cuối biểu diễn ồn Nếu khơng có ISI thì: (7) Nhiệm vụ lọc phát lọc thu cần phải giảm thiểu hiệu ứng ồn hiệu ứng ISI Nhận xét: Vấn đề ISI tồn kênh bang tần hữu hạn( cắt bớt tần số cao xung tín hiệu) làm xung cạnh ảnh hưởng lên Với kỹ thuật truyền thông tin số, điều giải hồn hảo thời điểm lấy mẫu tín hiệu, ảnh hưởng kí hiệu lân cận khơng, khác khơng phải xác định giá trị ảnh hưởng Điều liên quan dến tạo dạng xung p(t) để theo ISI bị loại trừ  Tiêu chuẩn Nyquist cho truyền băng sở Tiêu chuẩn làm cho ISI không Thông thường hàm chuyền kênh dạng xung tín hiệu tin xác định trước, vấn đề xác định hàm chuyền lọc phát lọc thu để tạo dãy liệu nhị phân {bk} xác Việc tách mẫu t = iTb, việc giải mã đặt u cầu khơng có đóng góp xung lân cận thông qua số hạng akp(iTb – kTb) với k ≠I ( tức khơng có ISI hay ISI khơng) điều u cầu ta phải có dạng xung p(t) cho : (8) Lúc y(ti) =µai Đây điều kiện thu hồn hảo khơng có ồn Ta phân tích điều kiện cách chuyển sang vùng tần số: Theo lý thuyết xử lý tín hiệu, phổ tín hiệu mẫu chồng chập phiên dịch phổ tín hiệu p(t) nhân với nhân tử tỉ lệ 1/Tb Các bước dịch phổ bội lần tốc độ lấy mẫu: (9) Ở Rb =1/Tb tốc độ bit giây Mặt khác Pδ(f) biểu diễn biến đổi Fourier dãy vô hạn xung delta lặp lại với chu kì Tb , với trọng số lấy mẫu p(t) : (10) Đặt m=i-k ( i=k, m=0; i≠k m≠0) dựa điều kiện lấy mẫu khơng có ISI p(t) ta có: (11) Kết hợp (2.31, 2.32) điều kiện ISI không là: (12) Tức tổng P(f) với phiên dịch số Chú ý P(f) phổ tín hiệu sau sau qua hệ thống gồm: lọc phát, kênh truyền lọc thu Đây tiêu chuẩn Nyquist cho truyền tin băng sở biểu diễn miền tần số  Xây dựng bộ cân bằng kênh Trên thực tế hiếm ta biết trước được chính xác đặc tính của kênh và có những yếu tố làm sai lệch kênh không tránh khỏi dẫn đến một lượng ISI nhất định, kết quả là tốc độ dữ liệu giảm Để bù lại những méo này, ta có thể áp dụng bổ sung một bộ cân bằng(đặt sau bộ lấy mẫu, thực chất nó là một bộ lọc số) Thích hợp cho thiết kế bộ cân bằng này là bộ lọc đường trễ là bộ lọc ngang (hình 4) Để đối xứng, số nút của bộ lọc chọn là 2N+1 c-N X T T T c-N+1 c-N+2 c-N+3 X X T X … T cN X + y(t) y(mT) Đáp ứng xung của bộ lọc này sẽ là: (13) T được chọn bằng độ dài kí hiệu Giả sử bộ cân bằng mắc nối tiếp sau hệ tuyến tính có đáp ứng xung là h’(t) Kí hiệu p(t) là đáp ứng xung của toàn hệ: p(t) = h’(t) *g(t)  (14) Tại thời điểm lấy mẫu ta có tổng chập rời rạc: (15) Chú ý là dãy p(mT) dài dãy h’(mT) Để loại bỏ ISI phải thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist với T dùng thay cho Tb Giả thiết p(0) = và thỏa mãn: p(mT) = m = = m còn lại Song chỉ có 2N+1 hệ số có thể điều chỉnh được bộ lọc nên thay bằng: p(mT) = m = = m = -N,-N+1,…-1,1,….,N-1,N Trong dạng ma trận ta có: (16) hay (17) Ở điều kiện lý tưởng, p(t) xung Dirac 10 (18) Từ đó ta sẽ tính được hệ số của bộ lọc c(t) mong muốn  Nhận xét: - Phương pháp này dễ dàng thực hiện N càng dài càng gần với tiêu chuẩn Nyquist - Thực tế, cân kênh ZF không hoạt động đa số ứng dụng vì: o Do C(z)=1/H(z), lọc đảo khuyêch đại tạp âm lớn.Do lọc sử dụng hệ thống cần SNR cao o Dù cho đáp ứng xung kênh truyền có chiều dài hữu hạn đáp ứng xung cân có chiều dài vơ hạn o Trong vài trường hợp tín hiệu nhận nhỏ, để bù đắp , tín hiệu lọc phải lớn Bài tập ví dụ Bài 1: Kênh truyền có đáp ứng xung: 11 p(-2) = 0.1 ; p(-1) = -0.2 ; p(0) = ; p(1) = 0.1 ; p(2) = ; a Tính hệ số Cn lọc ép khơng b Tính tín hiệu sau cân kênh Bài giải a)  Ma trận nghịch đảo:  Vecto hệ số lọc cột trung tâm ma trận nghịch đảo 12  b) Mô phỏng a Tính hiệu PAM   Bolocepkhong.m clc, clear all N=6; x=(-1).^(floor(2*rand(1,N))) g=[0.16, 0.45]; Y=conv(g,x); SNRdB=100; r=awgn(Y,SNRdB); Xh = ZF(g,r); Xh(find(Xh>0))=1 Xh(find(Xh0.5; s = 2*ip-1; nTap = 3; ht = [0.2 0.9 0.3]; chanOut = conv(s,ht); n = 1/sqrt(2)*[randn(1,N+length(ht)-1) + j*randn(1,N+length(ht)-1)]; y = chanOut + 10^(-Eb_N0_dB(ii)/20)*n; for kk = 1:K [ L = length(ht); hM = toeplitz([ht([2:end]) zeros(1,2*kk+1-L+1)], ht([2:-1:1]) zeros(1,2*kk+1-L+1) ]); d = zeros(1,2*kk+1); d(kk+1) = 1; c = [inv(hM)*d.'].'; yFilt yFilt yFilt ySamp = = = = conv(y,c); yFilt(kk+2:end); conv(yFilt,ones(1,1)); yFilt(1:1:N); ipHat = real(ySamp)>0; 16 nErr(kk,ii) = size(find([ip- ipHat]),2); end end simBer = nErr/N; theoryBer = 0.5*erfc(sqrt(10.^(Eb_N0_dB/10))); % plot semilogy(Eb_N0_dB,simBer(1,:),'bs-'),'Linewidth',2; hold on semilogy(Eb_N0_dB,simBer(2,:),'gd-'),'Linewidth',2; semilogy(Eb_N0_dB,simBer(3,:),'ks-'),'Linewidth',2; semilogy(Eb_N0_dB,simBer(4,:),'mx-'),'Linewidth',2; axis([0 10 10^-3 0.5]) grid on legend('sim-3tap', 'sim-5tap','sim-7tap','sim-9tap'); xlabel('Eb/No, dB'); ylabel('Bit Error Rate'); title('Xac suat loi bit BPSK'); 17