tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật méo tín HIỆU TRONG TRUYỀN dẫn vô TUYẾN số DUNG LƯỢNG lớn và các BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

Phụ lục số 5 Mẫu số 1. Trang bìa 1 tóm tắt luận văn Thạc sĩ (khổ 140 x 200 mm) ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN NGUYỄN THỊ THUYÊN MÉO TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ DUNG LƯỢNG LỚN VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên – 2013. 1 Công trình được hoàn thành tại: Đại học Công nghiệp Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học:PGS.TS.NGUYỄN QUỐC BÌNH Phản biện 1: PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TRUNG Phản biện 2: TS. TRẦN XUÂN MINH Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: 304_G8. Vào hồi 13 giờ, ngày 04 tháng 01 năm 2013 2 Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ DUNG LƯỢNG LỚN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.1.1 Hệ thống thông tin vô tuyến Các hệ thống thông tin vô tuyến là các hệ thống truyền tin bằng sóng điện từ có môi trường truyền lan tín hiệu – môi trường truyền dẫn – là khoảng không gian giữa máy phát Tx (Transmitter) và máy thu Rx (Receiver). Sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến được cho trên hình 1.1. Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống thông tin vô tuyến Thông thường, thông tin cần truyền được đưa vào máy phát thực hiện điều chế bằng sóng mang trung tần IF (Intermediate Frequency), sau đó được trộn tần lên tần số cao RF (Radio Frequency), khuếch đại tín hiệu đủ lớn, lọc nhằm chia sẻ băng thông rồi được bức xạ ra khoảng không vô tuyến qua hệ thống ăng-ten/phi- đơ. Ở đầu thu, thông qua hệ thống ăng-ten thu, tín hiệu vô tuyến được thu nhận (nhờ nguyên lý cảm ứng điện từ) và qua hệ thống phi-đơ đưa vào máy thu. Một sóng vô tuyến được truyền đi lan truyền theo hai phương thức: • Sóng đất; • Sóng trời. Hình 1.2 Các tầng khí quyển có ảnh hưởng tới truyền sóng vô tuyến 1.1.2 Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến a) Phân loại theo dạng tín hiệu 3 Tx Rx Thông tin Thông tin 40÷400 km 10 km Tầng ion Tầng đối lưu Mặt đất + Hệ thống thông tin vô tuyến tương tự: Tín hiệu truyền đi là tín hiệu tương tự (analog); + Hệ thống vô tuyến số: Tín hiệu dùng để truyền tin là tín hiệu số (digital) có các đặc trưng cơ bản là có số trạng thái tín hiệu hữu hạn M và có thời gian tồn tại hữu hạn T S (Symbol Time interval). b) Theo dải tần (dải sóng) công tác Việc phân loại phổ tần vô tuyến dựa trên các tính chất truyền sóng và các khía cạnh về hệ thống (kiểu ăng-ten). Phổ tần vô tuyến được phân chia như sau: 1. Tần số cực thấp ELF (Extremly Low Frequency): f = 300 ÷ 3000 Hz ( λ = 1000 ÷ 100 km); và tần số rất thấp VLF (Very Low Frequency): f = 3 ÷ 30 kHz ( λ = 100 ÷ 10 km). 2. Tần số thấp LF (Low Frequency) hay sóng dài LW (Long Wave-length): f = 30 kHz ÷ 300 kHz ( λ = 10 ÷ 1 km). 3. Tần số trung bình MF (Medium Frequency) hay sóng trung MW (Medium Wavelength): f = 300 kHz ÷ 3 MHz ( λ = 1000 ÷ 100 m). 4. Tần số cao HF (High Frequency) hay sóng ngắn SW (Short Wave-lenght): f = 3 ÷ 30 MHz ( λ = 100 ÷ 10 m). 5. Tần số rất cao VHF (Very High Frequency): f = 30 ÷ 300 MHz ( λ = 10 ÷ 1 m). 6. Tần số cực cao UHF (Ultra High Frequency) hay dải sóng cm: 300÷3000 MHz ( λ = 1m ÷ 10 cm). 7. Tần số siêu cao SHF (Super High Frequency): f = 3 ÷ 30 GHz ( λ = 10 ÷ 1 cm). 8. Tần số cực kỳ cao EHF (Extremly High Frequency): f = 30 ÷ 300 GHz ( λ = 10 ÷ 1 mm), còn gọi là dải vô tuyến sóng mm. c) Theo đặc trưng kênh truyền + Hệ thống thông tin vi ba: Còn gọi là các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp, trong đó tín hiệu được chuyển tiếp bởi các trạm trung gian qua từng chặng có cự ly lên tới vài chục km, đôi khi lên tới ~100 km. + Hệ thống thông tin vệ tinh: Trong đó trạm chuyển tiếp được đặt trên vệ tinh, thường là vệ tinh địa tĩnh có khoảng cách từ quỹ đạo nằm trên mặt phẳng xích đạo tới mặt đất là 36000 km. + Hệ thống thông tin di động: Đặc điểm cơ bản là các máy thu và phát vô tuyến có thể di động so với nhau. 4 d) Theo dung lượng của hệ thống Các kênh vô tuyến có thể đặc trưng được một cách sơ bộ bởi độ rộng băng kết hợp (coherence bandwidth) B c của kênh, là khoảng tần số mà trong đó hàm truyền của kênh có thể xem là bằng phẳng (flat). 1.2 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ DUNG LƯỢNG LỚN 1.2.1 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn a) Các hệ thống vô tuyến số Các hệ thống vô tuyến số là các hệ thống vô tuyến sử dụng tín hiệu số để truyền tin. b) Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn Tín hiệu số điều chế tổng quát (cả điều chế biên độ lẫn điều chế góc) có thể biểu diễn được ở dạng: ( ) ( ) cos[2 ( )] c x t A t f t t π ϕ = × + (1.1) trong đó A(t) và φ(t) là các hàm mang thông tin cần truyền, f c là tần số sóng mang. Biểu thức (1.1) có thể viết lại theo: [2 ( )] 2 ( ) ( ) Re{ ( ) } Re{ ( ) } c c j f t t j f t j t x t A t e A t e e π ϕ π ϕ + = × = × × (1.2) trong đó Re{.} là ký hiệu phần thực. Có thể nhận thấy rằng, trong vế phải của (1.2) chỉ có thành phần A(t)e jφ(t) mang thông tin cần truyền, còn e j2πf c t chỉ biểu thị một sóng mang cao tần không mang thông tin. Do vậy, chỉ cần quan tâm tới tín hiệu: ( ) ( ) ( ) j t x t A t e ϕ = × % (1.3) Tín hiệu biểu diễn theo (1.3) là tín hiệu băng gốc do không chứa thành phần sóng mang cao tần, được gọi là tín hiệu băng gốc tương đương (equivalent baseband signal) của tín hiệu thực tế x(t). Hình 1.3 Sơ đồ khối tương đương băng gốc một hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn [1] 5 Bộ điều chế Bộ lọc phát M.trường truyền Tạp âm Nguồn symbol KĐCS C k Bộ lọc thu Bộ san bằng k C ˆ Bộ giải điều chế KPSMKPĐH Thiết bị qu. định Nhiễu Chú giải: KPĐH = Khôi phục đồng hồ; KPSM = Khôi phục sóng mang; KĐCS = Khuếch đại công suất 1.2.2 Các sơ đồ điều chế cơ bản a) Điều chế M-PSK Tín hiệu điều chế M-PSK có thể biểu diễn theo: 2 ( ) cos(2 ), 0,1, 2, ,( 1) i c s t A f t i i M M π π = + = − (1.4) Sơ đồ thông dụng điều chế và giải điều chế M-PSK với M = 4, còn gọi là QPSK (Quarternary Phase Shift Keying), được thể hiện trên hình 1.4 [1]. Hình 1.4 Sơ đồ điều chế và giải điều chế QPSK η M-PSK = m/(1+α) [b/s/Hz] = (log 2 M)/(1+α) [b/s/Hz] (1.6) Hình 1.5 Chòm sao tín hiệu M-PSK b) Điều chế M-QAM Tín hiệu điều chế M-QAM có dạng: ( ) cos2 sin 2 k c k c s t A f t B f t π π = + (1.7) trong đó, A k cos2πf c t và B k sin2πf c t là các thành phần đồng pha I (In-phase) và vuông pha Q (Quadrature), A k , B k = ±1, ±3,…, ±( M – 1), k là chỉ số khe thời gian của symbol cần truyền C k . C k = A k + jB k . 6 S/P LPF LPF data từng 2 bít 90 o ~ Σ Tín hiệu QPSK cos2πf c t sin2πf c t Tới tuyến RF a) b) Tín hiệu QPSK + tạp âm P/S LPF LPF 90 o ~ cos2πf c t sin2πf c t t=kT s A/D A/D Từ bộ trộn xuống data (từng 2 bít) M = 4 • •• • d P sin( / ) P sPSK d E M π = 0 I Q sPSK E Hình 1.6 Sơ đồ điều chế a) và giải điều chế b) tín hiệu M-QAM [] Hình 1.7 Chòm sao tín hiệu 16-QAM c) So sánh M-PSK và M-QAM, phạm vi ứng dụng 7 S/P §æi møc 2/L §æi møc 2/L m bit m/2 bit m/2 bit A k B k × × ∼ 90 o Σ cos2 π f c t sin2 π f c t tÝn hiÖu M-QAM A k a T (t)cos2 π f c t B k b T (t)sin2 π f c t LO Läc th«ng thÊp Läc th«ng thÊp a) dãy bít lối ra 90 0 LPF LPF A/D & giải mã A/D & giải mã P/S đồng hồ • • tín hiệu lối vào × × m/2 m/2 1 1 t=kT S b) ∼ cos2 π f c t sin2 π f c t •••• •• • • • • • • •••• I Q 1 3-1-3 1 3 -1 -3 2d Q M = 16 sQAM E sin( / ) 2( 1) sQAM sPSK E E M M π = − (1.8) Để so sánh hai loại điều chế này, có thể xét tỷ số sau: 2 2 ( ) 2( 1) sin ( / ) sQAM sPSK E A M M M E π = = − (1.9) 1.3 CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN TÁC ĐỘNG TỚI CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 1.3.1 ISI và điều kiện truyền không méo tín hiệu a) ISI và điều kiện truyền không có ISI + Nhiễu giữa các symbol ISI (InterSymbol Interference): Hình 1.8 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống truyền dẫn tín hiệu số Không mất đi tính tổng quát, giả sử tín hiệu phát s(t) có dạng điều biên xung M trạng thái (M-ary Pulse Amplitude Modulation): ( ) ( ) k S k s t A t kT δ +∞ =−∞ = − ∑ (1.10) trong đó A k mang thông tin cần truyền, A k nhận các giá trị ±1, ±3,…, ±(M – 1). Gọi hàm truyền của các mạch lọc phát và thu (Tx Filter và Rx Filter) lần lượt là H T (f) và H R (f). Khi đó, hàm truyền tổng cộng của cả hệ thống là H(f) = H T (f)H R (f) và đáp ứng xung tổng cộng của cả hệ thống h(t) = F -1 [H(f)], với F -1 [.] là biến đổi ngược Fourier. Tín hiệu đầu ra w(t) khi chưa xét đến tạp âm sẽ là: ( ) ( ) ( ) [ ( )] h(t) = ( ) k S k S k k w t s t h t A t kT A h t kT δ +∞ +∞ =−∞ =−∞ = ∗ = − ∗ − ∑ ∑ (1.11) Xét với symbol thứ 0 (k = 0), tại thời điểm lấy mẫu và quyết định đối với symbol này t = t 0 = 0, tín hiệu đầu ra mạch lấy mẫu trên hình 1.8 là: 0 0 (0) = ( ) (0) ( ) k S k S k k k w A h kT A h A h kT +∞ +∞ =−∞ =−∞ ≠ − = + − ∑ ∑ (1.12) + Điều kiện truyền không có ISI: Có thể thấy từ (1.12) rằng tín hiệu số truyền được không bị méo nếu h(0) = 1 và ISI ≡ 0. Trong trường hợp như thế, chưa tính đến tạp âm, tín hiệu nhận được đối 8 MOD Tx Filter Rx Filter Qu. định + data s(t) w(t) n(t) AWGN data t k =kT S với symbol thứ 0 sẽ đúng là A 0 . Điều này đạt được khi và chỉ khi đáp ứng xung tổng cộng của cả hệ thống thỏa mãn: 1, 0 ( ) 0, , 0 S khi t h t t kT k =  =  ∀ = ≠  (1.13) Điều kiện (1.13) được gọi là tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất [2]. b) Thiết kế thực tế nhằm truyền tin không có ISI Đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng có dạng [2]: 2 2 2 sin( / ) cos( / ) ( ) ( / ) 1 4 / S S RC S S t T t T h t t T t T π απ π α = × − (1.14) trong đó α là hệ số uốn của bộ lọc (roll-off factor) xác định theo: / , [0, 1] N f α α = ∆ ∈ (1.15) với f N = 1/2T S , được gọi là tần số Nyquist. Hàm truyền của bộ lọc cosine nâng có dạng [2]: (1 ) 1; 0 2 1 1 (1 ) (1 ) | ( )| 1 sin ( ) ; 2 2 2 2 (1 ) 0 ; 2 S S RC S S S S f T T H f f f T T T f T α π α α α α −  ≤ <        − +    = − − ≤ ≤              +  >   (1.16) a) b) Hình 1.9 Hàm truyền và đáp ứng xung bộ lọc cosine nâng 9 Δ f N -f N f |H RC (f)| 1 0 Đáp ứng xung của một bộ lọc cosine nâng với α = 0.35 tính bằng phần mềm ASTRAS được thể hiện trên hình 1.9b. Trong thực tế, α thường nhận các giá trị trong khoảng [0.2, 0.7]. 1.3.2 Các yếu tố tác động tới chất lượng hệ thống Các yếu tố cơ bản tác động tới chất lượng của hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn có thể kể ra như sau [2]: + Các loại méo tín hiệu, bao gồm méo tuyến tinh và méo phi tuyến. + Các loại can nhiễu từ các hệ thống khác tới hệ thống đang xét. + Các sai lệch về đồng bộ, bao gồm sai lệch pha (phase error) sóng mang nội của máy thu so với sóng mang phát và sai lệch đồng hồ (timing error) giữa đồng hồ máy thu và đồng hồ máy phát. 1.3.3 Mô hình kênh liên tục truyền dẫn tín hiệu số Kênh từ đầu ra bộ điều chế phần phát tới đầu vào bộ giải điều chế của máy thu truyền các tín hiệu dạng sóng số liên tục, được gọi là kênh liên tục, có mô hình như trên hình vẽ 1.10 [8]. Hình 1.10 Mô hình kênh liên tục truyền dẫn tín hiệu số [1] + Méo tuyến tính: Gây bởi các phần tử tuyến tính trên kênh, bao gồm các mạch lọc phát, thu và kênh vô tuyến. Hàm truyền tổng cộng của cả hệ thống H(f) là: H(f) = H T (f)H c (f)H R (f) (1.16) 10 BPF BPF BPF A 0 BPF BPF Kênh vô tuyến A 1 A N + n(t) (AWGN) s(t) z 0 (t) z 1 (t) z N (t) HPA f c f 0 ~f c f 1 ~f c f N ~f c CCI ACI w(t) Từ MOD Tới A/D f c [...]... cũng như các phương pháp khắc phục sẽ được trình bày kỹ trong các chương 2 và 3 Chương 2 MÉO TUYẾN TÍNH VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 12 2.1 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY MÉO TUYẾN TÍNH + Các đặc tính của các bộ lọc phát và thu không thể chế tạo hoàn hảo; + Kênh vô tuyến có hàm truyền không lý tưởng trong độ rộng băng tín hiệu (mô-đun hàm truyền không bằng phẳng và/ hoặc đặc tuyến pha không tuyến tính trong độ rộng... đáng kể tín hiệu thường là một số rất lớn Nói một cách khác, số tia N trong mô hình truyền dẫn đa đường đối với kênh vô tuyến di động số có thể là một số rất lớn với lượng trải trễ có thể rất lớn, lên tới vài độ rộng của symbol TS 2.2 CÁC TÁC ĐỘNG CỦA MÉO TUYẾN TÍNH Như đã trình bày ở mục 2.1, méo tuyến tính trong các hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn, băng rộng về cơ bản gây bởi: + Chế tạo các bộ... theo các sơ đồ điều chế tuyến tính hai chiều M-PSK hay M-QAM Kết luận chương 2 Chương 2 đã trình bày các nguyên nhân gây méo tuyến tính, đồng thời đã phân tích khá chi tiết các tác động của méo tuyến tính tới chất lượng của các hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn Các biện pháp khắc phục tác động của méo tuyến tính cũng đã được trình bày một cách hệ thống Bên cạnh các phân tích lý thuyết, một số mô... phỏng máy tính sử dụng phần mềm ASTRAS cũng đã được tiến hành nhằm minh họa và soi sáng, cho phép có cái nhìn sâu vào các vấn đề kỹ thuật rất phức tạp của hệ thống 32 Chương 3 MÉO PHI TUYẾN VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 3.1 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY MÉO PHI TUYẾN 3.1.1 Các bộ phận gây méo phi tuyến trong hệ thống Các bộ phận chủ yếu gây méo phi tuyến trong các hệ thống truyền dẫn số nói chung bao gồm: + Các mạch... đồng bộ và các loại méo, nhiễu, thể hiện qua mô hình kênh liên tục truyền dẫn tín hiệu số Vấn đề về ISI và tiêu chuẩn thiết kế hệ thống để truyền không méo tín hiệu, là nền tảng lý thuyết để xem xét, phân tích các loại méo, cũng đã được đề cập đến trong chương này Chương 1cũng đã giới thiệu sơ bộ về phần mềm ASTRAS được sử dụng trong luận văn nhằm mô phỏng các vấn đề về méo tuyến tính và méo phi tuyến. .. pha không tuyến tính trong dải thông, cũng có thể xấp xỉ tốt được bằng tổng các thành phần bậc 1 và bậc 2 và cũng biểu lộ các đặc điểm gợn sóng trong băng, gây nên hiện tượng trễ nhóm (group delay) không đồng đều trong băng thông 2.1.2 Méo tuyến tính gây bởi kênh vô tuyến a) Những đặc tính chung của kênh vô tuyến 13 + Kênh vi ba số (vô tuyến chuyển tiếp) dung lượng lớn như đối với các tuyến đường trục... ISI lớn 2.2.3 Tác động của pha-đinh đa đường chọn lọc a) Tác động gây méo tuyến tính của pha-đinh đa đường chọn lọc tần số Giả sử khe pha-đinh rơi vào trong băng tín hiệu làm suy giảm mạnh hơn một số thành phần tần số trong băng tín hiệu, nếu tăng lượng khuếch đại máy thu để tăng độ lớn các thành phần tần số bị suy hao mạnh hơn bởi pha-đinh đa đường lên thì các thành phần tần số khác trong băng tín hiệu. .. CÁC TÁC ĐỘNG CỦA MÉO PHI TUYẾN GÂY BỞI HPA 3.2.1 Méo do HPA trong các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số M-QAM • Trải rộng phổ và gây tạp âm phi tuyến: Trong thực tế, HPA thường được phân tích thông qua biểu diễn gần đúng độ phi tuyến bằng các đa thức bậc ba, hoặc bậc lẻ cao hơn bậc ba Hình 3.5 Mở rộng phổ tín hiệu do méo phi tuyến [34] • Gây dịch chuyển vị trí các tín hiệu trên mặt phẳng pha: Các méo. .. tuyến pha không tuyến tính trong độ rộng băng tín hiệu) 2.1.1 Méo tuyến tính do các bộ lọc chế tạo không hoàn hảo Các bộ lọc phát và thu trong hệ thống vô tuyến số được sử dụng để hạn chế bề rộng phổ chiếm của tín hiệu, chia sẻ băng tần số công tác (bộ lọc phát) và chọn lọc tín hiệu, giảm tác động của tạp nhiễu tối đa (bộ lọc thu) Kênh vô tuyến số do vậy có đặc tính của một mạch lọc, có băng thông hạn chế... thụ sóng vô tuyến do môi trường vô tuyến thì chỉ nguy hiểm với các hệ thống có tần số công tác rất cao, cụ thể là hấp thụ do mưa rào thực sự đáng kể với các tần số công tác lớn hơn 10 GHz còn hấp thụ do các phân tử khí và sương mù chỉ có ý nghĩa với các tần số trên 20 GHz Nhìn chung, trong các dải sóng công tác thực tế hiện nay của các hệ thống vô tuyến số mặt đất, các yếu tố hấp thụ gây bởi các phân . hệ thống vô tuyến số Các hệ thống vô tuyến số là các hệ thống vô tuyến sử dụng tín hiệu số để truyền tin. b) Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn Tín hiệu số điều chế. THUYÊN MÉO TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ DUNG LƯỢNG LỚN VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên – 2013. 1 Công trình được. chương 2 và 3. Chương 2 MÉO TUYẾN TÍNH VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 12 2.1 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY MÉO TUYẾN TÍNH + Các đặc tính của các bộ lọc phát và thu không thể chế tạo hoàn hảo; + Kênh vô tuyến