Phụ lục số 5
Mẫu số 1. Trang bìa 1 tóm tắt luận văn Thạc sĩ (khổ 140 x 200 mm)
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
NGUYỄN THỊ THUYÊN
MÉO TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ
DUNG LƯỢNG LỚN VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số:
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Thái Nguyên – 2013.
1
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Công nghiệp Thái Nguyên
Người hướng dẫn khoa học:PGS.TS.NGUYỄN QUỐC BÌNH
Phản biện 1: PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TRUNG
Phản biện 2: TS. TRẦN XUÂN MINH
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:
304_G8. Vào hồi 13 giờ, ngày 04 tháng 01 năm 2013
2
Chương 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN
VÔ TUYẾN SỐ DUNG LƯỢNG LỚN
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
1.1.1 Hệ thống thông tin vô tuyến
Các hệ thống thông tin vô tuyến là các hệ thống truyền tin bằng sóng điện từ
có môi trường truyền lan tín hiệu – môi trường truyền dẫn – là khoảng không gian
giữa máy phát Tx (Transmitter) và máy thu Rx (Receiver). Sơ đồ khối đơn giản
của một hệ thống thông tin vô tuyến được cho trên hình 1.1.
Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống thông tin vô tuyến
Thông thường, thông tin cần truyền được đưa vào máy phát thực hiện điều
1. Tần số cực thấp ELF (Extremly Low Frequency): f = 300 ÷ 3000 Hz (
λ
=
1000 ÷ 100 km); và tần số rất thấp VLF (Very Low Frequency): f = 3 ÷ 30 kHz (
λ
= 100 ÷ 10 km).
2. Tần số thấp LF (Low Frequency) hay sóng dài LW (Long Wave-length): f
= 30 kHz ÷ 300 kHz (
λ
= 10 ÷ 1 km).
3. Tần số trung bình MF (Medium Frequency) hay sóng trung MW (Medium
Wavelength): f = 300 kHz ÷ 3 MHz (
λ
= 1000 ÷ 100 m).
4. Tần số cao HF (High Frequency) hay sóng ngắn SW (Short Wave-lenght):
f = 3 ÷ 30 MHz (
λ
= 100 ÷ 10 m).
5. Tần số rất cao VHF (Very High Frequency): f = 30 ÷ 300 MHz (
λ
= 10 ÷
1 m).
6. Tần số cực cao UHF (Ultra High Frequency) hay dải sóng cm: 300÷3000
MHz (
λ
= 1m ÷ 10 cm).
7. Tần số siêu cao SHF (Super High Frequency): f = 3 ÷ 30 GHz (
λ
= 10 ÷ 1
cm).
π ϕ
= × +
(1.1)
trong đó A(t) và φ(t) là các hàm mang thông tin cần truyền, f
c
là tần số sóng
mang. Biểu thức (1.1) có thể viết lại theo:
[2 ( )] 2
( )
( ) Re{ ( ) } Re{ ( ) }
c c
j f t t j f t
j t
x t A t e A t e e
π ϕ π
ϕ
+
= × = × ×
(1.2)
trong đó Re{.} là ký hiệu phần thực.
Có thể nhận thấy rằng, trong vế phải của (1.2) chỉ có thành phần A(t)e
jφ(t)
mang thông tin cần truyền, còn e
j2πf
c
t
chỉ biểu thị một sóng mang cao tần không
mang thông tin. Do vậy, chỉ cần quan tâm tới tín hiệu:
( )
( ) ( )
Bộ giải
điều chế
KPSMKPĐH
Thiết bị
qu. định
Nhiễu
Chú giải:
KPĐH = Khôi phục đồng hồ; KPSM = Khôi phục sóng
mang; KĐCS = Khuếch đại công suất
1.2.2 Các sơ đồ điều chế cơ bản
a) Điều chế M-PSK
Tín hiệu điều chế M-PSK có thể biểu diễn theo:
2
( ) cos(2 ), 0,1, 2, ,( 1)
i c
s t A f t i i M
M
π
π
= + = −
(1.4)
Sơ đồ thông dụng điều chế và giải điều chế M-PSK với M = 4, còn gọi là
QPSK (Quarternary Phase Shift Keying), được thể hiện trên hình 1.4 [1].
Hình 1.4 Sơ đồ điều chế và giải điều chế QPSK
η
M-PSK
= m/(1+α) [b/s/Hz] = (log
2
M)/(1+α) [b/s/Hz] (1.6)
Hình 1.5 Chòm sao tín hiệu M-PSK
+ jB
k
.
6
S/P
LPF
LPF
data
từng 2 bít
90
o
~
Σ
Tín hiệu
QPSK
cos2πf
c
t
sin2πf
c
t
Tới tuyến RF
a)
b)
Tín hiệu QPSK
+ tạp âm
P/S
LPF
LPF
90
E
Hình 1.6 Sơ đồ điều chế a) và giải điều chế b) tín hiệu M-QAM []
Hình 1.7 Chòm sao tín hiệu 16-QAM
c) So sánh M-PSK và M-QAM, phạm vi ứng dụng
7
S/P
§æi møc
2/L
§æi møc
2/L
m bit
m/2 bit
m/2 bit
A
k
B
k
×
×
∼
90
o
Σ
cos2
π
f
c
t
sin2
π
0
LPF
LPF
A/D
&
giải
mã
A/D
&
giải
mã
P/S
đồng hồ
•
•
tín hiệu lối vào
×
×
m/2
m/2
1
1
t=kT
S
b)
∼
cos2
π
f
c
M
π
=
−
(1.8)
Để so sánh hai loại điều chế này, có thể xét tỷ số sau:
2 2
( ) 2( 1) sin ( / )
sQAM
sPSK
E
A M M M
E
π
= = −
(1.9)
1.3 CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN TÁC ĐỘNG TỚI CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
1.3.1 ISI và điều kiện truyền không méo tín hiệu
a) ISI và điều kiện truyền không có ISI
+ Nhiễu giữa các symbol ISI (InterSymbol Interference):
Hình 1.8 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống truyền dẫn tín hiệu số
Không mất đi tính tổng quát, giả sử tín hiệu phát s(t) có dạng điều biên xung
M trạng thái (M-ary Pulse Amplitude Modulation):
( ) ( )
k S
k
s t A t kT
δ
+∞
=−∞
+∞ +∞
=−∞ =−∞
= ∗ = − ∗ −
∑ ∑
(1.11)
Xét với symbol thứ 0 (k = 0), tại thời điểm lấy mẫu và quyết định đối với
symbol này t = t
0
= 0, tín hiệu đầu ra mạch lấy mẫu trên hình 1.8 là:
0
0
(0) = ( ) (0) ( )
k S k S
k k
k
w A h kT A h A h kT
+∞ +∞
=−∞ =−∞
≠
− = + −
∑ ∑
(1.12)
+ Điều kiện truyền không có ISI:
Có thể thấy từ (1.12) rằng tín hiệu số truyền được không bị méo nếu h(0) = 1
và ISI ≡ 0. Trong trường hợp như thế, chưa tính đến tạp âm, tín hiệu nhận được đối
8
MOD Tx Filter
Rx Filter
Qu. định
+
2 2 2
sin( / ) cos( / )
( )
( / )
1 4 /
S S
RC
S
S
t T t T
h t
t T
t T
π απ
π
α
= ×
−
(1.14)
trong đó α là hệ số uốn của bộ lọc (roll-off factor) xác định theo:
/ , [0, 1]
N
f
α α
= ∆ ∈
(1.15)
với f
N
= 1/2T
S
≤ <
− +
= − − ≤ ≤
+
>
(1.16)
a) b)
Hình 1.9 Hàm truyền và đáp ứng xung bộ lọc cosine nâng
9
Δ
f
N
-f
N
R
(f) (1.16)
10
BPF BPF
BPF A
0
BPF
BPF
Kênh
vô tuyến
A
1
A
N
+
n(t) (AWGN)
s(t)
z
0
(t)
z
1
(t)
z
N
(t)
HPA
f
c
f
dung trong luận văn là gói phần mềm ASTRAS (Analog Simulation of
TRAnsmission Systems).
Hình 1.11 Kết cấu gói chương trình ASTRAS
Gói chương trình ASTRAS gồm 3 phần chính: QINPUT, ASTRAS-QL và
ASTRAS-NL như được thể hiện trên hình 1.11 [3].
Gói trình con QINPUT (Quick INPUT) được sử dụng để xác định và mô tả cấu trúc
của hệ thống cần mô phỏng cũng như để gán thông số của các khối một cách nhanh
chóng, trực quan và thuận tiện cho việc sửa đổi.
Séc-măng ASTRAS-QL được sử dụng để mô phỏng các hệ thống M-QAM
tuyến tính. Séc-măng này được dùng để đánh giá sơ bộ chất lượng của các hệ
thống M-QAM, trong đó đòi hỏi rất ngặt nghèo về độ tuyến tính. Khi được giả định
là hoàn toàn tuyến tính, hệ thống M-QAM có thể mô phỏng được bằng ASTRAS-
QL nhằm xem xét, đánh giá tác động của hàng loạt yếu tố có ảnh hưởng tốt lẫn xấu
đến chất lượng của hệ thống.
11
Số liệu đầu vào (số liệu của hệ thống cần mô phỏng)
QINPUT
ASTRAS-QL ASTRAS-NL
P
E
(R) P
E
(R+I) Signature QA Method MC Method
Séc-măng ASTRAS-NL đã được phát triển cho các trường hợp tổng quát hơn đối
với các hệ thống phi tuyến. Kết quả mô phỏng của ASTRAS-NL là mẫu mắt của
tín hiệu thu được và BER của hệ thống được cho ở dạng bảng và đồ thị, nhận được
bằng cách sử dụng phương pháp đánh giá xác suất lỗi tựa giải tích (QA) hay
phương pháp Monte-Carlo (MC
Kết luận chương 1
Trong chương 1, những vấn đề quan trọng đối với các hệ thống vô tuyến số
lọc;
+ Đặc tuyến pha không tuyến tính trong dải thông, cũng có thể xấp xỉ tốt
được bằng tổng các thành phần bậc 1 và bậc 2 và cũng biểu lộ các đặc điểm gợn
sóng trong băng, gây nên hiện tượng trễ nhóm (group delay) không đồng đều trong
băng thông.
2.1.2 Méo tuyến tính gây bởi kênh vô tuyến
a) Những đặc tính chung của kênh vô tuyến
13
+ Kênh vi ba số (vô tuyến chuyển tiếp) dung lượng lớn như đối với các
tuyến đường trục (backbone);
+ Kênh vô tuyến tốc độ bít cao trong thông tin di động các thế hệ sau (từ các
phiên bản sau của các hệ thống 3G hay các hệ thống 4G trong tương lai rất gần);
+ Kênh thông tin vệ tinh địa tĩnh.
Các tác động của môi trường truyền dẫn làm thay đổi các tham số đặc trưng
của sóng điện từ (biên độ, tần số và pha) tại điểm thu
+ Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa , sự hấp thụ này phụ
thuộc vào tần số công tác, đặc biệt là trong giải tần số cao (> 10GHz).
+ Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí.
+ Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trong trường hợp có bề mặt
nước và sự phản xạ sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyển, đây cũng là một
yếu tố dẫn tới sự truyền dẫn đa đường.
+ Sự phản xạ, nhiễu xạ sóng tại các chướng ngại đối với các hệ thống thông
tin di động cũng gây nên hiện tượng truyền dẫn đa đường.
Do các yếu tố kể trên, hệ số suy hao đặc trưng cho quá trình truyền dẫn
không còn là hằng số nữa như trong không gian tự do mà có thể biểu diễn được
dưới dạng:
a(t,f) =
α
fs
. A(t,f) (2.1)
( ) ( )
N
c i i
i
h t a t
δ τ
=
= −
∑
(2.2)
trong đó N là số tia sóng, a
i
là hệ số tổn hao của tia thứ i còn
τ
I
là độ trễ của
tia thứ i.
Hàm truyền của kênh khi này là:
2
1
1
( ) F [ ( )]
i
N
j f
c c i
i
H f h t a e
π τ
−
theo:
1 2
2 2
( ) 1
j f j f
c
H f e e
π τ π τ
α β
− −
= + × + ×
(2.4)
Tiền đề của mô hình Rummler, dẫn đến việc mô hình này được gọi là
mô hình 3 tia đơn giản hoá, là một trong hai tia mô tả bằng các số hạng thứ hai và
thứ ba trong (2.4) − tia thứ nhất chẳng hạn − rất gần với tia trực tiếp, tức là W.
τ
1
<<
1. Khi đó (2.4) suy giảm thành:
2
( ) 1
j f
c
H f e
π τ
α β
−
= + + ×
(2.5)
Gọi tần số f
c
H f a b f f
π τ
= × + − −
(2.7)
16
0
2
0
1 ( ) {cos[2 ( ) ] }
( )
2
1 2 cos2 ( )
d f b f f b
D f
df
b b f f
τ π τ
π
π τ
Φ − −
= − =
+ − −
(2.8)
Hình 2.4 Hàm truyền theo mô hình kênh pha-đinh của Rummler [8]
So sánh với kết quả đo thực nghiệm (hình 2.5), có thể thấy được rằng mô
hình hàm truyền của kênh pha-đinh chọn lọc do Rummler đề xuất rất sát hợp với
thực tế.
Hình 2.5 Một kết quả quét đo tiêu biểu đối với pha-đinh
đa đường trên một kênh vô tuyến ở tần số 6 GHz [2].
2
đều có phân bố mũ với kỳ
vọng M
B
= 3.8 dB. A
1
và A
2
đều có phân bố chuẩn với độ lệch quân phương 5 dB
và kỳ vọng
µ
A
B
B
=
+
+
24 6
500
800
4
4
, .
[dB] (2.10)
Tần số khe pha-đing f
0
, trong mô hình nguyên thủy của Rummler được tuyên
bố là có phân bố đều trong dải tần số quan tâm. Các nghiên cứu chi tiết hơn nữa
cho thấy f
0
(2.11)
trong đó
τ
0
là giá trị được chọn của độ trễ
τ
. Điều này có nghĩa là xác suất
f f
c0
0
1
4
− ≤
τ
lớn gấp 5 lần xác suất
1
4
1
2
0
0
0
τ τ
,
có thể biểu diễn được theo
p(
τ
) = 0.5[
δ
(
τ
−
τ
0
)+
δ
(
τ
+
τ
0
)], (2.12)
trong đó
δ
(t) là hàm xung Dirac.
d) Trải trễ trong môi trường di động
Về mặt thời gian truyền lan, hiện tượng truyền đa đường gây nên hiện tượng
trải trễ (delay spreading), do vậy các phiên bản tín hiệu từ nguồn phát sẽ tới máy
thu với các thời gian trễ khác nhau, dẫn đến các symbol lân cận nhau lấn lên nhau
18
tMS
BS
D
D
- Biên độ gợn sóng của đường con trễ trong băng thông;
- Số chu kỳ gợn sóng của đường cong trễ trong băng thông;
- Pha của gợn sóng của đường cong trễ tại đầu băng thông;
2.2.2 Tác động của trải trễ trong các hệ thống vô tuyến di động tế bào
R
S
= 1/T
S
<< 1/ΔD (2.13)
Hình 2.7 ISI gây bởi trải trễ trong môi trường vô tuyến di động
Trải trễ trung bình của kênh thì có quan hệ mật thiết, tỷ lệ nghịch với độ
rộng băng kết hợp B
c
của kênh. Do vậy, trải trễ trung bình lớn có nghĩa là B
c
nhỏ,
khi đó ngay cả với các giá trị tuyệt đối của độ rộng băng (tốc độ truyền) không lớn
lắm thì vẫn có thể gây nên ISI lớn.
2.2.3 Tác động của pha-đinh đa đường chọn lọc
a) Tác động gây méo tuyến tính của pha-đinh đa đường chọn lọc tần số
Giả sử khe pha-đinh rơi vào trong băng tín hiệu làm suy giảm mạnh hơn một
số thành phần tần số trong băng tín hiệu, nếu tăng lượng khuếch đại máy thu để
tăng độ lớn các thành phần tần số bị suy hao mạnh hơn bởi pha-đinh đa đường lên
thì các thành phần tần số khác trong băng tín hiệu không bị suy hao pha-đinh lại
còn được khuếch đại lớn lên hơn nữa, khi đó dạng phổ tín hiệu trước giải điều chế
rút cục vẫn bị méo dạng như được thể hiện trên hình 2.8.
c
Hình 2.10 Chòm sao tín hiệu thu, B = 3.8 dB, f
0
= f
c
(chưa có tạp âm)
21
Hình 2.11 Xác suất lỗi BER, B = 3.8 dB, f
0
= f
c
Kết quả mô phỏng đối với trường hợp f
0
= f
c
, pha-đinh sâu với độ sâu khe
pha-đinh B = 9 dB được cho trên các hình vẽ 2.12, 2.13 và 2.14.
Hình 2.12 Đáp ứng xung của toàn hệ thống, B = 9 dB, f
0
= f
c
Hình 2.13 Xác suất lỗi BER, B = 9 dB, f
0
= f
c
22
Hình 2.14 Chòm sao tín hiệu thu, B = 9 dB, f
0
= f
c
S
. Hình 2.17 thể
hiện BER của hệ thống khi B = 6 dB, f
0
= f
c
để so sánh.
Hình 2.15 Đáp ứng xung của toàn hệ thống, B = 5 dB, (f
0
– f
c
)/W
0-0
= 0.2
23
Hình 2.16 Xác suất lỗi BER, B = 5 dB, (f
0
– f
c
)/W
0-0
= 0.2
Nhận xét: Khi tần số khe pha-đinh lệch đôi chút với tần số sóng mang, tác
động của pha-đing tệ hại hơn khi tần số khe pha-đinh trùng với tần số sóng mang,
điều này có thể giải thích được như sau:
Khi tần số khe pha-đinh trùng tần số sóng mang, đặc tính tổng cộng của cả
hệ thống vẫn hoàn toàn đối xứng qua tần số sóng mang, đáp ứng xung của cả hệ
thống là một hàm thực, do vậy các thành phần đồng pha I và vuông pha Q của tín
hiệu M-QAM hoàn toàn trực giao nhau. Pha-đing chỉ gây ra ISI mà không gây ra
nhiễu chéo (cross-talk) giữa các thành phần tín hiệu I và Q. Do đó tác hại chưa lớn
-
6
)
1.75 4.45 14.4
5
∞ ∞ ∞ ∞
14.2
5
6.0
c) Khả năng chịu đựng pha-đinh chọn lọc của hệ thống
Mức độ nhạy cảm của hệ thống đối với pha-đinh đa đường chọn lọc được
đánh giá bằng đường signature. Đường signature của hệ thống là quỹ tích của các
điểm trên mặt phẳng B-f
0
ứng với trạng thái gián đoạn liên lạc của hệ thống, tức là
ứng với xác suất lỗi bít của hệ thống lớn hơn hoặc bằng 10
-3
. Signature của một hệ
thống vô tuyến chuyển tiếp số 64-QAM/140Mbps nhận được nhờ mô phỏng được
cho trên hình 2.18 [2].
Hình 2.18 Signature của một hệ thống 64-QAM pha đing pha cực tiểu
1: Không có san bằng, 2: Có san bằng 7 mắt [2]
Xác suất gián đoạn liên lạc là xác suất sự kiện thông số B vượt quá giá trị
của đường cong signature (tức là xác suất của BER > 10
-3
). Xác suất này tính được
nhờ tích phân hàm mật độ đồng thời của các tham số mô hình trong miền gián
đoạn [8]:
P
out
25
Copyright: Tài liệu đại học ©