ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG
o0o
BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP PHÁT
VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
Sinh viên thực hiện :
Lớp : CNVT-K7
Giáo viên hướng dẫn : ThS. Hoàng Quang Trung
Thái Nguyên, ngày 4 tháng 3 năm 2013
1
MỤC LỤC
TỪ VIẾT TẮT 3
Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin 9
Hình 1.2 : Mô tả tạp âm Gauss 10
Hình 1.3 : Hàm mật độ xác suất Gauss với 11
Hình 1.4: a) Hàm mật độ phổ công suất 12
b) Hàm tự tương quan 12
Hình1.5: Hàm phân bố của tạp âm AWGN 12
Hình 1.6: Mô hình truyền sóng đa đường 13
Hình 1.7: Hàm truyền đạt của kênh 14
Hình 1.8. Mật độ phổ của tín hiệu thu 15
Hình 1.9. Hiện tượng trải trễ 16
Hình 2.1. Bộ phân tập MRT có N nhánh phân tập với các đường phản hồi 26
Hình 2.2. Sơ đồ phân tập phát giữ chậm với N nhánh phân tập 27
Hình 2.3. Mô hình hệ thống băng gốc 28
Hình 2.4. Sơ đồ Alamouti sử dụng 2 anten phát và 1 anten thu 29
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc Alamouti STBC trường hợp 2 x2 35
Hình 2.6. Môi trường làm việc của MATLAB 41
Hình 2.7. Chất lượng BER của BPSK trên kênh fading Rayleigh khi sử dụng phân tập
BER. Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit
BWA Broadband Wireless Access Truy nhập không dây băng
thông rộng
BPSK Binary Phase Shift Key Khóa dịch pha nhị phân
CCIR Consultative Committee
on international Radio
Ủy ban tư vấn quốc tế vô
tuyến
DES Data Encryption Standard Chuẩn mật mã dữ liệu
DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số
EGC Equal Gain Combining Kết hợp đồng độ lợi
FEC Forward Error Correction
FDD Frequency division duplex Ghép kênh phân chia tần số
FD Frequency Diversity Phân tập tần số
GSM
Global System for Mobile
Communications
Truyền thông di động cho hệ
thống toàn cầu
IEEE Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Viện các kỹ sư điện, điện
tử quốc tế
MMSE Minimum Mean Square
Error
Sai số trung bình bình
phương tối thiểu
MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra
MS Mobile Station Trạm di động
MRC Maximal-ratio Combining Kết hợp tỷ lệ tối đa
PDF Probability Density
Function
Mật độ phân bố xác suất
RD Receiver Diversity Phân tập thu
SC Selective Combining Kết hợp lựa chọn
SD Space Diversity Phân tập không gian
SDMA Space Division
Multiplexing Access
Truy nhập ghép kênh phân
chia không gian
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
STBC Space – Time Block Code Mã hóa khối không gian
thời gian
STC Space Time Code Mã hóa không gian thời
gian
SU-MIMO Singer User MIMO MIMO đơn người dùng
TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền
dẫn
Time Diversity Phân tập thời gian
Tranmission Diversity Phân tập phát
TDD Time division duplex Ghép kênh phân chia thời
gian
QoS Quality of Service Chất lượng của dịch vụ
QPSK Quadrature Phase Shift
Keying
Khóa dịch pha cầu phương
Wimax Wordwide Interoperability
for Microware Access
Công nghệ truy nhập
không dây băng rộng
dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn Hệ thống thông
tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn có khả năng đáp
ứng được các yêu cầu của hệ thống thông tin tương lai do đó việc ra đời và ứng
dụng của những công nghệ mới tiên tiến hơn là điều dễ nhận thấy.
Một trong những giải pháp đưa ra nhằm nâng cao chất lượng truyền thông
tin cũng như nâng cao tốc độ truyền dữ liệu để đáp ứng được nhu cầu truy nhập
đa phương tiện băng rộng ngày nay, người ta có thể sử dụng nhiều giải pháp, một
trong những giải pháp đó là sử dụng kỹ thuật phân tập anten vào việc thu và phát
tín hiệu. Ở đề tài này em xin trình bày về đề tài “Nghiên cứu các kỹ thuật phân
tập phát và ứng dụng trong thông tin vô tuyến” kỹ thuật phát phân tập là kỹ
thuật sử dụng nhiều anten ở phía phát để phát tín hiệu, phương pháp này có ưu
điểm là nâng cao tốc độ truyền dẫn dữ liệu, giảm công suất phát, bảo vệ nguồn
xử lý và giảm chi phí thiết kế, đơn giản và dễ thực hiện, tăng độ tin cậy của thông
tin.
Nội dung tìm hiểu của đề tài gồm 3 chương sẽ lần lượt trình bày các vấn đề
sau:
Chương 1: Tổng quan về thông tin vô tuyến
Chương 2: Các kỹ thuật phát phân tập
Chương 3: Ứng dụng kỹ thuật phát phân tập trong thông tin vô tuyến
Do nhiều mặt còn hạn chế, đồng thời trong quá trình tìm hiểu cũng mang
nhiều tính chủ quan trong nhìn nhận nên nội dung của đề tài không tránh khỏi
7
những sai sót. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và các
bạn đọc để đề tài này được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Thạc sỹ Hoàng
Quang Trung và các thầy cô giáo trong bộ môn công nghệ điện tử và truyền
thông đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và làm đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn !
Thái Nguyên, ngày 4 tháng 3 năm 2013
Sinh viên
1.2.1. Kênh tạp âm AWGN
Tạp âm là các tín hiệu không mong muốn trong thông tin vô tuyến. Tạp âm
làm giảm khả năng tách chính xác của các tín hiệu phát, làm giảm tốc độ truyền
dẫn thông tin. Tạp âm được tạo từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng được phân làm
2 loại chính là tạp âm tự nhiên và tạp âm nhân tạo. Tạp âm nhân tạo xuất hiện từ
các nguồn đánh lửa, chuyển mạch hay các phát xạ điện từ. Tạp âm tự nhiên xuất
hiện trong các linh kiện điện tử, thiết kế mạch điện, thiết bị hay hệ thống cho
phép loại bỏ hoặc giảm nhỏ tạp âm bằng cách nối đất, chọn vị trí đặt thiết bị hay
dùng các phương pháp lọc. Tuy nhiên, có một nguồn tạp âm tự nhiên không thể
loại bỏ đó là tạp âm nhiệt. Tạp âm nhiệt xuất hiện do sự dao động của các hạt
điện tích trong linh kiện điện tử như điện trở, dây dẫn hay các phần tử dẫn điện
khác. Sự chuyển động ngẫu nhiên và độc lập của vô hạn các điện tử tạo nên đặc
tính thống kê Gauss theo định lý giới hạn trung tâm. Vì vậy tạp âm nhiệt có thể
mô tả như một quá trình ngẫu nhiên Gauss có giá trị trung bình bằng 0. Ví dụ :
Tạp âm Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai
1
2
=
σ
được miêu tả
như ở hình 1.2
Hình 1.2 : Mô tả tạp âm Gauss
Hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) của một quá trình
ngẫu nhiên Gauss n(t) được biểu diễn như sau:
10
2
)(
0
HzW
N
fG
n
=
như mô tả ở hình dưới. Hệ số trong công thức trên chỉ bằng G
n
(f) là một hàm mật
độ phổ công suất 2 phía còn N
0
là mật độ phổ công suất tạp âm. Tạp âm với công
suất có mật độ phổ đều như vậy được gọi là tạp âm trắng (white noise).
11
Hình 1.4: a) Hàm mật độ phổ công suất
b) Hàm tự tương quan
Hàm tự tương quan của tạp âm trắng là phép biến đổi Fourier ngược của
mật độ phổ công suất tạp âm cho bởi:
)(
2
)()}({)(
0
21
τσ
τ
τπ
N
dfefGfGR
phản xạ này gọi chung là vật tán xạ. Liên lạc giữa BS và MS thông qua nhiều
đường (path) mỗi đường chịu một hay nhiều phản xạ, và tín hiệu đến máy thu là
tín hiệu tổng hợp từ tất cả các đường này. Do các đường có biên độ, pha và độ trễ
khác nhau, nên tín hiệu truyền qua các đường có thể kết hợp với nhau một cách
có lợi hoặc không có lợi, tạo nên một sóng đứng ngẫu nhiên. Hiện tượng này
được gọi là truyền sóng fading đa đường. Kênh truyền sóng kiểu này được gọi là
fading đa đường.
Hình 1.6: Mô hình truyền sóng đa đường
1.2.2.1. Hiệu ứng Doppler (fading nhanh)
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và
máy thu như trình bày ở hình 1.7. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín
hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số
Doppler.
13
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là
n
α
,
khi đó tần số Doppler của tuyến này là:
( )
=
n0D
αcosf
c
v
f
n
Trong đó f
0
, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển
f
ff
A
0
các trường hợp còn lại
nếu
=
Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra
năm 1974. Và được gọi là phổ Jake. Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích
như sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f
0
, khi đó tín hiệu thu được
sẽ không nhận được ở chính xác trên tần số sóng mang f
0
mà bị dịch đi cả về hai
phía với độ dịch là f
D,max
như hình ở 1.8. Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự
đồng bộ của nhiều hệ thống.
Hình 1.8. Mật độ phổ của tín hiệu thu
1.2.2.2. Hiện tượng trải trễ
Trễ (delay) là thời gian tính từ khi bắt đầu truyền cho tới khi nhận xong một
tin hay một tín hiệu. Delay spread là lượng tăng của trễ truyền do tín hiệu truyền
đi theo nhiều đường khác nhau. Ví dụ: Trong thông tin di động, tín hiệu lan
truyền tới điểm thu theo nhiều đường khác nhau do phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ tại
các chướng ngại. Giả sử đầu phát phát đi một xung cực hẹp, tại đầu thu khi đó
không chỉ nhận được một xung mà là một cụm xung. Lượng trải trễ delta D như
trong hình 1.9:
15
Hình 1.9. Hiện tượng trải trễ
−
=
)0(0
)0(
2
exp
)(
2
2
2
r
r
rr
rp
σσ
(1.4)
Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ
tách đường bao (evelope detection). σ
2
là công suất trung bình theo thời gian.
Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị R
cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy:
)(][
0
====
∫
∞
drrrprEr
mean
Và phương sai
2
r
σ
(công suất thành phần ac của đường bao tín hiệu):
[ ]
222
0
222
2
4292.0
2
2
2
)(][
σ
π
σ
π
σσ
=
Bằng cách sử dụng giá trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so
17
sánh các phân bố fading khác nhau (có giá trị trung bình khác nhau). Hình 1.10
minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh.
1.2.4. Phân bố Rice
Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực
tiếp máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần LoS: light-of-sight)
với công suất vượt trội. Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean. Trong
trường hợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc
khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight. Tại ngõ ra của bộ tách
đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần một chiều vào
các thành phần đa đường ngẫu nhiên. Giống như trong trường hợp dò sóng sin
trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-of-sight (có công suất vượt
trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm
cho phân bố Ricean rõ rệt hơn. Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu
tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh. Vì vậy,
phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight
mất đi.
Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:
<
≥≥
2
2
2
σ
A
k =
18
Hay viết dưới dạng
dB:
dB
A
dBk
2
2
2
log10)(
σ
=
k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean.
Khi A →
0, k
→
0 (
∞−
dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ,
phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh. Hình 1.8 mô tả hàm mật độ xác suất
của phân bố Ricean.
truyền độc lập, tạo nên sự phân tập về thời gian. Khoảng thời gian cần thiết để
đảm bảo thu được các tín hiệu fading không tương quan tại máy thu tối thiểu là
thời gian đồng bộ (coherence time) của kênh truyền. Đối với thông tin di động,
khoảng thời gian đồng bộ này là:
T
b
= c/2vf
c
Trong đó:
c=3x10
8
m/s là tốc độ ánh sáng
v là tốc độ di chuyển của máy di động
f
c
là tần số sóng mang
Ví dụ: Với các máy di động làm việc ở tần số 800Mhz và di chuyển với tốc
độ 50Km/h, thời gian đồng bộ T
c
=13,5ms.
20
Để tạo ra M
d
nhánh phân tập, tín hiệu cần được truyền đi tại M
d
khe thời
gian. Vì vậy, khoảng thời gian giữ chậm cần thiết để truyền đi tại M
d
nhánh phân
tập là M
ra do các nhánh phân tập có tần số khác nhau nên mỗi nhánh cần sử dụng một
máy thu phát cao tần riêng.
21
1.3.3. Phân tập phân cực
Nghiên cứu cho thấy tín hiệu được truyền đi trên 2 phân cực trực giao trong
môi trường thông tin di động có các tham số thống kê độc lập. Vì vậy, hai phân
cực này có thể được coi là cơ sở của hai nhánh phân tập phân cực. Do chỉ tồn tại
hai phân cực sóng trực giao nên số lượng tối đa các nhánh phân tập có thể tạo
được chỉ là hai. Ngoài ra, do sự hạn chế của công suất máy phát nên công suất tín
hiệu phát cần phải chia đều cho hai nhánh, và vì vậy chất lượng tín hiệu thu được
cũng bị suy giảm đi 2 lần hay 3 dB.
1.3.4. Phân tập không gian
Phân tập không gian là kỹ thuật sử dụng nhiều anten hay các mảng anten
được sắp xếp với các khoảng cách phù hợp để tín hiệu trên các anten độc lập.
Khoảng cách yêu cầu thay đổi tùy theo độ cao anten, môi trường truyền và tần
số. Khoảng cách giữa hai anten đặt cách nhau nửa bước sóng λ/2
Hình 1.12: Mô hình phân tập không gian.
Phân tập không gian còn được gọi là phân tập anten.
Phân tập không gian gồm có:
• Phân tập anten phát
Phân tập anten phát là phân tập sử dụng nhiều anten ở phía phát, thông tin
được đưa đến tất cả các anten và truyền đến phía thu. Sử dụng phân tập phát ta
thu được độ lợi phân tập phát, tăng dung lượng truyền dữ liệu, giảm công suất
phát.
Tín
hiệu
vào
x(nT)
x(nT)
x’(nT)
nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn trong số những tín hiệu thu
được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất. Việc này nhằm
chống lại fading và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu fading và
nhiễu khác nhau. Người ta có thể sử dụng mã sửa lỗi FEC (forward error
correction) cùng với kỹ thuật phân tập. Lợi dụng việc truyền trên nhiều kênh mà
ta có được độ lợi phân tập, thường được đo bằng dB. Hay nói cách khác, phân
tập (diversity) là kỹ thuật giúp cho phía thu (trong thông tin di động là MS hoặc
BTS) cải thiện chất lượng tín hiệu thu bị suy giảm do fading nhờ việc kết hợp tín
hiệu thu đa đường đến từ cùng một nguồn phát. Phân tập được thực hiện tại cả
MS lẫn BTS tuỳ công nghệ cụ thể.
Trong các hệ thống thông tin di động hiện nay, nhiều anten thu được sử
dụng cho các trạm thu phát cơ sở với mục đích là khử nhiễu đồng kênh và giảm
thiểu ảnh hưởng của fading, ví dụ trong mạng GSM nhiều anten được sử dụng tại
trạm thu cơ sở BTS để tạo ra phân tập thu đường lên, bù đắp cho công suất
truyền tương đối thấp từ trạm di động. Điều này cải thiện chất lượng và độ rộng
của đường lên. Nhưng trong trường hợp đường xuống việc này rất khó khăn, do
các thiết bị di động được thiết kế rất nhỏ gọn, vì vậy việc này khó đảm bảo cho
việc lắp các anten đảm bảo điều kiện cách nhau nửa bước sóng. Đối với đường
xuống, sẽ là thực tế nếu như xem xét cân nhắc với phân tập phát. Sẽ dễ dàng lắp
đặt nhiều anten phát trên trạm thu phát và cũng dễ dàng sử dụng các nguồn ngoài
cho nhiều anten phát.
24
Phân tập phát làm giảm yêu cầu nguồn xử lý của các bộ thu và kết quả là
các cấu trúc hệ thống đơn giản hơn, tiêu thụ nguồn thấp hơn và chi phí thấp hơn.
Hơn thế nữa, phân tập phát có thể kết hợp với phân tập thu để tăng chất lượng
của hệ thống.
Ngược lại phân tập thu mà chúng ta đang sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống di động tổ ong, phân tập phát vẫn còn nhận được rất ít sự chú ý do việc
thực hiện phân tập anten phát là khác rất nhiều so với phân tập anten thu và việc
khai thác phân tập phát cũng có những khó khăn:
Copyright: Tài liệu đại học ©