HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VÀ SAU ĐẠI HỌC oOo ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHUYÊN ĐỀ TRUYỀN THÔNG SỐ HỆ CAO HỌC NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NIÊN KHÓA: 2008 - 2011 TÊN ĐỀ TÀI: BỘ THU TỐI ƯU TÍN HIỆU PHA NGẪU NHIÊN TRONG KÊNH AWGN VÀ FADING MÃ SỐ CHUYÊN ĐỀ : 06 Người hướng dẫn: TS. Hồ Văn Cừu Khoa Viễn Thông 2 Học viên thực hiện: Trương Thị Hạnh. Lớp Cao học S08VTA1 Mã số học viên: S081600007 Thành phố Hồ Chí Minh, Năm 2009 TP.H Ồ CHÍ MINH, Năm 2009 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VÀ SAU ĐẠI HỌC oOo ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHUYÊN ĐỀ TRUYỀN THÔNG SỐ HỆ CAO HỌC Mã số môn học: 511TTS160 NGÀNH ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG NIÊN KHÓA: 2008 -2011 TÊN ĐỀ TÀI: BỘ THU TỐI ƯU TÍN HIỆU PHA NGẪU NHIÊN TRONG KÊNH AWGN VÀ FADING MÃ SỐ CHUYÊN ĐỀ: 06 Nội dung thực hiện: 1. Mở đầu 2. Chương I. Tổng quan về mô hình kênh truyền vô tuyến AWGN và FADING. 3. Chương II. Bộ thu tối ưu tín hiệu pha ngẫu nhiên trong kênh AWGN 4. Chương III. Chương trình mô phỏng bộ thu tối ưu tín hiệu pha ngẫu nhiên 5. Kết luận Người hướng dẫn: TS. Hồ Văn Cừu Khoa Viễn Thông 2 Học viên thực hiện: Trương Thị Hạnh. Lớp Cao học S08VTA1 Mã số học viên: S08160000 Thành phố Hồ Chí Minh, Năm 2008 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC HỆ CAO HỌC CHUYÊN ĐỀ TRUYỀN THÔNG SỐ Mã số môn học: 511TTS160 Giảng viên bộ môn chuyên đề thông tin vô tuyến giao nhiệm vụ thiết kế đồ án môn học cho học viên như sau: Họ và tên: Trương Thị Hạnh, lớp: Cao học, hệ: Chính quy Ngành: Kỹ Thuật - Điện tử 1. Tên đề tài : Bộ thu tối ưu tín hiệu pha ngẫu nhiên trong kênh AWGN và Fading 2. Nội dung thực hiện : 2.1. Mở đầu 2.2. Tổng quan về mô hình kênh truyền vô tuyến AWGN và FADING. 2.3. Bộ thu tối ưu tín hiệu pha ngẫu nhiên trong kênh AWGN 2.4. Chương trình mô phỏng bộ thu tối ưu tín hiệu pha ngẫu nhiên 2.5. Kết luận 3.Thời gian thực hiện: Từ ngày: 15 / 03 / 2009 / Đến ngày: 25 / 05 / 2009 4.Thời gian chấm tiểu luận: 4.1. Ngày nộp đồ án: 26 / 03 / 2009 4.2. Ngày chấm đồ án: … /… /……. 5. Kết quả chấm điểm của Giảng viên: Ngày …… tháng …… năm 2009 Giảng viên bộ môn TS. HỒ VĂN CỪU L L ờ ờ i i c c ả ả m m ơ ơ n n Qua thời gian học tập tại lớp Cao học Điện tử - Viễn thông của Học viện công nghệ bưu chính viễn thông, tôi đã được học và tiếp thu nhiều kiến thức mới từ sự chỉ bảo tận tình của thầy, sự giúp đỡ của bạn bè. Đồ án môn học là nền tảng quan trọng và hỗ trợ tôi trong chuyên đề tốt nghiệp ra trường sau này. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Hồ Văn Cừu, người định hướng cho tôi nghiên cứu, tìm hiểu và phát triển chuyên đề, cung cấp cho tôi những kinh nghiệm quý báu. Xin gởi lời cảm ơn đến bạn bè và đồng nghiệp đã cung cấp những tài liệu bổ ích giúp tôi hoàn thành tốt chuyên đề này. Tôi xin chân thành cám ơn ! Học viên thực hiện : Trương Thị Hạnh NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN  Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2009 - vi - MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH KÊNH TRUYẾN AWGN VÀ FADING 2 1.1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN SỐ 2 1.1.1. Sơ đồ khối hệ thống kênh thông tin vô tuyến số 2 1.1.2. Các thông số chính của kênh truyền vô tuyến số 3 1.2. MÔ HÌNH KÊNH KÊNH TRUYỀN AWGN 4 1.3. CÁC MÔ HÌNH KÊNH FADING CHUẨN 5 1.3.1. Mô hình Rayleigh 5 1.3.2. Mô hình Rice 7 1.3.3. Mô hình Nakagami-q 8 1.3.4. Mô hình Nakagami-m 8 Kết luận Chương 1 9 CHƯƠNG II: BỘ THU TỐI ƯU TÍN HIỆU PHA NGẪU NHIÊN TRONG KÊNH TRUYỀN AWGN 11 2.1. BỘ THU TỐI ƯU CHO CÁC TÍN HIỆU BN GÂY LỖI BỞI NHIỄU TRẮNG AWGN 11 2.1.1. Giải điều chế tương quan 11 2.1.2. Giải điều chế lọc phù hợp 13 2.1.3. Bộ tách sóng tối ưu 14 2.2.BỘ THU TỐI ƯU CHO TÍN HIỆU PHA NGẪU NHIÊN TRONG KÊNH NHIỄU TRẮNG AWGN 17 2.2.1. Bộ thu tối ưu cho tín hiệu nhị phân 17 2.2.2. Bộ thu tối ưu cho tín hiệu trực giao M mức 21 2.2.3. Xác suất lỗi đối với việc tách đường bao tín hiệu trực giao M mức. 22 2-2-4. Xác suất lỗi tách đường bao tín hiệu nhị phân tương quan 24 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG BỘ THU TỐI ƯU TÍN HIỆU PHA NGẪU NHIÊN 25 3.1.MÔ PHỎNG BỘ THU TỐI ƯU TÍN HIỆU PHA NGẪU NHIÊN TRONG KÊNH TRUYỀN AWGN 25 3.2. MÔ PHỎNG BỘ THU TÍN HIỆU QPSK QUA KÊNH TRUYỀN RAYLEIGH 26 KẾT LUẬN 30 PHỤ LỤC 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 - vii - CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu cộng tạp âm trắng Gauss BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit MFSK M-ary FSK Khóa dịch pha M mức PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất QPSK Quadrature PSK Khóa dịch pha 4 mức SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm - viii - DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ khối mô hình hệ thống kênh truyền vô tuyến số 2 Hình 1.2. Mô hình kênh truyền AWGN 4 Hình 2.1. Mẫu tín hiệu thu chuyển qua một kênh nhiễu trắng AWGN 11 Hình 2.2. Cấu hình bộ thu tín hiệu 11 Hình 2.4. Giải điều chế lọc phù hợp 14 Hình 2.5. Bộ thu tối ưu cấu hình luân phiên qua kênh AWGN 15 Hình 2. 6. Mô tả không gian tín hiệu minh họa sự hoạt động của bộ giải mã tối ưu cho tín hiệu nhị phân điều chế PAM 16 Hình 2.7. Bộ thu tối ưu tín hiệu nhị phân 18 Hình 2.9.Giải điều chế và bộ tách định luật bình phương của tín hiệu BFSK 21 Hình 2.10.Giải điều chế tín hiệu FSK M mức, tách không kết hợp 22 Hình 3.1. Hệ thống phát tín hiệu QPSK đã mã hóa trên kênh truyền AWGN 25 Hình 3.2. Bộ mã chập tín hiệu nhị phân (2,1,3) 25 Hình 3.3. Đồ thị xác suất bit lỗi bộ thu tối ưu tín hiệu QPSK trên kênh truyền AWGN 26 Hình 3.4. Mô phỏng kênh fading Rayleigh 27 Hình 3.5. Truyền tín hiệu QPSK trên kênh truyền fading Rayleigh 27 Hình 3.6. Xác suất lỗi bít tín hiệu QPSK truyền trên kênh fading Rayleigh 28 Hình 3.7. So sánh xác suất lỗi bít mô phỏng tín hiệu QPSK truyền trên kênh fading Rayleigh và AWNG………………………………………………………………………………… 29 Mở đầu Đồ án môn học chuyên đề truyền thông số 1 LỜI MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, thông tin liên lạc đã trở thành một nhu cầu quan trọng trong cuộc sống của con người, và mạng lưới thông tin ngày càng được mở rộng cả về số lượng lẫn chất lượng. Bởi vì tính hiệu quả của nó đã và đang được khẳng định trong mọi lĩnh vực kinh doanh và đời sống xã hội. Đặc biệt nổi bật là thông tin vô tuyến phát triển rất mạnh lấn át thông tin hữu tuyến do tính linh họat, mềm dẻo, di động, tiện lợi. Mặt khác do đặc điểm vốn có của kênh truyền dẫn vô tuyến là hở do đó chất lượng cũng như dung lượng của hệ thống chịu tác động mạnh của môi trường truyền dẫn như địa hình, thời tiết, nhiễu điện từ… Các nguồn nhiễu này thường gây ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Có nhiều kỹ thuật để nâng cao chất lượng của hệ thống thông tin, trong đề tài này tập trung vào giới thiệu một số giải thuật thu tối ưu để nâng cao chất lượng (BER) hệ thống. Phạm vi nghiên cứu chỉ áp dụng cho tín hiệu pha ngẫu nhiên truyền trên kênh truyền bị tác động bởi nhiễu cộng tạp âm trắng (AWGN) và fading. Đồng thời qua phân tích lý thuyết, tác giả dùng phần mềm Matlab mô phỏng một số mô hình tín hiệu truyền truyền trên môi trường bị tác động bởi tạp âm và fading. 2. NỘI DUNG VÀ BỐ CỤC ĐỀ TÀI Sau phần mở đầu, đồ án được tổ chức thành 3 chương, cuối cùng là phần kết luận với nội dung của mỗi chương như sau:  Chương 1. Trình bày đặc điểm, tính chất cũng như mô hình kênh truyền vô tuyến AWGN và FADING  Chương 2. Trình bày tổng quan bộ thu tối ưu tín hiệu bị sai lỗi khi truyền trên kênh nhiễu cộng tạp âm trắng và bộ thu tối ưu tín hiệu pha ngẫu nhiên với thuật toán cực đại hàm khả năng, cực đại xác suất sau .  Chương 3. Mô phỏng bộ thu tín hiệu điều chế QPSK dùng mã chập truyền trên kênh nhiễu cộng tạp âm trắng (AWGN), tín hiệu QPSK truyền trên kênh fading Rayleigh, tính xác suất bit lỗi tín hiệu thu được thông qua chương trình mô phỏng; so sánh với tỷ lệ lỗi bit (BER) lý thuyết 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Đề tài đã phân tích mô hình kênh truyền vô tuyến AWGN, Fading; cấu trúc và một số quy tắc, giải thuật xác định tín hiệu thu tối ưu trên kênh truyền AWGN, Fading. Việc mô phỏng các bộ thu tín hiệu thông qua chương trình Matlab với kết quả trực quan giúp người đọc hiểu và nắm vững hơn lý thuyết thông tin về kênh truyền AWGN, Fading. Chương 1. Tổng quan về kênh truyền AWGN và Fading Đồ án môn học chuyên đề truyền thông số 2 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH KÊNH TRUYẾN AWGN VÀ FADING 1.1.TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN SỐ 1.1.1. Sơ đồ khối hệ thống kênh thông tin vô tuyến số Mô hình hệ thống kênh thông tin vô tuyến như hình 1.1, được xây dựng để truyền các nguồn tín hiệu từ đầu vào (điểm phát tín hiệu) đến đầu ra (điểm thu tín hiệu), trước khi tín hiện được xử lý cao tần bức xạ ra không gian tự do, các nguồn tín hiệu đầu vào đều được mã hóa thành tín hiệu số. Hệ thống kênh truyền vô tuyến số bao gồm hai khối chính đó là khối máy phát và khối máy thu. Máy phát tín hiệu số thông thường bao gồm hai khối chính đó là khối phát tín hiệu cao tần và khối xử lý tín hiệu phát băng tầng gốc. Khối phát tín hiệu cao tần bao gồm các tầng chính như: tầng biến đổi nâng tần, tầng khuếch đại công suất và anten. Khối xử lý tín hiệu phát băng tần gốc gồm các tầng như: tầng định dạng tín hiệu và giới hạn băng tần tín hiệu, tầng lấy mẫu và mã hóa tín hiệu số, tầng mã hóa kênh, tầng ghép kênh dữ liệu, tầng điều chế số. Đối với kênh truyền vô tuyến số dùng kỹ thuật trải phổ thì có thêm tầng trải phổ tín hiệu CDMA và tầng đa truy nhập vô tuyến. Máy thu thường bao gồm hai khối chính đó là: khối thu tín hiệu và khối xử lý và khôi phục tín hiệu băng tần gốc. Khối thu tín hiệu bao gồm anten thu, bộ khuếch đại tín hiệu cao tần tạp âm thấp, bộ biến đổi hạ tần DC và bộ khuếch đại trung tần. Khối xử lý và khôi phục tín hiệu băng tần gốc bao gồm các khối như: Khối giải điều chế số, khối phân chia kênh dữ liệu, khối giải mã hóa kênh (mã hóa sũa sai), khối giải mã hóa tín hiệu số, khối khôi phục tín hiệu và giới hạn băng thông tín hiệu. Đối với kênh truyền vô tuyến số dùng kỹ thuật trải phổ CDMA thì trước khi tín hiệu đưa vào bộ giải điều chế thì có thêm tầng xử ký đa truy nhập vô tuyến, tầng giải trải phổ tín hiệu CDMA. Hình 1.1. Sơ đồ khối mô hình hệ thống kênh truyền vô tuyến số Trong khối phát tín hiệu, có các bước xử lí tín hiệu, giới hạn băng thông tín hiệu, điều chế và giải điều chế là các bước bắt buộc. Giới hạn băng thông tín hiệu là định dạng tín hiệu để nguồn tin tương thích với quá trình xử lý ở hệ thống. Mã hóa tín hiệu số là thực hiện quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Đối với các nguồn tin là tín hiệu số thì khối này được thay thế khối giao tiếp số. Khối mã hóa kênh có nhiệm vụ chèn thêm các bít sửa sai, [...]... truyền thơng số 10 Chương 2 Bộ thu tối ưu tín hiệu pha ngẫu nhiên CHƯƠNG II BỘ THU TỐI ƯU TÍN HIỆU PHA NGẪU NHIÊN TRONG KÊNH TRUYỀN AWGN 2.1 BỘ THU TỐI ƯU CHO CÁC TÍN HIỆU BN GÂY LỖI BỞI NHIỄU TRẮNG AWGN Hãy bắt đầu bằng việc phát triển một mẫu tốn học cho nhiễu đầu vào của bộ thu Chúng ta giả thiết rằng bộ phát truyền thơng tin số bằng cách sử dụng dạng sóng tín hiệu M ký hiệu {sm(t), m =1,2, , M} Ta... gian nhiễu Tuy nhiên chúng ta chỉ ra dưới đây rằng nhiễu được cho là khơng thích hợp tới việc tách tín hiệu là nhiễu rơi vào bên ngồi khơng gian tín hiệu Tín hiệu thu r(t) Bộ giải điều chế tín hiệu Bộ tách sóng Bộ xác định Hình 2.2 Cấu hình bộ thu tín hiệu Đồ án mơn học chun đề truyền thơng số 11 Chương 2 Bộ thu tối ưu tín hiệu pha ngẫu nhiên Giả thiết tín hiệu thu r(t) được đưa qua N bộ tương quan... của tín hiệu thu biến đổi trong hình dạng bên ngồi ngẫu nhiên Để hiểu về pha sóng mang, chúng ta coi các thơng số của tín hiệu như là biến ngẫu nhiên và chọn hình dạng của bộ thu tối ưu trong việc phục hồi thơng tin phát từ tín hiệu thu Trước hết, ta xét tín hiệu nhị phân, sau đó xét đến tín hiệu hạng M 2.2.1 Bộ thu tối ưu cho tín hiệu nhị phân Ta xem xét một hệ thống thơng tin nhị phân sử dụng hai tín. .. truyền thơng số 16 Chương 2 Bộ thu tối ưu tín hiệu pha ngẫu nhiên Chú ý rằng P(e) là tối thiểu bằng cách chọn tín hiệu sm nếu p(r/sm) là lớn hơn p(r/sk) với mọi m # k Khi tập M tín hiệu khơng cùng xác suất, chứng minh trên có thể khái qt hóa để chỉ ra rằng tiêu chuNn MAP làm tối thiểu trung bình xác suất lỗi 2.2 BỘ THU TỐI ƯU CHO TÍN HIỆU PHA NGẪU NHIÊN TRONG KÊNH NHIỄU TRẮNG AWGN Trong phần này, chúng ta... Chương 2 Bộ thu tối ưu tín hiệu pha ngẫu nhiên Hình 2.4 Giải điều chế lọc phù hợp Các đặc tính của lọc phù hợp : Nếu một tín hiệu s(t) gây lỗi bởi tạp âm trắng AWGN, bộ lọc với đáp ứng xung phù hợp với s(t) làm tối đa hóa tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) đầu ra 2.1.3 Bộ tách sóng tối ưu Để thiết kế một bộ tách sóng tín hiệu chọn ra tín hiệu nào là tín hiệu phát thì ta dựa trên việc quan sát vector r trong. .. đầu ra mỗi bộ tương quan trong trường hợp năng lượng tín hiệu là khơng bằng nhau Tín hiệu thu có thể chuyển qua một dãy M bộ lọc phù hợp với những tín hiệu phát {sm(t)}, được lấy mẫu tại thời điểm cuối của khoảng thời gian ký hiệu t = T E1 /2 E2 /2 Em /2 Hình 2.5 Bộ thu tối ưu cấu hình ln phiên qua kênh AWGN Đồ án mơn học chun đề truyền thơng số 15 Chương 2 Bộ thu tối ưu tín hiệu pha ngẫu nhiên Để rõ... 3.4 Mơ phỏng kênh fading Rayleigh Tương tự như phần mơ phỏng bộ thu tín hiệu pha ngẫu nhiên cho kênh truyền AWGN, ở phần mơ phỏng cho kênh truyền fading Rayleigh, ta cũng dùng tín hiệu điều chế QPSK Sơ đồ mơ phỏng như hình vẽ dưới đây Nguồn bit phát Điều chế QPSK Kênh truyền Tính tốn BER Nguồn bit thu Kênh fading Rayleigh ⊕ Giải điều chế QPSK Hình 3.5 Truyền tín hiệu QPSK trên kênh truyền fading Rayleigh... 2 Bộ thu tối ưu tín hiệu pha ngẫu nhiên Hình 2.8 Đồ thị hàm Bessel I0(x) suất bằng nhau Khi đó ngưỡng tiến tới 1, theo tính chất đơn điệu của hàm Bessel trên hình 2.8, quy luật tách sóng tối ưu đơn giản thành: (2-44) Do đó, bộ tách sóng tối ưu dựa trên quyết định chọn 2 đường bao tín hiệu r12 + r12 và c s r22c + r22s được gọi là bộ tách sóng đường bao tín hiệu Các tín hiệu BFSK là 1 ví dụ của tín hiệu. .. định tín hiệu thu Sau đó tín hiệu thu được so sánh với tín hiệu phát, trong q trình so sánh sẽ đếm tổng số bit thu sai , từ đó tính được xác suất lỗi bít tín hiệu thu Kết quả là chương trình vẽ đồ thị xác suất lỗi bit (Pb) tín hiệu thu sau giải mã Viterbi theo các tỷ số SNR đầu vào Hình vẽ dưới là kết quả của chương trình mơ phỏng bộ thu tối ưu, dùng mã chập (2,1,3) điều chế QPSK ; tín hiệu đầu vào... thiết kế bộ thu tối ưu cho tín hiệu điều chế sóng mang có pha là chưa biết tại đầu thu và khơng cần ước lượng giá trị của nó Tín hiệu thu có pha sóng mang khơng nhận biết được có thể xuất phát từ một trong các ngun nhân: + Thứ nhất: các bộ tạo sóng (oscillator) được sử dụng để tạo tín hiệu sóng mang ở phía phát và phía thu khơng đồng bộ về pha với nhau + Thứ hai: thời gian trễ trong khi truyền tín hiệu . 2.1.3. Bộ tách sóng tối ưu 14 2.2.BỘ THU TỐI ƯU CHO TÍN HIỆU PHA NGẪU NHIÊN TRONG KÊNH NHIỄU TRẮNG AWGN 17 2.2.1. Bộ thu tối ưu cho tín hiệu nhị phân 17 2.2.2. Bộ thu tối ưu cho tín hiệu trực. Bộ thu tối ưu tín hiệu pha ngẫu nhiên trong kênh AWGN và Fading 2. Nội dung thực hiện : 2.1. Mở đầu 2.2. Tổng quan về mô hình kênh truyền vô tuyến AWGN và FADING. 2.3. Bộ thu tối ưu tín hiệu. ưu tín hiệu pha ngẫu nhiên Đồ án môn học chuyên đề truyền thông số 11 CHƯƠNG II BỘ THU TỐI ƯU TÍN HIỆU PHA NGẪU NHIÊN TRONG KÊNH TRUYỀN AWGN 2.1. BỘ THU TỐI ƯU CHO CÁC TÍN HIỆU BN GÂY LỖI