Kỹ thuật phân tập

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ANTEN THÔNG MINH

2.1. Kỹ thuật phân tập

Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp được dùng để hạn chế ảnh hưởng của fading.Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của fading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thụng.

Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian (phõn tập anten).

Ảnh hưởng của pha - đinh đa đường trong các hệ thống vô tuyến có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng phân tập theo không gian. Trong môi trường pha - đinh, công suất sóng mang cần phải phát cao hơn công suất trung bình để có thể đạt được một tỉ lệ lỗi bít (BER) mong muốn nào đó. Trong một anten thông minh, tín hiệu thu được từ các phần tử khác nhau có thể được lấy trọng số phù hợp để tạo ra tín hiệu kết hợp biến thiên chậm hơn từ tín hiệu thành phần.

Anten thông minh này sẽ yêu cầu công suất thấp hơn so với trường hợp chỉ sử dụng anten một phần tử, mà vẫn đạt được BER mong muốn.

Để hệ thống phân tập không gian hoạt động một cách hiệu quả, các tín hiệu thu được từ các nhánh anten khác nhau phải không hoặc ít tương quan với nhau để nếu tín hiệu ở một phần tử pha - đinh sâu thì vẫn phục hồi được bằng cách thu nó ở phần tử anten khác. Điều này có thể thực hiện được bằng cách chọn khoảng cách giữa các phần tử một cách phù hợp.

Có 3 cách cơ bản để kết hợp tín hiệu [3]:

Chọn lọc: Bộ chọn lọc là phương pháp đơn giản nhất trong kỹ thuật phân tập: từ một tập hợp M phần tử anten, nhánh có tỉ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất được chọn ra và kết nối trực tiếp với máy thu. Do vậy anten thông minh có M càng lớn thì khả năng có được tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu càng lớn.

Tỉ lệ cực đại: Phương pháp kết hợp tỉ lệ cực đại tận dụng tốt nhất khả năng của các nhánh phân tập trong hệ thống. Tất cả M nhánh được nhân trọng số với các tỉ số tín hiệu tức thời trên nhiễu tương ứng. Sau đó tín hiệu từ các nhánh được đồng pha trước khi lấy tổng tín hiệu sao cho tất cả các nhánh được gộp vào nhau theo pha cho tín hiệu đầu ra có tăng ích phân tập lớn nhất. Tín hiệu tổng chính là tín hiệu đầu ra thu được của anten thông minh. Phương pháp tỉ lệ cực đại có nhiều ưu điểm hơn phương pháp chọn lọc nhưng phức tạp hơn; do phải

(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.thuat.toan.music.trong.dinh.huong.song.den.doi.voi.he.anten.mang.tron(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.thuat.toan.music.trong.dinh.huong.song.den.doi.voi.he.anten.mang.tron(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.thuat.toan.music.trong.dinh.huong.song.den.doi.voi.he.anten.mang.tron(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.thuat.toan.music.trong.dinh.huong.song.den.doi.voi.he.anten.mang.tron

đảm bảo tín hiệu từ các nhánh là hoàn toàn đồng pha và các trọng số phải được cập nhật chính xác.

Tăng ích đều: Là một biến thể của kỹ thuật kết hợp tỉ lệ tối đa; trong trường hợp này tất cả các giá trị tăng ích của các nhánh đều bằng nhau và không thay đổi trong quá trình hoạt động.

Các đầu ra sẽ là tổng của các tín hiệu đồng pha của tất cả các nhánh. Tín hiệu thu được bởi các phần tử được kết hợp tuyến tính như trong (hình vẽ) trọng số để kết hợp được chọn là w1*,w2*,w3*, ...,w*n, trong đó kí hiệu * là biểu diễn liên hợp phức. Ký hiệu liên hợp phức được sử dụng trong biểu diễn trọng số chỉ nhằm tiện lợi về mặt toán học để đầu ra kết hợp có thể được viết gọn là: wHS. Trong phần này giả thiết các nhánh là không tương quan. Tín hiệu thu được ở mỗi phần tử không phải là hằng số, mà dao động theo hệ số pha-đinh. Tín hiệu pha-đinh phụ thuộc vào tần số tín hiệu vô tuyến và được chứng minh xấp xỉ bằng biến đổi Dopple cực đại. Biến đổi Doppler cực đại fdMtương ứng với tần số fG và máy di động di chuyển với tốc độ v là:

v f fdM 1,4815 G

Hình 2.1. Tăng ích đều

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com

Theo đặc tính của kênh vô tuyến, thời gian nhất quán của kênh vô tuyến xấp xỉ bằng nghịch đảo của hệ số pha-đinh. Môi trường đa đường giữa anten phát và anten thu được coi như một bộ lọc tuyến tính thay đổi theo thời gian và mỗi nhánh M được đặc trưng hóa bằng một hàm truyền đạt thông thấp tương đương Tm(f;t), m1,....,Mvới biến số (agumen) t biểu diễn những thay đổi theo thời gian của đáp ứng kênh vô tuyến và biến số f biểu diễn tính chất chọn tần của kênh. Giả sử pha- đinh ở mỗi nhánh phân tập là không chọn tần (pha - đinh phẳng), ta có thể biểu diễn hàm truyền đạt bằng Tm(f,t)gm(t), trong đó gm(t) là một đại lượng thống kê Gauss phức trung bình – bằng không. Như vậy các tín hiệu thu được ở nhánh phân tập có thể được biểu diễn dưới dạng:

 ( )   () ( ) (2 1)

)

(  m j2 ft  m j2 ft 

c eg t u t e

e t r e t

s  

Trong đó fclà tần số sóng mang danh định,

) (t

u là đường bao phức của tín hiệu phát,

) (t

rm là đường bao phức của tín hiệu thu.

2.1.1. Kết hợp tỉ lệ cực đại(MRC) [3].

Trong kĩ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại (MRC: Maximum Ratio Combiner), tín hiệu ở các nhánh được lấy trọng số và kết hợp sao cho đạt được CNR (Carrier to Noise Ratio: Tỉ số công suất sóng mang trên tạp) tức thời cao nhất có thể với các kỹ thuật kết hợp tuyến tính. Sử dụng phương trình (2-1), đường bao phức tổng ở nhánh thứ m có tạp cộng vm(t)được viết:

) 2 2 ( ) ( ) ( ) ( )

(t g t u t v t 

zm m m

Nếu tín hiệu thu được lấy trọng số bằng w*mthì đầu ra kết hợp U(t)của mảng là:

) 3 2 ( )

( )

(t w zu t w gw v 

U H H H

Trong đó: Hkí hiệu liên hợp Hermitian (liên hợp phức, chuyển vị),

     mT

T m T

m v v v g g g

w w

w 1,...., ,  1,...., ,  1,....,

Giả sử rằng mỗi thành phần tạp là độc lập với nhau, thì tổng công suất đầu ra Pm0(o/p)là:

) 4 2 ( 2 *

) 1 / (

2  

 

 m

m m H

mo o p w v w P

Do đó CNR đầu ra tức thời là:

) 5 2 2 (

1 ) )

( 2 ( 1

* 2 2





 



 



m m M

m m

H T

P w

w P

w g w t u

 E

Với (*)

* m m

m P

w  g

Các tín hiệu này phải được kết hợp với trọng số tỉ lệ thuận với liên hợp của tín hiệu ở các nhánh và tỉ lệ nghịch với công suất tạp trên các nhánh đó.

Nhánh có CNR cao sẽ được lấy trọng số lớn hơn các nhánh có CNR thấp, tín hiệu đã lấy trọng số đều cùng pha và đồng nhất. CNR đầu ra:

) 6 2 2 (

1 /

/ 2

1 1

* 2 1





  





 M

m m M

m m

m M

m m M

m m

P g P

g P g



(2-6) là tổng CNR của tổng nhánh

Ưu điểm: Cho búp sóng lớn nhất.

Nhược điểm:

- Giá thành cao do các trọng số cần bám cả biên độ và pha của đáp ứng kênh.

- Cần bộ chuyển pha và bộ khuếch đại tuyến tính dải dộng rộng các tín hiệu đầu vào.

ứng dụng: Thường dùng để so sánh với các chỉ tiêu của các kỹ thuật kết hợp tuyến tính khác.

2.1.2. Tăng ích phân tập.

Tăng ích phân tập M- phần tử được xác định bởi phần cải thiện năng lượng đường truyền ứng với một chỉ tiêu kĩ thuật nhất định khi sử dụng kĩ thuật phân tập, chỉ tiêu kĩ thuật này thường là tỉ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Rate).

2.1.3. Tăng ích anten.

Tăng ích anten là tỉ số sóng mang trên tạp âm đầu ra của mảng trên tỉ số sóng mang trên tạp âm đầu ra của một phần tử đối với các tín hiệu đầu vào có tính định hướng cao.

Sóng tới phẳng đáp ứng ở các phần tử khác nhau chỉ khác nhau bởi hệ số



ej , với  k0dcos phụ thuộc vào khoảng cách các phần tử, tần số cao tần và góc của song phẳng so với trục của anten mảng.

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com

Giả sử tín hiệu vào có dạng u(t) 2P0

Với  1,ej,ej2,...,ejM1, P0 công suất trung bình của mỗi nhánh.

Kĩ thuật chọn lọc chỉ có một nhánh được kích hoạt tại một thời điểm nên tăng ích anten bằng không.

Kĩ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại và kết hợp tăng ích đều các trọng số tương ứng sẽ bằng hoặc là một phần của

2 0

w P

, Pm0công suất tạp đầu vào của mỗi nhánh.

2.1.4. So sánh 3 phương pháp.

Khảo sát hệ thống trong trường hợp đơn giản gồm 01 anten phát và nhiều anten thu (Receiver Diversity). Thực hiện chương trình mô phỏng xác suất lỗi ký tự của kỹ thuật phân tập anten, kênh truyền được thiết lập có nhiễu Gauss và fading Rayleigh với các phương pháp kết hợp ta thu được đồ thị sau.

Từ đồ thị ta thấy,Trong 3 phương pháp MRC, EGC và SC, phương pháp kết hợp MRC cho phép cải thiện xácsuất lỗi tốt nhất.

Hình 2.2. SER của 3 phương pháp khi số anten là 2 và điều chế QAM

Các thuật toán thích nghi [3]