Đang tải... (xem toàn văn)
các yếu tố tác động đến sự thực hiện điều chế thích nghi
MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cảm ơn Qua thời gian học tập tại lớp Cao học S09 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, cô và sự giúp đỡ của bạn bè. Tiểu luận môn học là nền tảng quan trọng và hỗ trợ tôi trong tương lai khi thiết kế Luận văn tốt nghiệp. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành đến thầy, TS Hồ Văn Cừu, người định hướng cho tôi nghiên cứu, tìm hiểu và phát triển chuyên đề, cung cấp cho chúng tôi những kinh nghiệm quý báu. Tôi xin chân thành cảm ơn những người thân, đồng nghiệp và bạn bè đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này. TỪ VIẾT TẮT 3 MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ 3 1.1. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PSK (phase shift keying) 3 1.2. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ CẦU PHƯƠNG (QAM) 7 1.3. NHẬN XÉT 15 CHƯƠNG II: kỸ THUẬT điỀu chẾ thích nghi 16 2.1. NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 16 2.2. HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 17 2.3. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THÔNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 17 2.4. ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI CHO KÊNH FADING BĂNG HẸP 20 2.5. ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI TRONG MÔI TRƯỜNG BĂNG RỘNG 28 2.6. ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 29 CHƯƠNG III: mô phỎng 46 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 TỪ VIẾT TẮT A ABER: Adaptive Bit-Error-Rate AMPS: Advanced Mobile Phone Service AWGN: Additive White Gaussian Noise B BER: Bit-Error-Rate BPS: Bit per Symbol BPSK: Binary Phase Shift Keying C CCI: Co-Channel - Interference CCITT: International Telgraph and Telephone Consultative Committee CDF : Cumulative Distribution Function CDMA: Code Division Multiple Access CDMA-2000: Code Division Multiple Access - 2000 D DMT: E ETSI: European Telecommunications Standard Institute F FDMA: Frequency Division Multiple Access FEC: Forward Error Correction FFT: Fast Fourier Transform G GSM: Global System for Mobile Communication I IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers IFFT: Invert Fast Fourier Transform ITU: International Telecommunication Union ISI: Inter_ Symbol_ Interference L LOS: Line-of-sight LMDS: local-to-multipoin-distribution-services M MAM: M-ary Amplitude Modulation MEM: Maximum Entropy Method MPSK: M-ary Phase Shift Keying M-QAM: M-ary Quadrature Amplitude Modulation N NMT: Nordic Mobile Telephone O OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing P PCZ: Power Control Zone PDF: Probability Density Function PSAM: Pilot Symbol Assisted Modulation PSD: Power Spectral Density PSK: Phase Shift Keying Q QAM: Quadrature Amplitude Modulation QPSK: Quadrature Phase Shift Keying R RF: Radio Frequency S SNR: Signal-to-Noise Ratio T TDD: Time Division Duplex TDMA: Time Division Multiple Access W WCDMA: Wide Code Division Multiple Access DANH SÁCH HÌNH MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.1. Cơ sở lý luận Trong truyền thông vô tuyến, phổ là một yếu tố quan trọng. Nó cùng với tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) xác định tốc độ mà chúng ta có thể truyền thông tin. Ảnh hưởng nhiễu trong hệ thống thông tin là nhiễu từ môi trường truyền. Chúng ta nghiên cứu các cách truyền trong môi trường nhiễu bằng điều chế thích nghi. Bằng các phương pháp này, chúng ta sẽ thay đổi điều chế tại bộ phát dựa vào các đáp ứng phản hồi theo các điều kiện thay đổi của kênh. Đây là một cách tối ưu để truyền đúng sơ đồ cho các trạng thái của kênh với độ chính xác được yêu cầu. Ví dụ, kênh ở trạng thái kém (như SNR thấp) chúng ta có thể giảm kích cỡ chòm sao tín hiệu để cải thiện chất lượng. Ngược lại khi kênh ở trạng thái tốt (SNR cao) chúng ta có thể tăng kích cỡ chòm sao tín hiệu để tăng tốc độ dữ liệu một cách khả thi. Vì vậy,để nâng cao tốc độ kênh truyền dẫn số mà vẫn bảo đảm BER theo những giá trị nhất định chúng ta sử dụng điều chế thích nghi. Điều đó làm hệ thống linh hoạt và có thể sử dụng hiệu quả của phổ tần hơn. Lúc đó thì lưu lượng có thể đạt được ở mức cao và chất lượng truyền tốt hơn. 1.2. Cơ sở thực tiễn Trong quá trình truyền tin, việc sử dụng hiệu quả phổ và nâng cao chất lượng kênh truyền là vấn đề hết sức quan trọng. Vì vậy đã có nhiều tác giả nghiên cứu, đề cập đến vấn đề điều chế thích nghi (ở phạm vi tài liệu mà chúng tôi có được), có thể thấy rằng: có rất nhiều bài viết trực tiếp hoặc gián tiếp liên quan đến đề tài. Tuy vậy, những bài viết, nghiên cứu đánh giá cụ thể, sát thực với đặc điểm, tình hình của từng đường truyền thông tin số phù hợp lại chưa nhiều và chưa thực sâu sát. Vì thế, tôi thấy cần có được những nghiên cứu, đánh giá cụ thể hơn, sát thực hơn để giải quyết vấn đề triệt để hơn, hiệu quả hơn. Đó chính là những lí do để chúng tôi thực hiện đề tài này. Tuy nhiên, do những giới hạn nhất định về thời gian nghiên cứu và bản thân người nghiên cứu nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong được nhiều sự đánh giá, góp ý, bổ sung cho đề tài để đề tài dần được hoàn thiện hơn. 2. BỐ CỤC ĐỀ TÀI Chương I. Một số kỹ thuật điều chế Chương II. Kỹ thuật điều chế thích nghi Chương III. Mô phỏng 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC Trong hệ thống cổ điển nguồn tài nguyên được cấp cố định cho người dùng, còn trong phương pháp thích ứng thì sau khi nhận dạng yêu cầu của người dùng mới cấp tài nguyên , vì thế việc sử dụng tài nguyên hệ thống hiệu quả hơn, nâng cao công suất hoạt động của hệ thống. 1 Kỹ thuật thích ứng cho chất lượng tín hiệu tốt hơn đến người dùng, làm giảm nhiễu xuyên kênh, chỉ phát vừa đủ công suất tín hiệu, vì thế chất lượng tín hiệu nhận được tốt hơn sau khi truyền tín hiệu qua một vùng phủ rộng lớn Giải thuật thích ứng thay đổi giá trị thông số điều chế linh động hơn. Theo những luồng kênh thích hợp , khi kênh tốt thì giá trị đó sẽ gán cho thông số điều chế để lưu lượng đạt được ở mức cao; khi kênh xấu thì giá trị đó sẽ gán cho thông số điều chế để chất lượng truyền tốt ở những mức truyền thấp có thể được bảo đảm. Điều đó làm hệ thống linh hoạt và có thể sử dụng hiệu quả của phổ tần hơn. Lúc đó thì lưu lượng có thể đạt được ở mức cao và chất lượng truyền tốt hơn. . Điều chế thích ứng và mã hóa (AMC-Adaptation Modulation and Coding) để tối ưu hóa băng thông tùy thuộc vào điều kiện của kênh truyền. Đối với kênh truyền tốt (có nghĩa là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tạp âm SNR cao) có thể điều chế ở 64-QAM. Đối với kênh ở chất lượng thấp thì giảm dần mức điều chế xuống đến QPSK. Học viên thực hiện 2 CHƯƠNG I: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ Điều chế là quá trình xử lý thông tin vào sóng mang vô tuyến. Ðiều chế số cũng có thể cải thiện hiệu suất phổ, bởi vì các tín hiệu số tốt hơn cho việc hạn chế sự suy giảm kênh. Hiệu suất phổ là một thuộc tính quan trọng cho các hệ thống không dây. Để đạt được hiệu suất phổ cao, các sơ đồ điều chế phải được lựa chọn để có hiệu suất băng thông cao. Nhiều hệ thống không dây, như điện thoại tế bào, hoạt động theo nguyên tác là tái sử dụng tần số, ở đây các tần số sóng mang được tái sử dụng ở các vị trí địa lý đã được chia. Chất lượng hệ thống được giới hạn bởi nhiễu đồng kênh. Các sơ đồ điều chế phải xác định được hiệu suất băng thông và có khả năng chịu được nhiễu đồng kênh ở các mức cao. Các kỹ thuật điều chế số được chọn lựa cho các hệ thống không dây nhờ đáp ứng các thuộc tính sau: Mật độ công suất: làm giảm hiệu ứng của nhiễu kênh kề, công suất bức xạ kênh kề từ 60 đến 80 dB. Các kỹ thuật điều chế có búp chính hẹp và rolloff nhanh của các búp biên. BER tốt: xác suất lỗi bít thấp phải đạt được khi có nhiễu đồng kênh, nhiễu kênh kề, nhiễu nhiệt và sự suy giảm các kênh khác như fading và nhiễu xuyên ký tự (ISI). Đặc tính đường bao: khuyếch đại phi tuyến có thể giảm tỷ số bít lỗi cho các sơ đồ điều chế, các thông tin phát được khuyếch đại biên độ sóng mang. Để làm giảm các phổ búp biên trong suốt thời gian khuyếch đại phi tuyến, tín hiệu ngõ vào phải có đường bao cố định 1.1. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PSK (phase shift keying) PSK là một trường lớn của các sơ đồ điều chế số. PSK được sử dụng rộng rải trong nghành công nghiệp viễn thông. BPSK và QPSK được sử dụng hầu hết trong các sơ đồ điều chế PSK, do hệ thống của chúng đơn giản và có hiệu suất công suất và độ rộng băng thông rất tốt. Các sơ đồ MPSK mức cao hơn được sử dụng nếu yêu cầu về hiệu suất băng thông cao hơn với tỷ số SNR cho phép. 1.1.1. Binary PSK. Dữ liệu nhị phân được đặc trưng bởi hai tín hiệu với pha khác nhau, hai pha đó là 0 và π , hai tín hiệu đó là : ( ) 1 cos 2 c s t A f t π = , với 0 t T ≤ ≤ , cho 1 ( ) 2 cos 2 c s t A f t π = − , với 0 t T ≤ ≤ , cho 0 3 (1.1) Các tín hiệu này được gọi là đối cực (antipodal). Lý do chọn lựa điều chế BPSK vì điều chế này có hệ số tương quan bằng -1, chúng cho xác suất lỗi tối thiểu khi cùng giá trị / b o E N , hai tín hiệu trên có cùng tần số và năng lượng. Chúng ta thấy tất cả các tín hiệu PSK có thể được đặc trưng bằng đồ thị bởi một chòm sao tín hiệu trong một hệ toạ độ hai chiều với : tf T t c π 2cos 2 )( 1 =Φ , với 0 t T ≤ ≤ Và ( ) 2 2 sin 2 c t f t T π Φ = − , với 0 t T ≤ ≤ Tương ứng với trục thẳng đứng và trục nằm ngang của nó. Hình 1. 1: Chòm sao tín hiệu BPSK Dấu “-” trong ( ) 2 t Φ có nghĩa là các biểu thức tín hiệu PSK là một tổng thay vì là một tín hiệu khác. Nhiều tín hiệu khác, đặc biệt là tín hiệu QAM cũng được mô tả như vậy. Do đó chúng ta mô tả chòm sao tín hiệu BPSK với ( ) 1 s t và ( ) 2 s t được biễu diễn bằng hai điểm trên trục nằm ngang. Ở đây : 2 2 A T E = Giả sử luồng dữ liệu nhị phân là 10110 thì dạng sóng của tín hiệu BPSK điều chế có dạng như sau: (a) f c = 2T Dạng sóng có đường bao là hằng số, có pha không liên tục tại ranh giới của các bít, nếu / c b f mR m T = = , với m là một số nguyên và b R là tốc độ bít dữ liệu, và thời bít đồng bộ với sóng mang, khi đó pha ban đầu tại ranh giới bít là 0 hoặc 4 ( ) 2 t Φ ( ) 2 s t E ( ) 1 t Φ ( ) 1 s t E − 0 Da ta 1 0 1 1 0 (1.2) (1.3) (1.4) [...]... hình thức điều chế thich nghi hiện thời được sử dụng trong CDMA và trong các chuẩn LAN không dây như IEEE 802.11 Các yếu tố liên quan đến điều chế thích nghi là kênh di động thay đổi theo thời gian Do vậy phản hồi của kênh thông tin trở thành yếu tố giới hạn trong điều chế thích nghi 2.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI Mô hình điều chế thích nghi là sự hoạt động của bộ phát tương ứng theo các điều kiện... 2.6 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI Bây giờ chúng ta đã thiết lập được các điểm chuyển mạch điều chế, chúng ta có thể thảo luận thực hiện điều chế thích nghi, về các giới hạn của BER và hiệu suất phổ (BPS) Chúng ta sẽ xem xét thêm ở Torrance và Hanzo [2] cho việc phân tích điều chế thích nghi Mục đích chính của điều chế thích nghi là duy trì một sự thực hiện cố định với mức công suất phát thay đổi, sơ đồ điều chế, ... trạng thái tốt (như SNR cao) chúng ta có thể tăng kích cỡ chòm sao tín hiệu để tăng tốc độ dữ liệu một cách khả thi Điều chế thích nghi trong truyền thông vô tuyến thật sự đóng vai trò quan trọng, điều chế thích nghi cung cấp hiệu quả sử dụng hơn các sơ đồ điều chế cố định Điều chế thích nghi được sử dụng trong các modem (DMT) Điều chế thích nghi cũng phát triển mạnh trong các hệ thống vô tuyến Các hình... sơ đồ điều khiển công suất giống như kiểu điều chế trước Hình 2.5(a) và 2.5(b), nó xác định độ lớn cho các dãi động k khác nhau Được so sánh 24 với sơ đồ điều chế thích nghi không điều khiển công suất BER của sơ đồ điều chế thích nghi có điều khiển công suất đã được cải thiện Hình 2.5: BER và BPS trung bình của điều chế thích nghi sử dụng sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất cho các phạm vi dãi động khác... điều chế, tốc độ mã hoá, vv , cho phép chúng ta thay đổi tốc độ dữ liệu không có sự suy biến về BER Trong hệ thống thông tin di động mặt đất, giá trị trung bình của mức tín hiệu thu được thay đổi do kênh fading, điều chế thích nghi là một cách hiệu quả để đạt được các tốc độ dữ liệu cao Ở đây chúng ta nghi n cứu các mức điều chế được điều khiển được điều chế thích nghi Chúng ta xem xét hai yếu tố quan... CỦA HỆ THÔNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI Nguồn Mã hoá NgưỡngChuyển mạch điều chế Điều chế Chèn Pilot Kênh truyền Sink Giải mã Đo đạc kênh Giải điều chế Xoá Pilot Hình 2 1: Sơ đồ khối hệ thống điều chế thích nghi 2.3.1.Chức năng các khối: o o o o o o o Nguồn (Source): đây là các bit thông tin được tạo ra Mã hoá (Encoder): các bit thông tin từ nguồn đến được mã hoá qua một bộ FEC Chuyển mạch điều chế (Modulator... thích nghi, hình sau cho một cái nhìn tổng quan về điều chế thích nghi Bộ phát Kênh (Rayleigh fading + Gaussian) Bộ thu Tính toán Metric của tín hiệu thu được để điều chế thích nghi cho khung truyền tiếp theo Hình 2 8: Sơ đồ điều chế thích nghi cơ bản Như đã đề cập ban đầu, điều chế thích nghi dựa trên SNR của kênh cơ bản từ tín hiệu thu được Ba mức chuyển mạch được xác lập cho các sơ đồ điều chế được... giải điều chế /giải mã o Điều chế thích nghi là một phương pháp để cải thiện hiệu quả phổ và tỷ số lỗi bít Chúng ta có thể tối ưu hoá nó trong một kênh Rayleigh Để cải thiện SNR tức thời của chúng ta Cho phép các sơ đồ điều chế với tốc độ cao hơn được sử dụng với xác suất lỗi thấp Chúng ta sẽ phân tích bốn sơ đồ điều chế trong các điều kiện lý tưởng: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 2.3.2 Giới hạn thích nghi. .. ln Khi các giá trị này giảm, xác suất sử dụng các mô hình điều chế cao hơn tăng lên, vì vậy thực hiện BPS tốt hơn Ngược lại, nếu như các giá trị ln tăng, các mô hình điều chế mức thấp hơn được sử dụng thường xuyên hơn kết quả BER trung bình được cải thiện 2.4.1 Điều khiển công suất trên kênh fading băng hẹp Điều khiển công suất trong điều chế thích nghi trên một kênh băng hẹp Ngưỡng cơ bản điều khiển... là giá trị của log 2 M (số bít trên một symbol), với M là mức điều chế Các sơ đồ điều chế được chọn lựa cho điều chế thích nghi là BPSK, QPSK, 16-QAM và 64-QAM với các mức đề nghị 1, 2, 4 và 6 bit trên symbol tương ứng cho mỗi sơ đồ điều chế Chúng ta sẽ xem xét một ngưỡng cơ bản của sơ đồ thích nghi mà các chuyển mạch giữa các sơ đồ điều chế khác nhau phụ thuộc SNR trên kênh được đánh giá trong suốt . ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THÔNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 17 2.4. ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI CHO KÊNH FADING BĂNG HẸP 20 2.5. ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI TRONG MÔI TRƯỜNG BĂNG RỘNG 28 2.6. ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 29 CHƯƠNG III:. 3 1.2. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ CẦU PHƯƠNG (QAM) 7 1.3. NHẬN XÉT 15 CHƯƠNG II: kỸ THUẬT điỀu chẾ thích nghi 16 2.1. NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 16 2.2. HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 17 2.3. SƠ. ta nghi n cứu các cách truyền trong môi trường nhiễu bằng điều chế thích nghi. Bằng các phương pháp này, chúng ta sẽ thay đổi điều chế tại bộ phát dựa vào các đáp ứng phản hồi theo các điều