Giáo trình môn các hệ thống không gian thời gian

Giáo trình mơn hệ thống khơng gian thời gian Dành cho sinh viên đại học cao học Học phần giới thiệu kiến thức lĩnh vực xử lý tín hiệu kết hợp miền thời gian khơng gian bao gồm: Các vấn đề tính chất kênh truyền miền không gian thời gian, mô hình hệ thống đa ăng ten phát thu MIMO, mơ hình hệ thống kênh MIMO, phương pháp mã hóa khơng gian thời gian (sơ đồ mã hóa giải mã STBC Alamouti) Sự kết hợp công nghệ MIMO với kỹ thuật anten thông minh, kỹ thuật điều chề trựcgiao OFDM Các ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu khơng gian thời gian hệ thống thông tin tiên tiến The course introduces the knowledge of the space-time signal processing which include: the charateristics of channels in the space and time domain, the MIMO system with multipe transmit and receive antenna, the methods of space and time encoding and decoding(Scheme of Alamouti STBC) The combination of MIMO with OFDM technology to enhance the channel capacity and spectrum efficiency The combination of MIMO technology with smart antenna for avanced communication systems Beamforming technique and antenna array design methods for MIMO sytem Chương 1: Giới thiệu Những khái niệm Tín hiệu rời rạc liên tục Tin hieu D,2D PAM-QAM Dung lượng kênh truyền – SISO MIMO Outage capacity is probability of correction error transmit with bit rate is higher than shanol limit Giới hạn shannol: Eb No SNR, hiệu sử dụng phổ Es of M-PAM , M-QAM Tỷ lệ lỗi bit, tỷ lệ lỗi ký hiệu Mơ hình hệ thống thơng tin Mã hóa ngn – mã hóa kênh – tín hiệu điểu chế - nhiều anten phát thu…… Các vấn đề đồng ước lượng kênh truyền Chương 2: kênh vô tuyến Khái niệm, đáp ứng thời gian, tần số kênh, hàm phân bố kênh Các loại Kênh vô tuyến SISO,… MIMO, Dung lượng kênh MIMO, SVD, EIG of matrix Phỏng tạo kênh SISO,MIMO Kênh Mimo Tính tương quan anten (kèm chương trình mơ phỏng) Một số mơ hình kênh MAP, MRQ, ML, MRC Chương 3: hệ thống SISO-MIMO SISO-PAM-QAM-BER-SER-Rice-rayleigh-capacity Kỹ thuật phân tập không gian,MRC KTPT thời gian Phân tập mã trelils Vblash Alamouti Repetition code Precoding TCM+OSTBC SOSTTC Chương 3: ước lượng kênh zF, MMSE,… Chương Mô hệ thống Chương 1: Các khái niệm Một số khái niệm Đơn vị tính, db, mdb, v, Cts, disc Orthonormal PAM, 1-D 2-D signal Mức lượng (Cơng suất) trung bình tín hiệu Es,Eb,SNR, special efficiency Shannol theory Power limited regime, bandwidth limited regime, ultimated shannol limited BER,SER, Q function kênh AWGN, RL TDM,FDM,CDM,OFDM Đồng Ước lượng kênh truyền Thông tin tín hiệu Thơng tin mà người muốn trao đổi với Trong thực tế thông tin chia làm ba dạng âm thanh- hình ảnh thơng tin liệu Tín hiệu truyền tin chia thành hai dạng tín hiệu tương tự tín hiệu số Tín hiệu tương tự: Định ngĩa tín hiệu tương tự tín hiệu có biên độ thay đổi liên tục theo thời gian hình vẽ Đặc trưng cho tín hiệu tương tự hai tham số biên độ tín hiệu dải tần làm việc W=fminfmax Biên độ tín hiệu cho ta biết cường độ tín hiệu mạnh hay yếu, dải tần làm việc cho ta biết tín hiệu truyền tần số cao hay thấp Ngồi ta có tham số độ rộng băng tần tín hiệu B=fmax-fmin Độ rộng băng tần thể lượng thông tin mà tín hiệu mang nhiều hay ít, Ví dụ tín hiệu âm người có dải tần từ 16-20000hz Tuy nhiên tín hiệu điện thoại, tín hiệu âm nói vào máy điện thoại lọc bớt thành phần tần số không cần thiết có dải tần từ 300 – 3400 hz Tín hiệu số: Tín hiệu số thơng tin hiểu việc truyền bit 0,1 Để truyền tín hiệu số người ta sử dụng tín hiệu rời rạc, tín hiệu rời rạc tín hiệu có thay đổi pha, tần số biên độ tín hiệu cách khơng liển tục Hình vẽ Tín hiệu điều chế pha Tín hiệu điều chế tần số Tín hiệu điều chế biên độ Đặc trưng cho tín hiệu số hai tham số Thứ số mức tín hiệu tối thiểu Tùy thuộc vào số mức điều chế tín hiệu mà tín hiệu đại diện cho log2M bit Và tham số thứ tốc độ bit Trong thơng tin, tín hiệu điều chế theo tần số sử dụng khả chống nhiễu điều chế nhiều mức Các tín hiệu điều chế pha biên độ sử dụng nhiều Để biểu diễn tín hiệu phương thức điều chế, người ta thường đặt chúng không gian tín hiệu N chiều gọi chòm Thực tế số lượng chiều không gian N thường Trường hợp N=1 ta có tín hiệu điều chế PAM N=2 ta có tín hiệu điều chế QAM Tuy nhiên điều chế PAM thực trường hợp đặc biệt điều chế QAM giá trị tín hiệu theo chiều khơng 1.2.1 Tín hiệu điều chế PAM Trường hợp tín hiệu theo chiếu Ví dụ hình vẽ Điều chế PAM mức Điều chế PAM mức Điều chế PAM mức Trong điều chế PAM để đảm bảo xác suất lỗi tín hiệu đồng khoảng cách tín hiệu đặt 2a Nhận xét số bít điều chế tín hiệu log2M số mức điều chế Trường hợp điều chế mức ta có log22=1 bit/1 mức, Trường hợp điều chế 4mức ta có log24=2 bit/1 mức, Trường hợp điều chế mức ta có log28=3 bit/1 mức, … Từ việc điều chế ta có khái niệm tốc độ tín hiệu (baud) vB=1/log2M vb Tham khảo … Với sơ đồ điều chế M mức (M số chẵn) -(M-1)α …-5α, -3α, -α, α,3α, 5α,…,(M1)α E[M-PAM]=(2/M)∑12+32+…+M2) (general formular: Es=2α2(M2-1)/3 Ví dụ với M=1 ta có điều chế mức E=2, M=2 điều chế mức E=10,… Đôi thơng tin ta biểu diễn lượng bit thơng số Eb Vì tín hiệu nhiều bit thơng tin nên quan hệ Eb Es Eb=Es/log2M 1.2.2 Tín hiệu điều chế QAM: Các tín hiệu nằm mặt phẳng gồm có hai chiều – chiều trục thực chiều trục ảo Do tín hiệu nằm mặt phẳng biểu diễn số phức Mỗi điểm biểu diễn hai tọa độ thực ảo, khoảng cách từ điểm đến tâm mặt phẳng chinh biên độ tín hiệu góc pha tín hiệu tạo đường nối điểm với tâm mặt phẳng trục thực hình vẽ BPSK QPSK 8PSK 16QAM Chú ý việc bố trí chòm phù hợp giảm tỷ lệ lỗi bit truyền thông tin Thông thường người ta sử dụng mã gray để đảm bảo hai tín hiệu nằm cạnh khác bit Cách tính mức lượng trung bình tương tự PAM chòm M-QAM 2(M-1)/3 Ví dụ với QPSK=2, 16-QAM 10, 64-QAM=42 1.3 Mối quan hệ tốc độ bit độ rộng băng tần truyền dẫn Ở ta liên hệ với tốc độ tối đa hệ thống theo công thức shannol Vmax=Blog2(1+SNR) bit/2D Ở SNR=Es/N0 tỷ số cơng suất tín hiệu tạp âm Ở N0 nhiễu Gauss có phân bố trung bình không mật độ phổ công suất N0 ký hiệu N(0,N0/2) Hiệu sử dụng phổ truyền dẫn ký hiệu P=v/B bit/s/H Như P hàm phụ thuộc B nghĩa phụ thuộc SNR Mối quan hệ P SNR biểu diễn hình … Hình vẽ Từ cơng thức ta có trường hợp SNR nhỏ tín hiệu gần gốc tọa độ gần tuyến tính C=log2(1+SNR)≈SNRlog2e=Eslog2e … Nhận xét dung lượng kênh truyền tỷ lệ thuận với mức công suất phát tín hiệu SNR/C>=(2^C-1)/C Lấy giới hạn lim(2^C-1)/C cho C->0 =ln2=-1.59dB Như SNR/C>=-1.59dB giới hạn shannol cuối Ta định nghĩa SNR chuẩn hóa SNRnorm=SNR/(2^C-1) >=1 =0dB SNRnorm cho ta biết Ví dụ: cho hệ thống băng tần B=1MHz với mức cơng suất phát tín hiệu P=1, biết nhiễu Gauss N0=10^-6/Hz Hãy thiết kế tín hiệu truyền 2-PAM để đảm bảo tỷ lệ lỗi bit PeA s2 gửi v