Mục tiêu chương trình - Nắm chắc các nội dung của Kỹ thuật truyền dẫn số - Làm cơ sở nghiên cứu ứng dụng trong các môn học chuyên ngành như TT Di động, TT vệ tinh, TT quang…. Nội dung • Các khái niệm cơ bản và nguyên lý làm việc của HT TT số (5 Tiết) • Kênh thông tin và pha đinh đa đường (5 Tiết) • Lý thuyết Điều chế đa mức (5 Tiết) • • • • • 8/9/2023 Kỹ thuật OFDM (5 Tiết) Nguyên lý thích nghi và OF DM thích nghi (5 Tiết) Lý thuyết cơ bản về Mã hoá (Mã xoắn, mã Turbo và BICM-ID) (15 Tiết) Nguyên lý trải phô (5 Tiết) Kỹ thuật MIMO (5 Tiết) KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 1 Tài liệu học tập Giáo trình 1. Đỗ Công Hùng, (2011) , Bài giảng Kỹ thuật truyền dẫn số, Đại Học Thành Đô, Tài liệu tham khảo Tiếng Việt 1. Nguyễn Quốc Bình, (2000), Kỹ thuật truyền dẫn số, Học viện Kỹ thuật Quân sự. 2. Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình, Đỗ Công Hùng, (2006) “Tối đa hóa dung lượng thông tin cho hệ thống OFDM bằng các giải pháp thích nghi”, Tạp chí Bưu chính Viễn thông và Công nghệ thông tin, Bộ Bưu chính Viễn thông, kỳ 1. 3. Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình, (2006), “Giải pháp thích nghi cho hệ thống OFDM bằng BICM-ID với các bộ ánh xạ tín hiệu khác nhau”, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện KTQS, số 116. 4. Nguyễn Tùng Hưng, Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Phạm Văn Bính, (2003), “Tính toán chất lượng của mã chập nhị phân có loại bỏ xen kẽ”, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện KTQS, số 103. 5. Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình, (2006), “Nâng cao Chất lượng Hệ thống OFDM bằng BICM-ID”, Chuyên san Các công trình nghiên cứuTriển khai Viễn thông và Công nghệ thông tin, Bộ Bưu chính Viễn thông. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 2 Tiếng Anh 1. Amoroso. F., (1987), “Instantaneous Frequency Effects in a Doppler Scattering Environment,” IEEE International Conference on Communications, pp. 1458-66. 2. Benedetto. S. and Biglieri E., (1999), Principles of Digital Transmission With Wireless Applications, New York: Kluwer Academic. 3. Sklar. B., (2001), Digital Communications: Fundamentals and Applications, Second Edition, Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall . 4. Greenwood. D. and Hanzo, L., (1994), Characterization of Mobile Radio Channels, Mobile Radio Communications, edited by R. Steele , London: Pentech Press. 5. Hanzo. L., Webb W., and Keller. T.,(2000), Single-and Multi-Carrier Quadrate Amplitude Modulation, New York: IEEE Press/Wiley. 6. Hara.S., Prasad R., (2003), Multi-carrier Techniques for 4G Mobile Communications, Artech House, Boston, London. 7. Hata. M., (1980) “Empirical Formulae for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services,” IEEE Trans. on Vehicular Technology, vol. VT-29, no. 3, pp. 317-25. 8. Do Cong Hung, Tran Xuan Nam, Dinh The Cuong, (2006), “Adaptive Mapping for BICM-ID OFDM Systems”, Biennial Vietnam conference on Radio and Electronics (REV 2006). 9. Sklar. B., (2001), Digital Communications: Fundamentals and Applications, Second Edition, Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall . 10. Hagenauer. J.,(1997), “The turbo principle: Tutorial introduction and state of the art,” in Proc. Int. Symp. Turbo Codes and Related Topics, pp. 1–11. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 3 Chương 1 Các khái niệm cơ bản và nguyên lý làm việc của HTTT số ( 5 tiết) 1.1.Các khái niệm cơ bản - HTTT: Hệ thống các kỹ thuật và thiết bị dùng để truyền tin tức từ nguồn tin (nơi sinh ra tin tức) đến bộ nhận tin (đích). Bản tin: Dạng hình thức chứa đựng một lượng thông tin Tín hiệu: Biểu diễn vật lý của một bản tin. HTTT tương tự hay HTTT số ứng với Tín hiệu tương tự hay Tín hiệu số. Tín hiệu tương tự: Đại lượng vật lý được sử dụng làm tín hiệu có quy luật biến thiên tương tự với bản tin được sinh ra từ nguồn tin. Tín hiệu tương tự có thể là liên tục (VD tín hiệu thoại ở lối ra Micro) hoặc tín hiệu rời rạc (Tính hiệu điều biên xung PCM- Pulse Amplitude Modulation). 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 4 - Tín hiệu số: biểu diễn các con số tương ứng với bản tin và có các đặc trưng: Chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị (M=2: HTTT số nhị phân, M>2: HTTT số đa mức). Có thời gian tồn tại xác định: Ts (Time interval symbol). Ưu điểm của HTTT Số: Tiết kiệm năng lượng Có khả năng tái sinh tín hiệu nếu vượt qua ngưỡng -> có khả năng loại trừ tạp âm tích lũy sau từng cự ly nhất định. ( Tín hiệu số khỏe hơn tín hiệu tương tự). Có khả năng Điều khiển, xử lý, khai thác, quản trị và bảo trì (OA&M). Nhược điểm: Phổ rộng hơn HTTT tương tự. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 5 1.2. Sơ đồ khối của HTTT số Tạo dạng Mã nguồn Mã mật Nguồn khác Nguồn tin Tạo dạng Đích Nhận tin 8/9/2023 Mã kênh Ghép kênh Giải mã nguồn Giải mã mật Giải Phân kênh mã kênh Điều chế Trải phổ Đa truy nhập Kênh TT Đồng bộ Giải điều chế Phát Giải trải phổ Giải Đa truy nhập Thu Đích Khác KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 6 Khối tạo dạng: Tạo dạng tín hiệu, biến đổi tin tức cần truyền thể hiện ở dạng tín hiệu liên tục hay số có dạng chuỗi bit nhị phân 2. Mã hóa-giải mã nguồn: Nén và giải nén tin nhằm giảm tốc độ bít, giảm phổ chiếm của tín hiệu số 3. Mã hóa-giải mã mật: Mã hóa-giải mã chuỗi bít theo 1 khóa nhằm bảo mật tin tức 4. Mã hóa-giải mã kênh: sửa lỗi hướng đi FEC,chống nhiễu và các tác động xấu khác của kênh truyền 5. Ghép-Phân kênh: Thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khác nhau tới các đích khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn 6. Điều chế-Giải điều chế số (MODEM): Biến đổi chuỗi tín hiệu số thành các tín hiệu liên tục phù hợp (điều chế băng gốc) và điều chế RF ( Trộn tần, lọc, Khuếch đại và phát xạ vào môi trường). 7. Trải- Giải trải phổ: Chống nhiễu cố ý và bảo mật tin tức 8. Đa truy nhập: Cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập mạng thông tin để sử dụng hệ thống truyền dẫn theo yêu cầu 9. Đồng bộ: Đồng bộ nhịp và đồng bộ pha sóng mang đối với HT thông tin liên kết 10. Lọc: Tại máy thu phát đầu cuối, bao gồm lọc cố định nhằm hạn chế phổ tần, KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 7 8/9/2023 chống tạp nhiễu và lọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gây bởi đường truyền. 1. Tín hiệu từ đầu ra bộ tạo dạng tới đầu ra bộ ghép kênh có dạng chuỗi bít Tín hiệu từ đầu ra bộ điều chế tới đầu ra máy phát có dạng chuỗi dạng sóng Các thuật toán từ bộ tạo dạng tới điều chế số: Thuật toán xử lý băng gốc (Baseband) Các thuật toán đa truy nhập, trải phổ và trộn tần, thu phát: Thuật toán xử lý tín hiệu cao tần băng dải ( Bandpass) 1.3. HTTT số và các tham số đánh giá chất lượng HTTT số: Tập hợp các thiết bị và giải pháp kỹ thuật được thực hiện để truyền dẫn tín hiệu từ khối tạo dạng tín hiệu từ đầu phát tới khối tái tạo tín hiệu tại đầu thu. Yêu cầu HTTT số: Độ chính xác và tốc độ truyền tin (mâu thuẫn nhau) Tham số đánh giá độ chính xác truyền tin : BER, SER Tham số đánh giá tốc độ truyền tin: Dung lượng tổng cộng (tốc độ truyền tin) của HT với một độ chính xác yêu cầu. B (tốc độ truyền thông tin-bps) , L: Độ lặp cần thiết Hiện tại B.L có giá trị từ vài trăm Mb/s-Km với các HT chuyển tiếp số hay cáp đồng trục, tới hàng ngàn Gb/s-Km với các hệ thống cáp quang - 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 8 - Phân loại: Trong HT truyền dẫn số: Các tín hiệu số nhận giá trị trọng một tập hợp hữu hạn và trong một thời gian tồn tại hữu hạn Khi tập giá trị bao gồm giá trị 0 và 1: HT nhị phân, tín hiệu được gọi là bít Khi tập giá trị lớn hơn 2 ( giả sử M giá trị): Hệ thống M mức, tín hiệu gọi là Symbol. Gọi giá trị của Simbol thứ k là Dk và thời gian tồn tại của nó là Tk. Tại đầu thu tín hiệu được khôi phục là D’k và có độ rộng T’k. Nếu D’k khác Dk: Symbol bị lỗi Nếu T’k khác T’k: T’k=Tk+δTk thì / δ/ được gọi là Jitter ( yêu cầu ≤ 5 %),các tín hiệu truyền hình yêu cầu jitter ≤ 500 µs, nhạy cảm với jitter do mất đồng bộ khung hình. - HT nhị phân: đặc trưng bởi Tỉ lệ lỗi bít BER hay xác suất lỗi bít ( yêu cầu thấp nhất ≤ 10-4, - đối với dịch vụ điện báo truyền chữ) Hệ thống đa mức: Đặc trưng bởi Tỷ lệ lỗi Symbol SER. Độ giữ chậm tuyệt đối ( Độ trễ tín hiệu): yêu cầu ≤ 400ms 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 9 Chương 2 Kênh thông tin và Pha đinh đa đường Bài 1: Kênh thông tin 2.1. Đặt vấn đề Các cơ chế gây ra pha-đinh trong truyền dẫn vô tuyến điện được nghiên cứu từ những năm 1950, Lý thuyết và các mô hình về kênh pha-đinh không ngừng được phát triển và hoàn thiện. Kiến thức cơ sở về kênh thông tin là tối cần thiết cho mọi quá trình nghiên cứu và thiết kế các hệ thống thông tin vô tuyến. Các nội dung phân tích sau này luôn gắn kết chặt chẽ với các tính chất của kênh pha-đinh. Do đó, trước khi phân tích về các kỹ thuật truyền dẫn, mục này trình bày các kiến thức cơ bản về kênh thông tin và hiện tượng pha-đinh đa đường trên băng tần UHF, ảnh hưởng trực tiếp tới các hệ thống thông tin vô tuyến trong mạng tế bào và mạng LAN. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 10 2.2. Các khái niệm cơ bản về Kênh thông tin Kênh thông tin là thuật ngữ chỉ môi trường truyền sóng từ máy phát tới máy thu. Khi nghiên cứu thiết kế các hệ thống thông tin, trước tiên người ta thường khảo sát chất lượng của hệ thống trên kênh tạp âm Gauss trắng cộng tính (AWGN). Đây là kênh bao gồm các mẫu tạp âm có phân bố độc lập thống kê làm sai lạc các dữ liệu không kể đến ISI. Tạp âm này được coi là có phổ rộng vô hạn với mật độ phổ công suất bằng phẳng trên mọi dải tần . Môi trường truyền sóng vô tuyến được coi là môi trường tự do, đồng đều và không hấp thụ. Khoảng cách từ đường truyền dẫn tới mặt đất được xem là xa vô cùng và sự phản xạ từ mặt đất coi như không đáng kể. Trong mẫu không gian tự do lý tưởng đó, công suất tín hiệu nhận được có thể ước lượng trước và hệ số suy giảm công suất phát được xác định theo công 2 thức: 4d Ls d 8/9/2023 (1.1) - d là khoảng cách từ KT máy phát tới máy thu, là bước sóng tín hiệu Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 11 - Kênh đa đường: Trong thực tế, việc truyền dẫn tín hiệu hầu hết diễn ra trong tầng khí quyển và gần với mặt đất. Mẫu giả thiết truyền dẫn trong không gian tự do trên là không thoả đáng để mô tả đặc tính của kênh cũng như để đánh giá chất lượng của hệ thống. -Tín hiệu được truyền từ máy phát tới máy thu theo nhiều đường khác nhau (gọi là truyền dẫn đa đường) gây ra hiện tượng thăng giáng ngẫu nhiên về biên độ, pha và góc tới của tín hiệu thu, được gọi là pha-đinh đa đường. - Ảnh hưởng của pha-đinh đa đường tới chất lượng tín hiệu truyền lớn hơn rất nhiều so với ảnh hưởng của AWGN. -Ba cơ chế gây ra truyền dẫn đa đường là phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ, được mô tả tại hình1.1: 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 12 - Hiện tượng phản xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng nhẵn có kích cỡ rất lớn so với bước sóng. - Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che khuất bởi các vật chắn có kích cỡ lớn hơn so với bước sóng, gây ra các tia thứ cấp phía sau vật chắn. -Hiện tượng tán xạ xảy ra khi sóng vô tuyến va chạm vào một bề mặt gồ ghề hay các vật thể có kích cỡ tương đương hoặc nhỏ hơn kích cỡ bước sóng làm đường truyền tín hiệu bị phân tán ra nhiều phía. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 13 - Hiệu ứng Doopler (Xem thêm Trang 185- KT truyền dẫn) - Là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tín hiệu đã phát đi, gây bởi chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát. - Tại máy thu, tần số tín hiệu nhận đuợc theo tia sóng thứ I là: - f= fc+fd.cos фi. Với: - fc: tần số sóng mang - Фi: góc tới của tia sóng thứ i so với hướng chuyển động của máy thu. - fd: Độ dịch tần Doppler: fd= v.fc/c (c: vận tốc ánh sáng) Như vậy: - Chỉ trong trường hợp máy thu đứng yên hoặc chuyển động vuông góc so với máy phát thì tần số của tín hiệu thu mới không đổi so với tần số phát. - Khi máy thu chuyển động dọc theo huớng truyền sóng cos=1 thì hiệu ứng Doppler xảy ra mạnh nhất (máy thu đặt trên xe chuyển động trên xa lộ, an ten phát được bố trí dọc theo sa lộ). 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 14 2.3. Phân loại cơ chế pha-đinh 2.3.1. Pha-đinh trên phạm vi rộng Đặc trưng cho sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu do sự thay đổi vị trí trên khoảng cách lớn, bị ảnh hưởng của địa hình và các vật chắn che khuất giữa máy phát và máy thu. Các số liệu thống kê về pha-đinh trên phạm vi rộng được cộng vào lượng suy hao đường truyền và thường được đánh giá bởi các giá trị trung bình của tín hiệu thu qua các khoảng cách 10-30 lần chiều dài bước sóng . 2.3.2. Pha-đinh trên phạm vi hẹp Đặc trưng cho các biến đổi nhanh về biên độ và pha của tín hiệu, được khảo sát trên các thay đổi nhỏ theo vị trí không gian giữa máy phát và máy thu (cỡ 1/2 bước sóng ). 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 15 Mối quan hệ giữa (t) với pha-đinh trên phạm vi rộng m (t) và pha-đinh trên phạm vi hẹp r0 (t) . (a) biểu diễn công suất của tín hiệu nhận được đối với sự thay đổi vị trí của anten theo số nguyên lần bước sóng, là một hàm của (t). Pha-đinh chuẩn log là một hàm biến đổi tương đối chậm, trong khi r0 (t) là một hàm biến đổi nhanh theo thời gian. (a) pha-đinh trên phạm vi hẹp được cộng vào pha-đinh trên phạm vi rộng (b) pha-đinh trên phạm vi rộng được bỏ qua để thấy rõ tác động của pha-đinh trên phạm vi hẹp r0 (t) lên tín hiệu. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 16 Khi ước lượng tổn hao đường truyền để dự trữ năng lượng tín hiệu, cần quan tâm tới các thành phần: • Tổn hao đường truyền trung bình, là một hàm theo khoảng cách. • Dự trữ pha-đinh trên phạm vi rộng. • Dự trữ pha-đinh trên phạm vi hẹp. - Khi tín hiệu thu được tạo thành bởi thành phần tín hiệu trội (điển hình là tia truyền thẳng LOS) cộng với vô số các tín hiệu phản xạ, biên độ đường bao được mô tả bằng hàm mật độ xác suất Rice Khi đó pha-đinh được gọi là pha-đinh Rice Phân bố Rice thường được đặc trưng bởi tham số k, là tỉ số giữa công suất tia trội đối với công suất tín hiệu đa đường và được xác định bởi : k=A2/(22) - 2 : công suất trung bình trước tách sóng của tín hiệu đa đường. - A: biên độ đỉnh của thành phần tín hiệu không bị pha-đinh 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 17 -Khi biên độ của tia trội tiến đến 0, hàm mật độ xác suất Rice tiệm cận tới hàm mật độ Rayleigh: -Với một đường truyền đơn, hàm mật độ xác suất Rayleigh biểu diễn hàm mật độ xác suất của công suất tín hiệu nhận được trong trường hợp pha-đinh xấu nhất. 2.4. Các loại Small Fading 2.4.1. Phân loại pha-đinh do cơ chế trải trễ (phân theo thời gian trễ của tín hiệu) -Căn cứ vào tương quan giữa thời gian trễ cực đại Tm và thời gian symbol Ts. -Nếu Tm<Ts: kênh gọi là pha-đinh không chọn lọc theo tần số hay pha-đinh phẳng. Trong trường hợp này kênh không gây méo ISI, nhưng chất lượng của tín hiệu truyền bị suy giảm do các thành phần đa đường khi cộng trừ véc-tơ với nhau sẽ làm tổn hại đến SNR. -Nếu Tm > Ts: Kênh được gọi là pha-đinh chọn lọc theo tần số, khi các thành phần đa đường nhận được của một symbol nằm ngoài khoảng thời gian của symbol đó. Kênh như vậy còn được gọi là kênh gây ISI. - 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 18 -Băng thông tương quan f0: là giới hạn thống kê của dải tần số mà kênh cho qua toàn bộ các thành phần phổ với độ suy giảm và xoay pha xấp xỉ như nhau. Xấp xỉ f0 1/ Tm. - Trong đó, tốc độ symbol 1/Ts thông thường được lấy bằng tốc độ truyền hay băng thông của tín hiệu W. Trong thực tế W có thể khác 1/Ts do hệ thống lọc hoặc dạng điều chế dữ liệu (QPSK, MPSK, trải phổ....) -Khi : W < f0 - kênh được coi là không chọn lọc theo tần số (hay pha-đinh phẳng). - Khi đó, mọi thành phần phổ của tín hiệu được tác động bởi kênh theo cùng một cách thức. Băng thông tương quan của kênh f0 đặt ra giới hạn trên cho tốc độ truyền tín hiệu mà không cần dùng bộ san bằng tại máy thu. -Nếu: W > f0 Kênh được coi là pha-đinh chọn lọc theo tần số - Méo do pha-đinh chọn lọc theo tần số xảy ra khi các thành phần phổ của tín hiệu bị tác động khác nhau bởi kênh truyền. Các thành phần phổ tín hiệu bị nằm ngoài băng thông tương quan f0 sẽ bị tác động khác so với các thành phần nằm trong f0. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 19 2.4.2. Phân loại pha-đinh do trải Doppler (theo biến đổi của kênh do chuyển động) -Sự phân tán trên đặc trưng cho đặc tính trải theo thời gian của tín hiệu trong một vùng cục bộ. Tuy nhiên chúng không thể hiện tính chất thay đổi theo thời gian của kênh do chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát, hoặc do chuyển động của các vật thể trong kênh, gây ra các biến đổi về biên độ và pha tín hiệu tại máy thu. - Gọi thời gian tương quan T0 là khoảng thời gian giới hạn mà trong đó đáp ứng xung không biến đổi như mong muốn. - Ts là khoảng thời gian phát của symbol - T0> Ts: kênh được gọi là pha-đinh chậm. Tình trạng của kênh hầu như không đổi trong quá trình symbol được phát đi. Việc truyền các symbol không bị méo xung mà chỉ bị tổn hao về SNR, tương tự như pha-đinh phẳng. -Nếu T0< Ts : pha-đinh nhanh. Khi đó đặc trưng pha-đinh của kênh có thể thay đổi nhiều lần trong khoảng thời gian phát symbol, dẫn đến méo dạng xung băng gốc gây ra BER không thể giảm nhỏ được bằng cách tăng SNR. - Các xung bị méo gây ra những khó khăn cho đồng bộ (như gây sai lỗi cho vòng khoá pha của máy thu) và thiết kế những bộ lọc phối hợp. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 20 - Đặc tính biến đổi theo thời gian của kênh cũng có thể được mô tả trên miền tần số (còn gọi là miền dịch tần Doppler). - Khi máy di động chuyển động cùng hoặc ngược chiều nhau, độ dịch tần: Fd =V/ - V là vận tốc tương đối của phương tiện, là chiều dài của bước sóng (= c/fc). Fd có giá trị dương nếu máy thu và máy phát chuyển động ngược nhau, có giá trị âm nếu chúng chuyển động ra xa nhau. Với các chuyển động vuông góc, độ dịch tần bằng 0.- Trải Doppler fd và thời gian tương quan của kênh T0 tỉ lệ nghịch với nhau, có thể lấy xấp xỉ: T0 1/ fd - Kênh coi là pha-đinh chậm nếu tốc độ tín hiệu lớn hơn tốc độ pha-đinh. Khi đó: W > fd (hay Ts < T0) -pha-đinh nhanh nếu tốc độ symbol 1/Ts (xấp xỉ tốc độ truyền tín hiệu hay băng thông tín hiệu W) thấp hơn tốc độ pha-đinh 1/T0 (xấp xỉ fd): W < fd (hay Ts> T0). *Tom tat: -Tm<Ts<To: FDF,FDC -Fo>W>Fd:: FDF, FDC 2.4.3.Tóm tắt các cơ chế gây Fading hẹp 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 21 CƠ CHẾ FADING Fading rộng Trên thay đổi lớn về vị trí Suy giảm tín hiệu trung bình theo khoảng cách Sự thay đổi giá trị trung binh Mô tả miền thời gian trễ Fading phẳng Tm<Ts Fading hẹp trên thay đổi nhỏ về vị trí Mô tả miền Tần số biến đổi theo thời gian của kênh Mô tả miền thời gian Mô tả miền Trải Doppler Fading chậm Fd<W Fading chọn lọc tần số Fading phẳng W<B(Fo) 8/9/2023 Trải theo thời gian Trễ của tín hiệu Fading chọn lọc tần số Fading chậm To(Td)>Ts KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng Fading nhanh Fading nhanh 22 Tóm lại: -Do méo tín hiệu: băng thông tương quan f0 đặt ra giới hạn trên cho tốc độ truyền tín hiệu tránh méo do pha-đinh chọn lọc tần số. - Do trải Doppler: fd đặt ra giới hạn dưới cho tốc độ truyền tín hiệu tránh méo do pha-đinh nhanh. Fd<W<B(Fo) 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 23 Đường cong dưới cùng, dạng hàm mũ biểu diễn BER, dùng cho các kênh AWGN. Đường cong nằm giữa được coi là giới hạn Rayleigh mô tả sự suy giảm chất lượng hệ thống do tổn hao về Eb /N0 do pha-đinh phẳng hay pha-đinh chậm (gần như giảm tuyến tính theo Eb /N0, được coi như trường hợp “xấu”. Các tham số Pb và Eb /N0 trung bình được dùng để biểu diễn giá trị trung bình của các đại lượng này do sự thay đổi thăng giáng của pha-đinh. Đường cong tiến tới tỉ lệ lỗi không thể giảm nhỏ được, mô tả tình trạng “tồi tệ” của kênh, khi đó xác suất lỗi bít gần như bằng 0.5. Hiện tượng này mô tả ảnh hưởng của pha-đinh chọn lọc theo tần số hay pha-đinh nhanh. Khi đó không thể tăng Eb/N0 để giảm nhỏ BER mà chỉ có thể thực hiện bằng cách dùng các biện pháp giảm méo do pha-đinh ( mã hóa, xáo trộn). 2.5.Tác hại và các phương pháp xử lý Fading 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 24 - Cơ chế trễ theo thời gian do truyền dẫn đa đường Cơ Cơ chếchế biến biến đổiđổi tần số theo theo thời tôcgian độ do do chuyển chuyểnđộng động Fading phẳng (Tổn hao SNR) Ts>Trải trễ Tm Fading chậm ( Doppler thấp, tổn hại SNR) Tốc độ fading kênh Fd< Tốc độ Sym (W) Miền thời Gian trễ Fading chọn lọc tần số (méo ISI, cắt xén xung, BER không giảm được Miền Tần số 8/9/2023 Fading nhanh (Doppler cao, Lỗi PLL, BER không giảm được) Fading phẳng (tổn hại SNR) Băng thông tương quan kênh B > tốc độ symbol W Fading chậm ( Doppler thấp, tổn hại SNR) Thời gian tương quan kênh To(Td) > thời gian symbol Ts Fading chọn lọc tần số (méo ISI, cắt xén xung, BER không giảm được Fading nhanh (Doppler cao, Lỗi PLL, BER không giảm được) KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng Miền Dịch tần Doppler Miền thời gian 25 Khi băng thông tín hiệu càng rộng so với băng thông tương quan của kênh, tính chất chọn lọc theo tần số càng rõ rệt, gây tổn hại nghiêm trọng đến chất lượng truyền dẫn 2.6. Vai trò của OFDM với Fading nhanh và và Fading chọn lọc theo tần số - Để giảm méo do pha-đinh chọn lọc theo tần số, ngoài cách dùng các bộ lọc san bằng và các KT trải phổ thì OFDM là một phương pháp rất hiệu quả. - Trong hệ thống đơn sóng mang, pha-đinh hoặc xuyên nhiễu đơn có thể gây ảnh hưởng tới toàn bộ dữ liệu được phát đi.Nhưng trong hệ thống OFDM, do việc truyền dữ liệu được thực hiện trên nhiều sóng mang nên chỉ một phần dữ liệu bị ảnh hưởng. Sau khi thu, phần dữ liệu sai sẽ được khắc phục bằng các mã sửa sai. - Mặt khác, nhờ việc truyền dữ liệu được thực hiện đồng thời trên một số các sóng mang trực giao nhau nên băng tần được tiết kiệm một cách đáng kể. - Trong ứng dụng thực tiễn, với một trải trễ xác định, việc xây dựng một hệ thống OFDM ít phức tạp hơn nhiều so với một hệ thống sóng mang đơn dùng bộ san bằng 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 26 Chương 3 Kỹ thuật OFDM 3.1. Khái niệm, sự phát triển và vai trò của OFDM 3.1.1. Sự phát triển của OFDM Giai đoạn I : Nghiên cứu thử nghiệm và hoàn thiện 1966 : Patent US số 3,488,445 về OFDM của Robert Chang , Bell 1971 : S.B Weistein, Paul Ebert dề xuất sử dụng DFT, FFT và CP. Giai đoạn II : Ứng dụng trong các hệ thống truyền thông băng rộng 1990 : Các hệ thống truyền dẫn số HDSL1.6 Mbps, ADSL 6Mbps, VDSL 100Mbps. 1995-1997 : Chuẩn ETSI Châu Âu cho các hệ thống DAB, DVB-T, 1999-2002: Chuẩn IEEE 802.11a/g cho WAN(WI-Fi) 5/2.4MHz, 54Mbps Giai đoạn III : Nâng cao chất lượng, mở rộng các ứng dụng băng rộng và UWB 2004 : Chuẩn IEEE 802.16 cho W-MAN (Wi-MAX ), IEEE 802.11.n cho WLAN/MIMO200-540Mbps, IEEE 802.15.3.a cho UWB-WPAN/MB-OFDM 2006 8/9/2023 :ứng cử viên có triển vọng nhất cho thế hệ thông tin 4G KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 27 3.1.2. Khái niệm OFDM Kỹ thuật truyền dữ liệu song song và FDM bắt đầu phổ biến vào những năm 60. Toàn bộ băng tần tín hiệu được chia thành N kênh con. Mỗi kênh điều chế một symbol MPSK hoặc M-QAM khác nhau. Trên miền tần số, các sóng mang được bố trí cách nhau một khoảng cách về tần số (khoảng tần số phòng vệ) sao cho có thể thu được tín hiệu bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Khoảng tần số phòng vệ dẫn đến không tận dụng phổ tần một cách hiệu quả. Ý tưởng ghép kênh phân chia theo các tần số gối nhau, nhằm sử dụng tối đa băng thông và tăng khả năng chống pha-đinh chọn lọc theo tần số: các sóng mang được sắp xếp sao cho điểm cực đại của phổ sóng mang này tương ứng điểm cực tiểu của phổ sóng mang khác. (các sóng mang phải trực giao nhau về mặt toán học). có thể tiết kiệm 50% băng thông. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 28 3.2. Bản chất OFDM Là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang được phân bổ trực giao nhau. - Máy thu đóng vai trò như một tập hợp các bộ giải điều chế. Tín hiệu sau giải điều chế được tích phân trong khoảng thời gian symbol để khôi phục dữ liệu. - Nếu các sóng mang được chuyển xuống kế tiếp nhau, trên miền thời gian sẽ có toàn bộ chu trình trong khoảng thời gian symbol T. - Quá trình tích phân sẽ có kết quả bằng 0 với các sóng mang khác nếu khoảng cách giữa các sóng mang là 1/2T( Lệch pha 900) (trực giao nhau). 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 29 Weistein và Ebert : Áp dụng DFT vào các HT truyền dữ liệu song song với tư cách là một phần của quá trình điều chế và giải điều chế. (1971). - Việc sử dụng DFT tại máy thu và tính toán các giá trị tương quan tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang sẽ khôi phục được dữ liệu phát đi mà không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang khác. Nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên DFT, OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng lọc giải thông mà nhờ quá trình xử lý băng gốc . - Phổ biên độ của xung vuông bằng sinc(fT), và bằng 0 tại các tần số f bằng số nguyên lần của 1/T. ( hình 1.5) - Tại điểm cực đại của mỗi phổ sóng mang, phổ của các sóng mang khác bằng 0. Mỗi máy thu OFDM tính toán cần thiết sao cho giá trị phổ tại các điểm đó tương ứng với cực đại của các sóng mang riêng biệt, có thể giải điều chế từng sóng mang dễ dàng và tránh khỏi xuyên nhiễu của các sóng mang khác. - Ứng dụng IFFT và FFT cho máy phát và máy thu làm giảm đáng kể số phép tính trong quá trình thực hiện. - Việc số hoá hoàn toàn phần cứng thực hiện biến đổi FFT và những tiến bộ trong công nghệ VLSI tạo những chip FFT có dung lượng lớn, tốc độ cao và có khả năng thương phẩm. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 30 IFFT làm giảm đáng kể tổng số các phép tính bằng cách lợi dụng quy tắc của các thao tác trong IDFT. Việc sử dụng thuật toán bậc 2 và IFFT N điểm chỉ cần có (N/2).log2(N) phép nhân phức. (Ví dụ với phép biến đổi 16 điểm, 256 phép nhân của IDFT được thay bởi với 32 phép nhân của IFFT, giảm hơn 8 lần). • Sự khác nhau này tăng lên khi số lượng các sóng mang lớn lên, vì sự phức tạp của IDFT tăng theo bình phương N, trong khi sự phức tạp của IFFT chỉ tăng nhanh hơn quy luật tuyến tính một chút . 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 31 3.3. Các biện pháp kỹ thuật trong OFDM 3.3.1. Chèn khoảng thời gian phòng vệ Tg - Một trong những lý do quan trọng nhất để sử dụng OFDM là hiệu quả của nó trong xử lý trải trễ đa đường. (chia dòng dữ liệu đầu vào thành Ns sóng mang, Ts tăng Ns lần, tương tự trải trễ đa đường giảm Ns lần so với Ts ) - Khoảng thời gian phòng vệ được chọn lớn hơn trải trễ dự đoán để cho các thành phần đa đường từ một symbol không gây nhiễu tới symbol bên cạnh (ISI) 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 32 3.3.2. Chèn tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix) - Thời gian phòng vệ Tg có thể để trống và không truyền tín hiệu, tuy nhiên khi đó ICI sẽ tăng lên vì chúng không còn trực giao nữa. - VD chỉ có sóng mang 1 không bị trễ và sóng mang 2 bị trễ. Khi máy thu OFDM giải điều chế sóng mang 1, nó sẽ thu cả nhiễu từ sóng mang 2 vì trong khoảng FFT không đảm bảo số nguyên lần sự khác nhau về chu kỳ giữa sóng mang 1 và 2. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 33 - Để loại trừ ICI, symbol OFDM cần được kéo dài theo chu kỳ trong thời gian phòng vệ Đảm bảo các bản sao bị trễ của symbol OFDM luôn có 1 số nguyên về chu kỳ giữa khoảng cách FFT, miễn là độ trễ nhỏ hơn thời gian phòng vệ. Các tín hiệu đa đường có độ trễ nhỏ hơn thời gian phòng vệ không gây ra ICI. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 34 - Trong thực tế, một phần tín hiệu trong khoảng thời gian symbol được copy và chèn vào phía trước khoảng thời gian FFT để tạo ra khoảng thời gian phòng vệ (Tg), phần tín hiệu này sẽ bị loại bỏ tại máy thu để loại trừ ISI và ICI 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 35 Kết quả mô phỏng Giản đồ sao của tín hiệu 16-QAM không bị méo khi trễ đa đường nằm trong khoảng thời gian phòng vệ. - Khi trễ đa đường vượt quá thời gian phòng vệ là 3% của thời gian FFT, các sóng mang không còn trực giao, nhưng xuyên nhiễu vẫn đủ nhỏ và có thể nhận ra dạng của giản đồ hình sao. - Khi trễ đa đường vượt quá thời gian phòng vệ là 10% thời gian FFT, xuyên nhiễu lớn tới mức giản đồ hình sao bị phân tán trầm trọng, gây ra tỷ lệ lỗi không chấp nhận được. 8/9/2023 Giản đồ hình của tín hiệu OFDM với kênh đa đường 2 tia tia thứ 2KT thấp hơn 6 dB soCông với Hùng tia thứ nhất Truyền dẫn số - TS Đỗ 36 3.4. Sơ đồ khối băng gốc hệ thống OFDM - - Tuyến phát: chuỗi DL được biến đổi từ nối tiếp sang song song, tới bộ ánh xạ điều chế MPSK hoặc M-QAM; được chuyển từ miền tần số sang miền thời gian nhờ bộ biến đổi IFFT, khoảng phòng vệ được chèn vào symbol OFDM để chống ISI. Nhánh thu: việc xử lý tín hiệu số bắt đầu với giai đoạn huấn luyện để xác định thời gian symbol và độ dịch tần. FFT được sử dụng để giải điều chế các sóng mang. Đầu ra của FFT bao gồm Ns giá trị MPSK hoặc M-QAM, chúng được giải điều chế để tạo ra các dữ liệu ra nhị phân. Để ánh xạ được các giá trị QAM thành các giá trị nhị phân đúng, cần phải thu được pha và biên độ tham KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 37 8/9/2023chiếu của các sóng mang. 3.5. Thiết kế và lựa chọn các tham số OFDM - Các yêu cầu của hệ thống bao gồm: Băng thông có sẵn, tốc độ bit yêu cầu, trải trễ chấp nhận được và các giá trị Doppler. - Các tham số OFDM cơ bản cần được xác định: Khoảng cách giữa các sóng mang, dạng điều chế cho sóng mang, dạng mã hoá sửa lỗi hướng đi. - Một số trong số các các yêu cầu đặt ra mâu thuẫn với nhau: khi cần có dung sai trải trễ tốt, người ta muốn dùng nhiều sóng mang với khoảng cách sóng mang nhỏ, nhưng đối ngược với dung sai này là trải Doppler và tạp âm pha. Việc lựa chọn các tham số của OFDM cần được dung hoà giữa các yêu cầu để có sự kết hợp tốt nhất. Thông thường, ta chú ý tới 3 yêu cầu cơ bản ban đầu là: Băng thông, tốc độ bit và trải trễ. Cụ thể : Trước hết , Trải trễ quyết định trực tiếp tới thời gian phòng vệ. Theo quy luật thông thường thời gian phòng vệ cần chọn từ 2 tới 4 lần của trải trễ trung bình rms. Giá trị này phụ thuộc vào dạng mã hoá và điều chế M-QAM. Giá trị bậc M càng cao, hệ thống sẽ càng nhạy với ICI và ISI. - Việc sử dụng các bộ mã mạnh có thể giảm đáng kể ảnh hưởng của xuyên nhiễu đó. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 38 - Khi thời gian phòng vệ đã được xác định, thời gian symbol cũng giữ nguyên. Để giảm nhỏ sự thiệt hại tỷ số tín trên tạp gây bởi thời gian phòng vệ, ta cần thời gian symbol rộng hơn thời gian phòng vệ. (không thể lớn tuỳ tiện vì khoảng thời gian symbol rộng có nghĩa là có nhiều sóng mang với khoảng cách sóng mang nhỏ hơn, việc thực hiện phức tạp hơn, nhậy cảm hơn đối với tạp âm pha và sự dịch tần, cũng như tỷ số công suất đỉnh trên trung bình tăng lên. - Trong thực tế cần chọn khoảng thời gian symbol ít nhất là gấp 5 lần thời gian phòng vệ - Sau đó, số lượng các sóng mang được xác định theo chỉ tiêu băng thông -3dB, xác định bởi khoảng cách sóng mang. Khoảng cách sóng mang tính bằng nghịch đảo của khoảng cách symbol trừ đi thời gian phòng vệ. - Số lượng các sóng mang có thể được chọn bằng tốc độ bit yêu cầu, được chia thành tốc độ bit trên một sóng mang. Tốc độ bit trên một sóng mang được xác định bởi bậc điều chế, tốc độ mã hoá và tốc độ symbol. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 39 3.6. Ưu-nhược điểm của OFDM. Khi so sánh với các hệ thống đơn sóng mang Các ưu điểm cơ bản: OFDM là một biện pháp hiệu quả trong sử dụng băng tần, chống lại pha-đinh chọn lọc theo tần số và xử lý ISI do đa đường trong truyền dẫn băng rộng. OFDM có khả năng rất mạnh chống lại xuyên nhiễu băng hẹp, bởi vì tác động của xuyên nhiễm đó chỉ ảnh hưởng tới một phần trăm nhỏ của các sóng mang, các bít bị sai có thể được khôi phục bằng cách sử dụng các bộ mã sửa lỗi. Với một trải trễ xác định, việc thực hiện ít phức tạp hơn đáng kể so với hệ thống sóng mang đơn sử dụng bộ san bằng. Do đó OFDM đặc biệt hấp dẫn với các ứng dụng truyền thông và tạo ra khả năng thực thi cho mạng vô tuyến. Nhược điểm so với hệ thống đơn sóng mang: OFDM nhạy hơn đối với dịch tần số và tạp âm pha do thời gian symbol tăng. OFDM có tỷ lệ công suất đỉnh/ trung bình tương đối lớn, làm giảm hiệu quả công suất của bộ khuếch đại RF. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 40 2.7. Các ứng dụng cơ bản của OFDM. 1957: Hệ thống thông tin quân sự Kineplex sử dụng modem đa sóng mang trên HF. 1966: Patent US số 3,488,445 về OFDM của Chang. R, phòng thí nghiệm của Bell . 1971: Weinstein và Ebert đề xuất sử dụng FFT và khoảng thời gian phòng vệ. 1985: Cimini biểu diễn các ứng dụng của OFDM cho thông tin di động 1987: Alard & Lasalle: COFDM cho phát thanh và truyền hình số. 1988: Thử nghiệm đường truyền vô tuyến bằng OFDM tại Paris. 1990: Thử nghiệm OFDM tại Princeton, USA 1992: Thử nghiệm thiết bị OFDM thế hệ 2 với tốc độ 70 Mbit/s trên kênh 8 MHz tại Wuppertal, Germany 1992: Thử nghiệm thiết bị OFDM thế hệ 2 với BBC, London, UK. 1993: Triển lãm hệ thống 4 kênh TV và một kênh HDTV trên kênh 8MHz. 1993: Morris thử nghiệm hệ thống wireless LAN -OFDM 150Mbit/s 1995: Chuẩn đầu tiên ETSI tại châu Âu cho hệ thống DAB sử dụng OFDM . 1997: Chuẩn ETSI cho hệ thống DVB-T. 1998: Dự án Magic WAND sử dụng các modem OFDM cho wireless LAN . 1999: chuẩn IEEE 802.11a cho wireless LAN (Wi-Fi) với tốc độ truyền tới 54Mbps, băng thông 20Mhz trên băng tần 5Mhz. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 41 2000: Bản quyền truy nhập mạng wireless cố định (V-OFDM, Flash-OFDM, etc.) 2002: Chuẩn IEEE 802.11g cho wireless LAN với tốc độ truyền tới 54Mbps, băng thông 20Mhz trên băng tần 2.4 Mhz. 2004: Chuẩn IEEE 802.16-2004 cho wireless MAN (WiMAX) 2004: Chuẩn ETSI cho hệ thống DVB-H 2004: Chuẩn IEEE 802.11n cho mạng wireless LAN thế hệ mới với tốc độ truyền từ 200540Mbps trên băng tần 2, 4 và 5Mh nhờ sự kết hợp của OFDM và công nghệ MIMO. 2004: Chuẩn IEEE 802.15.3a cho hệ thống UWB- wireless PAN sử dụng MB-OFDM 2005: Ứng cử viên cho các chuẩn tế bào di động 3.75G (3GPP & 3GPP2 Long Term Evolution)) với tên gọi là High Speed OFDM Packet Access (HSOPA) 2006: Ứng cử viên cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ 4G Sự phát triển của OFDM liên tục theo các mốc thời gian như trên chứng tỏ rằng đây là một giải pháp hữu hiệu và được ứng dụng rộng rãi không chỉ cho các hệ thống thông tin băng rộng mà còn cả cho hệ thống thông tin băng cực rộng (UWB). 2010: Ứng dụng OFDM cho các hệ thống 4G cùng công nghệ MIMO Các biện pháp nâng cao chất lượng hệ thống OFDM là một chủ đề hiện được các nhà khoa học trên thế giới hết sức tập trung nghiên cứu. Một trong những hướng nghiên cứu mới về OFDM là OFDM thích nghi (AOFDM). Các nội dung cơ bản của AOFDM sẽ được phân tích cụ thể trong mục tiếp theo. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 42 3.7. OFDM thÝch nghi 3.7.1. ý tëng vµ ®iÒu kiÖn OFDM thÝch nghi - Trªn c¸c kªnh pha ®inh chän läc theo tÇn sè: ¶nh hëng cña pha ®inh tíi c¸c sãng mang con lµ kh¸c nhau, ®Æc tÝnh BER trªn c¸c sãng mang con lµ kh¸c nhau ý tëng AOFDM: Trong điÒu kiÖn kªnh biÕn ®æi chËm, cã thÓ t¨ng chÊt lîng cña hÖ thèng OFDM b»ng c¸ch thay ®æi c¸c tham sè ph¸t trªn c¸c sãng mang thÝch nghi theo ®iÒu kiÖn truyÒn. 3.7.2. Chu tr×nh thÝch nghi • ¦íc lîng kªnh (Channel Estimation). Thay ®æi tham sè thÝch nghi (Parameter Adaptation) • B¸o hiÖu tham sè (Signaling Parameters) 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 43 1. Ước lượng kênh - Xác định hàm truyền đạt của kênh trên các băng con. Phương pháp sử dụng các sóng mang Pilot 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 44 2. Các phương thức báo hiệu Báo hiệu vòng hở MS Đánh giá chất lượng kênh quan sát được và quyết định dạng truyền của TX tại chỗ Downlink Các dạng điều chế tín hiệu được sử dụng bởi BS BS Đánh giá chất lượng kênh nhận được và quyết định dạng truyền của TX tại chỗ Báo hiệu vòng kín MS Đánh giá chất lượng kênh quan sát được và báo hiệu dang truyền yêu cầu tới BSTX 8/9/2023 Downlink Các dạng điều chế tín hiệu được sử dụng bởi MS KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng BS Đánh giá chất lượng kênh quan sát được và báo hiệu dang truyền yêu cầu tới MSTX 45 3. thích nghi tham so Mã hóa thích nghi….. Thích nghi tham số OFDM…. Điều chế thích nghi 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 46 ThÝch nghi tham sè (Parameter Adaptation) • Adaptive Modulation : ThÝch nghi c¸c s¬ ®å ®iÒu chÕ bËc cao theo SNR trªn c¸c sãng mang (Steele, Webb -1991) • Adaptive Coding : ThÝch nghi c¸c tham sè m· ho¸ theo SNR trªn c¸c sãng mang (Sampei, Gold Smith, Pearce, Hanzo...- 2000) , - ThÝch nghi tham sè OFDM (Lai Lifeng-2003) • 8/9/2023 Adaptive Mapping : §Ò xuÊt trong luËn ¸n TS KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 47 Chương 4. Lý thuyết về điều chế đa mức 4.1. Đặt vấn đề Nhu cầu về dung lượng của HTTT Nhu cầu về điều chế thích nghi trên kênh chọn lọc theo tần số Vai trò điều chế đa mức 4.2. Phân biệt HTTT nhị phân và đa mức CU LY BIT 1 01 CU LY BIT 1 01 4.3. Các bộ điều chế M-PSK - Ánh xạ giữa tập bit được truyền và tập symbol tín hiệu 11 00 10 00 - Mỗi Symbol tín hiệu tương ứng với log M bit Data 11 10 Điều chế QPSK - Xét bộ ánh xạ Gray, SP CU LY BIT 1 010 CU LY BIT 1 011 - Mỗi Symbol truyền đi tương ứng 010 011 001 với 2 bit Data 110 000 001 100 000 Điều chế 8-PSK - Xét bộ ánh xạ Gray, SP 111 - Mỗi Symbol truyền đi tương đương với 3 bit Data 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 100 101 101 111 110 48 CULY BIT 2 10 4.4. Các bộ điều chế M-QAM - Ánh xạ giữa tập bit truyền và tập symbol tín hiệu - Mỗi Symbol tín hiệu tương đương với log2 M bit Data Điều chế 4-QAM 01 00 - Mỗi Symbol truyền đi tương đương với 2 bit Data - Xét sự tương đương với 4-PSK/QPSK Điều chế 16-QAM 11 - Xét bộ ánh xạ Gray, SP - Mỗi Symbol truyền đi tương đương với 4 bit Data 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 1111 CU LY BIT 1 1011 1010 1110 0111 0011 0010 0110 0101 0001 0000 0100 1101 1001 1000 1100 49 Nhận xét: ( xem thêm trang 130 KT truyền dẫn số) - Để cùng đạt được một BER đã cho, với M>8, EQ sẽ lợi hơn Ep ( với EQ là năng lượng max của tín hiệu QAM, do đó năng lượng trung bình của tín hiệu M-QAM sẽ còn bé hơn). - Với hệ thống có dung lượng lớn ( tốc độ bít lớn) người ta thường sử dụng các bộ điều chế đa mức để tiết kiệm phổ tần như 2,4,8 PSK, hay 4, 16, 64…QAM - Trong hệ thống điều chế đa mức người ta còn đánh giá sai lỗi của hệ thống qua chỉ số SER (Symbol Error Rate) - Trong hệ thống M mức, mỗi symbol gồm k bít (k=log2M) SER/k≤BER≤SER BER=SER/log2M 4.5.Ứng dụng các bộ điều chế đa mức trong HTTT - Ứng dụng trong OFDM thích nghi - Ứng dụng trong OFDM-BICM-ID ánh xạ thích nghi 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 50 4.6. Mô phỏng các HTTT và HT điều chế đa mức 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 51 Thuật toán thích nghi Ban đầu với mức SNR = 0 BPSK BPSK Tăng SNR = 0,1,2,..,35 S Đ Tăng mức điều chế: QPSK, 8PSK, 16QAM, 64QAM…. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 52 Kết quả BER của hệ thống OFDM trên kênh pha đinh Rice có hệ số k=32 , D=40 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 53 Kết quả BER của hệ thống OFDM thích nghi với BER mục tiêu là 10-4 trên kênh pha đinh Rice có hệ số k=32 , D=40 . 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 54 Kết quả số bít trung bình trên 1 sóng mang con BPSc Hệ thống AOFDM với BER mục tiêu 10-4 trên kênh pha đinh Rice có hệ số k=32 , D=40 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 55 Tóm tắt 4 chương Các nội dung đã trình bày Phân tích cơ sở lý thuyết kênh truyền dẫn đa đường Cơ sở lý thuyết Điều chế đa mức Cơ sở lý thuyết hệ thống OFDM Cơ sở lý thuyết thích nghi Xây dựng mô hình và khảo sát chất lượng BER của hệ thống OFDM, OFDM Thích nghi trên kênh fading đa đường có sự tác động đồng thời của Tạp âm Gauss. 4.7. Vai trò của mã hóa trong HTTT và HT điều chế đa mức - Vai trò của mã hóa trong HTTT Vai trò của mã hóa trong HT điều chế đa mức 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 56 ĐẠI HỌC THÀNH ĐÔ CHUYÊN ĐỀ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG Mà KÊNH TS: Đỗ Công Hùng Tháng 8 - 2015 8/9/2023 57 Mục tiêu chương trình - Nắm chắc các nội dung của Mã kênh - Làm cơ sở nghiên cứu ứng dụng trong các môn học chuyên ngành như TT Di động, TT vệ tinh, TT quang…. Nội dung •Lý thuyết cơ bản về Mã hoá • Mã CRC, • Mã khối • Mã xoắn, • Mã Turbo •BICM-ID) • Phân tích kênh vật lý trong LTE 8/9/2023 58 Tài liệu học tập Giáo trình 1. Đỗ Công Hùng, (2011) , chuyên đề mã kênh, Đại Học Thành Đô, Tài liệu tham khảo Tiếng Việt 1. Nguyễn Quốc Bình, (2000), Kỹ thuật truyền dẫn số, Học viện Kỹ thuật Quân sự. 2. Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình, Đỗ Công Hùng, (2006) “Tối đa hóa dung lượng thông tin cho hệ thống OFDM bằng các giải pháp thích nghi”, Tạp chí Bưu chính Viễn thông và Công nghệ thông tin, Bộ Bưu chính Viễn thông, kỳ 1. 3. Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình, (2006), “Giải pháp thích nghi cho hệ thống OFDM bằng BICM-ID với các bộ ánh xạ tín hiệu khác nhau”, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện KTQS, số 116. 4. Nguyễn Tùng Hưng, Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Phạm Văn Bính, (2003), “Tính toán chất lượng của mã chập nhị phân có loại bỏ xen kẽ”, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện KTQS, số 103. 5. Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình, (2006), “Nâng cao Chất lượng Hệ thống OFDM bằng BICM-ID”, Chuyên san Các công trình nghiên cứuTriển khai Viễn thông và Công nghệ thông tin, Bộ Bưu chính Viễn thông. 8/9/2023 59 Tiếng Anh 1. Amoroso. F., (1987), “Instantaneous Frequency Effects in a Doppler Scattering Environment,” IEEE International Conference on Communications, pp. 1458-66. 2. Benedetto. S. and Biglieri E., (1999), Principles of Digital Transmission With Wireless Applications, New York: Kluwer Academic. 3. Sklar. B., (2001), Digital Communications: Fundamentals and Applications, Second Edition, Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall . 4. Greenwood. D. and Hanzo, L., (1994), Characterization of Mobile Radio Channels, Mobile Radio Communications, edited by R. Steele , London: Pentech Press. 5. Hanzo. L., Webb W., and Keller. T.,(2000), Single-and Multi-Carrier Quadrate Amplitude Modulation, New York: IEEE Press/Wiley. 6. Hara.S., Prasad R., (2003), Multi-carrier Techniques for 4G Mobile Communications, Artech House, Boston, London. 7. Hata. M., (1980) “Empirical Formulae for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services,” IEEE Trans. on Vehicular Technology, vol. VT-29, no. 3, pp. 317-25. 8. Do Cong Hung, Tran Xuan Nam, Dinh The Cuong, (2006), “Adaptive Mapping for BICM-ID OFDM Systems”, Biennial Vietnam conference on Radio and Electronics (REV 2006). 9. Sklar. B., (2001), Digital Communications: Fundamentals and Applications, Second Edition, Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall . 10. Hagenauer. J.,(1997), “The turbo principle: Tutorial introduction and state of the art,” in Proc. Int. Symp. Turbo Codes and Related Topics, pp. 1–11. 8/9/2023 60 1.2. Sơ đồ khối của HTTT số Tạo dạng Mã nguồn Mã mật Nguồn khác Nguồn tin Tạo dạng Đích Nhận tin 8/9/2023 Mã kênh Ghép kênh Giải mã nguồn Giải mã mật Giải Phân kênh mã kênh Điều chế Trải phổ Đa truy nhập Kênh TT Đồng bộ Giải điều chế Phát Giải trải phổ Giải Đa truy nhập Thu Đích Khác 61 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Khối tạo dạng: Tạo dạng tín hiệu, biến đổi tin tức cần truyền thể hiện ở dạng tín hiệu liên tục hay số có dạng chuỗi bit nhị phân Mã hóa-giải mã nguồn: Nén và giải nén tin nhằm giảm tốc độ bít, giảm phổ chiếm của tín hiệu số Mã hóa-giải mã mật: Mã hóa-giải mã chuỗi bít theo 1 khóa nhằm bảo mật tin tức Mã hóa-giải mã kênh: sửa lỗi hướng đi FEC,chống nhiễu và các tác động xấu khác của kênh truyền Ghép-Phân kênh: Thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khác nhau tới các đích khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn Điều chế-Giải điều chế số (MODEM): Biến đổi chuỗi tín hiệu số thành các tín hiệu liên tục phù hợp (điều chế băng gốc) và điều chế RF ( Trộn tần, lọc, Khuếch đại và phát xạ vào môi trường). Trải- Giải trải phổ: Chống nhiễu cố ý và bảo mật tin tức Đa truy nhập: Cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập mạng thông tin để sử dụng hệ thống truyền dẫn theo yêu cầu Đồng bộ: Đồng bộ nhịp và đồng bộ pha sóng mang đối với HT thông tin liên kết Lọc: Tại máy thu phát đầu cuối, bao gồm lọc cố định nhằm hạn chế phổ tần, chống tạp nhiễu và lọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gây bởi đường truyền. 8/9/2023 62 Tổng quan về Mã hoá 5.1. Đặt vấn đề 5.2. Mô hình kênh và dung lượng kênh 5.3. Các khái niệm chung Phân loại mã hóa - - Nguồn tin Mã nguồn Mã kênh Điều chế Nhận tin Giải Mã N Giải mã K Giải ĐC Kênh Mã nguồn: loại bỏ các bít dư của nguồn tin, nén DL Mã kênh: thêm các bít mã ở máy phát, sử dụng khối giải mã ở máy thu để phát hiện và sửa sai do tác động của kênh truyền. Dựa vào các bít mã, Máy thu có thể phát hiện lỗi và yêu cầu tự động phát lại (ARQ) hoặc tự động sửa sai (FEC). Trong thực tế, Kênh truyền là kênh dạng sóng, không thể truyền trực tiếp tín hiệu số, bộ Điều chế có chức năng biến đổi chuỗi bít thành chuỗi dạng sóng (symbol) 8/9/2023 63 - Do tác động của kênh truyền, chuỗi đầu ra của bộ giải điều chế có thể không giống hệt như đầu vào bộ Điều chế, nhiệm vụ của bộ Giải mã kênh là dựa vào thông tin của các bít mã đã thêm vào để giải mã thành chuỗi có lỗi nhỏ nhất. Trong một số HT, khối mã kênh đuợc kết hợp với khối điều chế thành một khối, gọi là mã hoá dạng sóng (TCM). Chất lượng của một bộ mã được đánh giá bằng giá trị SNR cần thiết để đạt được BER, FER hoặc PER yêu cầu. (Sự trả giá là tốc độ truyền, độ rộng băng tần, độ phức tạp..). Mã mật: Mã hóa để đảm bảo độ bảo mật của thông tin Lý thuyết mã kênh Shannon (1948): - Với kênh AWGN có băng tần vô hạn: - - C - 1 2P log 2 (1 )b / s 2 N0 C: Dung lượng kênh; N0/2:mật độ phổ công suất tạp âm song biên, P: Công suât trung bình của tín hiệu. C: số bít truyền trên 1s với tỷ lệ lỗi nhỏ tuỳ ý qua kênh. 8/9/2023 64 Lý thuyết mã kênh Shannon : Nếu tốc độ mã R<C, tồn tại các bộ mã để truyền với xác - suất lỗi nhỏ tuỳ ý (với S/N tương ứng). Nếu R>C: không có một bộ mã nào có thể truyền được để thoả mãn xác suất tiến đến 0. Trường hợp đầu vào nhị phân, đầu ra bất kỳ, tốc độ mã ½, giới hạn Shannon là xác suất lỗi bít Pb(e)=10-5 tại xấp xỉ 0.2 dB. Phân loại mã kênh: Mã kênh Mã chuỗi có cấu trúc Mã dạng sóng Mã phát hiện lỗi Mã khối (CRC) (Hamming, RS, BCH) 8/9/2023 Mã xoắn (Convolution Code) Mã liên kết Nối tiếp Mã liên kết song song Mã kết hợp Liên kết (SCCC) (PCCC- Turbo) (TCM, BICM-ID) 65 Mã vòng CRC (Cyclic Redundancy Code) - Mã vòng (Cyclic Code) là mã khối tuyến tính đặc biệt với một thuộc tính bổ sung: dịch vòng (quay) một từ mã trong bảng mã sẽ tạo ra một từ mã khác Mã CRC thường được sử dụng: CRC 8 bit CRC 16 bit CRC 24 bit CRC 32 bit Mô hình mã hóa bên phát và sửa lỗi bên thu Mô hình chi tiết Divisor là số chia được xác định và thỏa thuận trước giữa 2 bên phát và thu Mã CRC (Cyclic Redundancy Code) • • • • • Là mã phát hiện lỗi. Giả sử chuỗi bít Data có dạng: M=100101 Tại máy phát: Đa thức sinh G(x) = x4 + 1= 1.x4 +0. x3 + 0.x2 +0.x1 +1 G=10001 Xác định r= M/G ( r có bậc 4, bằng với bậc của G) • 10010 1.0000 10001 10001 100111 00011100 10001 011010 10001 010110 10001 0111=r 8/9/2023 69 • • • Vậy chuỗi bít phát đi sẽ Data có dạng: 100101.0111 Tại máy thu, chuỗi bít nhận được sẽ được chia cho G=10001 Giả sử thu đúng, chuỗi bít thu được có dạng: 100101.0111 10001 10001 100111 00011101 10001 011001 10001 010001 10001 00000 =0 • • Nếu thu sai, số dư sẽ khác 0, máy thu sẽ yêu cầu phát lại bằng tín hiệu NACK Giá trị chuỗi bít phát sẽ được sau lưu cho tới khi có tín hiệu ACK phản hồi 8/9/2023 70 Thiết kế phần cứng và lập trình bộ chia trong CRC Quy tắc biểu diễn một từ nhị phân bằng đa thức - - Mã khối (n,k): Được nghiên cứu đầu tiên nên hoàn chỉnh về mặt lý thuyết. Một khối mã gồm n từ mã, trong đó có k bít tin. Số lượng bít dư là: r =n-k Tốc độ mã hoá là: k/n K bít tin đuợc sắp xếp độc lập giữa các từ mã (khối mã) nên đuợc gọi là mã không nhớ. Đầu tiên là mã Hamming, sau đó là mã RS, Mã BCH ( tổng quát cho bộ mã Hamming và Golay) có tối ưu khoảng cách giữa các từ mã với khả năng sửa lỗi cụm mạnh, thường sử dụng trong các mã liên kết Các thuật toán giải mã: Giải mã ngưỡng, giải bằng hàm số tuyến tính, giải mã tuần tự… Vị trí các bít kiểm tra r là 2i (i=0,1,2……), tức các vị trí của r = 1,2,4,8,16, 32….. Xét mã Hamming (7,4), có n=7, k=4, r=3 Tại máy phát, chuỗi bít có dạng : x y a3 z a5 a6 a7 Giả sử chuỗi Data có dạng : k=1001, khi ấy chuỗi phát đi sẽ là : x y 1 z 0 0 1 Xác định r= x, y, z theo công thức cộng modul 2 (XOR) X= a3 + a5 + a7 = 1+0+1=0 y= a3 + a6 + a7 = 1+0+1=0 z = a5 + a6 + a7 = 0+0+1= 1 Vậy: r = 001 8/9/2023 74 •Tại máy phát, chuỗi bít có dạng : x y a3 z a5 a6 a7 Hay : 001 10 0 1 •Tại máy thu, chuỗi bít có dạng : x y a3 z a5 a6 a7 • Nếu thu đúng; chuỗi bít sẽ là : 0 0 1 1 0 0 1 • Máy thu sẽ thực hiện các bước kiểm tra: vị trí 20 = x+ a3 + a5 + a7 = 0+1+0+1= 0 vị trí 21 = y+ a3 + a6 + a7 = 0+1+0+1= 0 vị trí 22 = z+ a5 + a6 + a7 = 1+0+0+1= 0 •Nếu thu sai ; giả sử chuỗi bít là : 0 0 0 1 0 0 1 • Máy thu sẽ thực hiện các bước kiểm tra: vị trí 20 = x+ a3 + a5 + a7 = 0+0+0+1= 1 vị trí 21 = y+ a3 + a6 + a7 = 0+0+0+1= 1 vị trí 22 = z+ a5 + a6 + a7 = 1+0+0+1= 0 Máy thu sẽ biết là thu sai và xác định được vị trí bít sai là: 20 +21 = 3 8/9/2023 75 Nhận xét: - Chuỗi DL phát có cấu trúc khung, bộ giải mã làm việc sau khi toàn bộ khung đã thu được, dẫn đến trễ tín hiệu khi khung DL quá lớn. Giải mã khối đòi hỏi đồng bộ khung chính xác, bộ giải mã phải biết đâu là ký hiệu đầu tiên trong từ mã hoặc khung DL. Các bộ giải mã khối dựa trên cơ sở đại số thường là giải mã quyết định cứng, đầu vào bộ giải mã là các giá trị nhị phân. ( các bộ giải mã khối quyết định mềm có độ phức tạp lớn ). Cùng một độ phức tạp, mã xoắn cho chất lượng tốt hơn nhiều so với mã khối. - 8/9/2023 76 5.4. Mã Xoắn (convolutional Code) 5.4.1. Khái niệm chung: Ý tưởng: Với các khung tin lớn, nếu dùng mã khối thì các khối sẽ độc lập nhau. Trong khi việc truyền tín hiệu trên kênh là liên tiếp, các khung tín hiệu sẽ chịu tác động liên quan đến nhau. Làm sao cho các khối mã có liên hệ, dùng kết quả giải mã lần trước để làm tham số cho lần sau. Với kênh Gauss: phương sai σ2 có thể thay đổi. Vì vậy cần có giải mã quyết định mềm phù hợp với trạng thái của kênh. Khái niệm: (Elias-1955): Là bộ mã có nhớ, k bít đầu vào được xắp xếp để tạo thành n bít đầu ra, là một hàm phụ thuộc vào quá khứ. - 5.4.2. Thuật toán giải mã: - Thuật toán giải mã tuần tự ( Wozencraft 1957 và được phát triển bởi Fano 1963) (số lượng tính toán giải mã là vô hạn), Thuật toán giải mã ngưỡng (Masey-1963) (số lượng tính toán hạn chế), Thuật toán Viterbi (VA-1967): Giải mã không tuần tự, giới hạn số lượng phép tính trên mỗi bước giải mã (không bị tràn như thuật toán giải mã chuỗi, đơn giản hơn thuật toán giải mã ngưỡng). Là thuật toán giải mã cực tiểu xác suất lỗi. 8/9/2023 77 - - - 1966: Forney đưa ra ý tưởng liên kết các mã thành các tầng: Mã xoắn được sử dụng làm mã vòng trong, mã RS làm mã vòng ngoài kết hợp bộ xáo trộn, được sử dụng làm chuẩn NASA trong các HT TT vũ trụ. Theo Forney: Nếu độ phức tạp của bộ mã hóa và giải mã tăng theo hàm đại số thì chất lượng sửa sai tăng theo hàm Log. Chất lượng của các họ mã trên còn cách xa giới hạn Shannon: VD bộ mã Qualcom tốc độ ½ với chiều dài ràng buộc k=7 chỉ đạt xác suất lỗi 10-5 tại 4.3 dB. 1993, 1996: Các bộ mã liên kết song song ( Turbo hay PCCC) cùng với thuật toán giải mã lăp được giới thiệu, chất lượng của các bộ mã này có thể tiến gần vài phần mười dB so với giới hạn Shannon. Các mã liên kết sau này (TCM, BICM-ID …đều sử dụng với mã hạt giống là mã xoắn 8/9/2023 78 5.4.3.Tãm lược lÞch sö ph¸t triÓn ý tưởng t¹o sù rµng buéc trong chuçi tin theo thêi gian 1955 Elias ®a ra kh¸i niÖm Convolutional Codes 1957 Wozencraft ®Ò xuÊt ph¬ng ph¸p gi¶i m· tuÇn tù 1963 Fano ph¸t triÓn tiÕp ph¬ng ph¸p nµy 1963 Massey gîi ý viÖc gi¶i m· ngìng m· xo¾n 1966 Ziganginov giíi thiÖu thuËt to¸n ng¨n xÕp phôc vô gi¶i m· tuÇn tù 1967 Viterbi giíi thiÖu thuËt to¸n gi¶i m· Viterbi 1967 Forney ®a ra kh¸i niÖm líi (trellis) 8/9/2023 79 M¸y m· Wozencraft (Feed Forward) S¬ ®å tæng qu¸t - b bit ®Çu vµo I - c bit ra - Gi¸ trÞ bÝt ra Phô thuéc gi¸ trÞ bÝt I ®Çu vµo vµ tr¹ng th¸I cña « nhí. 1 D11 D12 ….. D1 1 G1 Db1 D b2 ….. D b 1 Gb b ….. c O1O 2 O O1 + ThÝ dô m· [5 7] O2 + I 8/9/2023 D D 80 M¸y m· Fano (systematic) ……... O1 ……... I b ……... I1 Ob S¬ ®å tæng qu¸t BiÕn ®æi tuyÕn tÝnh … O b1 … … ThÝ dô m· [5 7] Oc I O1 D D + O2 8/9/2023 D + D + 81 M¸y m· cã ph¶n håi (Recursive Systematic) + S¬ ®å tæng qu¸t uj + + f0 f1 fm-1 Dj-1 Dj-2 Dj-m q1 q2 qm + + fm + uj fm-1 fm + Cã cïng hµm truyÒn Dj-1 qm fm-2 + Dj-2 f0 + + qm Dj-m + vj q1 f0 f1D ... f m D v( D) u( D) f ( D)/ q( D) u( D) m 1 q1D ... qm D m 8/9/2023 82 vj 5.4.4. BiÓu diÔn m· ë d¹ng ma trËn sinh G0 G1 ... ... Gm G0 G1 ... ... Gm G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... v = uG Víi m· [5,7]: G0 = (11) G1 = (10) v0(1)v1(1) ... BiÕn ®æi song song v0( 2)v1( 2) ... sang nèi tiÕp G2 = (11) v0(1)v0( 2) v1(1)v1( 2) ... u0 u1 ... 8/9/2023 83 5.4.5. BiÓu diÔn m· b»ng ®å h×nh chuyÓn tr¹ng th¸i CÊu t¹o m¸y m·: XÐt m· 4 tr¹ng th¸i G [5 7] 1/10 11 v (1) 1/01 0/01 0/10 v ( 2) 10 01 1/00 u 1/11 0/11 00 8/9/2023 0/00 84 5.4.6. BiÓu diÔn m· ë d¹ng c©y 00 00 C©y m· ĐÇu vµo 1011 §Çu ra 11 10 00 01 11 10 00 11 01 00 11 00 01 10 11 01 0 1 10 00 11 10 11 10 00 01 11 11 01 00 01 01 10 8/9/2023 85 10 5.4.7. BiÓu diÔn m· d¹ng líi 00 00 00 00 11 . 00 00 11 11 00 11 01 10 10 01 10 01 01 00 10 10 10 01 01 8/9/2023 01 11 00 11 00 10 00 10 01 11 10 11 86 5.4.8. C¸c kh¸i niÖm cña m· xo¾n d free min d H v, v' v v ' Kho¶ng c¸ch tù do Khả năng sửa lỗi của bộ m·: <dfree/2 Hµm truyÒn: XuÊt ph¸t tõ ®å h×nh chuyÓn ®æi tr¹ng th¸i m¸y m·, ta t×m ®îc hµm truyÒn b»ng kÜ thuËt lu ®å tÝn hiÖu chuÈn. 8/9/2023 87 Hµm truyÒn: Suy ra: T(W)=W5/(12W) Wk+5 8/9/2023 = W5+2W6 +4W7 +..+ 2k Do ®ã 88 5.4.9. Gi¶i m· Maximum Likelihood ( hîp lÏ Cùc ®¹i) Cã dFree=5, GØa sö thu ®îc tõ m· 11 00 11 00 10 ta giai m· ®îc 11 10 11 00 00, söa ®îc 2 bÝt. Chän tõ m· íc lîng r, sao cho cã cù ly tíi tõ m· r thu ®îc lµ nhá nhÊt 8/9/2023 89 5.4.10. Gi¶i m· Viterbi Ta cã dfree=5 : Gi¶ sö chuçi thu vµo lµ: 10 01 10 01 01 00 Gi¶i m· sÏ lµ : 11 01 10 01 11 00 (söa ®îc 2 bit) 8/9/2023 90 5.4.11.Giíi h¹n dung lîng vµ møc ®é ®é lîi m· ho¸ . Pe 1 10 R= 0(-1.6dB) R= 1/2(0dB) 2 Uncoded BPSK 10 10 10 10 R= 3/4(0.86dB) 3 4 9.6dB 11.2dB 5 12.06dB 6 10 8/9/2023 -2 0 2 4 6 8 10 12 Eb / N 0 dB 91 5.5. M· liªn kÕt nèi tiÕp (SCCC) Liªn kÕt nèi tiÕp víi m· Reed-Solomon - Giíi thiÖu bëi Forney n¨m 1967: m· vßng ngoµi lµ m· RS vµ m· vßng trong lµ m· xo¾n, c¸ch biÖt nhau bëi 1 bé x¸o trén bÝt. ¦u: lîi dông ®îc kh¶ N¨ng chèng lçi côm tèt cña m· RS vµ kh¶ n¨ng söa lçi cña m· xo¾n kÕt hîp víi bé x¸o trén bÝt. Nhîc: Sè lîng tÝnh to¸n lín, chÊt lîng kÐm t¹i vïng SNR nhá. vµo M· vá RS 8/9/2023 M· ruét m· xo¾n Kªnh NhiÔu Gi¶i m· Viterbi Gi¶i m· vá ra R.S 92 5.6. M· liªn kÕt song song (Turbo) 1. Bé m· hãa: Gåm Ýt nhÊt 2 bé m· xo¾n hÖ thèng ®Ö quy vµ bé x¸o trén 2. Gi¶i m· Turbo: Sö dông thuËt to¸n gi¶i m· lÆp cña Berrou: ®Çu vµo mÒm. ®Çu ra mÒm SISO. §Çu ra bé gi¶i m· lµ tæng hîp cña x¸c suÊt tiªn nghiÖm, x¸c suÊt hËu nghiÖm vÒ bÝt hÖ thèng theo c¸c bÝt hÖ thèng vµ líi c¬ së. Th«ng tin vÒ c¸c bÝt trong lÇn lÆp nµy ®îc sö dông lµm th«ng tin tiªn nghiÖm cho lÇn lÆp tiÕp theo. Víi sè lÇn lÆp vµ kÝch thíc bé gi¶ x¸o trén lín, C¸c kÕt qu¶ m« pháng (§ATN Thïy ) 8/9/2023 93 NGUYÊN TẮC LIÊN KẾT SONG SONG co x Bộ xáo trộn 1 . . . . Bộ xáo trộn n-1 8/9/2023 Bộ mã hóa RSC1 Bộ mã hóa RSC2 . . . Bộ mã hóa RSC n . . . c1j Chuyển . . . c2j đổi song song sang nối tiếp và đục lỗ c . . . cnj 94 Mà HÓA TURBO x RSC1 c1 c1 + c2 x Xáo trộn RSC2 Cấu trúc mã Turbo 8/9/2023 c 3 + D D + c2 Cấu trúc mã RSC 95 GIẢI Mà TURBO Bộ giải xáo trộn -1 Chuỗi mã RSC2 Chuỗi mã RSC1 c2 Map decoder 1 e1 Bộ xáo trộn c1 e2 Chuỗi hệ c3 thống 8/9/2023 c1 Quyết định cứng Map decoder 2 v v -1 96 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG Mà TURBO Mã hóa Giải mã lặp 8/9/2023 97 Kết quả mô phỏng mã Turbo qua các lần lặp Nhận xét Xác suất lỗi bit của bộ mã Turbo giảm nhanh qua các vòng lặp, lặp nhiều thì lỗi càng ít. Sau một số vòng lặp nhất định thì BER hội tụ. 8/9/2023 Điều kiện tối thiểu là: BER 10-4 Với lần lặp 1, BER giảm chậm khi Eb/No tăng, không đạt chất lượng truyền tin. Với lần lặp 3, BER giảm nhanh đột ngột khi Eb/No tăng, đạt chất lượng truyền tin khi Eb/No = 2.5 dB. Với lần lặp 6,9, BER giảm chậm khi Eb/No tăng, đạt chất lượng truyền tin khi Eb/N0 = 2.3 dB 98 So sánh mã Turbo và mã xoắn Nhận xét Qua khảo sát về mã Turbo và mã xoắn trên cùng một kênh thì có sự chênh lêch đáng kể => chất lượng truyền tin của mã Turbo tốt hơn mã xoắn. Mã turbo đạt điều kiện truyền tin BER=10-4 khi Eb/No= 2.3dB, trong khi đó mã xoắn = 8.5dB 8/9/2023 99 ỨNG DỤNG Mà TURBO TRONG HTTT DI ĐỘNG BĂNG RỘNG 199 6 2000 2001 HT Truyền thông cố định và lưu trữ dữ liệu HTTT di động CDMA2000 (1/2; 1/3) HTTT Vũ trụ (1/2,1/3, 1/4,1/6) 8/9/2023 200 4 HTTT Vệ tinh (1/3 + 16QAM) 2010 HTTT di động 4G (1/3+MIMO) 100 Mà KÊNH TRONG LTE Các loại mã kênh sử dụng trong LTE: -Mã CRC -Mã khối -Mã chập (mã xoắn) -Mã Turbo -Mã lặp Mô tả mã hóa trong LTE Đa thức sinh Bộ chia trong mã vòng được gọi là đa thức sinh (generator polynomial) hay đơn giản là bộ sinh Mã CRC sử dụng trong LTE Sử dụng trên kênh PDSCH, PCH, PBCH, PCCCH trên đường Downlink CRC sử dụng trên kênh PUSCH trên đường Uplink Đa thức sinh sử dụng trong mã CRC mạng LTE TS. 36.212 v 100600 Trong LTE, trên đường Downlink đa thức sinh được sử dụng bao gồm 3 đa thức, tương ứng với 3 bộ mã CRC khác nhau, sử dụng trên các kênh khác nhau CRC trên kênh PDSCH Hai lần gán CRC đều là 24 bit Lần đầu sử dụng đa thức sinh loại A Sau khi phân đoạn khối mã(Tương thích với kích thước bộ Interleaver trong bộ mã TurboCode) Gán CRC với đa thức sinh loại B CRC trên kênh PBCH&PDCCH Chỉ gán CRC 1 lần và sử dụng CRC 16 bit Do dữ liệu là thông tin quảng bá và thông tin điều khiển kích thước nhỏ nên không cần phân đoạn khối mã Đa thức sinh sử dụng trong mã CRC trong LTE Trên đường Uplink, mã CRC chỉ sử dụng trên kênh ULSCH, sử dụng gán CRC 2 lần, bao gồm 2 đa thức sinh với chiều dài đều là 24 bit. Đa thức sinh loại A sử dụng trong lần gán CRC đầu tiên, còn đa thức sinh loại B sử dụng sau khi đã phân đoạn khối mã Tư duy lập trình Lập trình sử dụng các mảng dữ liệu để lưu trữ các thông tin như bit đầu vào, bit CRC, bit đầu ra. Làm việc với các chương trình con, truyền tham số cho chương trình con, các thao tác đọc ghi file dữ liệu. Mã chập sử dụng trong LTE Bộ mã có chiều dài K = 7, tốc độ mã hóa R = 1/3 , đa thức sinh la g(x) = [133,171, 165]-octal, bộ mã này được sử dụng dành cho kênh PBCH, PDCCH, PUCCH của trong hệ thống LTE-4G Mô hình mã chập chi tiết Trên kênh PBCH và PDCCH Trên kênh PUCCH Mã Turbo trong LTE Trên kênh PDSCH, PCH và PMCH Trên kênh PUSCH Sơ đồ mã Turbo trong LTE Bộ mã gồm 2 bộ mã chập ghép song song, tốc độ mã hóa R = 1/3, bộ mã này được sử dụng dành cho kênh PDSCH, PCH, PMCH, PUSCH của trong hệ thống LTE-4G Thuật toán mã hóa Turbo Bộ mã Turbo = ghép song song 2 bộ mã chập (PCCC), đầu vào bộ mã thứ 2 đặt 1 bộ interleaver (QPP). Cấu trúc bộ mã Turbo Code : Đầu ra sẽ lấy bao gồm 2 đầu ra từ bộ mã chập thứ nhất và 1 đầu ra của bộ mã chập thứ 2 Tạo ra 3 luồng đầu ra tốc độ mã R = 1/3 Thêm 4 bit vào mỗi đầu ra Các bit này được trích ra từ các trạng thái sau, đuôi của chuỗi mã này trùng với đầu của chuỗi mã sau Mã khối R=1/16 trên kênh PCFICH CFI (Control Forrmat Indicator) thông tin định dạng điều khiển. CFI giới hạn các giá trị 1, 2 hoặc 3, thông tin định dạng điều khiển được đặt trước thông tin điều khiển. Bảng mã tương ứng Một từ mã 2 bít đầu vào khi đưa qua bộ mã cho đầu ra 32 bit. Mã lặp trên kênh PHICH Chỉ số HARQ : ◦ ◦ 0 _ NACK 1 _ ACK\ HARQ Indicator channel coding bộ mã (R = 1/3) Thuật toán mã hóa Tại sao lại gọi là bộ mã lặp: 1 bít 0 lặp thành 3 bit 0 để truyền đi 1 bít 1 lặp thành 3 bit 1 để truyền đi 5.7. M· BICM-ID (Bit-Interleaved Coded Modulation With Iterative Decoding) 5.7.I. T¹i sao dïng BICM-ID? • 1982 : S¬ ®å TCM cña Ungerboek [40] KÕt hîp bé m· hãa vµ ®iÒu chÕ Cã chÊt lîng tèt trªn kªnh Gauss vµ kÐm trªn kªnh pha ®inh. • 1992 : E. Zehavi – s¬ ®å §iÒu chÕ m· hãa cã x¸o trén bÝt BICM [44] Cã chÊt lîng tèt trªn kªnh pha ®inh nhng l¹i kÐm trªn kªnh Gauss do kh«ng thÓ tèi u hãa theo tiªu chuÈn cùc ®¹i hãa cù ly Euclid. • 1997 : X.Li vµ Ritcey- S¬ ®å BICM –ID[28] KÕt hîp BICM vµ gi¶i m· lÆp Cã chÊt lîng tèt c¶ trªn kªnh Gauss vµ kªnh pha ®inh 8/9/2023 121 5.7. 2. Nguyên lý giải mã lặp BICM-ID 8/9/2023 (H×nh 6) 122 5.7.3. Nhận xét: Chất lượng của hệ thống BICM-ID phụ thuộc: • Chất lượng giải điều chế khi không có thông tin tiên nghiệm ( hoặc khi hệ thống làm việc ở vùng SNR thấp) • Mức độ cải thiện khi có thông tin phản hồi trong các lần lặp sau (khi hệ thống làm việc ở vùng SNR cao). Nhờ tăng ích xáo trộn bít và giải mã lặp Đặc tính BER vượt trội của hệ thống BICM-ID là một giải pháp để nâng cao chất lượng hệ thống OFDM và AOFDM. 8/9/2023 123 5.7.4. Mô phỏng hệ thống OFDM BICM-ID 8/9/2023 (H×nh 9) 124 Kết quả mô phỏng hệ thống OFDM BICM-ID (H×nh 10) KET QUA BER OFDM-BICM-ID MA (7 [133,171]) LAP 5 0 10 KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID MA (7, [133,171]) LAP 3 0 10 -1 10 -1 10 -2 10 (a) 10 BER BER -2 10 -3 -4 10 Ma xoan BICM-ID k=4 BICM-ID, k=32 BICM-ID,k=100 -5 10 -6 10 0 2 4 6 SNR 8 10 12 (b) Ma xoan k=4 k=8 k=32 -4 10 KET QUA BER OFDM-BICM-ID MA (3 [5,7]) LAP 3 0 D=40Hz -3 D=40Hz 10 0 2 4 6 SNR 8 10 12 KET QUA BER OFDM-BICM-ID MA (5,7]) LAP 5, D=150 0 10 10 -1 10 -1 10 -2 10 -2 BER 10 (c) D=40 -3 10 Ma xoan k=4 k=16 k=32 k=100 10 -5 10 Ma xoan k=8 -4 k=16 k=32 10 k=100 -5 -6 10 (d) D=150Hz -3 10 -4 0 2 4 6 SNR 8 10 12 10 0 2 4 6 8 10 12 14 Với bộ mã BICM-ID có kết cấu tương đối đơn giản, có thể cải thiên đáng kể chất lượng hệ thống OFDM trên kênh pha đinh +AWGN. 8/9/2023 125 5.7.5.OFDM Thích nghi tham số (Parameter Adaptation) • Điều chế thích nghi ( Adaptive Modulation) : (Steele, Webb -1991) -Thích nghi các sơ đồ điều chế bậc cao theo SNR trên các sóng mang • Mã hóa thích nghi (Adaptive Coding) : (Sampei, Gold Smith, Pearce, Hanzo...- 2000) - Thích nghi các tham số mã hoá RRNSC, Tur bo. • Tham số thích nghi (Adaptive parameters ) (Lai Lifeng-2003)- Thích nghi khoảng thời gian phòng vệ • Nhược điểm: Thông lượng của hệ thống thay đổi Nghiên cứu phương pháp thích nghi mới -Ánh xạ thích nghi (Adaptive Mapping) ( Xem thêm ĐATN- Đăng Ái- ĐHĐT K1) 8/9/2023 126 5.7.6. Kết quả nghiên cứu hệ thống AOFDM BICM –ID (Tham khảo) AOFDM truyền thống (Adaptive Modulation) (H×nh 11) Hạn chế: •Thông lượng thông tin thay đổi trên các sóng mang. •Tỷ số công suất đỉnh trên trung bình •Quá trình thích nghi đa mức bị hạn chế tại ngưỡng mà tại đó các bộ mã sửa lỗi vẫn hoạt động tốt. Giải pháp Ánh xa thích nghi 8/9/2023 Lợi dụng đặc tính lỗi bít theo SNR khác nhau của các bộ ánh xạ tín hiệu điều chế. Thay đổi các bộ ánh xạ tín hiệu theo ngưỡng SNR nhận biết được Tối ưu hóa đặc tính lỗi bít của hệ thống, đảm bảo được thông lượng của hệ thống là không đổi. 127 Ánh xạ thích nghi cho hệ thống QPSK • Lựa chọn các bộ ánh xạ QPSK CU LY BIT 1 01 11 (H×nh 12) CULY BIT 2 01 00 11 00 10 00 (a) Bộ ánh xạ Gray [ 0 1 3 2] CU LY BIT 1 10 10 11 (b)Bộ ánh xạ SP [ 0 1 2 3] CULY BIT 2 10 CU LY BIT 1 CU LY BIT 2 10 01 00 01 00 11 10 10 CULY BIT 2 01 CU LY BIT 1 01 00 10 01 00 01 11 11 8/9/2023 (c) Bộ ánh xạ MSE W [ 0 2 1 3] 00 11 11 (d) Bộ ánh xạ “4 in 6” [ 0 2 1 3] 128 Kết quả BER Hệ thống Ánh xạ thích nghi QPSK -3 KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 4PSK-MA (3,[5,7]) LAP 3 0 10 Gray SP MSEW 4 in 6 Adaptive -1 10 -2 10 -3 10 BER (a) BER QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 4PSK-MA (3,[5,7]) LAP 1 KET 0 10 Gray SP -1 10 MSEW 4 in 6 -2 Adaptive 10 -4 10 10 (b) -5 10 -4 10 -6 10 -5 10 -7 1 2 3 4 6 5 7 8 9 10 10 1 2 3 4 5 SNR KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 4PSK-MA (3,[5,7]) LAP 6 0 8 9 10 10 -1 Gray SP MSEW 4 in 6 Adaptive -1 10 10 -2 -2 10 10 -3 -3 10 BER 10 -4 (d) -4 10 10 Gray SP MSEW 4 in 6 Adaptive -5 10 -6 10 -5 10 -6 10 -7 10 7 KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 4PSK-MA (3,[5,7]) LAP 9 0 10 (c) 6 SNR -7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 SNR 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 SNR Dùng phương pháp Ánh xạ thích nghi 8/9/2023 Tối ưu hóa đặc tính lỗi bít của hệ thống, đạt lợi ích đáng kểt về SNR 129 Thông lượng của hệ thống là không đổi. Ánh xạ thích nghi cho hệ thống 8-PSK • Cấu trúc các bộ ánh xạ 8-PSK truyền thống (H×nh 14) CU LY BIT 2 011 CU LY BIT 1 011 010 010 001 110 000 111 CU LY BIT 3 011 001 110 100 010 000 111 110 100 000 111 101 101 001 100 101 (a) Bộ ánh xạ Gray [0 1 3 2 7 6 4 5] CU LY BIT 1 010 011 CU LY BIT 2 010 001 100 011 000 101 111 110 CU LY BIT 3 010 001 100 011 000 101 111 001 100 000 101 111 110 110 8/9/2023 (b) Bộ ánh xạ SP [ 0 1 2 3 4 5 6 7] 130 • Cấu trúc các bộ ánh xạ 8-PSK có cự ly bít lớn CU LY BIT 1 111 010 CU LY BIT 2 111 001 100 010 000 011 (H×nh 15) CU LY BIT 3 111 001 100 000 011 110 010 001 100 000 011 110 110 101 101 101 (c) Bộ ánh xạ Gray modified [ 0 1 3 5 4 6 7 2 ] CU LY BIT 1 100 001 110 000 111 010 8/9/2023 001 011 101 CU LY BIT 3 100 CU LY BIT 2 100 001 011 110 000 101 111 010 (d) Bộ ánh xạ MSEW-C [ 0 3 6 1 2 5 4 7 ] 011 110 000 101 111 010 131 Kết quả BER Hệ thống Ánh xạ thích nghi 8-PSK KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 8-PSK MA (3,[5,7]) LAP 1 0 Gray GrayModified SP MSEW-C Adaptive -1 10 Gray SP MSEW-C Gray Modified Adaptive -1 10 -2 10 -2 10 -3 10 BER BER (a) KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 8-PSK MA (3,[5,7]) LAP 3 0 10 10 -4 10 -3 10 (b) -5 10 -4 10 -6 10 -5 10 -7 10 2 3 4 5 6 7 SNR 8 9 10 11 12 KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 8-PSK MA (3,[5,7]) LAP 6 0 2 3 4 5 6 7 SNR 8 9 10 11 12 KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 8-PSK MA (3,[5,7]) LAP 9 0 10 10 Gray GrayModified SP MSEW-C Adaptive -1 10 -2 10 Gray GrayModified SP MSEW-C Adaptive -1 10 -2 10 -3 10 -3 BER (c) BER 10 -4 10 -4 10 (d) -5 10 -5 10 -6 10 -6 -7 10 10 -8 -7 10 10 2 8/9/2023 3 4 5 6 7 SNR 8 9 10 11 12 2 (H×nh 16) 3 4 5 6 7 SNR 8 9 10 11 12 132 Ánh xạ thích nghi cho hệ thống 16QAM • Cấu trúc các bộ ánh xạ 16QAM truyền thống (H×nh 17) 1111 CU LY BIT 1 1011 1010 1110 1111 CU LY BIT 2 1011 1010 1110 1111 CU LY BIT 3 1011 1010 1110 1111 CU LY BIT 4 1011 1010 1110 0111 0011 0010 0110 0111 0011 0010 0110 0111 0011 0010 0110 0111 0011 0010 0110 0101 0001 0000 0100 0101 0001 0000 0100 0101 0001 0000 0100 0101 0001 0000 0100 1101 1001 1000 1100 1101 1001 1000 1100 1101 1001 1000 1100 1101 1001 1000 1100 (a) Bộ ánh xạ Gray 0000 CU LY BIT 1 0001 0010 0011 0000 CU LY BIT 2 0001 0010 0011 0000 CU LY BIT 3 0001 0010 0011 0000 CU LY BIT 4 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 0100 0101 0110 0111 0100 0101 0110 0111 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1000 1001 1010 1011 1000 1001 1010 1011 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 1100 1101 1110 1111 1100 1101 1110 1111 1100 1101 1110 1111 8/9/2023 (b) Bộ ánh xạ SP 133 • Cấu trúc các bộ ánh xạ 16QAM có cự ly bít lớn (H×nh 18) 1111 CU LY BIT 1 1001 1010 1110 1111 CU LY BIT 2 1001 1010 1110 1111 CU LY BIT 3 1001 1010 1110 1111 CU LY BIT 4 1001 1010 1110 0110 0011 0010 0111 0110 0011 0010 0111 0110 0011 0010 0111 0110 0011 0010 0111 0101 0001 0000 0100 0101 0001 0000 0100 0101 0001 0000 0100 0101 0001 0000 0100 1101 1011 1000 1100 1101 1011 1000 1100 1101 1011 1000 1100 1101 1011 1000 1100 (c) Bộ ánh xạ Gray modifed 0100 CU LY BIT 1 1111 1010 0001 0100 CU LY BIT 2 1111 1010 0001 0100 CU LY BIT 3 1111 1010 0001 0100 CU LY BIT 4 1111 1010 0001 0010 1001 1100 0111 0010 1001 1100 0111 0010 1001 1100 0111 0010 1001 1100 0111 1110 0101 0000 1011 1110 0101 0000 1011 1110 0101 0000 1011 1110 0101 0000 1011 1000 0011 0110 1101 1000 0011 0110 1101 1000 0011 0110 1101 1000 0011 0110 1101 8/9/2023 (d) Bộ ánh xạ MSEW 134 Kết quả BER Hệ thống Ánh xạ thích nghi 16QAM KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 16-QAM-MA (3,[5,7]) LAP 1 0 -1 SP Gray Graymodified MSEW Adaptive Hiperlan II -1 10 -2 10 -2 10 BER BER 10 SP Gray Graymodified MSEW Adaptive HIPERLAN-II 10 (a) KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 16-QAM-MA (3,[5,7]) LAP 3 0 10 -3 (b) 10 -4 10 -3 10 -5 10 -4 10 2 3 4 5 6 7 SNR 8 9 10 11 -6 10 12 KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 16-QAM-MA (3,[5,7]) LAP 6 0 10 -2 10 7 SNR 8 9 10 11 12 SP Gray Graymodified MSEW Adaptive HIPERLAN-II -2 10 -3 10 BER BER 6 10 -3 -4 10 (d) -4 10 -5 -5 10 10 -6 -6 10 10 -7 8/9/2023 5 -1 10 10 4 KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 16-QAM-MA (3,[5,7]) LAP 9 0 -1 3 10 SP Gray Graymodified MSEW Adaptive Hiperlan II 10 (c) 2 -7 2 3 4 5 6 7 SNR 8 9 10 11 12 (H×nh 19) 10 2 3 4 5 6 7 SNR 8 9 10 11 12 135 Giải pháp kết hợp Ánh xạ thích nghi và Điều chế thích nghi KET QUA BPSc HE THONG AOFDM-BICM-ID4, 8-PSK, 16 QAM LAP 1, 3 VA 6 4 Lap1 Lap 3 Lap 6 3.5 KET QUA BER HE THONG AOFDM-BICM-ID 4, 8-PSK, 16 QAM LAP 1, 3 VA 6 -1 10 Lap 1 Lap 3 -2 Lap 6 10 -3 BER BPSc 10 3 -4 10 2.5 -5 10 2 -6 2 4 6 8 10 SNR (a) (a) 12 14 16 10 2 4 (H×nh 20) 6 8 SNR 10 12 14 (b) Lợi ích: - Tối ưu hóa đặc tính lỗi bít trên toàn dải SNR. - Tránh sự nhảy mức lên xuống liên tiếp. 8/9/2023 NX: Mấu chốt của Phương pháp ánh xạ thích nghi là tìm được 136 các bộ ánh xạ tín hiệu có chất lượng tốt trên các dải SNR NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ Căn cứ Chất lượng của hệ thống BICM-ID phụ thuộc vào cấu trúc của các bộ ánh xạ tín hiệu và SNR công tác (*) [28]. Mục đích Tạo ra các bộ ánh xạ có cự ly bít lớn theo tiêu chuẩn MSEW (Maximum Squared Euclidean Weight ). Hiện tại Một số bộ ánh xạ tìm được theo phương pháp hàm truyền bởi Jutan, Gordon và Stuber (2005) [25], song quá phức tạp và chưa đầy đủ. Phương phápmới Mỗi bộ ánh xạ tín hiệu đa mức có đặc trưng khác nhau. Cần phải có một phương pháp thiết kế thích hợp 8/9/2023 137 THIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ QPSK CU LY BIT 1 01 CULY BIT 2 01 (H×nh 21) 11 00 11 Số hoán vị 3! = 6 00 10 10 (a) Bộ ánh xạ Gray [ 0 1 3 2] CU LY BIT 1 10 CU LY BIT 2 CU LY BIT 1 CULY BIT 2 10 10 10 01 00 01 00 01 00 01 11 11 (c) Bộ 8/9/2023 00 11 11 ánh xạ MSE W [ 0 2 1 3] (d) Bộ ánh xạ “4 in 6” [ 0 2 1 3] 138 THIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ 8-PSK CU LY BIT 1 010 011 §Þnh nghÜa c¸c ®iÓm tÝn hiÖu trªn Constellation 001 100 000 Sinh c¸c ho¸n vÞ nhê hµm “Perms” trong MATLAP 101 111 110 m (H×nh 22) Số hoán vị 7! = 5040 Kết quả 24 bộ ánh xạ có cự ly bít đều 96 bộ ánh xạ có cự ly bít không đều Có cự ly tối đa theo tiêu chuẩn MSEW 8/9/2023 TÝnh to¸n hå s¬ cù ly bit cña c¸c tËp tÝn hiÖu míi Ph©n chia thµnh nhãm c¸c bé ¸nh x¹ ®Òu vµ kh«ng ®Òu S¾p xÕp theo th tù lu vµ in ra c¸c tËp ¸nh x¹ 139 CÁC BỘ ÁNH XẠ 8-PSK TÌM ĐƯỢC CÓ CỰ LY BÍT ĐỀU 8/9/2023 Bảng 3.1: Kết quả 10/24 tập ánh xạ 8-PSK MSEW-CH có cự ly bít đều 140 CÁC BỘ ÁNH XẠ 8-PSK TÌM ĐƯỢC CÓ CỰ LY BÍT KHÔNG ĐỀU Bảng 3.2: Kết quả 10/96 tập ánh xạ 8-PSK MSEW-CH có cự ly bít không đều 141 8/9/2023 CẤU TRÚC MỘT SỐ BỘ ÁNH XẠ 8-PSK MỚI ĐIỂN HÌNH (Hình 23) 001 001 011 110 000 101 CU LY BIT 3 100 CU LY BIT 2 100 CU LY BIT 1 100 011 110 111 001 000 101 010 011 110 111 000 101 010 111 010 (a) Bộ ánh xạ MSEW-C [ 0 3 6 1 2 5 4 7] với hồ sơ bít (2, 2, 3.4) CU LY BIT 1 101 011 110 100 111 001 8/9/2023 011 000 010 CU LY BIT 3 101 CU LY BIT 2 101 011 110 100 000 010 111 001 110 100 000 010 111 001 (b) Bộ ánh xạ MSEW-CH1 [ 0 6 5 3 4 2 1 7] với hồ sơ bít (4, 3.4, 2) 142 THIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ 16-QAM • Lý do - Phương pháp hàm truyền [25] tỏ ra quá phức tạp và không đầy đủ. - Với 16 điểm trên constellation có tới 16! hoán vị, vượt quá khả năng tính toán của máy tính hiện thời. • Giả thiết Thông tin phản hồi là đủ tin cậy. • Kênh truyền với điều chế M=2k mức có thể được coi là k kênh truyền song song. • Phương pháp Các bộ ánh xạ mới được thiết kế dựa trên ánh xạ từ khối bít tới Constenlation sao cho bít có độ bảo vệ bít thấp được kết hợp truyền với bít có độ bảo vệ bít cao hơn. Thực hiện các phép cộng modulo 2 giá trị của các bít khác vào bít được xét. Độ bảo vệ bít trung bình của cả khối bit sẽ lớn hơn. 8/9/2023 143 THUẬT TOÁN THIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ 16- QAM Định nghĩa các điểm tín hiệu trên Constellation Khai báo và tính toán hồ sơ cự ly bít của tập tín hiệu gốc m Sinh các phép biến đổi tuyến tính áp dụng lên vị trí mỗi bít Tính toán hồ sơ cự ly bit của các tập tín hiệu mới Lựa chọn theo tiêu chuẩn Lưu các bộ tín hiệu mới 8/9/2023 144 KẾT QUẢ CÁC BỘ ÁNH XẠ 16-QAM MỚI 8/9/2023 145 KẾT QUẢ TÌM CÁC BỘ ÁNH XẠ 16-QAM MỚI Bảng 3.3. 12/99 tập tín hiệu 16-QAM mới tìm được điển hình 8/9/2023 146 Kết luận chương 5 Mã hóa nói chung và mã sửa sai hướng đi ( FEC) nói riêng là nội dung không thể thiếu trong HTTT. Chất lượng mã hóa và giải mã cải thiện đáng kể đặc tính lỗi bít của HTTT. Sự phát triển của các họ mã sửa sai: mã khối, mã xoắn, mã SCCC, Turbo, TCM, BICM-ID… gắn liền với sự phát triển của các thế hệ của HTTT. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 147 Chương 6: Cơ sở lý thuyết về san bằng và trải phổ 6.1. Kỹ thuật san bằng - Khái niệm Cơ sở toán học Thiết kế các bộ san bằng 6.2. Kỹ thuật trải phổ - Từ cuối những năm 1940, ITT theo yêu cầu của BQP Mỹ về: - Chống tác động của can nhiễu cố ý (jamming). - Đảm bảo bảo mật thông tin - Chống pha đinh đa đường 6.2.1. Cơ sở lý thuyết trải phổ - Dựa trên định lý Shannon 3: trên một kênh tạp âm trắng chuẩn cộng tính: C=B.log2( 1+S/N) C: Dung lượng kênh B: Độ rộng phổ tần chiếm của tín hiệu Do vậy, cùng trên một băng thông C của kênh, có thể truyền đuợc tín hiệu với S/N rất thấp nêú tín hiệu có phổ rộng B vô cùng. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 148 - - HT như vậy có thể đảm bảo được tính bảo mật cao (đối phương không phát hiện được khi nào máy phát của ta hoạt động) do tín hiệu chìm vào nền nhiễu. Do sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên nên hầu như đối phuơng không thể giải được mã tin Cho phép HT liên lạc tốt ở điều kiện nhiễu mạnh ( Nhiễu cố ý và nhiễu chọn lọc theo tần số) 6.2.2. Đặc điểm của HT trải phổ - Độ rộng băng tần W của tín hiệu lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng tần tối thiểu B cần thiết để truyền TT. Việc trải phổ được thực hiện nhờ bộ mã trải phổ độc lập với DL cần truyền, nhằm tạo ra tín hiệu tổng cộng gần giống tạp âm. Quá trình nén phổ được thực hiện nhờ tín hiệu giải trải phổ là bản sao đồng bộ của tín hiệu trải phổ ( Các HT điều chế băng rộng như HT điều tần, HT điều chế mã xung dù thoả mãn điều kiện về độ rộng phổ nhưng không phải là HT trải phổ) Hiệu quả trải phổ của HT được đánh giá bằng Tăng ích xử lý: PG=W/Bi 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 149 6.2.3. Hệ thống trải phổ trực tiếp DS (Direct Sequense) - - Chuỗi DL d(t) có phổ D (ω) được nhân (cộng module 2) trực tiếp với chuỗi giả ngẫu nhiên c(t) có phổ C (ω). Tín hiệu sau trải phổ sẽ có dạng: d(t).c(t) Phổ tín hiệu trải phổ có dạng D (ω) *C (ω), phụ thuộc chủ yếu vào phổ của c(t) do tốc độ chíp trong HT trải phổ có tốc độ lớn hơn rất nhiều so với tốc độ DL. Tín hiệu thu bao gồm các thành phần: Tín hiệu trải phổ, Tạp âm Gauss, nhiễu băng hẹp… Nhờ được nhân với chuỗi giải trải phổ ( là bản sao đồng bộ của c (t): do c2(t)=1 nên d(t).c(t).c(t)=d(t) Các nhiễu băng hẹp được nhân với c(t) nên bị trải ra. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 150 Minh hoạ quá trình trải phổ: D(f) D(f)*C(f) - C(f) D(f)*C(f)*C(f) Chú ý: Do các tín hiệu nhiễu băng hẹp tại đầu vào máy thu bị trải do tác động của chuỗi trải phổ nên tỉ số S/N tăng Trải phổ không có tác dụng đáng kể với tạp băng rộng như tạp âm nhiệt và các tín hiệu trải phổ băng rộng khác. 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 151 6.2.4. Một số HT trải phổ : - Hệ thống thông tin CDMA (IS-95). Hệ thống thông tin W-CDMA (IMT-2000). 8/9/2023 KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 152
0
advertisement
Download
advertisement
Add this document to collection(s)
You can add this document to your study collection(s)
Sign in Available only to authorized usersAdd this document to saved
You can add this document to your saved list
Sign in Available only to authorized users