Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép
của ai được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết. Nội dung luận văn có tham khảo
và sử dụng các tài liệu theo danh mục tài liệu tham khảo. Các số liệu có nguồn trích
dẫn, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong các công trình
nghiên cứu khác.

Hà Nội, tháng 5 năm 2012
Học viên

Ngô Mạnh Hà

1


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 1
MỤC LỤC ........................................................................................................................ 2
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... 4
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................ 9
DANH MỤC HÌNH MINH HOẠ .................................................................................. 10
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 13
CHƯƠNG 1: MẠNG BĂNG SIÊU RỘNG UWB ........................................................ 15
1. Giới thiệu chương .................................................................................................. 15
2. Giới thiệu về hệ thống UWB ................................................................................. 15
2.1. Lịch sử phát triển của UWB............................................................................ 16
2.2. Các ưu điểm của UWB ................................................................................... 17



Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

3.7. Khoảng bảo vệ (Guard Period) ....................................................................... 57
3.7.1. Bảo vệ chống lại offset thời gian.................................................................. 57
3.7.2. Bảo vệ chống lại ISI ..................................................................................... 58
3.7.3. Overhead của khoảng bảo vệ ....................................................................... 59
4. Các đặc tính của OFDM......................................................................................... 59
4.1. Ưu điểm ........................................................................................................... 59
4.2 Nhược điểm ..................................................................................................... 60
4.3. Ứng dụng ......................................................................................................... 60
5. Tổng kết chương .................................................................................................... 62
CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ CDMA ............................................................................. 63
1.Giới thiệu chương ................................................................................................... 63
2. Tổng quan về CDMA ............................................................................................. 63
2.1. Mã trải phổ ...................................................................................................... 65
2.1.1. Chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN ....................................................................... 66
2.1.2. Chuỗi mã trải phổ Walsh-Hardamard ......................................................... 67
2.2. Các kiểu trải phổ cơ bản.................................................................................. 67
2.3. Chuyển giao .................................................................................................... 68
2.3.1. Mục đích của chuyển giao ........................................................................... 68
2.3.2. Các loại chuyển giao.................................................................................... 69
2.4. Điều khiển công suất trong CDMA ............................................................... 70
2.4.1. Điều khiển công suất vòng hở (OLPC) ........................................................ 71
2.4.2. Điều khiển công suất vòng kín (CLPC) ....................................................... 72
3. Tổng kết chương .................................................................................................... 73
CHƯƠNG 4: KẾT HỢP OFDM VÀ CDMA TRONG UWB ....................................... 74
1. Giới thiệu chương .................................................................................................. 74
2. Kết hợp OFDM và CDMA .................................................................................... 74

Automatic Gain Control

Điều khiển độ lợi tự động

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Tạp âm Gaussian trắng
cộng

B
BER

Bit Error Rate

Tỉ số lỗi bít

BPM

Bi-Phase Modulation

Điều chế pha cơ hai

C
CATV

Cable Television or Community Antenna Truyền hình cáp hay
Television
truyền hình anten cộng


Digital Video Disc, Digital Versatile Disc

DVD

4


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

E
EDGE

Enhanced Data Rates for GSM Evolution

Tốc độ số liệu tăng cường
để phát triển GSM

F
FCC

Federal Communications Commission

Uỷ ban truyền thông liên
bang

FDM

Frequency Division Multiplexing


GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GSM

Global System for Mobile
Communications

Hệ thống toàn cầu cho
truyền thông di động

H
HDTV

High-Definition Television

Tivi có độ phân giải cao

I
IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

ISI


MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập
phương tiện

MAI

Multiple Access Interference

Nhiễu đa truy nhập

MBOFDM

Multiband-OFDM

Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao - đa băng

MPEG

Moving Picture Experts Group

Nhóm các chuyên gia về
ảnh động

O
OFDM



PN

Pseudo Noise

Giả tạp âm

PPM

Pulse Position Modulation

Điều chế vị trí xung

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ công suất

6


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Q
QoS

Chất lượng dịch vụ

Quality of Service


Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia
theo thời gian

TH

Time Hopping

Nhảy thời gian

THSS

Time Hopping Spread Spectrum

Trải phổ dùng nhảy thời
gian

U
UMTS

Universal Mobile Telecommunications
System

Hệ thống viễn thông di
động toàn cầu

USB


Wireless Local Area Network

Mạng nội bộ không dây

WPAN

Wireless PAN

Mạng nội bộ cá nhân
không dây

WUSB

Wireless USB

USB không dây

8


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây ............. 29
Bảng 2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác.............. 29
Bảng 3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau ........................ 33
Bảng 4: Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế ......... 52
Bảng 5: Bảng Mã Gray ................................................................................................. 55
Bảng 6: Các thông số được đề xuất cho hệ thống ......................................................... 74


10


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Hình 2. 4: Truyền dẫn sóng mang đơn .......................................................................... 39
Hình 2. 5: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang................................................ 40
Hình 2. 6: Các sóng mang trực giao .............................................................................. 42
Hình 2. 7: Thêm CP vào symbol OFDM ........................................................................ 45
Hình 2. 8: Tích của hai vector trực giao bằng 0............................................................ 46
Hình 2. 9: Giá trị của sóng sine bằng 0 ......................................................................... 47
Hình 2. 10: Tích phân của hai sóng sine a) có tần số khác nhau; b) có cùng tần số .... 47
Hình 2. 11: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK ............................................................. 50
Hình 2. 12: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK ................................................................... 53
Hình 2. 13: Chùm tín hiệu M-QAM ............................................................................... 54
Hình 2. 14: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray. Mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay
đổi một bit đơn ............................................................................................................... 55
Hình 2. 15: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM ......................... 56

Hình 3. 1: Hàm tương quan của chuỗi PN .................................................................... 66
Hình 3. 2: OLPC đường lên ........................................................................................... 72
Hình 3. 3: Cơ chế điều khiển công suất CLPC .............................................................. 72

Hình 4. 1: Lưới thời gian – tần số của hệ thống ............................................................ 75
Hình 4. 2: Cấu trúc khung.............................................................................................. 75
Hình 4. 3: Cấu trúc cụm điều chế .................................................................................. 76
Hình 4. 4: Cấu trúc tần số .............................................................................................. 77
11


Không những thế, UWB sẽ tiến tới truyền các tập tin lớn giữa các PC và các
thiết bị di động như các máy phát nhạc MP3 và máy ảnh số. Hiện tại, UWB có thể
truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 252 Mbps. Và trong tương lai, khả năng có thể lên tới
480 Mbps trong khoảng cách không quá xa. Do đó, ý tưởng truyền các tập tin lớn là
hoàn toàn có khả năng.
Luận văn “Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng” trình bày
những vấn đề căn bản nhất về công nghệ UWB, OFDM, CDMA và việc kết hợp
OFDM và CDMA trong UWB, các ưu nhược điểm của từng hệ thống riêng rẽ và ưu
nhược điểm của hệ thống kết hợp.

13


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Luận văn được chia làm 4 chương, với các nội dung chính như sau:
Chương 1: Giới thiệu về mạng băng thông siêu rộng UWB.
Chương 2: Giới thiệu về phương pháp điều chế sử dụng các sóng mang con trực
giao OFDM.
Chương 3: Giới thiệu về công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.
Chương 4: Giới thiệu về việc kết hợp OFDM và CDMA trong UWB.
Việc kết hợp OFDM và CDMA trong UWB đòi hỏi một kiến thức sâu rộng và
sự đầu tư thoả đáng về thời gian. Vì vậy trong khuôn khổ luận văn chắc chắn không
tránh khỏi những sai sót cũng như còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết thỏa đáng.
Rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo, sự góp ý và phê bình của các
bạn.
Xin gửi lời biết ơn trân trọng nhất tới TS. Nguyễn Viết Nguyên, thầy đã tạo mọi
điều kiện và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân - những người đã luôn
giúp đỡ và động viên tôi trong thời gian qua.

Trong đó B:=fH-fL chỉ băng tần 10 dB của hệ thống, và tần số trung tâm hệ thống
UWB với fc=(fH+fL)/2 với fH là tần số cao với công suất thấp hơn 10 dB so với tần số
có công suất cực đại, và fL là tần số thấp với công suất thấp hơn 10 dB so với tần số có
công suất cực đại.
Về mặt lịch sử, các hệ thống rada UWB được phát triển chủ yếu để phục vụ mục
đích quân sự bởi vì chúng có thể “nhìn xuyên qua” cây cối và mặt đất. Tuy nhiên, gần
đây kĩ thuật UWB chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực dân sự như các ứng dụng điện tử

15


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

viễn thông. Các đặc điểm lí tưởng của các hệ thống UWB là công suất tiêu thụ thấp,
giá thành thấp, tốc độ cao, khả năng định vị chính xác và gây nhiễu cực nhỏ.
Mặc dù các hệ thống UWB đã phổ biến nhiều năm trước nhưng gần đây mới
thực sự được chú ý trong ngành công nghiệp vô tuyến. Kĩ thuật UWB có khác biệt so
với các kĩ thuật truyền dẫn không dây băng hẹp thông thường đó là thay bằng truyền
dẫn trên các kênh tần số riêng biệt, UWB trải tín hiệu trên một dải rộng tần số. Dạng
truyền thông điển hình dựa trên sóng vô tuyến dạng sin được thay thế bởi các chuỗi
xung với tốc độ hàng triệu xung trên một giây. Với băng tần rộng và công suất rất nhỏ
làm tín hiệu UWB giống như tạp âm nền.

2.1. Lịch sử phát triển của UWB
Phần lớn mọi người nghĩ rằng UWB là một công nghệ “mới”, do nó là công nghệ
cho phép thực hiện những điều trước đó không thể có. Đó là tốc độ cao, kích cỡ thiết bị
nhỏ hơn, tiêu thụ công suất thấp hay cung cấp các ứng dụng mới. Tuy nhiên, đúng hơn
UWB là công nghệ mới theo nghĩa các thuộc tính vật lí mới của nó được phát hiện và
được đưa vào ứng dụng.
Tuy nhiên, phương pháp chiếm ưu thế trong truyền thông vô tuyến hiện nay dựa

2.2. Các ưu điểm của UWB
Các ưu điểm của UWB có thể tổng kết là:
1. Tốc độ cao
2. Giá thành thiết bị thấp
3. Chống đa đường
4. Đo đạc (định vị) và truyền thông trong cùng một thời điểm
Tôi sẽ trình bày chi tiết hơn những ưu điểm này trong các mục tiếp theo, nhưng
trước tiên tôi muốn nói đến khía cạnh hấp dẫn nhất của truyền thông UWB đó là tốc độ
cao. Tốc độ cao cho phép đưa ra các ứng dụng và các thiết bị mới mà hiện tại chưa có.
Tốc độ lớn hơn 100 Mb/s đã đạt được và có khả năng vượt qua tốc độ trên ở khoảng
cách ngắn.

17


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Biểu thức Shannon được biểu diễn:
S⎞
⎛
C = B log ⎜1 + ⎟
⎝ N⎠

(1.2)

Trong đó C là dung lượng tối đa của kênh, với đơn vị [b/s]; B là băng tần kênh
[Hz]; S là công suất tín hiệu [W] và N là công suất tạp âm [W].
Biểu thức này nói cho thấy có ba cách có thể làm để tăng dung lượng kênh. Có
thể tăng băng tần, tăng công suất tín hiệu hay giảm tạp âm. Có thể thấy rằng dung
lượng kênh tăng tuyến tính với băng tần B nhưng chỉ theo hàm loga với công suất tín

Phần này trình bày các đặc điểm cơ bản của hệ thống UWB. Trước hết ta nghiên
cứu mặt nạ phổ công suất được áp dụng cho UWB.

3.1. Mặt nạ phổ công suất
Phổ của tín hiệu UWB là một trong những vấn đề chính gây tranh luận giữa
ngành công nghiệp vô tuyến và chính phủ để thương mại hoá UWB. Thực tế, tên của
công nghệ là băng siêu rộng đã cho thấy vấn đề phổ là trung tâm của công nghệ UWB.
Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến phải tuân thủ các điều lệ và quy định khác
nhau về công suất phát trong các băng tần cho trước để tránh nhiễu tới các người dùng
khác ở gần hoặc chung dải tần số.

Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB
Các hệ thống UWB chiếm băng tần rất rộng và gây nhiễu tới các người dùng hiện
tại. Để giữ nhiễu ở mức tối thiểu FCC và các nhóm chuẩn hoá khác định nghĩa các mặt

19


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

nạ phổ cho các ứng dụng khác nhau với công suất phát được phép ở mỗi dải tần số
khác nhau. Trong hình 1.1 chỉ ra mặt nạ phổ của FCC cho các hệ thống UWB trong
nhà. Băng tần lớn liên tục 7.5 GHz nằm giữa tần số 3.1 GHz và 10.6 GHz ở công suất
phát tối đa cho phép là -41.3 dBm/MHz.
Lí do chính của công suất đầu ra cho phép vô cùng nhỏ ở các băng tần 0.96 GHz1.61 GHz là do các nhóm đại diện cho các loại hình dịch vụ hiện tại, như thông tin di
động, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), và các ứng dụng trong quốc phòng gây áp lực
để tránh gây nhiễu lên các dịch vụ đó. Công suất cho phép -41.3 dBm/MHz là khá thấp
so với ảnh hưởng nhiễu thực tế hệ thống UWB có thể gây ra và nhiều nhóm chuẩn hoá
hi vọng đạt được công suất phát cao hơn.


( f ) = P( f ) =

2

∞

∫ p(t ) exp(− j 2π ft )

−∞

20

= exp(−(2πσ f ) 2 )

(1.5)


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Với P(f) là biến đổi Fourier của p(t). PSD của monocycle px(t) nhận được là :

∑

px

( f ) = (2π f )

2x

∑


p (t )dt

≥ 99.9%

(1.7)

Trong hình 1.2 các monocycle px(t) với x=0,1,2 và độ rộng xung pw=0.9 ns được
chỉ ra đồng thời với mật độ phổ công suất tương ứng và có thể thấy sự thay đổi phổ của
monocycle phụ thuộc vào bậc của đạo hàm.
Bây giờ coi như độ rộng xung đã biết, số lượng mẫu trên một xung có thể được
xác định. Đây là điều quan trọng để biểu diễn tín hiệu số để sử dụng trong xử lý tín
hiệu số và mô phỏng. Đối với p2(t), thường sử dụng trong lí thuyết mô phỏng, có thể
biểu diễn bởi 10 mẫu trên một xung, nếu có chênh lệch cỡ 50 dB nằm giữa cực đại
PSD và ở một nửa PSD cực đại thì tốc độ lấy mẫu đó là hiệu quả.

21


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Hình 1.2: Các monoycle px(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công
suất của chúng
Một đặc điểm cần chú ý khác là các anten sử dụng trong các bộ phát và thu. Lí do
là anten hoạt động với tín hiệu UWB khác với các tín hiệu băng hẹp. Thành phần điện
bức xạ sẽ tỉ lệ với đạo hàm của xung phát và xung thu được sẽ tỉ lệ với đạo hàm bậc hai
của xung được đưa đến anten. Những ảnh hưởng này phải được tính đến để thực hiện
giải điều chế hiệu quả.
Tạo xung Gaussian
du

3.3. Chuỗi xung
Một xung bản thân nó không thể truyền nhiều thông tin. Thông tin hay dữ liệu
cần được điều chế vào một chuỗi các xung được gọi là một chuỗi xung như hình 1.5

23


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

minh hoạ. Khi các xung được phát ở các khoảng thời gian lặp lại, thường được gọi là
độ lặp xung hay tỉ lệ thời gian chiếm, phổ thu được sẽ bao gồm các đỉnh phổ ở các tần
số ứng với độ lặp đó. Những tần số này là bội số của nghịch đảo của tốc độ lặp xung.
Các đường công suất đỉnh này gọi là các đường răng lược bởi vì nó trông giống một
chiếc lược. Xem hình 1.6 (a).

Hình 1.5: Chuỗi xung UWB
Các đỉnh xung giới hạn công suất phát đáng kể. Một phương pháp tạo dạng phổ
giống tạp âm là làm “nhòe phổ” tín hiệu bằng việc thêm vào một độ dịch ngẫu nhiên
vào mỗi xung: hoặc làm trễ xung hoặc phát xung trước một khoảng nhỏ so với thời
điểm phát xung thông thường (thời điểm danh định). Dạng phổ thu được từ sử dụng
dịch ngẫu nhiên được chỉ ra trên hình 1.6 (b) và có thể so sánh với hình 1.6 (a) thấy
rằng các đường răng lược đã được làm giảm đi rất rõ rệt. Chúng ta sẽ thấy ở chương
sau, việc tạo trễ này không hoàn toàn ngẫu nhiên nhưng lặp theo mã giả ngẫu nhiên đã
biết (PN).

24


Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng