Tài liệu Thông tin di động chương 5 điều chế...................................................................................................................................................................................................................................................................................
Trang 1Điều chế số trong thông tin di động
Trang 2Điều chế là gì ?
• Quá trình mã hóa thông tin từ một nguồn tin theo một cách thích hợpcho truyền dẫn
Nó bao gồm việc chuyển một nguồn tin băng tần cơ sở thành tín hiệu
băng tần thông giải với tần số cao hơn rất nhiều so với tần số của băngtần cơ sở
• Mục đích chính của kỹ thuật điều chế là để truyền tín hiệu qua kênh vôtuyến với chất lượng tốt nhất có thể nhưng chiếm băng thông vô tuyến ítnhất
Người gửi
Thông tin Điều chế Kênh truyền dẫn
m(t) s(t)=Acos(2πf t+θ)
Trang 3Thông tin di động
Phân loại điều chế
• Có một số loại điều chế khác nhau bằng cách thay đổi biên độ, tần số
và pha của sóng mang tần số cao:
+ Điều chế biên độ ASK
+ Điều chế tần số FSK
+ Điều chế pha PSK
• Trong hệ thống truyền thông không dây kỹ thuật số, tín hiệu điều chế
là một chuỗi các ký tự hoặc xung, mỗi ký tự gồm n bits
Trang 4Các yêu cầu đối với điều chế trong
thông tin di động
1 Sử dụng băng thông hiệu quả (hiệu suất của
băng thông)： khả năng của phương pháp điều
chế đáp ứng được dữ liệu trong một băng thông
hạn chế.
2 Hiệu suất của công suất truyền dẫn: Eb/N0 tại
đầu vào của trạm thu với xác suất lỗi xác định
(10-5) (Tiết kiệm pin).
3 Chịu được méo tín hiệu do hiệu ứng truyền
sóng: Méo tín hiệu do trễ và suy giảm cường độ
tín hiệu
Trang 5Thông tin di động
Các kỹ thuật điều chế tuyến tính
• Điều chế tuyến tính: biên độ của tín hiệu được truyền đi s(t)
thay đổi tuyến tính với tín hiệu số điều chế m(t)
• Điều chế tuyến tính cho lợi ích về hiệu quả của băng thông
• Tín hiệu được truyền đi s(t) có dạng
)2
sin(
)()
2cos(
)(
)2
sin(
)()
2cos(
)(
)2
exp(
)(Re
)
(
t f t
Q t
f t
I
t f t
m t
f t
m A
t f j t
Am t
s
c c
c I
c R
Trang 6Điều chế BPSK (Khóa dịch pha
nhị phân)
Trang 7Thông tin di động
Điều chế BPSK (khóa dịch pha nhị phân)
• Trong điều chế BPSK, pha của sóng mang có biên độ không đổi, được
chuyển giữa hai giá trị dựa vào hai tín hiệu m1 và m2, tương ứng với số nhị phân 1 và 0
• Nếu sóng mang hình sin có biên độ Ac, năng lượng trên bit Eb=(1/2)Ac2Tb, thì tín hiệu BPSK được truyền đi có dạng
1)phan (nhi
0
)2
cos(
2)
0) phan (nhi
0
) 2
cos(
2 - ) 2
cos(
2 )
(
2
b
c c
b
b c
c b
b
T t
t
f T
E t
f T
E t
cos(
2 )
( )
T
E t
m t
Trang 8Phần thu BPSK (khóa dịch pha nhị phân)
• Nếu không có ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường, tín hiệu BPSK thuđược có dạng
)2
cos(
2)()
2cos(
2)()
T
E t
m t
f T
E t
m t
b
b ch
c c
b
b BPSK
Trong đó: θch độ dịch pha do trễ thời gian trong kênh
• BPSK sử dụng bộ giải điều chế liên kết ( thông tin về pha và tần sốcủa sóng mang phải nhận được ở phần thu)
Trang 9Thông tin di động
Sơ đồ phần thu BPSK
Bộ tạo hàm bình phương
Bộ lọc thông giải 2fc
Bộ chia tần số f/2
Mạch tích phân và kết xuất
Đồng bộ bit
X
) 2
cos( f c t
) 2
cos(
) (t f t
) 2
( cos ) (t 2 f t
Tín hiệu ra giải điều chế
m(t)
) 2
( 2
cos 2
1 2
1 2
) (
) 2
( cos
2 )
E t
m
t
f T
E t
m
c b
b
c b
b
Trang 10Xác suất lỗi bit của BPSK
Xác suất lỗi được tính bằng công thức hàm lỗi bổ sung
(complementary error function)
2(
2
1
N
E Q
N
E erfc
u
e u
Trang 11Điều chế QPSK (Khóa dịch pha
cầu phương
Trang 12Khóa dịch pha cầu phương QPSK
• Điều chế QPSK có thể xem như điều chế BPSK 2 lần độc lập
QPSK có hiệu quả băng thông gấp 2 lần BPSK vì trong một ký tự
điều chế được truyền đi gồm có 2 bit
• Pha của sóng mang nằm trong 1 trong 4 góc 0, π/2, π, 3π/2
) 1 (
sin )
( 2
) 1 (
cos E
t) f
sin(2 2
) 1 (
sin
2 - t) f
cos(2 2
) 1 (
cos
2
2
) 1 (
2 cos
2 )
(
2 1
s
c c
t i
E t
i
i T
E i
T E
i t
f T
E t
s
b
s
s s
s
c s
s BPSK
Trang 13Thông tin di động
Khóa dịch pha cầu phương QPSK
Sơ đồ chòm sao QPSK với pha của
sóng mang 0, π/2, π, 3π/2
Sơ đồ chòm sao QPSK với pha của sóng mang π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4
• Khoảng cách giữa hai điểm cạnh nhau trong chòm sao là
• Vì mỗi ký tự gồm 2 bit nên Es=2Eb nên khoảng cách là
• Khoảng cách giữa các tín hiệu cho biết khẳ năng phần thu có
thể phân biệt được các ký tự khi có tập âm
Trang 14Sơ đồ phần phát QPSK
Bộ chia
LPF
Bộ tạo dao động
X
X
Dịch pha
m I (t)
m Q (t)
Trang 15X
Dịch pha 90 o
BPF
Bộ quyết định
Bộ quyết định
Khôi phục điều chính
ký tự
Trang 16Xác suất lỗi bit của QPSK
Xác suất lỗi được tính bằng công thức hàm lỗi bổ sung
(complementary error function)
2(
2
1
N
E Q
N
E erfc
u
e u
Trang 17Orthogonal Frequency Division Multiplex (Ghép kênh phân chia tần số trực giao)
Trang 18OFDM là gì?
• OFDM = Orthogonal FDM (ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao) – Điều chế đa sóng mang
• Các trung tâm của các sóng mang là các tần số trực giao
• SỰ TRỰC GIAO – Đỉnh của mỗi tín hiệu trùng khớp với phần chuyển tiếp (giá trị 0) của các sóng khác
• Mỗi ký tự với tốc độ R được chia thành N luồng song song với
tốc độ nhỏ hơn
• Lúc này, mỗi dòng dữ liệu có tốc độ R/N
• Độ rộng của mỗi ký tự trên một luồng vì vậy tăng lên N lần
• Tuy nhiên, độ rộng băng tần của mỗi luồng dữ liệu nhỏ lại
giảm đi N lần
Trang 19Thông tin di động
Định nghĩa OFDM (tiếp)
• Băng thông trên mỗi luồng giảm đi N lần
• Mỗi luồng điều chế một trong N sóng mang trực giao
• Thực hiện dễ dàng với IFFT / FFT
Trang 20Nguyên lý
• Ý tưởng: Băng thông của kênh được chia nhỏ thành nhiều kênh con để giảm giao thoa liên ký tự ISI (do hiệu ứng đa đường) và fading chọn lọc tần số.
• Truyền dẫn đa sóng mang: Các sóng mang con trực giao với nhau trong miền tần số, tức là cho phép các sóng mang con này chồng phổ.
Trang 21Thông tin di động
FDM OFDM
• Ghép kênh phân chia theo tần số
Frequency Division Multiplexing
• OFDM
TĂNG HIỆU QUẢ SỬ DỤNG PHỔ
Trang 22Ưu điểm của OFDM
• Có khả năng chống lại hiệu ứng Fading đa đường
• Có khả năng chống lại nhiễu băng hẹp
• Thực hiện dễ dàng với bộ IFFT / FFT
• Thích hợp cho các bộ anten phân tập Thời
gian-Không gian, Tần số-gian-Không gian
Trang 23• Các ký tự từ X0 tới X N-1 được điều chế với N sóng mang trực giao
• Việc này được thực hiện bởi hàm IFFT
2 1
Trang 24• Tín hiệu OFDM băng tần cơ sở có dạng
Trong đó là tần số trung tâm của sóng mang con thứ m và
ký tự được truyền tương ứng
• Các tín hiệu là trực giao với nhau trong khoảng
[0, T ], được biểu diễn bởi :
Nguyên lý của OFDM
2exp
1)
X N
t
T
dt t
l j
k
j2
exp
Trang 25Thông tin di động
Khoảng bảo vệ trong OFDM(Prefix)
• Sau biến đổi IFFT, một khoảng
bảo vệ (cyclic prefix) được chèn
thêm vào đầu của mỗi ký tự
• Độ rộng của khoảng bảo vệ băt
buộc > trễ đường truyền lớn nhất
Trang 26Điều chế OFDM hoàn chỉnh
Symbol Mapping S /P IF F
Guard bits
PSK or QAM
RF
frequency
Điều chế
Chèn bảo vê
Symbol De- Mapping
bits
PSK or QAM
Bỏ bảo vê
Equalizer miền tần số
Giải điều chế Tín hiệu
OFDM
Trang 28Các tham số tín hiệu OFDM
• Giả sử bộ phát IFFT kích thước N được sử dụng
(các ký tự QPSK or QAM)
• Vì vậy:
– Độ rộng ký tự OFDM = (N+NG)/fs
– Khoảng cách giữa các sóng mang con (BW) = fs/N
– Số lượng các sóng mang con N
Trang 29Thông tin di động
Điều kiện hoạt động của các tham số
• Độ rộng của khoảng bảo vệ TG=NG/fs:
– Phải > Trải trễ cực đại của kênh truyền
• Khoảng cách giữa các song mang con fs/N:
– Bằng độ rộng của sóng mang con BW
– Độ rộng của Sóng mang con cần phải < băng thông nhất
quán của kênh Fading qua sóng mang con nhất định
– Băng thông nhất quán =1/(Trải trễ cực đại của kênh truyền)
g 1
g N-1
g 0
Trang 30Điều kiện hoạt động của các tham số
• Độ rộng ký tự OFDM (N+NG)/fs:
– Fading phải không thay đổi trong khoảng ký tự OFDM
– Sự xê dịch của Hiệu ứng đa đường phải không thay đổi
trong khoảng ký tự OFDM
– Thời gian nhất quán=1/(tần số Doppler lớn nhất)
– (N+NG)/fs < Thời gian nhất quán
• Số lượng sóng mang sử dụng N
– Các sóng mang rìa (ngoài cùng) không được sử dụng để
điều khiển toàn bộ băng thông
– Sóng mang trung tâm được đặt giá trị 0 để tránh hiệu ứng
sinh dòng điện một chiều DC
Trang 31• Khoảng cách giữa các Sóng mang con = 312.5 kHz
• Các sóng mang được sử dụng = 52 (Trung tâm + 11 rìa
không được sử dụng)
• Trải trễ cực đại 250 ns
• Tần số Doppler (3 km/hr) 13 Hz
Trang 32Fading do đa đường truyền
Channel gain
frequency Selective
Đa đường truyền dẫn tới Fading
chọn lọc tần số
Trang 33Thông tin di động
OFDM & Fading đa đường truyền
OFDM làm giảm Fading đa đường theo 2 cách:
• Bằng các sóng mang con băng hẹp
– Fading phẳng trên mỗi sóng mang con
• Khoảng bảo vệ (Guard band hay Cyclic prefix)
– Đa đường tương đương với dịch chuyển tuần hoàn
– Không có hoặc ảnh hưởng rất nhỏ bởi ISI
Trang 34OFDM & Fading chọn lọc tần số
Sóng mang con băng tần hẹp:
• Mỗi sóng mang con chỉ bị ảnh hưởng bởi Fading phẳng
• Băng thông của sóng mang con hầu như không bị méo
Trang 36OFDM & Nhiễu liên ký tự ISI
Khoảng bảo vệ
• RX loại bỏ khoảng bảo vệ
• Phần thu được còn lại là tổng của các ký tự OFDM bị dịch đi tuần tự
• Dịch chuyển tuần tự trong miền thời gian = dịch pha trong miền tầnsố
• Đầu ra của FFT là tổng của các ký tự OFDM bị dịch pha
• Sự dịch pha sẽ được cân chỉnh bởi bộ Equalization
Các ký tự OFDM bị trễ do
đa đường truyền
Part retained at RX
Phần thu được tại RX
• Nhiễu liên ký tự ISI (Inter Symbol Interference): ISI xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên kí hiệu trước đó.
Trang 37Thông tin di động
ICI trong OFDM
• Nhiễu liên kênh ICI (Inter Carrier Interference)
– ICI sinh ra do sự chồng phổ giữa các sóng mang, gây ra xuyên âm Trong các hệ thống đơn sóng mang, ICI thường xuất hiện ở các hệ thống làm việc tại các dải tần kề nhau Trong các hệ thống này, người ta đưa vào giữa các dải tần làm việc một khoảng phổ bảo vệ nhằm tránh xuyên âm.
– Trong OFDM, phổ các sóng mang con vốn “chồng” lên nhau, tuy nhiên vẫn không gây xuyên âm, đó là do các sóng mang con là trực giao nhau theo nghĩa toán học – Sẽ xảy ra xuyên âm do ICI nếu sự trực giao này sẽ mất đi tức là nếu trong khoảng
kí tự ( chính xác hơn là trong khoảng tích phân FFT) có một (hay nhiều) sóng mang con không tồn tại chính xác một số nguyên lần chu kì.
– Nguyên nhân là do hiệu ứng đa đường và sự mất đồng bộ tại phần thu, gây nên các sóng mang con không còn trực giao với nhau.
Trang 38Nếu không có khoảng bảo vệ?
Ký tự OFDM được truyền đi
time
OFDM Symbol 1
OFDM Symbol 2
OFDM Symbol 3
Ký tự OFDM 1
Ký tự OFDM 2
Ký tự OFDM 3
time ISI takes place
Trang 39Thông tin di động
Khoảng bảo vệ bằng 0 ?
time
OFDM Symbol 1
OFDM Symbol 2
OFDM Symbol 3
No ISI
• Ký tự OFDM không có ISI
• Tuy nhiên đầu ra của FFT không phải là phiên bản
dịch pha của ký tự OFDM chuẩn
Ký tự OFDM được truyền đi
Trang 40Khoảng bảo vệ thích hợp
• Đầu ra của FFT không Fading là X(k), k=0, 1 ,…N-1
• Đầu ra của FTT có Fading =
time
OFDM Symbol 1
OFDM Symbol 2
OFDM Symbol 3
Trang 41Thông tin di động
Bộ phát OFDM đầy đủ
Symbol mapping
Pilot &
zeros Insertion
Trang 42Bộ thu OFDM đầy đủ
A/D
Sync AGC
RSSI
Coarse frequency offset estimation
Fine frequency offset estimation
Channel Equalizer
Channel estimation
Remove Guard
FFT
RF
P/S
OFDM Specific Processing