Tài liệu Thông tin di động chương 5 điều chế...................................................................................................................................................................................................................................................................................
Điều chế số thông tin di động Thông tin di động Điều chế ? • Q trình mã hóa thơng tin từ nguồn tin theo cách thích hợp cho truyền dẫn Nó bao gồm việc chuyển nguồn tin băng tần sở thành tín hiệu băng tần thơng giải với tần số cao nhiều so với tần số băng tần sở • Mục đích kỹ thuật điều chế để truyền tín hiệu qua kênh vơ tuyến với chất lượng tốt chiếm băng thơng vơ tuyến Người gửi Thơng tin m(t) Điều chế s(t)=Acos(2πfct+θ) Kênh truyền dẫn Thông tin di động Phân loại điều chế • Có số loại điều chế khác cách thay đổi biên độ, tần số pha sóng mang tần số cao: + Điều chế biên độ ASK + Điều chế tần số FSK + Điều chế pha PSK s(t)=Acos(2πfct+θ) ASK FSK PSK • Trong hệ thống truyền thơng khơng dây kỹ thuật số, tín hiệu điều chế chuỗi ký tự xung, ký tự gồm n bits Các yêu cầu điều chế thông tin di động Thông tin di động Sử dụng băng thông hiệu (hiệu suất băng thông)： khả phương pháp điều chế đáp ứng liệu băng thông hạn chế Hiệu suất công suất truyền dẫn: Eb/N0 đầu vào trạm thu với xác suất lỗi xác định (10-5) (Tiết kiệm pin) Chịu méo tín hiệu hiệu ứng truyền sóng: Méo tín hiệu trễ suy giảm cường độ tín hiệu Các kỹ thuật điều chế tuyến tính Thơng tin di động • Điều chế tuyến tính: biên độ tín hiệu truyền s(t) thay đổi tuyến tính với tín hiệu số điều chế m(t) • Điều chế tuyến tính cho lợi ích hiệu băng thơng • Tín hiệu truyền s(t) có dạng s(t ) ReAm(t ) exp( j 2f ct ) AmR (t ) cos(2f ct ) mI (t ) sin(2f ct ) I (t ) cos(2f c t ) Q(t ) sin(2f ct ) Trong đó: A: biên độ, fc: tần số sóng mang; m(t)=mR(t)+jmI(t) Điều chế BPSK (Khóa dịch pha nhị phân) Thông tin di động Điều chế BPSK (khóa dịch pha nhị phân) • Trong điều chế BPSK, pha sóng mang có biên độ khơng đổi, chuyển hai giá trị dựa vào hai tín hiệu m1 m2, tương ứng với số nhị phân • Nếu sóng mang hình sin có biên độ Ac, lượng bit Eb=(1/2)Ac2Tb, tín hiệu BPSK truyền có dạng s1 (t ) Eb cos(2f ct c ) Tb t T b (nhi phan 1) Eb Eb s2 (t ) cos(2f c t c ) cos(2f c t c ) Tb Tb Tín hiệu truyền t T b (nhi phan 0) Q I Eb sBPSK (t ) m(t ) cos(2f ct c ) Tb Eb Eb Thông tin di động Phần thu BPSK (khóa dịch pha nhị phân) • Nếu khơng có ảnh hưởng hiệu ứng đa đường, tín hiệu BPSK thu có dạng Eb Eb sBPSK (t ) m(t ) cos(2f ct c ch ) m(t ) cos(2f ct ) Tb Tb Trong đó: θch độ dịch pha trễ thời gian kênh • BPSK sử dụng giải điều chế liên kết ( thơng tin pha tần số sóng mang phải nhận phần thu) Thông tin di động Sơ đồ phần thu BPSK m(t ) cos(2f ct ) cos(4f ct 2 ) cos (2f ct ) Bộ tạo hàm bình phương Bộ lọc thông giải 2fc cos(2f ct ) X Bộ chia tần số f/2 m(t ) cos(2f ct ) m(t ) cos (2f ct ) Tín hiệu giải điều chế Mạch tích phân kết xuất m(t) m(t ) Đồng bit m(t ) Eb cos (2f c t ) Tb Eb 1 cos ( f t ) c Tb 2 Xác suất lỗi bit BPSK Xác suất lỗi tính công thức hàm lỗi bổ sung (complementary error function) Eb Eb Q Pb erfc( N N u e Qu 2u 10 Thông tin di động Các tham số tín hiệu OFDM Thơng tin di động • Giả sử phát IFFT kích thước N sử dụng • Số lượng khoảng bảo vệ = NG • Tần số lấy mẫu đầu vào IFFT fs (các ký tự QPSK or QAM) • Vì vậy: – Độ rộng ký tự OFDM = (N+NG)/fs – Khoảng cách sóng mang (BW) = fs/N – Số lượng sóng mang N 28 Thông tin di động Điều kiện hoạt động tham số • Độ rộng khoảng bảo vệ TG=NG/fs: – Phải > Trải trễ cực đại kênh truyền • Khoảng cách song mang fs/N: – Bằng độ rộng sóng mang BW – Độ rộng Sóng mang cần phải < băng thơng quán kênh Fading qua sóng mang định – Băng thông quán =1/(Trải trễ cực đại kênh truyền) gN-1 g0 g fN-1 frequency f0 f1 29 Thông tin di động Điều kiện hoạt động tham số • Độ rộng ký tự OFDM (N+NG)/fs: – Fading phải không thay đổi khoảng ký tự OFDM – Sự xê dịch Hiệu ứng đa đường phải không thay đổi khoảng ký tự OFDM – Thời gian quán=1/(tần số Doppler lớn nhất) – (N+NG)/fs < Thời gian qn • Số lượng sóng mang sử dụng N – Các sóng mang rìa (ngồi cùng) khơng sử dụng để điều khiển tồn băng thơng – Sóng mang trung tâm đặt giá trị để tránh hiệu ứng sinh dòng điện chiều DC 30 Thơng tin di động Ví dụ tham số IEEE 802.11g Tần số hoạt động 2.4 GHz Tần số lấy mẫu fs=20 MHz Kích thước FFT N=64 Khoảng bảo vệ NG=16, độ rộng = 0.8 ms Độ rộng ký tự OFDM = ms Khoảng cách Sóng mang = 312.5 kHz Các sóng mang sử dụng = 52 (Trung tâm + 11 rìa khơng sử dụng) • Trải trễ cực đại 250 ns • Tần số Doppler (3 km/hr) 13 Hz • • • • • • • 31 Thông tin di động Fading đa đường truyền Channel gain Selective Building frequency v s0 s1 Z-1 Z-1 s2 Z-1 Z-1 sL-1 Channel Input h0 X h1 X h2 X hL-2 X Đa đường truyền dẫn tới Fading chọn lọc tần số + Channel Output Fading đa đường tương đương lọc biến thiên thời gian FIR 32 hL-1 X OFDM & Fading đa đường truyền Thông tin di động OFDM làm giảm Fading đa đường theo cách: • Bằng sóng mang băng hẹp – Fading phẳng sóng mang • Khoảng bảo vệ (Guard band hay Cyclic prefix) – Đa đường tương đương với dịch chuyển tuần hoàn – Khơng có ảnh hưởng nhỏ ISI 33 OFDM & Fading chọn lọc tần số OFDM Thông tin di động Fading chọn lọc tần số Đơn Carrier tần số Single frequency frequency Sóng mang băng tần hẹp: • Mỗi sóng mang bị ảnh hưởng Fading phẳng • Băng thơng sóng mang khơng bị méo • Fading phẳng dễ dàng khắc phục 34 Thơng tin di động Tính chất FFT x(n)+y(n) X(k)+Y(k) FFT Linearity Circular shift x(n-n0) N points FFT Circular Shifting 35 X k e j 2 kn N OFDM & Nhiễu liên ký tự ISI Thơng tin di động • Nhiễu liên ký tự ISI (Inter Symbol Interference): ISI xảy hiệu ứng đa đường, tín hiệu tới sau gây ảnh hưởng lên kí hiệu trước Các ký tự OFDM bị trễ đa đường truyền Khoảng bảo vệ guard time Part retained RX Phần thu tạiatRX • RX loại bỏ khoảng bảo vệ • Phần thu lại tổng ký tự OFDM bị dịch • Dịch chuyển miền thời gian = dịch pha miền tần số • Đầu FFT tổng ký tự OFDM bị dịch pha • Sự dịch pha cân chỉnh Equalization 36 Thông tin di động ICI OFDM • Nhiễu liên kênh ICI (Inter Carrier Interference) – ICI sinh chồng phổ sóng mang, gây xuyên âm Trong hệ thống đơn sóng mang, ICI thường xuất hệ thống làm việc dải tần kề Trong hệ thống này, người ta đưa vào dải tần làm việc khoảng phổ bảo vệ nhằm tránh xuyên âm – Trong OFDM, phổ sóng mang vốn “chồng” lên nhau, nhiên khơng gây xun âm, sóng mang trực giao theo nghĩa toán học – Sẽ xảy xuyên âm ICI trực giao tức khoảng kí tự ( xác khoảng tích phân FFT) có (hay nhiều) sóng mang khơng tồn xác số ngun lần chu kì – Nguyên nhân hiệu ứng đa đường đồng phần thu, gây nên sóng mang khơng trực giao với 37 Thơng tin di động Nếu khơng có khoảng bảo vệ? Ký tự OFDM OFDM 11 Symbol Ký tự OFDM OFDM 22 Symbol Ký tự OFDM OFDM 33 Symbol time Ký tự OFDM truyền Path 22 Đường Path 11 Đường Path 00 Đường XảyISI ratakes hiên tượng place ISI Ký tự OFDM nhận có ISI 38 time Thông tin di động Khoảng bảo vệ ? OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol time Ký tự OFDM truyền No ISI • Ký tự OFDM khơng có ISI • Tuy nhiên đầu FFT phiên dịch pha ký tự OFDM chuẩn 39 Thông tin di động Khoảng bảo vệ thích hợp OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol time Path Path Path Part applied to Rx FFT • Đầu FFT khơng Fading X(k), k=0, ,…N-1 • Đầu FTT có Fading = Z k h0 X k h1X k e j 2 kn1 N h2 X k e kn kn j 2 j 2 X k h0 h1e N h2e N Channel gain 40 j 2 kn N Thông tin di động Bộ phát OFDM đầy đủ Information bits Scrambling Encoding Puncturing Pilot & zeros Insertion Symbol mapping IFFT Interleaving Add Guard OFDM Specific Processing 41 Windowing RF Thông tin di động Bộ thu OFDM đầy đủ RF Remove Guard A/D AGC Sync Coarse frequency offset estimation FFT OFDM Specific Processing RSSI Channel Equalizer P/S Channel estimation Fine frequency offset estimation Symbol de-mapping deinterleaving decoding 42 descrambling Information bits ... u e Qu 2u 16 Thông tin di động OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex (Ghép kênh phân chia tần số trực giao) 17 Thông tin di động OFDM gì? • OFDM = Orthogonal FDM (ghép kênh... gồm n bits Các yêu cầu điều chế thông tin di động Thông tin di động Sử dụng băng thông hiệu (hiệu suất băng thông) ： khả phương pháp điều chế đáp ứng liệu băng thông hạn chế Hiệu suất công suất... nghĩa OFDM (tiếp) Thông tin di động • Băng thơng luồng giảm N lần • Mỗi luồng điều chế N sóng mang trực giao • Thực dễ dàng với IFFT / FFT 19 Thông tin di động Nguyên lý • Ý tưởng: Băng thông