Upload
hoang-hoai-niem
View
35
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ
TRUYỀN THÔNG
KHÔNG DÂY (Overview of Wireless Systems
)
Facuty of Electronics & Telecommunications
Đặng Lê KhoaEmail:[email protected]
2
Nội dung trình bày:1. Tổng quan về
mạng không dây
Lịch sử
phát triển Các thử
thách thiết kế
Các mạng hiện tại và tương laiMạng điện thoại tế
bào
Mạng máy tính không dây2. Hệ
thống truyền thông số
Tại sao phải truyền thông sốHệ
thống truyền thông số cơ bản
3. Một số
khái niệm
Facuty of Electronics & Telecommunications
3
1. Tổng quan về
mạng không dây
Facuty of Electronics & Telecommunications
4
•
Thời cổ: Khói thuốc, bồ câu đưa thư, …•
Sóng vô tuyến được phát minh 1880 bởi Marconi
•
Nhiều hệ
thống vô tuyến không dây được phát triển công phu trong và
sau chiến tranh thứ 2
•
Điện thoại tế
bào được phát triển từ 1988, đến nay khoảng 3 tỉ
thuê bao
Thúc đẩy phát triển thiết bị
không dâyTiếng nói, dữ
liệu, truyền thông đa phương tiện có
mặt ở
khắp nơi•
Sự
thành công và
phát triển mạnh của Wifi
Các mạng rộng khắp (vd: Wimax) và
các mạng ở khoảng cách ngắn như Bluetooth, UWB ít thành công
hơn
Facuty of Electronics & Telecommunications
Lịch sử
Wireless
1. Tổng quan về
mạng không dây
5
Truy cập Internet không dâyThế
hệ điện thoại tế
bào thứ
nCác mạng không dây Ad Hoc Thiết bị
giải trí
không dâyNgôi nhà
thông minh…Khó khăn hạn chế
về
thời gian trễKhó khăn hạn chế năng lượng
Thông tin có
mặt ở
khắp nơi giữa người và
thiết bị
Facuty of Electronics & Telecommunications
Các mạng không dây của tương lai1. Tổng quan về
mạng không dây
6
•
Hạn chế
của dung lượng kênh truyền•
Mô hình lưu thông, định vị user, điều kiện mạng luôn thay đổi
•
Các ứng dụng không đồng nhất •
Giới hạn về năng lượng và độ
trễ
của thiết kế khi đi
qua các lớp của hệ
thống
Facuty of Electronics & Telecommunications
Các thử
thách khi thiết kế
1. Tổng quan về
mạng không dây
7
•
Các hệ
thống Wireless hiện tại–
3G Cellular: ~200-300 Kbps.
–
WLANs: ~450 Mbps (và đang phát triển).•
Đang thực hiện mạng thế
hệ
sau
–
4G Cellular: Khả năng OFDM/MIMO–
4G WLANs, 3G vừa hoàn thành
•
Các kỹ
thuật quan tâm–
Hardware:
Better batteries. Better circuits/processors.
–
Link: Antennas, modulation, coding, adaptivity, DSP, BW.–
Network:
Không nhiều: more efficient algorithms
–
Application:
Soft and adaptive QoS.Facuty of Electronics & Telecommunications
Sự
phát triển của các hệ
thống hiện tại
1. Tổng quan về
mạng không dây
8
Rate
Mobility
2G
3G
4G
802.11b WLAN
2G Cellular
Các vấn đề
khác:Rate vs. CoverageRate vs. DelayRate vs. CostRate vs. Energy
Facuty of Electronics & Telecommunications
Thế
hệ tương lai1. Tổng quan về
mạng không dây
9
Voice VideoDataDelay
Packet LossBER
Data Rate
Traffic
<100ms - <100ms
<1% 0 <1%10-3 10-6 10-6
8-32 Kbps 1-100 Mbps 1-20 MbpsContinuous Bursty Continuous
Facuty of Electronics & Telecommunications
Các yêu cầu cho truyền thông đa phương tiện
1. Tổng quan về
mạng không dây
Tất cả
các yêu cầu trên phải thỏa
10
•
Cellular Systems•
Wireless LANs
•
WIMAX•
Satellite Systems
•
Bluetooth•
Ultrawideband radios
•
Zigbee radios
Các hệ
thống hiện tại
Facuty of Electronics & Telecommunications
1. Tổng quan về
mạng không dây
11
Hệ
thống truyền thông không dây tế
bào
Base Station (BS)
User Equipment (UE)
UE UE
UE
Facuty of Electronics & Telecommunications
1. Tổng quan về
mạng không dây
12
Wireless Local Area Networks (WLANs)
•
WLANs kết nối “local”
các máy tính (khoảng 100m)•
Chia data thành các gói
•
Truy cập kênh được chia sẽ
(random access)•
Dựa trên cung cấp các dịch vụ
Internet
-> Chất lượng dịch vụ
kém ở
một số ứng dụng (vd: video)
01011011
InternetAccessPoint
0101 1011
Facuty of Electronics & Telecommunications
1. Tổng quan về
mạng không dây
13
Các chuẩn của Wireless LAN•
802.11b –
Băng tần 2.4GHz (80 MHz)
–
Trải phổ
trực tiếp (DSSS)–
Tốc độ
11 Mbps, khoảng 150m
•
802.11a/g –
Băng tần 5GHz (300 MHz)
–
OFDM trong 20 MHz–
Tốc độ
54 Mbps, khoảng 30 –
60 m
•
802.11n –
Băng tần 2.4 GHz và
5 GHz
–
Thích nghi OFDM /MIMO ở
20/40 MHz (2-4 antennas)–
Tốc độ đến 600Mbps, khoảng 60m
1. Tổng quan về
mạng không dây
Facuty of Electronics & Telecommunications
14
Wimax (802.16)•
Mạng không dây diện rộng–
Kiến trúc hệ
thống giống như mạng tế
bào
–
Hy vọng tương thích với mạng tế
bào–
Kỹ
thuật chính để
truyền là
OFDM/MIMO
•
Hoạt động ở băng tần 2.5 và
3.5 MHz–
Phụ
thuộc vào từng quốc gia, còn có
thể
sử
dụng 5.8
–
Băng thông là
3.5-10 MHz•
Fixed (802.16d) và
Mobile (802.16e) Wimax
–
Fixed: 75 Mbps (max), bán kín 80km–
Mobile: 15 Mbps (max), bán kín 1600m
1. Tổng quan về
mạng không dây
Facuty of Electronics & Telecommunications
15
8C32810.61-Cimini-7/98
Bluetooth
•
Thay thế
nối Cable bằng kỹ
thuật RF•
Khoảng cách ngắn (10m, mở
rộng 100m)
•
Băng tầng 2.4 GHz •
1 kênh Data (700 Kbps) và 3 kênh voice
•
Tương tích nhiều thiết bị như thiết bị
viễn thông, PC và các thiết bị điện tử
khác
•
Các ứng dụng nhằm thay thế
cable
1. Tổng quan về
mạng không dây
Facuty of Electronics & Telecommunications
16
Thử
thách cùng tồn tại Nhiều thiết bị
cùng tồn tại một băng tần vô tuyến
•
Các giải pháp kỹ
thuật:–
Loại can nhiễu ( Interference )
–
Nhận biết/thông minh sóng vô tuyến
1. Tổng quan về
mạng không dây
Facuty of Electronics & Telecommunications
17
Thiết bị
mạng thế
hệ
sau1. Tổng quan về
mạng không dây
Mọi thứ
không dây trên cùng 1 thiết bị
Facuty of Electronics & Telecommunications
18
Thử
thách khi tích hợp nhiều thiết bị
•
Can nhiễu RF •
Nơi đặt các antenna
•
Kích thước•
Năng lượng tiêu thụ
Cellular
AppsProcessor
BT
MediaProcessor
GPS
WLAN
Wimax
DVB-H
FM/XM
1. Tổng quan về
mạng không dây
Facuty of Electronics & Telecommunications
19
2. Giới thiệu hệ
thống DCS
Facuty of Electronics & Telecommunications
20
Tín hiệu analog và
Digital
2. Tín hiệu Digital:
hàm rời rạc->>
biểu diễn bằng các xung
(ON hoặc
OFF) –> 2
trạng thái
2. Giới thiệu hệ
thống DCS
Facuty of Electronics & Telecommunications
Một tín hiệu có
thể được định nghĩa như là
1 hàm theo thời gian1. Tín hiệu analog: hàm liên tục (continuous)
->> biểu diễn hình dạng khác nhau…
21
Tại sao phải truyền thông số?
Propagation distance
Originalpulse
Regeneratedpulse
Các lợi ích của truyền thông số:-
Khôi phục ở đầu thu
DataVoice
MediaA bit is a bit!
- Các loại tín hiệu khác nhau được xử lý tương tự
nhau
2. Giới thiệu hệ
thống DCS
Facuty of Electronics & Telecommunications
22
Các lợi ích khác:•
Lỗi rất thấp
->> Không lỗi
• Ghép kênh
->> FDM, TDM
• Mã hóa bảo mật
->> Các dữ
liệu an toàn
• Nén
->> Hệ
số cao
• Đa truy cập
->> FDMA, TDMA, CDMA
• Da dạng trong xử
lý
->> Phần mềm
• Độ
ổn định & Giá
rẻ
->> VLSI
2. Giới thiệu hệ
thống DCS
Facuty of Electronics & Telecommunications
Tại sao phải truyền thông số?
23
2. Giới thiệu hệ
thống DCS
Cấu trúc chung của DCS
Formatter Source encoder
Channel encoder Modulator
Formatter Source decoder
Channel decoder Demodulator
Transmitter
Receiver
SOURCEInfo.
Transmitter
Transmittedsignal
Receivedsignal
Receiver
Receivedinfo.
Noise
ChannelSource User
RF
RFEqualization
Facuty of Electronics & Telecommunications
24
2. Giới thiệu hệ
thống DCS
RF (Transmitter)
Facuty of Electronics & Telecommunications
PA
Power Amplifier
Up-Converter
Local OscillatorBand
Pass Filter
Mixer
Band Pass Filter
25
2. Giới thiệu hệ
thống DCS
RF (Receiver)
Facuty of Electronics & Telecommunications
Down-Converter
LNA
Low Noise Amplifier
MixerLocal Oscillator
Band Pass Filter
26
3. Một số
khái niệm
Facuty of Electronics & Telecommunications
27
Phân loại tín hiệu•
Tín hiệu xác định và
ngẫu nhiên
–
Tín hiệu xác định: biết được tín hiệu tại bất cứ
thời điểm nào
–
Tín hiệu ngẫu nhiên: không biết được giá
trị
tín hiệu trứơc khi xảy ra.
•
Nhiễu nhiệt trong mạch điện tử
do chuyển động ngẫu nhiên của điện tử.
•
Phản xạ
của sóng vô tuyến từ
các lớp tầng khác nhau trong khí
quyển
3. Một số
khái niệm
Facuty of Electronics & Telecommunications
28
•
Các tín hiệu tuần hoàn và
không tuần hoàn
•
Tín hiệu tương tự
và
rời rạc
A discrete signal
Analog signals
A non-periodic signalA periodic signal
3. Một số
khái niệm
Facuty of Electronics & Telecommunications
Phân loại tín hiệu (tt)
29
Tín hiệu năng lượng và
tín hiệu công suất–
Một tín hiệu là
một tín hiệu năng lượng nếu và
chỉ
nếu chúng khác 0 nhưng có năng lượng hữu hạn ở mọi thời gian
3. Một số
khái niệm
Facuty of Electronics & Telecommunications
Phân loại tín hiệu (tt)
–
Một tín hiệu là
tín hiệu công suất nếu và
chỉ
nếu chúng hữu hạn và
có
công suất khác 0 ở
mọi thời
điểm:
30
Tự tương quan•
Tự tương quan của một tín hiệu năng lượng
•
Tự tương quan của một tín hiệu công suất
–
Đối với 1 tín hiệu tuần hoàn
•
Tự tương quan của 1 tín hiệu ngẫu nhiên
3. Một số
khái niệm
Facuty of Electronics & Telecommunications
31
Mật độ
phổ•
Tín hiệu năng lượng:
–
Energy
spectral density (ESD): •
Tín hiệu công suất:
–
Power spectral density (PSD):
•
Quá
trình ngẫu nhiên:–
Power spectral density (PSD):
3. Một số
khái niệm
Facuty of Electronics & Telecommunications
32
Nhiễu trong hệ
thống truyền thông•
Nhiễu nhiệt n(t) được diễn tả
bởi một quá
trình ngẫu nhiên Gaussian có
trị
trung bình bằng 0.
•
PSD của nhiễu nhiệt thì
phẳng vì
vậy gọi là
nhiễu trắng.
[w/Hz]
Probability density function
Power spectral density
Autocorrelation function
3. Một số
khái niệm
Facuty of Electronics & Telecommunications
33
Quan hệ
giữa SNR với Eb/No và
Es/No•
SNR
(Signal to Noise Ratio): Tỉ
số
giữa năng lượng tín
hiệu trên năng lượng nhiễu•
Eb/No:
Tỉ
số
giữa năng lượng 1 bit tín hiệu trên biên độ
phổ năng lượng nhiễu•
Es/No: Tỉ
số
giữa năng lượng 1 symbol tín hiệu trên
biên độ
phổ năng lượng nhiễu•
Khi truyền tín hiệu giải gốc không điều biến, không mã
hóa kênh, symbol tín hiệu là 1 bit, năng lượng của tín hiệu là năng lượng của 1 bit.SNR = Eb/No = Es/No
3. Một số
khái niệm
Facuty of Electronics & Telecommunications
34
Quan hệ
giữa SNR với Eb/No và
Es/No•
Khi có
mã hóa kênh tốc độ
code r (r<1)
Es/No = r.Eb/No, hay (Es/No) [dB] = (Eb/No) [dB] + 10log10(r) Es/No < Eb/No
•
Khi có điều biến, ghép k bit thành 1 symbol complexEs/No = k.Eb/No, hay (Es/No) [dB]
= (Eb/No) [dB] + 10log10(k) Es/No > Eb/No•
Khi có
mã hóa kênh và điều biến
Es/No = k.r.Eb/No, hay (Es/No) [dB] = (Eb/No) [dB] + 10log10(k.r)
Quan hệ
giữa SNR và
Es/NoEs/No [dB] = 10log10(K.T_symbol/T_sampling)
+ SNR [dB]
3. Một số
khái niệm
Facuty of Electronics & Telecommunications
35
Truyền tín hiệu trên hệ
thống tuyến tín
Tín hiệu xác định:–
Tín hiệu ngẫu nhiên:
•
Sự
méo dạng tín hiệu trên đường truyền:Tất cả
các thành phần tần số
của tín hiệu không xuất
hiện ở
máy thu giống như ban đầu. Các tín hiệu này sẽ bị
trễ
và
biệ độ
sẽ được tăng lên hoặc bị
suy giảm
Input OutputLinear system
3. Một số
khái niệm
Facuty of Electronics & Telecommunications
36
Bài tậpCâu 1:
Nêu các mạng truyền thông không dây hiện tại
Câu 2: Xu hướng mạng tương lai và
các thách thức trong phát triển mạng không dây
Câu 3:
Các lợi ích trong truyền thông sốCâu 4:
Giải thích các khối trong hệ
thống DCS
Câu 5:
Ý nghĩa của phép tự tương quanCâu 6:
Biết hệ
thống không mã hóa kênh và
có
8
bit/symbol bị
nhiễu trắng có
SNR = 10dB. Tìm ?
Facuty of Electronics & Telecommunications
σ
1
BÀI 1: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
(Wireless Channel)
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Đặng Lê KhoaEmail:[email protected]
2
Nội dung trình bày
Faculty of Electronics & Telecommunications
• Định nghĩa kênh truyền• Các tác động của kênh truyền vô tuyến• Kênh truyền large scale fading• Kênh truyền small scale fading• Mô hình hóa kênh truyền
3
Kênh truyền
Faculty of Electronics & Telecommunications
Là môi trường giữa đầu phát và đầu thu•
Hữu tuyến: Cáp, cáp đồng
trục, cáp quang• Vô tuyến: Dùng sóng điện từ
+ Kênh truyền vô tuyến có
thể
biến đổi từ đơn giản
đến phức tạp+ Kênh truyền có
ảnh
hưởng lớn đến hiệu quả
trong truyền tín hiệu.
Kênh truyền vô tuyến
4
Các tác động của kênh truyền vô tuyến
Faculty of Electronics & Telecommunications
5
Phân loại kênh truyền
Dựa vào tác động của môi trường chia làm 2 loại:+ Large
scale fading
+ Small
scale fadingFaculty of Electronics & Telecommunications
6
Mô hình free-space•
Free-space là điều kiện lý tưởng
•
Free-space là môi trường chỉ
có+ Đường truyền thẳng+ Không có
vật chắn ở
giữa
+ Đầu phát ở
rất cao so với mặt đất để
không có
tia phản xạ
+ Môi trường gần như đồng nhất. Ví
dụ: truyền thông vệ
tinh,truyền thông vô tuyến chỉ
sử
dụng thành phần LOS.
Facuty of Electronics & Telecommunications
Large-scale fading
7
Mô hình free-space•
Suy giảm khi truyền của thành phần LOS theo khoảng cách theo phương trình Friis:
Pr là năng lượng nhận, Pt là năng lượng phát, Gr và
Gt là độ
lợi của antenna thu và
phát,
là bước sóng của sóng truyền, d là
khoảng cách từ đầu phát đến đầu thu,
L là
hệ
số
suy giảm của hệ
thốngFacuty of Electronics & Telecommunications
Large-scale fading
2
2 2( )(4 )
t t rr
PG GP dd Lλ
π=
λ
8
Mô hình free-space•
Hệ
số
suy giảm khi truyền (PL: Path Loss) khi d>> :
•
Với khoảng cách d nhỏ, phương trình Friis đổi lại thành:
Với d0 là
khoảng cách qui chiếu được chọn tùy môi trường (1m với môi trường trong nhà, 100m hoặc 1km với môi trường ngoài trời)
Facuty of Electronics & Telecommunications
Large-scale fading
( )2 2
2 2 2 21
10log 10log 10log(4 ) (4 )
t r
t t r
r G G
P G GPL dBP d d
λ λπ π
= =
⎡ ⎤ ⎡ ⎤= = − = −⎢ ⎥ ⎢ ⎥
⎣ ⎦⎣ ⎦
20
0( ) ( )r rdP d P dd
⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠
λ
9
Mô hình free-space•
Trong truyền thông, năng lượng thường được biểu diện ở
dạng dB hoặc dBm do sự
suy giảm thường theo hàm
mũ. Phương trình trên có
thể được diễn tả
lại như sau:
•
Trong đó được đo bằng Watt.
Facuty of Electronics & Telecommunications
Large-scale fading
0 0( )( ) 10 log 20log0.001
rr
P d dP d dBmW d
⎡ ⎤ ⎛ ⎞= + ⎜ ⎟⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎝ ⎠
0( )rP d
10Facuty of Electronics & Telecommunications
Large-scale fading
Ví
dụ
với mô hình free-space
11Facuty of Electronics & Telecommunications
12
Mô hình suy giảm log-normal•
Trong thực tế, sự
suy giảm năng lượng theo khoảng cách
thường theo hàm mũ
bậc n
hay
Facuty of Electronics & Telecommunications
0
( )n
dPL dd
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ 0
0
( ) ( ) 10 log dPL d dB PL d nd
⎛ ⎞= + ⎜ ⎟
⎝ ⎠
Môi trường Hệ
số
suy giảm, nFree-space 2Đô thị 2.7 3.5Đô thị
với nhiều nhà
cao tầng 3 5Trong nhà
(LOS) 1.6 1.8Trong nhà
có
vật cản 4 6
Hệ
số n được thống kê như sau:
13
Kênh truyền small-scale fading
Facuty of Electronics & Telecommunications
• Truyền thông vô tuyến sử
dụng tần số
sóng mang cao
• Tín hiệu nhận được ở đầu thu là
tín hiệu phát đi theo
nhiều đường khác nhau•
Phía đầu thu luôn di động làm thay đổi kênh truyền (khoảng 0.3m đối với mạng 900MHz)
• Khi MS hoặc BS hoặc các vật chắn sóng và
dẫn sóng
giữa MS và
BS chuyển động, hiện tượng Doppler xảy ra và
làm cho phổ
tần số
tín hiệu nhận được bị
dịch
chuyển.
14
Coherence bandwidth
Facuty of Electronics & Telecommunications
• Coherence bandwidth là
khoảng tần số
mà
kênh
truyền gây ra tác động gần như giống nhau. •
Nếu băng thông của tín hiệu nhỏ hơn coherence bandwidth ta gọi kênh truyền là flat fading (non-
selective fading), ngược lại ta có
kênh truyền frequency selective fading.
15
Coherent time
Facuty of Electronics & Telecommunications
Ta định nghĩa coherent time là
thời gian mà
kênh truyền thay đổi không đáng kể. Nếu coherent time nhỏ hơn 1 chu kỳ
tín hiệu dải gốc ta gọi kênh truyền đó là
fast fading, ngược lại ta gọi kênh truyền là
slow fading.
Flat fading và
Frequency selective fading
16
Flat fading -
Slow fading
Facuty of Electronics & Telecommunications
17
Flat fading –
Fast fading
Facuty of Electronics & Telecommunications
18
Frequency selective fading –
slow fading
Facuty of Electronics & Telecommunications
19
Frequency selective fading –
slow fading
Facuty of Electronics & Telecommunications
20
Frequency selective fading –
fast fading
Facuty of Electronics & Telecommunications
21
Bài tập
Facuty of Electronics & Telecommunications
Sách: Thông tin vô tuyến –
Nguyễn Văn ĐứcBài 1, 2, 3, 5 – Chương 2
1Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
BÀI 3: Format
Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Đặng Lê KhoaEmail:[email protected]
2Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Nội dung trình bày•
Chuyển nguồn thông tin (âm thanh) trong hệ
thống
số•
Cấu trúc bộ
Format
•
Lấy mẫu•
Lượng tử
hóa
•
Luật nén A và
luật nén μ
2006-01-26 Lecture 2 3Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
EncodeTransmitPulse
modulateSample Quantize
Demodulate/Detect
Channel
ReceiveLow-pass
filter Decode
PulsewaveformsBit stream
Format
Format
Digital info.
Textual info.
Analog info.
Textual info.
Analog info.
Digital info.
source
sink
Formatting và
truyền tín hiệu dải gốc
2006-01-26 Lecture 2 4Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Format cho tín hiệu analog•
Để
chuyển từ
dạng sóng
analog tương thích trong hệ
thống số
ta phải qua 2 bước sau1. Sampling (lấy mẫu)2. Quantization
and encoding (Lượng tử
hóa và
mả
hóa)3. Baseband
transmission (truyền dẫn dải gốc)
2006-01-26 Lecture 2 5Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
SamplingTime domain Frequency domain
)()()( txtxtxs ×= δ )()()( fXfXfX s ∗= δ
|)(| fX)(tx
|)(| fXδ
|)(| fX s)(txs
)(txδ
2006-01-26 Lecture 2 6Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Chống biệt danh
LP filter
Nyquist rate
aliasing
2006-01-26 Lecture 2 7Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Định lý lấy mẫu
•
Chu kì
lấy mẫu phải thõa biểu thức:
•
Tốc độ
lấy mẫu được gọi là
tốc độ Nyquist
Sampling process
Analog signal
Pulse amplitudemodulated (PAM) signal
2006-01-26 Lecture 2 8Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Lượng tử
hóa•
Lượng tử
hóa biên độ: Chuyển dạng sóng liên tục
thành một một tập hữu hạn các biên độ
In
Out
Qua
ntiz
edva
lues
Công suất nhiễu lượng tử trung bình
Công suất đỉnh tín hiệu
Công suất tín hiệu trên nhiễu lượng tử trung bình
2006-01-26 Lecture 2 9Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Encoding (PCM)•
Lượng tử
hóa đều được gọi là
Pulse
Code Modulation
(PCM).•
Pulse code modulation (PCM): Mả
hóa một tín hiệu
lượng tử đến một chuỗi số
(PCM word or codeword).•
Mỗi mẫu lượng tử được số
hóa thành từ
mã l bits
codeword với L số
mức lượng tử
và
2006-01-26 Lecture 2 10Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Ví
dụ
về lượng tử
hóa
tTs: sampling time
x(nTs): sampled valuesxq(nTs): quantized values
boundaries
Quant. levels
111 3.1867
110 2.2762
101 1.3657
100 0.4552
011 -0.4552
010 -1.3657
001 -2.2762
000 -3.1867
PCMcodeword 110 110 111 110 100 010 011 100 100 011 PCM sequence
amplitudex(t)
2006-01-26 Lecture 2 11Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Quantization error•
Quantizing error:
The difference between the input and output of a quantizer
)()(ˆ)( txtxte −=
+
)(tx )(ˆ tx
)()(ˆ)(
txtxte−=
AGC
x
)(xqy =Qauntizer
Process of quantizing noise
)(tx )(ˆ tx
)(te
Model of quantizing noise
2006-01-26 Lecture 2 12Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Quantization error …•
Quantizing error:–
Granular or linear errors
happen for inputs within the dynamic range of quantizer
–
Saturation errors
happen for inputs outside the dynamic range of quantizer
•
Saturation errors are larger than linear errors•
Saturation errors can be avoided by proper tuning of AGC•
Quantization noise variance:
2Sat
2Lin
222 )()(})]({[ σσσ +==−= ∫∞
∞−dxxpxexqxq E
ll
L
l
l qxpq )(12
212/
0
22Lin ∑
−
=
=σ Uniform q.12
22Lin
q=σ
2006-01-26 Lecture 2 13Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Uniform and non-uniform quant.–
Uniform (linear) quantizing:–
No assumption about amplitude statistics and correlation properties of the input.
–
Not using the user-related specifications–
Robust to small changes in input statistic by not finely tuned to a specific set of input parameters
–
Simply implemented•
Application of linear quantizer:–
Signal processing, graphic and display applications, process control applications
–
Non-uniform quantizing:–
Using the input statistics to tune quantizer parameters–
Larger SNR than uniform quantizing with same number of levels–
Non-uniform intervals in the dynamic range with same quantization noise variance
•
Application of non-uniform quantizer:–
Commonly used for speech
2006-01-26 Lecture 2 14Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Sai số lượng tử…•
Sai số lượng tử:–
Lỗi tuyến tính xảy ra khi tín hiệu trong khoảng lượng tử
–
Lỗi bảo hòa xảy ra khi tín hiệu nằm ngoài khoảng lương tử
Lỗi bảo hòa lớn hơn lỗi tuyến tínhLỗi bão hòa có
thể
khử
bằng bộ
AGC
•
Phương sai của nhiễu lượng tử:
2Sat
2Lin
222 )()(})]({[ σσσ +==−= ∫∞
∞−dxxpxexqxq E
ll
L
l
l qxpq )(12
212/
0
22Lin ∑
−
=
=σ Uniform q.12
22Lin
q=σ
2006-01-26 Lecture 2 15Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Lượng tử
hóa đều và không đều–
Lượng tử
hóa đều:
+ Không quan tâm đến thuộc tính thống kê và tương quan của ngõ vào+ Không phát hiện thay đổi nhỏ
của tính hiệu
+ Thực hiện đơn giảnỨng dụng: Xử
lý tin hiệu, vẽ
và
hiển thị ứng dụng, các ưng
dụng điều khiển–
Lượng tử
hóa không đều:
+ Sử
dụng tính thống kêcủa tham số lượng tử+ Có
SNR
lớn hơn lượng tử đều đối với cùng số
mức
lượng tử+ Có
cùng phương sai của nhiễu lượng tử
Ứng dụng:
Phổ
biến trong tiếng nói
2006-01-26 Lecture 2 16Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Lượng tử
hóa không đều•
It is done by uniformly quantizing the “compressed”
signal. •
At the receiver, an inverse compression characteristic, called “expansion”
is employed to avoid signal distortion.
compression+expansion companding
)(ty)(tx )(ˆ ty )(ˆ tx
x
)(xCy = x
yCompress Qauntize
ChannelExpand
Transmitter Receiver
2006-01-26 Lecture 2 17Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Statistical of speech amplitudes•
In speech, weak signals are more frequent than strong ones.
•
Using equal step sizes (uniform quantizer) gives low for
weak signals and high for strong signals.
–
Adjusting the step size of the quantizer by taking into account the speech statistics improves the SNR for the input range.
0.0
1.0
0.5
1.0 2.0 3.0Normalized magnitude of speech signalPr
obab
ility
den
sity
func
tion
qNS⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
qNS⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
2006-01-26 Lecture 2 18Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Baseband transmission•
To transmit information through physical channels, PCM sequences (codewords) are transformed to pulses (waveforms).–
Each waveform carries a symbol
from a set of size M.
–
Each transmit symbol represents bits of the PCM words.
–
PCM waveforms (line codes) are used for binary symbols (M=2).
–
M-ary pulse modulation are used for non-binary symbols (M>2).
Mk 2log=
2006-01-26 Lecture 2 19Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
PCM waveforms
•
PCM waveforms category:
Phase encodedMultilevel binary
Nonreturn-to-zero (NRZ)Return-to-zero (RZ)
1 0 1 1 0
0 T 2T 3T 4T 5T
+V-V
+V0
+V0
-V
1 0 1 1 0
0 T 2T 3T 4T 5T
+V-V
+V-V+V
0-V
NRZ-L
Unipolar-RZ
Bipolar-RZ
Manchester
Miller
Dicode NRZ
2006-01-26 Lecture 2 20Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
PCM waveforms …•
Criteria for comparing and selecting PCM waveforms:–
Spectral characteristics (power spectral density and bandwidth efficiency)
–
Bit synchronization capability–
Error detection capability
–
Interference and noise immunity–
Implementation cost and complexity
2006-01-26 Lecture 2 21Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Spectra of PCM waveforms
2006-01-26 Lecture 2 22Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
M-ary pulse modulation•
M-ary pulse modulations category:
•
M-ary pulse-amplitude modulation (PAM)•
M-ary pulse-position modulation (PPM)
•
M-ary pulse-duration modulation (PDM)–
M-ary PAM is a multi-level signaling where each symbol takes one of the M allowable amplitude levels, each representing bits of PCM words.
–
For a given data rate, M-ary PAM (M>2) requires less bandwidth than binary PCM.
–
For a given average pulse power, binary PCM is easier to detect than M-ary PAM (M>2).
Mk 2log=
2006-01-26 Lecture 2 23Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
PAM example
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
BÀI 5: BỘ
CÂN BẰNG, PHÂN TẬP
& ĐAN XEN (Equalization, Diversity & Interleaving)
Đặng Lê KhoaEmail:[email protected]
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Nội dung trình bày+ Cân bằng•
Giới thiệu bộ
cân bằng
•
Bộ
cân bằng thích nghi•
Thuật toán LMS
•
Một số
vi dụ
minh họa+ Phân tập•
Giới thiệu phân tập
•
Phân loại phân tập•
Ví
dụ
về
phân tập
•
Máy thu Rake+ Kỹ
thuật Interleaving
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Giới thiệu bộ
cân bằng•
Tín hiệu thu được thường bị
suy giảm và
méo do suy
hao trên đường truyền•
Ta dùng bộ
cân bằng để
khôi phục lại tín hiệu thu giống
như tín hiệu khi truyền•
Thông tin dùng để
cân bằng thường được lấy từ
các
pilot•
Do kênh truyền thường xuyên thay đổi -> bộ
cân bằng
phải thay đổi theo => cân bằng thích nghi
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Mô hình cân bằng
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Bộ
cân bằng thích nghi•
Sử
dụng một chuỗi huấn luyện có
chiều dài cố định được
biết trước (pilot) => hiệu chỉnh lại tín hiệu sau khi truyền•
Các pilot được phát xen kẽ
với dữ
liệu
•
Tại nơi thu sẽ
so sánh giữa chuỗi pilot nhận với chuỗi biết trước. Ta sẽ
sử
dụng các thuật tóan nhằm tối thiểu
sai số.•
Sau khi hiệu chỉnh xong (qua bộ
cân bằng) dữ
liệu thu sẽ
giống như lúc phát•
Do kênh liên tục thay đổi, ta phải liên tục thử
kênh (gởi
các pilot)•
Thường sử
dụng bộ
lọc ngang
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Cấu trúc cơ bản của bộ
lọc thích nghi
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Mô tả
toán học
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Mô tả
toán học…
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Mô tả
toán học…•
Kí
hiệu P là vector tương quan chéo của tín hiệu mong
muốn và
tín hiệu nhận được
•
Kí
hiệu R là
ma trận tương quan lối vào
•
MSE (Mean Squared Error)
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Thuật toán LMS•
Để
tối thiểu MSE, người ta thường dùng thuật toán LMS (Least Mean Square)
•
Thuật toán được mô tả như sau:
•
Để
bộ
thích nghi hoạt động ổn định thì
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Giới thiệu phân tập•
Là
một kỹ
thuật có
hiệu quả
cao trong cải thiện chất
lượng truyền tính hiệu•
Dựa vào thuộc tính của sóng vô tuyến bằng cách tìm ra co đường thông tin độc lập
•
Bộ
phân tập được quyết định bởi đầu thu và
không cần thông tin về đầu phát
•
Ý tưởng cơ bản của phân tập là
chọn ( hoặc kết hợp ) các đường có
SNR lớn để tăng SNR trong hệ
thống
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Các kỹ
thuật phân tập•
Phân tập không gian-
Phân tập chọn lọc
-
Phân tập quét (scanning) và
hồi tiếp- Kết hợp các tỉ
số
cực đại
- Kết hợp độ
lợi bằng nhau (Equal gain Combining) •
Phân tập định hướngPhát ra hai tín hiệu trực giao nhau
•
Phân tập tần sốTruyền tín hiệu trên nhiều tần số
sóng mang
•
Phân tập thời gianLặp lại quá
trình truyền trong các khoảng thời gian khác
nhau
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Phân tập chọn lọc
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Kết hợp các tỉ
số
cực đại
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Máy thu Rake
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Đan xen•
Dùng để
phân tập về
thời gian mà
không cần phải thêm
mào đầu•
Thực hiện bằng cách xen kẽ
các thông tin cần truyền
•
Dùng để
phân tán các thông tin quan trọng => tăng khả năng sửa lỗi cho các thông tin này ở đầu thu
•
Khi thực hiện phải lưu ý đến độ
trễ
cho phép khi truyền
Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
Block interleaver