Ứng dụng điều chế thích nghi để đảm bảo chất lượng hệ thống GSM và UMTS

Mô phỏng trên Matlab để thực hiện phân biệt giữa 2 kiểu điều chế GMSK và QPSK được sử dụng trong hệ thống GSM và UMTS và sử dụng điều chế thích nghi nhằm thay đổi kiểu điều chế khi user

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

6

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

KHOA ……… Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

- -oOo -

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Lê Thị Thanh Thiện Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 26/10/1983 Nơi sinh: TPHCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

MSHV: 01408382

1- TÊN ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI ĐỂ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG GSM VÀ UMTS

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

− Tìm hiểu công nghệ Software defined radio

− Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế, kênh truyền fading và nghiên cứu cơ chế điều chế

thích nghi qua các kênh truyền fading

− Nghiên cứu cơ chế điều chế thích nghi giữa các kênh truyền fading và giữa hệ

thống GSM - UMTS

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/01/2010

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 13/12/2010

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ):

TS ĐỖ HỒNG TUẤN

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

Tác giả xin chân thành cảm ơn tất cả những người đã hướng dẫn và giúp đỡ

tác giả trong quá trình tìm hiểu kiến thức để hoàn thành luận văn này

Trước tiên là Thầy – TS ĐỖ HỒNG TUẤN, người đã nhiệt tình hướng dẫn tác

giả hiểu được vấn đề và thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng đã nhận xét, phản biện

nghiêm túc và giúp hoàn chỉnh luận văn này

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã cùng sát

cánh bên tôi trong việc giải quyết các vấn đề khoa học nảy sinh khi nghiên cứu để

tác giả có được lời giải đáp, tiếp tục hướng con đường nghiên cứu để đạt kết quả

cuối cùng, hoàn thành hướng nghiên cứu của mình

Công trình này đã hoàn thành trong sự chờ đón, động viên và chia sẻ của

những người thân trong gia đình, những người đồng nghiệp và những người bạn

Cảm ơn mọi người đã luôn bên tôi trong những lúc này

Tp HCM, ngày 13 tháng 12/2010

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là kết quả quá trình tích góp những nghiên cứu từ các bài báo khoa học trên tạp chí IEEE, từ các ebook về kỹ thuật Software defined radio, điều chế thích nghi, các ebook về kênh truyền fading trong hệ thống thông tin di động, các tư liệu đã đề cập trong phần tài liệu tham khảo Những kết quả nêu ra trong luận

án là thành quả lao động của cá nhân tác giả dưới sự giúp đỡ quý báu của giáo viên hướng dẫn TS Đỗ Hồng Tuấn, các thầy cô, các đồng nghiệp cùng bạn bè lớp cao học điện tử 2008 Tác giả xin cam đoan luận văn này hoàn toàn không sao chép lại bất kì một công trình nào đã có từ trước

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Khái niệm hệ thống vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm - Software Defined Radio (SDR) hay Software Radio (SR) đã được giới thiệu và phát triển bởi Joseph Mitola năm 1991 Trong đó, hệ thống vô tuyến có vi xử lý hoặc các vi xử lý tín hiệu

số (DSP) Thành phần vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm bao gồm bộ điều chế/ giải điều chế, mã hóa sửa sai, và phần điều khiển phần cứng RF SDR đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển hệ thống vô tuyến thế hệ thứ tư (4G) và cho phép hệ thống quản lý mạng vô tuyến linh hoạt hơn Ưu điểm chính là khi cấu hình mạng thay đổi, thiết bị đầu cuối có thể thích nghi được với các yêu cầu của user, thay đổi mode truyền dẫn, kênh truyền, phương thức truy nhập Trong luận văn này,

đề cập đến vấn đề thay đổi kiểu điều chế của một user khi di chuyển qua các vùng fading khác nhau, giữa 2 hệ thống thông tin di động và đánh giá BER của điều chế thích nghi trên các vùng fading

Trong phần lý thuyết, luận văn trình bày tổng quan về SDR, kênh truyền fading theo mô hình COST 207 và sự ảnh hưởng của kênh truyền fading với hệ thống vô tuyến Trong phần tiếp theo, luận văn trình bày phần lý thuyết về điều chế thích nghi, cơ chế để chuyển đổi giữa các kiểu điều chế, và phương pháp để máy thu nhận dạng kiểu điều chế một cách tự động giữa 2 hệ thống GSM và UMTS Trong phần mô phỏng, ta xét ảnh hưởng của sự thay đổi tốc độ bit, tần số sóng mang và tốc độ di chuyển đến tỉ lệ lỗi bit của các kiểu điều chế trong kênh truyền fading theo mô hình COST 207 Tiếp theo, mô phỏng điều chế thích nghi qua các kênh truyền fading Qua các mô phỏng trên đã chứng minh được khả năng tự chuyển đổi giữa các kiểu điều chế khi thay đổi môi trường kênh truyền và điều chế thích nghi cải thiện lỗi khi thay đổi môi trường kênh truyền Đồng thời, mô phỏng cách nhận dạng kiểu điều chế GMSK và QPSK được sử dụng trong 2 hệ thống GSM và UMTS

Chương 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề và tình hình nghiên cứu hiện nay 1

1.2 Mục đích – Đối tượng – Phạm vi nghiên cứu 2

1.3 Bố cục của luận văn 3

Chương 2: GIỚI THIỆU SDR 4

2.1 Quá trình phát triển: 4

2.2 Mô hình chức năng SDR 6

2.3 Giao diện chức năng 8

2.4 Kiến trúc 9

2.5 Một số cách hiện thực Chương 3: 16

CÁC LOẠI ĐIỀU CHẾ VÀ MÔ HÌNH KÊNH FADING 16

3.1 Các loại điều chế 16

3.1.1 Điều chế BPSK: 16

3.1.2 Điều chế MPSK: 18

3.1.3 Điều chế QAM 21

3.1.4 Điều chế GMSK 23

3.2 Kênh truyền fading 24

3.2.1 Mô tả lý thuyết 24

3.2.2 Các kênh truyền fading: 24

3.2.3 Mô hình kênh truyền COST 207 30

ỨNG DỤNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI TRONG MẠNG 4G 34

4.1 Ứng dụng của điều chế thích nghi 34

4.1.1 Điều chế trong kênh truyền băng hẹp 35

4.1.2 Điều chế trong kênh truyền băng rộng 37

4.1.3 Khái quát điều chế thích nghi và cân bằng 39

4.1.4 Nhận dạng các kiểu điều chế tại máy thu 41

4.2 Ứng dụng của điều chế thích nghi trong mạng 4G 43

4.2.1 Dung lượng lớp liên kết của giao diện vô tuyến thích nghi 43

4.2.2 Mô hình kênh MAC 45

4.2.3 Mô hình Markov 47

Chương 5: 53

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ TRÊN CÁC KÊNH TRUYỀN FADING 53

5.1 Trường hợp 1: Tốc độ bit 2 Mbps - Tần số sóng mang 2.5Ghz - Tốc độ di chuyển: 10km/h 56

5.2 Trường hợp 2: Tốc độ bit 2 Mbps - Tần số sóng mang 2.5Ghz - Tốc độ di chuyển 100km/h 58

5.3 Trường hợp 3: Tốc độ bit 2 Mbps - Tần số sóng mang 900Mhz - Tốc độ di chuyển 10kmh 61

5.4 Trường hợp 4: Tốc độ bit 2 Mbps - Tần số sóng mang 900Mhz - Tốc độ di chuyển 100km/h 64

5.5 Trường hợp 5: Tốc độ bit 200kbps - Tần số sóng mang 900Mhz - Tốc độ di chuyển 10kmh 67

5.6 Trường hợp 6: Tốc độ bit 200kbps - Tần số sóng mang 900Mhz - Tốc độ di chuyển 100kmh 68

5.8 Nhận xét kết quả mô phỏng các kênh fading 69

5.9 Điều chế thích nghi QPSK, 16QAM và 64QAM trên các kênh Fading 70

5.9.1 Trường hợp 1: kênh truyền fading Bad Urban, tốc độ bit 200kbps, tần số sóng mang 2.5Ghz 70

5.9.2 Trường hợp 2: kênh truyền fading Typical Urban, tốc độ bit 200kbps, tần số sóng mang 2.5Ghz 72

5.9.3 Trường hợp 3: kênh truyền fading Rural Area, tốc độ bit 200kbps, tần số sóng mang 2.5Ghz 73

5.9.4 Trường hợp 4: điều chế thích nghi với tốc độ bit 200kbps, tần số sóng mang 2.5Ghz 74

5.9.5 Trường hợp 5: điều chế thích nghi với tốc độ bit 200kbps, tần số sóng mang 900Mhz 76

5.10 Biến đổi wavelet của điều chế GMSK và QPSK 77

Chương 6: 79

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 79

6.1 Kết luận: 79

6.2 Hướng phát triển của đề tài 80

Hình 2.1: Thiết bị cầm tay SDR và trạm gốc 5

Hình 2.2: Mô hình khối chức năng của hệ thống SDR 6

Hình 2.3: Giao diện giữa các thành phần chức năng 8

Hình 2.4: Các mức logic của SDR 10

Hình 2.5: Phân đoạn phát triển SDR 11

Hình 2.6: Thiết kế để hiện thực SDR 12

Hình 2.7: Kiến trúc của một node SDR [4] 13

Hình 2.8: Phân chia đối tượng của một mô hình đơn giản 14

Hình 3.1: Giản đồ chòm sao BPSK 16

Hình 3.2: Sơ đồ điều chế BPSK 16

Hình 3.3: Sơ đồ giải điều chế BPSK 17

Hình 3.4: Giản đồ chòm sao điều chế MPSK 19

Hình 3.5: Sơ đồ điều chế MPSK 19

Hình 3.6: Giải điều chế MPSK 19

Hình 3.7: Điều chế QPSK 20

Hình 3.8: Giải điều chế QPSK 21

Hình 3.9: Điều chế GMSK 23

Hình 3.10: Đáp ứng xung trong miền thời gian và hàm truyền trong miền tần số 24

Hình 3.12: Mật độ phân bố Rayleigh .28

Hình 4.1: Cách báo hiệu cho AQAM .36

Hình 4.2: Tập các giá trị ngưỡng SNR dùng để chọn kiểu điều chế kế tiếp 37

Hình 4.3: Hệ thống điều chế thích nghi có sử dụng bộ cân bằng 39

Hình 4.8: Đường vô tuyến thích nghi trong kênh với máy thu có giám sát, hoặc điều

khiển vòng kín của chuyển đổi mode .50

Hình 4.9: Đường vô tuyến thích nghi trong kênh với máy thu có giám sát, hoặc điều khiển vòng kín của chuyển đổi mode .51

Hình 4.10: Sơ đồ khối của hệ thống dùng điều chế thích nghi 52

Hình 5.1: Đáp ứng kênh truyền Bad Urban trong miền thời gian 54

Hình 5.2: Đáp ứng kênh truyền Bad Urban trong miền tần số 55

Hình 5.3: Đáp ứng xung kênh Rural Area trong miền thời gian 55

Hình 5.4: Điều chế 4QAM trên kênh truyền Rural Area và Bad Urban với Rb = 2Mbps, fc = 2.5Ghz, v = 10km/h 56

Hình 5.5: Điều chế 4QAM trên kênh truyền Hilly Terrain và Typical Urban với Rb = 2Mbps, fc = 2.5Ghz, v = 10km/h 56

Hình 5.6: Điều chế 16QAM trên 4 kênh truyền fading với Rb = 2Mbps, fc = 2.5Ghz, v = 10km/h 57

Hình 5.7: Điều chế 64QAM trên kênh Hilly Terrain và Typical Urban với Rb = 2Mbps, fc = 2.5Ghz, v = 10km/h 57

Hình 5.8: Điều chế 64QAM trên kênh Rural Area và Bad Urban với Rb = 2Mbps, fc = 2.5Ghz, v = 10km/h 58

Hình 5.9: Điều chế 4QAM trên kênh truyền Rural Area và Bad Urban với Rb = 2Mbps, fc = 2.5Ghz, v = 100km/h 59

Hình 5.10: Điều chế 16QAM trên 4 kênh truyền với Rb = 2Mbps, fc = 2.5Ghz, v = 100km/h 59

Hình 5.11: Điều chế 64QAM trên kênh truyền Hilly Terrain và Typical Urban với Rb = 2Mbps, fc = 2.5Ghz, v = 100km/h 60

Hình 5.14: Điều chế 16QAM trên kênh truyền Hilly Terrain và Typical Urban với Rb

Hình 5.28: Điều chế thích nghi trên kênh truyền fading Bad Urban với Rb = 200Kbps,

Bảng 5.1: Mô hình kênh truyền fading COST 207 53

Bảng 5.2: Tóm tắt kết quả mô phỏng trường hợp 5.1 58

Bảng 5.3: Tóm tắt kết quả mô phỏng trường hợp 5.2 60

Bảng 5.4: Tóm tắt kết quả mô phỏng trường hợp 5.3 63

Bảng 5.5: Tóm tắt kết quả mô phỏng trường hợp 5.4 66

Bảng 5.6: Tóm tắt kết quả mô phỏng trường hợp 5.5 68

Bảng 5.7: Tóm tắt kết quả mô phỏng trường hợp 5.6 68

AQAM Adaptive Quadrature Amplitude Modulation BPS Bit Per Symbol

BS Base Station

CCPCH Common Control Physical Channel

CIR Channel Impulse Response

DFE Decision Feedback Equalizer

FCCH Frequency Correction Channel

SDR Software Defined Radio

S-SCH Secondary Synchronization Channel

JTRS Joint Tactical Radio System

MFLOPS Millions of floating-point operations per second CTMC Continuos Time Markov Chain

Chương 1 GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề và tình hình nghiên cứu hiện nay

Hiện nay, tồn tại nhiều mạng vô tuyến với các chuẩn khác nhau như IEEE 802.11, 803.15, mạng vô tuyến tế bào CDMA, GSM,…

Ta xét một số chuẩn IEEE trong mạng vô tuyến và kỹ thuật điều chế như sau:

8DPSK

IEEE 802.16e (Mobile) Broadband Wireless

Access

64-QAM, 16 QAM, QPSK, BPSK

Service

Access

CDMA (PSK); GSM (GMSK) ; UMTS LTE (16-QAM, 64-

QAM); UMTS WCDMA (QPSK)

IEEE 802.21 Media Independent Handoff

IEEE 802.22 Wireless Regional Area Network

Trong các mạng vô tuyến trên, mạng thông tin di động tế bào phát triển khá mạnh

mẽ, người ta phân ra thành như sau:

số, chức năng phù hợp chỉ với một chuẩn nào đó và có thể không tương thích khi thay đổi chuẩn khác

Người ta mong muốn tận dụng lại phần cứng thiết bị để hỗ trợ cho nhiều chuẩn khác nhau, xóa bỏ ranh giới giữa các chuẩn vô tuyến, đảm bảo tính kết nối liên tục khi một thiết bị đầu cuối di chuyển qua nhiều vùng có các chuẩn hay kỹ thuật khác nhau; vì vậy ra đời kỹ thuật software defined radio (SDR) [1]

1.2 Mục đích – Đối tượng – Phạm vi nghiên cứu

Thực hiện điều chế/giải điều chế thích nghi tại phía thu/phát trên nền SDR Ta sẽ xem xét thực hiện SDR trên hệ thống như thế nào để có thể thực hiện điều chế thích nghi (adaptive modulation), có thể thay đổi kiểu điều chế để tương thích với các môi trường truyền có độ trễ và suy hao khác nhau, và các loại kênh truyền khác nhau Mục đích của điều chế thích nghi là cải thiện chất lượng tín hiệu tại phía thu Các chương trình Matlab dùng để hiện thực điều chế thích nghi này

Hệ thống thông tin vô tuyến có nhiều nhà cung cấp dịch vụ trên các hạ tầng kỹ thuật khác nhau, một thiết bị muốn sử dụng 2 kỹ thuật khác nhau cần phải xác định thiết

bị đang nằm trong vùng phủ của kỹ thuật nào để có thể thay đổi Trong phần 2, ta sử dụng SDR để thực hiện điều chế thích nghi nhằm chuyển đổi một thuê bao di động khi đang ở vùng phủ sóng của mạng thông tin di động GSM chuyển đổi sang UMTS Mô phỏng trên Matlab để thực hiện phân biệt giữa 2 kiểu điều chế GMSK

và QPSK (được sử dụng trong hệ thống GSM và UMTS) và sử dụng điều chế thích nghi nhằm thay đổi kiểu điều chế khi user di chuyển để đảm bảo thông tin của user

là liên tục

1.3 Bố cục của luận văn

Luận văn được chia thành các chương chính

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Giới thiệu Software defined radio

Chương 3: Các kiểu điều chế và mô hình kênh truyền fading

Chương 4: Ứng dụng điều chế thích nghi trong mạng 4G

Chương 5: Kết quả mô phỏng điều chế trên các kênh truyền fading

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

SDR là thiết bị số lập trình được dùng để xử lý tín hiệu thu/ phát; người ta có thể dùng FPGA hoặc DSP để hiện thực SDR Mục tiêu chính của SDR là thiết kế phần cứng có thể cấu hình được dùng cho các công nghệ khác nhau mà chỉ cần thay đổi các thông số của phần mềm Phần cấu hình được là phần đầu cuối số (front-end digital) nhằm thay đổi để phù hợp các chuẩn khác nhau, các công nghệ khác nhau trong khi vẫn sử dụng một thiết bị phần cứng Các thông số thay đổi là băng thông, tần số lấy mẫu, bộ đổi tần xuống, bộ đổi tần lên, bộ lọc số Với mục tiêu thiết kế phần cứng để đáp ứng cho các công nghệ khác nhau, SDR phải thực hiện điều khiển thay đổi phần thu/phát vô tuyến, điều chế/ giải điều chế, mã hóa/giải mã cho các tín hiệu thoại, audio, video [1]

SDR được chia thành nhiều phần khác nhau và được mô tả như sau:

được (general-purpose programmable processors) SDR hướng đến sự phát triển của thiết bị phần cứng lập trình, làm tăng độ linh động thông qua việc lập trình

Các thành phần của một thiết bị cầm tay SDR (software-defined radio handset) lý tưởng gồm nguồn, ănten, một bộ chuyển đổi RF đa băng tần, một chip gồm cả ADC

và DAC, bộ xử lý và bộ nhớ được thực hiện như hình 2.1 [4] Các thiết bị SDR di động đều có giao diện kết cuối trực tiếp đến người dùng (thoại, data) và giao diện

vô tuyến Do điều kiện nguồn pin, thiết bị đầu cuối di động phải tối thiểu công suất

để tránh lãng phí và tích hợp phần cứng tối đa

Trạm gốc (base station) có giao diện vô tuyến và giao diện với PSTN Để truy xuất

hệ thống công suất, trạm gốc có thể dùng phần cứng được lắp ráp nhưng vẫn có thể thêm vào các công nghệ mới

Hình 2.1: Thiết bị cầm tay SDR và trạm gốc Các trạm gốc có đầy đủ các phương tiện hỗ trợ việc hoạt động, quản lý và bảo dưỡng (OA&M), trong khi các kỹ sư và nhà nghiên cứu chỉ truy xuất mạng SDR thông qua phát triển dịch vụ các trạm nhỏ Các trạm gốc phải hỗ trợ nhiều mạng trên các băng tần RF khác nhau cùng với các giao diện vô tuyến khác nhau Các cấu hình này thường nhiễu với nhau, trong quân sự gọi là ‘nhiễu cosite’

Tiêu chuẩn của SDR là đặt bộ ADC và DAC gần anten và xác định các chức năng bằng phần mềm Các đầu cuối di động SDR và trạm gốc có cùng một nhà sản xuất phần mềm để dễ dàng tải về các gói phần mềm cá nhân và cập nhật cơ sở hạ tầng SDR thiết kế dùng ASIC, FPGA, DSP, và bộ xử lý chuyên dụng (general purpose processor)

Mô hình chức năng SDR

2.2

Trong kỹ thuật đa băng tần, có thể truy xuất nhiều hơn một băng tần RF cùng một thời điểm Kênh RF được khái quát thành một tập hợp các kênh truyền như hình 2.2, tập hợp này bao gồm các kênh RF Bộ mã hóa kênh truyền của vô tuyến đa băng tần bao gồm truy xuất RF/kênh truyền, xử lý trung tần, điều chế

Sơ đồ khối của mô hình chức năng vô tuyến với các khối chức năng của các node SDR được mô tả thành các khối chức năng như hình sau [4]:

Hình 2.2: Mô hình khối chức năng của hệ thống SDR Trong đó:

• Truy xuất RF/kênh truyền bao gồm anten băng rộng, và anten dãy nhiều thành phần

• Phần xử lý trung tần gồm lọc, đổi tần, xử lý phân tập, xử lý búp sóng Một thiết bị SDR cá nhân bao gồm băng tần RF, tập hợp kênh (điều khiển và lưu lượng), giao diện vô tuyến, và các chức năng khác

• Phần xử lý nguồn: bộ mã hóa/giải mã nguồn gồm dữ liệu, fax, video, và một số dịch vụ đa phương tiện

hệ thống được linh hoạt, khôi phục lỗi Khi hệ thống trở nên tiến bộ hơn, điều khiển kết hợp trở nên phức tạp, dẫn đến việc phải tự lựa chọn băng tần, kiểu điều chế và kiểu dữ liệu

2.3 Giao diện chức năng

Sau khi xác định các chức năng của SDR, trong phần này xác định giao diện giữa các thành phần chức năng [4]

Trong hình 2.3, RF waveform là giao diện vô tuyến Giao diện vô tuyến bao gồm thành phần RF và IF, tín hiệu được lọc và đổi tần thành IF để dễ dàng xử lý

Xử lý IF gồm biến đổi ADC và DAC Dạng sóng băng tần gốc luôn là dạng bit, được lấy mẫu từ tín hiệu tương tự

Phần modem chuyển các bit giải mã kênh thành chức năng INFOSEC nếu có bộ infosec Phần modem dùng chuyển đổi tín hiệu IF tương tự thành các bit kênh truyền (dùng despreader ASIC)

Hình 2.3: Giao diện giữa các thành phần chức năng INFOSEC chuyển các bit bảo vệ (protect bit) thành ‘red’ bit Các bit này được thao tác qua protocol-stack để hình thành bit source hay bit network Các bit mạng

‘network bit’ dùng cho nghi thức mạng ‘network protocol’, bit source dùng cho nghi thức giải mã nguồn

Giao diện đến các nguồn thoại, video, bao gồm bộ chuyển đổi tương tự Thêm vào giao diện xử lý số, giao diện điều khiển gián tiếp bởi user của mạng

2.4 Kiến trúc của SDR

Chức năng, thành phần và nguyên tắc thiết kế:

Kiến trúc được định nghĩa như là một tập bao gồm các chức năng, thành phần, và nguyên tắc thiết kế toàn diện - phù hợp đối với hệ thống thông tin vô tuyến Kiến trúc có thể được tổ chức, thiết kế, cấu trúc, hoạt động Khái niệm để xác định vị trí thành phần plug-and-play, và sử dụng lại các thành phần chức năng Bao gồm các chức năng và nguyên tắc thiết kế, kiến trúc này hỗ trợ cho việc sử dụng lại, mở rộng

sự thực hiện để chuyển đổi qua lại giữa phần mềm và phần cứng

Kiến trúc chia ra thành các thành phần và chức năng như: (a) các chức năng được

ấn định rõ ràng cho các thành phần và (b) giao diện vật lý giữa các thành phần tương ứng với giao diện logic giữa các chức năng Nguyên tắc thiết kế phải đảm bảo rằng khi các thành phần phần cứng và phần mềm được phối hợp, có thể cung cấp được các chức năng mà nhà cung cấp dịch vụ mong muốn cung cấp cho user

Hỗ trợ “plug and play”

Nếu một kiến trúc hỗ trợ plug-and-play, nguyên tắc thiết kế được chế tạo sao cho các khối (module) phần mềm và phần cứng từ các nhà cung cấp khác nhau vẫn có thể hoạt động cùng nhau khi kết nối vào một hệ thống hiện hữu Khối phần cứng được gọi là plug-and-play nếu giao diện vật lý và cấu trúc logic của các chức năng

hỗ trợ bởi module này tương thích với giao diện vật lý

Kiến trúc Software defined radio, xác định vị trí của các chức năng trong một group, để có thể xác định vị trí chính xác của các thành phần, và xác định nguyên tắc thiết kế thích hợp cho việc đạt được lợi ích của kiến trúc mở Bao gồm việc công

bố các phần thiết kế và giao diện chuẩn, bao gồm cả việc xác định mức logic giữa các giao diện

Các khái niệm mức logic

Các chức năng Software define radio có thể không chia sẻ cùng mức logic; ví dụ, bộ modem, hỗ trợ dữ liệu từ baseband đến trung tần, chuyển dữ liệu từ bit sang symbol kênh truyền, khôi phục thời gian, FEC và các chức năng liên quan

Trong khái niệm ‘digital radio’, cơ sở hạ tầng vô tuyến (radio hardware platform) hoàn thành hầu hết các chức năng vô tuyến bằng cách hiện thực trên phần cứng, mà trong đó các thông số được thiết lập cho một vi xử lý từ giao diện người dùng hay bus tốc độ thấp Hạ tầng SDR biểu hiện GFLOPS của dung lượng xử lý hỗ trợ hàng ngàn dòng lệnh (lines of code) Phần mềm này chia thành các phân lớp như hình

dưới đây Tại phân lớp “Radio Infrastructure”, dòng lệnh này sẽ chuyển data đi qua phần cứng đa vi xử lý của ‘radio platform’ như trong hình sau Tại phần “radio

infrastructure”, mã lệnh sẽ được chuyển đến cho vi xử lý của phần cứng

Các dịch vụ thông tin

(Communications

Services)

Các dịch vụ và ứng dụng (thông qua việc download)

Các ứng dụng vô tuyến

(Radio Applications)

Giao diện vô tuyến: máy trạng thái, điều chế, ghép xen, ghép kênh, FEC, các luồng điều khiển và thông tin

Kiến trúc vô tuyến

2.5 Một số cách hiện thực

Hình 2.5: Phân đoạn phát triển SDR Một số cách hiện thực cho vô tuyến số, SDR, và SR được mô tả trong hình trên SDR được hiện thực dựa trên các thành phần cơ bản như sau [4]:

- Truy xuất RF

- Truy xuất băng thông

- Xử lý số tín hiệu

Xác định nền tảng vô tuyến

Câu hỏi chính của kỹ thuật là cấp độ lập trình yêu cầu cho yêu cầu của thị trường

vô tuyến hiện thời thiết kế chỉ trong một số phân đoạn không gian Điều này tiêu biểu cho kỹ thuật bao gồm FPGA và các vi xử lý GP để hiện thực ADC và DAC tại băng tần gốc hay IF

Với nhiều loại RF, ADC, và tiến trình các hiện thực phần cứng, để xác định phần mềm nào có thể sử dụng , ta theo các bước sau:

- Xác định giao diện vô tuyến (radio reference platform)

- Mô tả các lệnh xử lý phần mềm bằng các thông số chuẩn

- Điều khiển các thông số phần mềm và phần cứng

Hình 2.6: Thiết kế để hiện thực SDR Các phần mềm điều chế/giải điều chế RF hiện thực trên DSP để xử lý các dạng sóng kênh truyền có thể chia sẻ và được dùng chung

Thiết kế phần mềm cho node SDR

Trong phần này nói đến thiết kế phần mềm (software design) cho node SDR Bao gồm các chức năng phần mềm, tương tác phần cứng – phần mềm, thiết kế hướng đối tượng và kiến trúc phần mềm Và cũng nói đến sự phát triển của thành phần phần mềm của thiết kế SDR Sự cân bằng được xác định bao gồm phân chia phần mềm thành các đối tượng

Tiến trình thiết kế phần mềm:

Mô hình chức năng trong hình 2.7 là cơ bản cho việc phân chia phần mềm thành các thành phần Mô hình này chuyển hóa từ việc xem xét phân chia phần cứng – phần mềm của kỹ thuật SDR

Hình 2.7: Kiến trúc của một node SDR [4]

Các mô hình chức năng trong hình trên là các phần cơ bản của các thành phần phần mềm

Thiết kế top-down, hướng đối tượng

1 Encapsulation: bước đầu tiên trong việc phát triển của mô hình hướng đối

tượng, cho việc mô hình, mô phỏng hay phát triển phần mềm là việc xác

cách tập dữ liệu và khối chức năng để xác định một object Đầu tiên sẽ xác định một node radio như một object Trong phân lớp thấp hơn, các chức năng như bộ loc, điều chế/ giải điều chế, định thời và điều khiển, cũng như các object điều khiển các stack giao thức và giao diện user Với “class Modem” được nêu ra cụ thể như trong hình sau

Hình 2.8: Phân chia đối tượng của một mô hình đơn giản

2 Message passing: khi một ứng dụng ‘radio’ gởi một ‘message’ cho đối tượng

Modem để ‘thực hiện điều chế luồng bit baseband’, thủ tục sẽ gọi method Modem object’s Modulate ( ) Để thực hiện lệnh này, object thi hành -Modem.Modulate ( ), hay có thể viết lại là Modem Æ Modulate ( ) Ngôn ngữ hướng đối tượng ngày nay giống như LISP machine để thực hiện lệnh cho message bằng cú pháp Send (Modem, Modulate (bits)) Cú pháp này gởi đối tượng Modem một ‘request’ để điều chế các bit

FSP, PSK… Trong các kiến trúc vô tuyến truyền thống, điều chế kênh truyền xác định bởi giao diện vô tuyến (air interface) Trong 3G, điều chế kênh truyền thay đổi dựa vào hàm của QoS và SNR Kênh truyền dùng BPSK cho low-SNR và 16QAM cho high-SNR Thay vì sự thay đổi mode sẽ tốn dung lượng kênh truyền, hàm Demodulation thực hiện giải thuật giải điều chế cho tín hiệu bất kỳ nhận được

Chương 3:

CÁC LOẠI ĐIỀU CHẾ VÀ MÔ HÌNH KÊNH FADING

3.1 Các loại điều chế

3.1.1 Điều chế BPSK:

Công thức: S0(t)= Acos(ωt), bit ‘0’, S1(t)= Asin(ωt), bit ‘1’

Tín hiệu điều chế PSK dùng 2 sóng trực giao như sau:

t f T

E =

Sơ đồ điều chế:

Hình 3.2: Sơ đồ điều chế BPSK

Nếu chọn tần số sóng mang là một số nguyên lần của tốc độ bit, f c =mR b =m/T , pha bắt đầu là 0 và pi, nếu m không phải là một số nguyên thì pha bắt đầu khác 0

trong khoảng thời gian {1,T} Tín hiệu a(t) được điều chế bằng cách nhân với sóng

T tdt f

t

c

k k

=

∫

+

Công thức tính BER trên kênh truyền AWGN:

,

2

1 2

N

E erfc N

E Q

(

Công thức tính BER trên kênh truyền Fading Rayleigh

0

0 ,

/1

/2

1

2

1

N E

N E P

b

b BPSK

3.1.2 Điều chế MPSK:

tăng lên n lần Tín hiệu M-ary PSK có dạng:

)2

π

θ 2 −1

Si(t) được viết lại như sau:

)()

(2

sinsin2

coscos

s

s

=

θ

bit tín hiệu có thể được mapping theo mã Gray

Hình 3.4: Giản đồ chòm sao điều chế MPSK

M E

Q M

b

π

sin log

2 log

2

0

2 2

(3.3)

Điều chế QPSK

)4/2

sin(

)(2

1)4/2

cos(

)(

Sơ đồ giải điều chế:

Hình 3.8: Giải điều chế QPSK BER của điều chế QPSK trên kênh truyền AWGN:

2

N

E Q

−

=

0

0 ,

/ 1

/ 2

1

2

1

N E

N E P

b

b QPSK

3.1.3 Điều chế QAM

Điều chế QAM là phương pháp điều chế về pha và biên độ, công thức điều chế như

dạng xung được dùng để tăng hiệu quả sử dụng phổ và tránh nhiễu ISI

BER của M-PAM trên kênh truyền awgn: ⎟⎟

A Q M

e

0

11

t t

1 2 2 2 2 2

−

= +

) 1 (

31

14

N M

E Q

1 1 4

)

i

b b

M N

M E

i Q M

log 3 log

1 1 4

Q M M

M

E

()2ln

2/2

dx x

t

Q

t

)2/exp(

Một số thông số mô tả kênh truyền fading [5], [6], [9]:

Độ trễ trải (delay spread): trong kênh truyền đa đường, độ trễ của thành phần tín

nhiên, và giá trị trung bình τ gọi là ‘độ trễ trung bình’ (mean excess delay), căn bậc

được xác định là thời gian trễ dài nhất mà tín hiệu đa đường giảm X dB so với mức

XdB so với thành phần tín hiệu có công suất cao nhất

Độ trễ tối đa là tổng thời gian trễ của các thành phần tín hiệu

Băng thông kết hợp: xác định khoảng tần số mà kênh truyền được xem là phẳng hay

suy hao là hằng số và pha tuyến tính trên khỏang tần số đó Công thức tính băng

Hình 3.10: Đáp ứng xung trong miền thời gian và hàm truyền trong miền tần số

Băng thông Doppler (doppler spread): là băng thông tương đương khi user di

chuyển, băng thông Doppler (Bd) bằng với tần số Doppler lớn nhất Tổng băng thông của tín hiệu thu được xác định bởi băng thông tín hiệu và độ trễ Doppler Nếu băng tần gốc của tín hiệu lớn hơn Bd, hiệu ứng của độ trễ Doppler là không đáng kể tại phía thu

3.2.2 Các kênh truyền fading:

Fading phẳng: nếu kênh truyền có độ lợi là hằng số (constant gain) và đáp ứng pha

tuyến tính trên khoảng băng thông lớn hơn băng thông tín hiệu khi fading ảnh hưởng đến hệ thống băng hẹp, ta gọi là fading phẳng Biên độ sóng mang được

sau khi qua kênh truyền fading, tín hiệu thu được cộng thêm nhiễu trắng phân bố Gauss (awgn), đơn thuần là độc lập thống kê với biên độ là α và được mô tả bằng

SNR trung bình/symbol là

)/(

0 W Hz N

Bs là băng thông tín hiệu và Ts là chu kỳ symbol của tín hiệu Kênh fading phẳng khi độ trễ ‘delay spread’ nhỏ hơn chu kỳ symbol Đáp ứng tần số của kênh truyền phẳng, thì đáp ứng xung của kênh truyền fading phẳng có thể mô hình là hàm delta không có độ trễ

Fading đa đường: Fading đa đường là do sự trễ tín hiệu, phản xạ, tán xạ và nhiễu

xạ Loại fading này thường là fading nhanh

Fading lựa chọn tần số: nếu kênh truyền có độ lợi là hằng số (constant gain) và đáp

ứng pha tuyến tính trên khoảng băng thông nhỏ hơn băng thông tín hiệu, thì gọi là kênh fading lựa chọn tần số Fading này gây ra đa đường, tín hiệu thu nhận được nhiều bản sao của tín hiệu phát với độ trễ và độ suy hao khác nhau Do sự phân tán