Báo cáo thông tin số

Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Khoa Cơ Điên-Điện Tử  BÁO CÁO MÔN HỌC THÔNG TIN SỐ Đa Nhập Vô Tuyến Trong Môi Trường Fading Đa Đường Và Phân Tập GVHD: Thầy Trần Duy Cường SVBC: Mai Thành Trung MSSV: 0951010088 TP.HCM, tháng 05 năm 2014 Trang 1 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường I. Nội dung báo cáo: Đa nhập vô tuyến trong môi trường fading đa đường và phân tập • Fading và dịch DOPPLER đối với truyền dẫn một tầng số • Kênh fading chọn lọc tần số • Hiệu năng DSCDMA trong môi trường fading nhiều đường • Các dạng phân tập II. Phần báo cáo: 1. FADINH VÀ DỊCH DOPPLER ĐỐI VỚI TRUYỀN DẪN MỘT TẦN SỐ a. Fading là gì? Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác đông của môi trường truyền dẫn. Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến măt đất như: • Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn • Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù sự hấp thụ này phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt là dải tần cao (>10Ghz). • Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật đô không khí. • Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề măt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển. Đây cũng là môt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường. • Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường. Hiện tượng này đăc biệt quan trọng trong thông tin di động. Do tác động của fading nên mức tín hiệu thu được sẽ bị sụt giảm so với mức tín hiệu khi ko có fading. Như vậy fading sẽ làm thay đổi mức ngưỡng của máy thu => máy thu sẽ nhận được mức tín hiệu yếu và có thể làm gián đoạn thông tin nếu fading quá mạnh. Một trong những thông số đánh giá chất lượng đường truyền là dựa trên tỷ số BER , các tỷ số BER khác nhau sẽ cho một mức ngưỡng thu tương ứng và cũng có độ dự trữ fading khác nhau. => nếu tính toán độ dự trữ fading tốt thì sẽ giản được ảnh hưởng của các loại fading nói trên Trang 2 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường b. Phân loại fading - Fading phẳng - Fading chọn lọc tần số - Fading nhanh - Fading chậm Chúng được phân loại theo chu kỳ của tín hiệu và băng thông của tín hiệu dãi nền như sau: Trang 3 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường Fading phẳng: Là Fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể và hầu như là hằng số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu. Fading phẳng thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến có dung lượng nhỏ và vừa, do độ rộng băng tín hiệu khá nhỏ nên fading do truyền dẫn đa đường và do mưa gần như là xem không có chọn lọc theo tần số. Fading phẳng do truyền dẫn đa đường: hình thành do phản xạ tại các chướng ngại cũng như sự thay đổi của độ khúc xạ của khí quyển cường đô trường thu được ở đầu thu bị suy giảm và di chuyển trong quá trình truyền dẫn. Trong các hệ thống chuyển tiếp số LOS (Line-Of-Sight), sự biến thiên của đọ khúc xạ là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng truyền dẫn đa đường mà kết quả của nó là tổn hao Fading thay đổi theo tần số. Tuy nhiên, hệ thống có băng tín hiệu nhỏ nên tín hiệu suy hao fading đa đường là nhỏ nên có thể bỏ qua và fading đa đường được xem là fading phẳng. Đối với fading đa đường, việc thực hiện được đánh giá bằng đo công suất tín hiệu thu được tại một tần số trong băng tín hiệu. Đặc trưng thống kê của fading phẳng đa đường là phân bố thời gian fading vượt quá một mức nào đó Fading phẳng do hấp thụ: Là hiện tượng sóng điện từ bị hấp thụ và bị tán xạ do mưa, tuyết, sưong mù.hay các phần tử khác tổn tại trong môi trường truyền dẫn nên các tín hiệu vào đầu thu bị suy giảm. Nói chung hiện tượng fading này thay đổi phụ thuộc vào thời gian Trang 4 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường Ảnh hưởng của flat fading tác động lên toàn bộ dải tần tín hiệu truyền trên kênh là như nhau, do đó việc tính toán độ dự trữ fading (fading margin) dễ dàng hơn (các tần số trong băng tần đều bị tác động như nhau thì chỉ việc tăng thêm phát cho tất cả băng tần. Thực tế thì có bộ gọi là tự động điều chỉnh độ lợi-AGC (Auto Gain Control) sẽ điều chỉnh mức bù nhiễu này) Fading lựa chọn tần số (selective fading) Xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền. Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng kênh) sẽ chịu nhiều tác động của selective fading. Nói chung là đối với toàn bộ băng thông kênh truyền thì nó ảnh hưởng không đều, chỗ nhiều chỗ ít, chỗ làm tăng chỗ làm giảm cường độ tín hiệu. Loại này chủ yếu do fading đa đường gây ra. Trang 5 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường Fading nhanh và fading chậm Fading nhanh (fast fading): hay còn gọi là hiệu ứng Doppler, nguyên nhân là có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thu được sẽ bị dịch tần đi 1 lượng delta_f so với tần sô phát tương ứng f_thu = f_phát. (c + v_thu) / (c+v_phát) => delta_f=abs[f_thu-f_phát]=abs[v/(c+v_phát)].f_phát Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu (tại cùng 1 t/s phát). Do đó hiện tượng này gọi là fading nhanh. Tuy nhiên, đó không phải là toàn bộ nội dung của fading nhanh mà các hiệu ứng đa đường (multipath) cũng có thể kéo theo sự biến đổi nhanh của mức nhiễu tại đầu thu gây ra fast fading. Fading chậm (slow fading): Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền. VD: tòa nhà cao tầng, ngọn núi, đồi…làm cho biên độ tín hiệu suy giảm, do đó còn gọi là hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Hay sự không ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi là suy hao chậm. Vì vậy hiệu ứng này gọi là Fading chậm (slow fading) Như vậy, slow fading và fast fading phân biệt nhau ở mức độ biến đổi nhiễu tại anten thu. Khắc phục: bằng cách tính toán độ dự trữ fading Dự trữ fading che khuất chuẩn-log (dự trữ fading chậm - Slow/Shadowing Fading Margin) Khoản này tính được dựa trên xác suất rớt cuộc gọi cho phép do fading chậm gây nên, thường nó là 1% theo nhiều tài liệu. Lượng dự trữ fading chậm này tính được nếu ta có được đường cong mật độ xác suất fading che khuất (dạng chuẩn- log). Cái đường cong mật độ này có được nhờ phương pháp thống kê (nhờ đo bằng driving-test để có được độ lệch quân phương (zigma) hay còn gọi là độ lệch chuẩn - standard deviation - của biến ngẫu nhiên mức fading che khuất, và một Trang 6 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường phân bố chuẩn có kỳ vọng bằng không hoàn toàn xác định được pdf của nó nếu biết zigma). Dự trữ fading nhanh (Multipath Fading Margin) Cái này có rắc rối hơn đôi chút. Với các hệ thống băng hẹp như GSM (tốc độ dữ liệu trên kênh thấp do chủ yếu chỉ phục vụ dịch vụ thoại và dữ liệu tốc độ thấp) thì multipath fading xem được là flat-fading. Khi đó dự trữ fading nhanh có thể xác định được theo phân bố của mức fading nhanh. Với các môi trường khác nhau, sẽ có các phân bố khác nhau, trải từ phân bố chuẩn (kênh Gauss) hay Ricean (kênh Rice) cho tới Rayleigh (kênh Rayleigh), trong đó kênh Rayleigh là kênh tồi nhất, rất hay gặp trong môi trường macro khu vực đô thị. Do vậy, khi tính toán thiết kế vô tuyến (tính toán phủ sóng) người ta thường tính với trường hợp xấu nhất là với kênh Rayleigh. Pdf (Probability Density Function - hàm mật độ xác suất) Rayleigh của biến ngẫu nhiên là mức fading nhanh cũng hoàn toàn xác định được nếu có được độ lệch quân phương zigma của nó. Cái này (zigma) cũng phải xác định bằng đo lường (driving-test). Từ đó ta có thể xác định được độ dự trữ fading nhanh để bảo đảm xác suất rớt cuộc gọi do fading nhanh gây ra thấp dưới một mức nào đó, cũng thường là 1%. c. Hiệu ứng Doppler Âm Thanh và sự chuyển dịch: Khi chúng ta đang di chuyển, hoặc khi nguồn phát ra âm thanh di chuyển, chúng ta sẽ nghe thấy sự thay đổi của âm thanh truyền đến tai. Bạn có thể cảm thấy tiếng động cơ xe hoặc tiếng còi tàu ngày càng nhỏ hơn khi nó đi ra xa khỏi bạn. Cường độ của tiếng còi tàu không thay đổi, nhưng bạn lại nghe thấy nó thay đổi. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Doppler. Hiệu ứng Doppler được đặt theo tên của một nhà vật lý học người Áo, Christian Johann Doppler Hiệu ứng Doppler là trong đó tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ hay các sóng nói chung bị thay đổi khi mà nguồn phát sóng chuyển động tương đối với người quan sát. Đối với sóng chuyển động trong một môi trường, như sóng âm, nguồn sóng và người quan sát đều có thể chuyển động tương đối so với môi trường. Hiệu ứng Doppler lúc đó là sự tổng hợp của hai hiệu ứng riêng rẽ gây ra bởi hai chuyển động này. Trang 7 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường Trong đó: là vận tốc lan truyền của sóng trong môi trường, là vận tốc tương đối của người quan sát đối với môi trường, nhận giá trị dương nếu người quan sát tiến lại gần nguồn âm, là vận tốc tương đối của nguồn đối với môi trường, nhận giá trị dương nếu nguồn dịch chuyển ra xa đối với người quan sát. Tần số tăng lên khi nguồn tiến về phía người quan sát, và giảm đi khi nguồn đi ra xa người quan sát(với điều kiện chuyển động giữa nguồn và người không phải là chuyển động đều). Cụ thể, nếu nguồn di động trong môi trường phát ra sóng với tần số tại nguồn là f 0 , một người quan sát đứng yên trong môi trường sẽ nhận được tần số f: với c tốc độ lan truyền của sóng trong môi trường, v là thành phần vận tốc chuyển động của nguồn so với môi trường theo phương chỉ đến người quan sát (âm nếu đi về phía người quan sát, dương nếu ngược lại). Trang 8 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường Tương tự, khi nguồn đứng im còn người quan sát chuyển động: Đối với sóng điện từ (ví dụ ánh sáng), lan truyền mà không cần môi trường, hiệu ứng Doppler được tính toán dựa vào thuyết tương đối. Trong hiệu ứng Doppler thật ra tần số của nguồn sóng không bị thay đổi. Để hiểu rõ nguyên nhân tạo ra hiệu ứng Doppler, sự thay đổi tần số, ta lấy ví dụ của hai người ném bóng. Người A ném bóng đến người B tại một khoảng cách nhất định. Giả sử vận tốc trái bóng không đổi và cứ mỗi phút người B nhận được x số bóng. Nếu người A từ từ tiến lại gần người B, người B sẽ nhận được nhiều bóng hơn mỗi phút vì khoảng cách của họ đã bị rút ngắn. Vậy chính số bước sóng bị thay đổi nên gây ra sự thay đổi tần số. Ứng dụng Súng bắn tốc độ: Sử dụng cơ chế radar và hiệu ứng Doppler, phát ra một bước sóng radio có tần số xác định f0 rồi thu nhận tần số sóng radio f1 phản xạ ngược trở lại từ phương tiện giao thông đang di chuyển với vận tốc u. Từ f0 và f1 ta sẽ tính ra được vận tốc của phương tiện giao thông đó 2. KÊNH FADINH CHỌN LỌC TẦN SỐ Xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền. Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng kênh) sẽ chịu nhiều tác động của selective fading. Nói chung là đối với toàn bộ băng thông kênh truyền thì nó ảnh hưởng không đều, chỗ nhiều chỗ ít, chỗ làm tăng chỗ làm giảm cường độ tín hiệu. Fading lựa chọn tần số (selective fading) chỉ loại Fading mà suy hao đa đường của nó phụ thuộc vào tần số. Nguyên nhân dẫn đến kiểu Fading này là do hiện tượng phân tập đa đường. Các tia sóng bị khúc xạ theo nhiều hướng(đặc điểm độ khúc xạ thay đổi), bị phản Trang 9 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường xạ bởi nhiểu vật chắn nên chúng phải truyền từ máy thu đến máy phát theo những con đường khác nhau, chính vì vậy nên thời điểm đến máy thu cũng khác nhau => độ lệch pha khác nhau => suy hao. Với những hệ thống vo tuyến dung lượng cao(cỡ 70 -80 Mbps trở lên) thì băng tần tín hiệu khá rộng (C ~ B ) nên sự suy hao phụ thuộc vào tần số sẽ rõ rệt hơn. Chính vì vậy thường quan tâm tới hiện tượng Fading lựa chọn tần số trong các hệ thống thông ti vô tuyến số dung lượng lớn. Fading lựa chọn tần số sẽ gây ra méo tuyến tính rất nghiêm trọng, từ đó gây ra hiện tượng ISI (nhiễu liên mẫu tín hiệu), là nguyên nhân gây dán đoạn liên lạc khi có tạp âm(cả khi SNR lớn hơn mức bình thường), thậm chí khi không có tạp âm. Fading chọn lọc tần số (selective fading) gây bởi truyền đa đường với cùng những nguyên nhân như đã nói trên, hệ quả là hàm truyền của kênh không bằng phẳng trong độ rộng băng của tín hiệu, nhất là với các tín hiệu có tốc độ bít lớn. Điều này dẫn đến ISI và ảnh hưởng tới BER của hệ thống (làm tăng BER). Do tác động của fadinh nên mức tín hiệu thu được sẽ bị sụt giảm so với mức tín hiệu không có fadinh.Như vậy fadinh sẽ làm thay đổi mức ngưỡng của máy thu máy thu sẽ nhận được mức tín hiệu yếu và có thể gián đoạn khi fading quá mạnh Tác hại lớn nhất của loại fading này là gây nhiễu lên kí tự -ISI. Selective fading tác động lên các tần số khác nhau (trong cùng băng tần của tín hiệu) là khác nhau, do đó việc dự trữ như flat fading là không thể. Để khắc phục, người ta sử dụng một số biện pháp: • Phân tập (diversity): không gian (dùng nhiều anten phát và thu) và thời gian (truyền tại nhiều thời điểm khác nhau). • Sử dụng mạch san bằng thích nghi, thường là các ATDE (Adaptive Time Domain Equalizer) với các thuật toán thích nghi thông dụng là Cưỡng ép không ZF (Zero Forcing) và Sai số trung bình bình phương cực tiểu LMS (Least Mean Square error); • Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn có thể lớn do selective fading gây nên); Trang 10 [...]... hiện ˆ mã trải phổ và bk (t ) thể hiện chuỗi bit thu ˆ Tín hiệu ở đầu vào của máy phát k là luồng thông tin của người sử dụng bk (t ) có tốc độ bít Rb=1/Tb Đây là một tín hiệu cơ số hai ngẫu nhiên đơn cực với hai mức giá trị {0,1} đồng xác suốt được biểu diễn như sau[2]: Trang 14 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường ∞ bk (t ) = ∑ b P (t − iT ) i Tb b (2.15) i = −∞ trong đó P(t) là hàm... Phân tập thu Các kỹ thuật phân tập thu được sự dụng để giảm ảnh hưởng của pha đinh và cải thiện độ tin cậy của thông tin mà không cần tăng công suất phát hoặc độ rộng băng tần.Ý niệm căn bản của thu phân tập là nếu thu hai mẫu tín hiệu độc lập, thì các mẫu này sẽ bị Trang 19 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường pha đinh không tương quan Điều này có nghĩa là xác suất tất cả các mẫu... sự tiến bộ của công nghệ Trang 11 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường c.Mô hình kênh băng rộng ADSL - công nghệ Internet băng rộng phổ biến ADSL là từ viết tắt của Tiếng Anh: Asymmetric Digital Subscriber Line dịch sang tiếng Việt là đường dây thuê bao số bất đối xứng, là một dạng của DSL.[1] ADSL cung cấp một phương thức truyền dữ liệu với băng thông rộng, tốc độ cao hơn nhiều so... chuỗi bít phát bk(t) Trang 17 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường 5 Các dạng phân tập là kỹ thuật nhằm khai thác tính đa đường độc lập của kênh truyền để nâng cao tỷ số tín / tạp mà không đòi hỏi tăng công suất của máy phát Nếu kỹ thuật cân bằng coi hiệu ứng đa đường là đối thủ thì phân tập lại coi nó là đồng minh Phân tập có thể theo không gian, tần số và cực tính của tín hiệu Khi... quay số (Dial up) Khi truyền băng thông trên đường dây điện thoại được tách ra làm 2 phần, 1 phần nhỏ dùng cho các tín hiệu như Phone, Fax Phần lớn còn lại dùng cho truyền tải tín hiệu ADSL Ý nghĩa của cụm từ "bất đối xứng" trong ADSL là do lượng dữ liệu tải xuống và tải lên là không bằng nhau, với dữ liệu chủ yếu là tải xuống Mô hình chuẩn của hệ thống ADSL Trang 12 Báo cáo môn học thông tin số CBGD:... các anten các nhau nửa bước song λ/2, càng lớn càng tốt Tín hiệu vào được phát đi trên tần số f1 tại phần thu, nó sử dụng 2 máy thu làm việc ở cùng tần số f1 cách nhau một khoảng là R R >100λ, càng lớn càng tốt, đảm bảo tính không tương quan của fadinh theo đường truyền song Trang 20 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường Đặc điểm chỉ sử dụng 1 máy phát có phổ tần nhỏ, nhược điểm các... tiện truyền thông, gồm cáp đồng, cáp quang, và các tháp truyền sóng ngắn Các cuộc gọi thường được chuyển qua dạng dữ liệu digital để truyền tải qua các phương tiện nầy Chỉ có vòng lặp cục bộ (local loop) là giữ lại các đặc tính của hệ thống điện thoại gốc MDF - Main Distribution Frame là dạng tủ điện chứa các rac Trang 13 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy... giảm tỷ số E b/It yêu cầu hay công suất phát yêu cầu trên kênh và nhờ vậy tăng dung lượng hệ thống Có thể thực hiện phân tập phát theo các cách sau 1) Phân tập phát đa sóng mang (Multicarrier Transmit Diversity) 2) Phân tập phát trực giao 3) phân tập phát không gian - thời gian (STTD)Sơ đồ khối của hệ thống phân tập phát không gian và thời gian dược cho ở Trang 18 Báo cáo môn học thông tin số CBGD:.. .Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường • Trải phổ tín hiệu (pha-đinh chọn lọc thường do hiện tượng truyền dẫn đa đường (multipath propagation) gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp, nhất là với máy thu... trực giao sẽ bằng 1 nếu là tích của chính nó và là một mã trực giao mới trong tập mã trực giao nếu là tích của hai mã khác nhau: ck(t).cj(t) = 1 nếu k = j ci(t) nếu k ≠ j (2.19) Trang 15 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường Mã trải phổ là chuỗi chíp nhận các giá trị {+1,-1} gần như đồng xác suất nếu N lớn và được biểu diễn như sau: ∞ ∑ c P (t − iT ) c k (t ) = i Tc (2.20) c i = −∞ . Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Khoa Cơ Điên-Điện Tử  BÁO CÁO MÔN HỌC THÔNG TIN SỐ Đa Nhập Vô Tuyến Trong. Trung MSSV: 0951010088 TP.HCM, tháng 05 năm 2014 Trang 1 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường I. Nội dung báo cáo: Đa nhập vô tuyến trong môi trường fading đa đường và phân. của tín hiệu và băng thông của tín hiệu dãi nền như sau: Trang 3 Báo cáo môn học thông tin số CBGD: Thầy Trần Duy Cường Fading phẳng: Là Fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể