›
›

Bài giảng Truyền thông không dây - Đặng Lê Khoa

pdf 149 trang phuongnguyen 6710
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Truyền thông không dây - Đặng Lê Khoa", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_truyen_thong_khong_day_dang_le_khoa.pdf

Nội dung text: Bài giảng Truyền thông không dây - Đặng Lê Khoa

  1. BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ TRUY ỀN THÔNG KHÔNG DÂY (Overview of Wireless Systems ) Đặng Lê Khoa Email:danglekhoa@yahoo.com dlkhoa@fetel.hcmuns.edu.vn Facuty of Electronics & Telecommunications 1
  2. Nội dung trình bày: 1. Tổng quan về mạng không dây Lịch sử phát triể n Các thử thách thiết kế Các mạng hi ện tại và tương lai Mạng điện thoại tế bào Mạng máy tính không dây 2. Hệ thống truyền thông số Tại sao phải truyền thông số Hệ thống truyền thông số cơ bản 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications 2
  3. 1. Tổng quan về mạng không dây Facuty of Electronics & Telecommunications 3
  4. 1. Tổng quan về mạng không dây Lịch sử Wireless • Thời cổ: Khói thuốc, bồ câu đưa thư, • Sóng vô tuyến được phát minh 1880 bởi Marconi • Nhi ều hệ thống vô tuyến không dây được phát triển công phu trong và sau chiến tranh thứ 2 • Điện thoại tế bào đượ c phát triển từ 1988, đến nay khoảng 3 tỉ thuê bao Thúc đẩy phát triển thiết bị không dây Tiếng 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 kh ắp (vd: Wimax) và các mạng ở khoảng cách ngắn như Bluetooth, UWB ít thành công hơn Facuty of Electronics & Telecommunications 4
  5. 1. Tổng quan về mạng không dây Các mạng không dây của tương lai Thông tin có mặt ở khắp nơi giữa người và thiết bị Truy cập Internet không dây Thế hệ điện thoại tế bào thứ n Các mạng không dây Ad Hoc Thiết bị giải trí không dây Ngôi nhà thông minh Khó khăn hạn chế về thời gian trễ Khó khăn hạn chế năng lượng Facuty of Electronics & Telecommunications 5
  6. 1. Tổng quan về mạng không dây Các thử thách khi thiết kế • Hạn chế của dung l ượng kênh truyền • Mô hình lưu thông, định vị user, điều kiện mạng luôn thay đổi • Các ứng dụng không đồng nhất • Gi ới hạn về năng lượng và độ trễ của thiết kế khi đi qua các lớp của hệ thống Facuty of Electronics & Telecommunications 6
  7. 1. Tổng quan về mạng không dây Sự phát triển của các hệ thống hiện tại • Các h ệ 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 7
  8. 1. Tổng quan về mạng không dây Thế hệ tươ ng lai Các vấn đề khác: Rate Rate vs. Coverage 4G Rate vs. Delay Rate vs. Cost 802.11b WLAN 3G Rate vs. Energy 2G 2G Cellular Mobility Facuty of Electronics & Telecommunications 8
  9. 1. Tổng quan về mạng không dây Các yêu cầu cho truyền thông đa phương tiện Voice Data Video Delay <100ms - <100ms Packet Loss <1% 0 <1% BER 10-3 10-6 10-6 Data Rate 8-32 Kbps 1-100 Mbps 1-20 Mbps Traffic Continuous Bursty Continuous Tất cả các yêu cầu trên phải thỏa Facuty of Electronics & Telecommunications 9
  10. 1. Tổng quan về mạng không dây Các hệ thống hiện tại • Cellular Systems • Wireless LANs • WIMAX • Satellite Systems • Bluetooth • Ultrawideband radios • Zigbee radios Facuty of Electronics & Telecommunications 10
  11. 1. Tổng quan về mạng không dây Hệ thống truyền thông không dây tế bào Base Station (BS) UE UE UE User Equipment (UE) Facuty of Electronics & Telecommunications 11
  12. 1. Tổng quan về mạng không dây Wireless Local Area Networks (WLANs) 01011011 0101 1011 Internet Access Point • WLANs kết nối “local” các máy tính (khoảng 100m) • Chia data thành các gói • Truy cập kênh được chia sẽ (random access) • Dự a trên cung cấp các dịch vụ Internet -> Chất lượng dịch vụ kém ở một sốứng dụng (vd: video) Facuty of Electronics & Telecommunications 12
  13. 1. Tổng quan về mạng không dây Các chuẩn của Wireless LAN • 802.11b – Băng tần 2.4GHz (80 MHz) – Trả i 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 13 Facuty of Electronics & Telecommunications
  14. 1. Tổng quan về mạng không dây 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 độ ng ở băng tần 2.5 và 3.5 MHz – Phụ thuộc vào từng quốc gia, còn có thể sử dụng 5.8 – Bă ng 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 14 Facuty of Electronics & Telecommunications
  15. 1. Tổng quan về mạng không dây Bluetooth • Thay thế nối Cable bằng kỹ thuật RF • Kho ảng cách ngắn (10m, mở rộ ng 100m) • Bă ng tầng 2.4 GHz • 1 kênh Data (700 Kbps) và 3 kênh voice • Tươ ng tích nhiều thiết bị như thiết bị viễn thông, PC và các thiết bị điện tử khác • Các ứng dụng nhằm thay thế cable 15 Facuty of Electronics & Telecommunications 8C32810.61-Cimini-7/98
  16. 1. Tổng quan về mạng không dây 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 ) – Nh ận biết/thông minh sóng vô tuyến 16 Facuty of Electronics & Telecommunications
  17. 1. Tổng quan về mạng không dây Thiết bị mạng thế hệ sau Mọi thứ không dây trên cùng 1 thiết bị 17 Facuty of Electronics & Telecommunications
  18. 1. Tổng quan về mạng không dây Thử thách khi tích hợp nhiều thiết bị BT • Can nhiễu RF FM/XM • N ơi đặt các antenna GPS Cellular • Kích thước DVB-H • N ăng lượng tiêu thụ Apps WLAN Processor Media Wimax Processor Facuty of Electronics & Telecommunications 18
  19. 2. Giới thiệu hệ thống DCS Facuty of Electronics & Telecommunications 19
  20. 2. Giới thiệuhệ thống DCS Tín hiệu analog và Digital Một tín hiệu có thể được định nghĩa nh ư là 1 hàm theo thời gian 1. Tín hiệu analog: hàm liên tục (continuous) ->> biểu diễn hình dạng khác nhau 2. Tín hiệu Digital: hàm rời rạc ->> biểu diễn bằ ng các xung (ON hoặc OFF) –> 2 trạng thái Facuty of Electronics & Telecommunications 20
  21. 2. Giới thiệuhệ thống DCS Tại sao phải truyền thông số? Các lợi ích của truyền thông số: - Khôi phục ở đầu thu Original Regenerated pulse pulse Propagation distance -Các loại tín hiệu khác nhau được xử lý tương tự nhau Voice Data A bit is a bit! Media Facuty of Electronics & Telecommunications 21
  22. 2. Giới thiệuhệ thống DCS Tại sao phải truyền thông số? Các lợi ích khác: • Lỗi rất thấp ->> Không lỗi • Ghép kênh ->> FDM, TDM • Mã hóa bảo m ật ->> 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 Facuty of Electronics & Telecommunications 22
  23. 2. Giới thiệuhệ thống DCS Cấu trúc chung của DCS Noise Transmitted Received Received Info. signal signal info. SOURCESource Transmitter Channel Receiver User Transmitter Source Channel Formatter Modulator RF encoder encoder Receiver Source Channel Formatter Demodulator Equalization RF decoder decoder Facuty of Electronics & Telecommunications 23
  24. 2. Giới thiệuhệ thống DCS RF (Transmitter) Up-Converter Mixer PA Band Pass Power Local Filter Amplifier Band Oscillator Pass Filter Facuty of Electronics & Telecommunications 24
  25. 2. Giới thiệuhệ thống DCS RF (Receiver) Down-Converter LNA Low Noise Amplifier Band Pass Local Filter Mixer Oscillator Facuty of Electronics & Telecommunications 25
  26. 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications 26
  27. 3. Một số khái niệm Phân loại tín hiệu • Tín hiệu xác định và ngẫu nhiên – Tín hiệu xác định: biế t được tín hiệu tại bất cứ thời điể m nào – Tín hiệu ngẫu nhiên: không biết được giá trị tín hiệu trứơ c khi xảy ra. • Nhiễu nhiệt trong mạch điện tử do chuyển động ng ẫu nhiên của điện tử. • Phản xạ của sóng vô tuyến từ các lớp tầng khác nhau trong khí quyển Facuty of Electronics & Telecommunications 27
  28. 3. Một số khái niệm Phân loại tín hiệu (tt) • Các tín hiệu tuần hoàn và không tuần hoàn A periodic signal A non-periodic signal • Tín hiệu tương tự và rời rạc A discrete signal Analog signals Facuty of Electronics & Telecommunications 28
  29. 3. Một số khái niệm Phân loại tín hiệu (tt) Tín hiệu năng lượng và tín hiệu công suất – Một tín hiệu là một tín hi ệu năng lượng nếu và chỉ n ếu chúng khác 0 nhưng có năng lượng hữu hạn ở mọi thời gian – Một tín hiệu là tín hiệu công suất nếu và chỉ nếu chúng hữu hạn và có công suất khác 0 ở m ọi th ời điểm: Facuty of Electronics & Telecommunications 29
  30. 3. Một số khái niệm 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 Facuty of Electronics & Telecommunications 30
  31. 3. Một số khái niệm Mật độ phổ • Tín hiệu năng lượng: – Energy spectral density (ESD): • Tín hi ệu công suất: – Power spectral density (PSD): • Quá trình ngẫu nhiên: – Power spectral density (PSD): Facuty of Electronics & Telecommunications 31
  32. 3. Một số khái niệm Nhiễu trong hệ thống truyền thông • Nhiễu nhiệt n(t) được diễ n tả bởi một quá trình ngẫu nhiên Gaussian có trị trung bình bằng 0. • PSD của nhiễu nhiệt thì ph ẳng vì vậy gọi là nhiễu trắng. [w/Hz] Power spectral density Autocorrelation function Probability density function Facuty of Electronics & Telecommunications 32
  33. 3. Một số khái niệm Quan hệ giữa SNR với Eb/No và Es/No • SNR (Signal to Noise Ratio): Tỉ số giữa năng lượng tín hi ệu trên năng lượng nhiễu • Eb/No: Tỉ số giữa năng lượng 1 bit tín hiệu trên biên độ ph ổ năng lượ ng nhi ễu • Es/No: Tỉ số giữa năng lượng 1 symbol tín hiệu trên biên độ phổ n ăng 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 Facuty of Electronics & Telecommunications 33
  34. 3. Một số khái niệm Quan hệ giữa SNR với Eb/No và Es/No • Khi có mã hóa kênh tốc độ code r (r 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/No Es/No [dB] = 10log10(K.T_symbol/T_sampling) + SNR [dB] Facuty of Electronics & Telecommunications 34
  35. 3. Một số khái niệm Truyền tín hiệu trên hệ thống tuyến tín Input Output Linear system Tín hiệu xác định: – Tín hiệu ngẫu nhiên: • Sự méo dạng tín hiệu trên đường truyền: Tất c ả 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 Facuty of Electronics & Telecommunications 35
  36. Bài tập Câu 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 số Câu 4: Giả i thích các khối trong hệ thống DCS Câu 5: Ý ngh ĩa của phép tự tương quan Câu 6: Biế t hệ thống không mã hóa kênh và có 8 bit/symbol bị nhiễu trắng có SNR = 10dB. Tìm σ ? Facuty of Electronics & Telecommunications 36
  37. BÀI 1: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN (Wireless Channel) Đặng Lê Khoa Email:danglekhoa@yahoo.com dlkhoa@fetel.hcmuns.edu.vn Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS 1
  38. Nội dung trình bày • 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 Faculty of Electronics & Telecommunications 2
  39. Kênh truyền 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 Faculty of Electronics & Telecommunications 3
  40. Các tác động của kênh truyền vô tuyến Faculty of Electronics & Telecommunications 4
  41. Phân loại kênh truyền Dựa vào tác động của môi trường chia làm 2 loại: + Large scale fading + Small scale fading Faculty of Electronics & Telecommunications 5
  42. Large-scale fading 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 rấ t cao so vớ i 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 6
  43. Large-scale fading Mô hình free-space • Suy giảm khi truyền của thành phần LOS theo khoảng cách theo phương trình Friis: PG G λ 2 Pd()= ttr r (4π )22dL Pr là năng lượng nhận, Pt là năng lượng phát, Gr và Gt là độ lợi của antenna thu và phát, λ là bướ c sóng c ủa sóng truyền, d là khoảng cách từ đầu phát đến đầu thu, L là hệ số suy giảm của hệ thống Facuty of Electronics & Telecommunications 7
  44. Large-scale fading Mô hình free-space • Hệ số suy giảm khi truyền (PL: Path Loss) khi d>>λ : 2 2 PGGtt⎡⎤rλ ⎡⎤λ PL() dB ==−=−10log 10log ⎢⎥22 10log ⎢⎥22 Pdr ⎣⎦(4ππ ) ⎣⎦(4 ) d GGtr= =1 • Với khoảng cách d nhỏ, phương trình Friis đổi lại thành: 2 ⎛⎞d0 Pdrr()= Pd (0 )⎜⎟ ⎝⎠d Với d0 là khoảng cách qui chiếu được chọn tùy môi trường (1m v ới môi trường trong nhà, 100m hoặc 1km với môi trường ngoài trời) Facuty of Electronics & Telecommunications 8
  45. Large-scale fading 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. Ph ương trình trên có thể đượ c diễn tả lại như sau: ⎡ Pr ()dd00⎤⎛⎞ PddBmr ( )=+ 10log ⎢⎥20log⎜⎟ ⎣0.001Wd⎦⎝⎠ • Trong đó P r () d 0 được đo bằng Watt. Facuty of Electronics & Telecommunications 9
  46. Large-scale fading Ví dụ với mô hình free-space Facuty of Electronics & Telecommunications 10
  47. Facuty of Electronics & Telecommunications 11
  48. Mô hình suy giảm log-normal • Trong thực tế, sự suy giảm năng lượng theo khoảng cách th ường theo hàm mũ bậc n n ⎛⎞d ⎛⎞d PL() d ⎜⎟hay PL () d dB =+ PL ( d ) 10log n d 0 ⎜⎟ ⎝⎠0 ⎝⎠d0 Hệ số n được thống kê như sau: Môi trường Hệ số suy giảm, n Free-space 2 Đô thị 2.7 Æ 3.5 Đô thị với nhiều nhà cao tầng 3 Æ 5 Trong nhà (LOS) 1.6 Æ 1.8 Trong nhà có v ật cản 4 Æ 6 Facuty of Electronics & Telecommunications 12
  49. Kênh truyền small-scale fading • 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. Facuty of Electronics & Telecommunications 13
  50. Coherence bandwidth • Coherence bandwidth là khoảng tần số mà kênh truyền gây ra tác động gần nh ư 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. Facuty of Electronics & Telecommunications 14
  51. Coherent time 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 đólà fast fading, ngược lại ta gọi kênh truyền là slow fading. Flat fading và Frequency selective fading Facuty of Electronics & Telecommunications 15
  52. Flat fading - Slow fading Facuty of Electronics & Telecommunications 16
  53. Flat fading – Fast fading Facuty of Electronics & Telecommunications 17
  54. Frequency selective fading – slow fading Facuty of Electronics & Telecommunications 18
  55. Frequency selective fading – slow fading Facuty of Electronics & Telecommunications 19
  56. Frequency selective fading – fast fading Facuty of Electronics & Telecommunications 20
  57. Bài tập Sách: Thông tin vô tuyến – Nguyễn Văn Đức Bài 1, 2, 3, 5 – Chương 2 Facuty of Electronics & Telecommunications 21
  58. BÀI 3: Format Đặng Lê Khoa Email:danglekhoa@yahoo.com dlkhoa@fetel.hcmuns.edu.vn 1 FacutyFacuty of Electronicsof Electronics & &Telecommunications, Telecommunications, HCMUNSHCMUNS
  59. Nội dung trình bày • Chuyển nguồn thông tin (âm thanh) trong hệ thống số • Cấu trúc bộ Format • Lấ y mẫu • Lượ ng tử hóa • Lu ật nén A và luật nén μ Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS 2
  60. Formatting và truyền tín hiệu dải gốc Digital info. Textual Format source info. Pulse Transmit Analog Sample Quantize Encode modulate info. Pulse Bit stream waveforms Channel Format Analog info. Low-pass Decode Demodulate/ filter Receive Detect sink Textual info. Digital info. 2006-01-26 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 3
  61. Format cho tín hiệu analog • Để chuyển từ dạng sóng analog tương thích trong hệ thống s ố ta phải qua 2 bước sau 1. Sampling (lấy mẫu) 2. Quantization and encoding (Lượng tử hóa và mả hóa) 3. Baseband transmission (truyền dẫn dải gốc) 2006-01-26 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 4
  62. Sampling Time domain Frequency domain x()()() t= x t× x t s δ X()()() fs = Xδ f∗ X f x() t |X ( f ) | |X ( f ) | xδ() t δ xs() t |Xs ( f ) | 2006-01-26 ics & nFacuty of ElectroLectureTelecommunications, 2 HCMUNS 5
  63. Chống biệt danh LP filter Nyquist rate aliasing 2006-01-26 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 6
  64. Định lý lấy mẫu Analog Sampling Pulse amplitude signal process modulated (PAM) signal • Chu kì lấy mẫu phải thõa biểu thức: • Tốc độ lấy mẫu được gọi là tốc độ Nyquist 2006-01-26 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 7
  65. Lượng tử hóa • Lượng tử hóa biên độ: Chuyển dạng sóng liên tục thành một mộ t tập hữu hạn các biên độ Out ƒCông suất nhiễu lượng tử trung bình In ƒCông suất đỉnh tín hiệu values ƒCông suất tín hiệu trên nhiễu lượng Quantized tử trung bình 2006-01-26 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 8
  66. Encoding (PCM) • Lượng tử hóa đều được gọi là Pulse Code Modulation (PCM). • Pulse code modulation (PCM): Mả hóa một tín hiệu lượ ng 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 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 9
  67. amplitude Ví dụ về lượng tử hóa x(t) 111 3.1867 110 2.2762 Quant. levels 101 1.3657 100 0.4552 011 -0.4552 boundaries 010 -1.3657 001 -2.2762 x(nTs): sampled values xq(nTs): quantized values 000 -3.1867 Ts: sampling time PCM t codeword 110 110 111 110 100 010 011 100 100 011 PCM sequence 2006-01-26 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 10
  68. Quantization error • Quantizing error: The difference between the input and output of a quantizer e t()=()() xˆ t− x t Process of quantizing noise Qauntizer Model of quantizing noise y= q() x AGC x() t xˆ() t x() t xˆ() t x e() t + e() t = x()()ˆ t− x t 2006-01-26 ics & nFacuty of ElectroLectureTelecommunications, 2 HCMUNS 11
  69. 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: ∞ 2 2 2 2 2 x{[σ=q E q ( x − )] } e= x ( p )= xσ (Lin )σ dx + Sat −∫ ∞ /L 2− 1 2 2 2 ql 2 q σ Lin = 2 ∑ p() xl l qUniform q. σ Lin = l=0 12 12 2006-01-26 ics & nFacuty of ElectroLectureTelecommunications, 2 HCMUNS 21
  70. 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 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 13
  71. 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 tính Lỗi bão hòa có thể khử bằng bộ AGC • Phương sai của nhiễu lượ ng tử: ∞ 2 2 2 2 2 σ q = E{[x − q(x)] } = e (x)p(x)dx = σ Lin +σ Sat ∫−∞ L / 2−1 2 2 2 ql 2 q σ Lin = 2 ∑ p(xl )ql Uniform q. σ Lin = l=0 12 12 2006-01-26 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 14
  72. 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 giản Ứng dụng: Xử lý tin hiệu, vẽ và hiển thịứng dụng, các ưng dụng điều khiển – Lượng tử hóa không đều: + S ử 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 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 15
  73. 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 gcompandin y= C() x xˆ x() t y() t yˆ() t xˆ() t x yˆ Compress Qauntize Expand Transmitter Channel Receiver 2006-01-26 ics & nFacuty of ElectroLectureTelecommunications, 2 HCMUNS 61
  74. Statistical of speech amplitudes • In speech, weak signals are more frequent than strong ones. 1.0 0.5 0.0 1.0 2.0 3.0 Probability density function Normalized magnitude of speech signal ⎛ S ⎞ • Using equal step sizes (uniform quantizer) gives low ⎜ ⎟ for weak signals ⎛ S ⎞ ⎝ N ⎠q and high ⎜ ⎟ for strong signals. ⎝ N ⎠q – Adjusting the step size of the quantizer by taking into account the speech statistics improves the SNR for the input range. 2006-01-26 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 17
  75. 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. k= log2 M – PCM waveforms (line codes) are used for binary symbols (M=2). – M-ary pulse modulation are used for non-binary symbols (M>2). 2006-01-26 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 18
  76. PCM waveforms • PCM waveforms category: ƒ Nonreturn-to-zero (NRZ) ƒ Phase encoded ƒ Return-to-zero (RZ) ƒ Multilevel binary +V 1 0 1 1 0 +V 1 0 1 1 0 NRZ-L -V Manchester -V Unipolar-RZ +V Miller +V 0 -V +V +V Bipolar-RZ 0 Dicode NRZ 0 -V -V 0 T 2T 3T 4T 5T 0 T 2T 3T 4T 5T 2006-01-26 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 19
  77. 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 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 20
  78. Spectra of PCM waveforms 2006-01-26 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 21
  79. 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. k= log2 M – 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). 2006-01-26 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 22
  80. PAM example 2006-01-26 Facuty of Electronics & LectureTelecommunications, 2 HCMUNS 23
  81. BÀI 5: BỘ CÂN BẰNG, PHÂN TẬP & ĐAN XEN (Equalization, Diversity & Interleaving) Đặng Lê Khoa Email:danglekhoa@yahoo.com dlkhoa@fetel.hcmuns.edu.vn Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
  82. Nội dung trình bày + Cân bằng • Giới thiệu bộ cân bằng • Bộ cân bằng thích nghi • Thu ật toán LMS • M ột 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
  83. Giới thiệu bộ cân bằng • Tín hiệu thu được thường bị suy gi ảm và méo do suy hao trên đường truyền • Ta dùng bộ cân bằng để khôi phục lại tín hiệu thu giống nh ư 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 ph ải thay đổi theo => cân bằng thích nghi Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
  84. Mô hình cân bằng Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
  85. Bộ cân bằng thích nghi • Sử dụng một chuỗi huấn luyện có chiều dài cố định được bi ết trướ c (pilot) => hiệu chỉnh lại tín hi ệu sau khi truyền • Các pilot được phát xen kẽ với dữ liệu • Tạ i nơi thu sẽ so sánh giữa chu ỗi pilot nhận với chuỗi bi ết 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 gi ống 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
  86. Cấu trúc cơ bản của bộ lọc thích nghi Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
  87. Mô tả toán học Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
  88. Mô tả toán học Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
  89. Mô tả toán học • Kí hiệu P là vector tương quan chéo của tín hiệu mong mu ốn và tín hiệu nhận được • Kí hiệu R là ma trận tương quan lối vào • MSE (Mean Squared Error) Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
  90. 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
  91. Giới thiệu phân tập • Là một kỹ thuật có hiệu quả cao trong cải thiện chất lượ ng 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
  92. 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 bằ ng nhau (Equal gain Combining) • Phân tập định hướ ng Phát ra hai tín hiệu trực giao nhau • Phân tập tần số Truy ền tín hiệu trên nhiều tần số sóng mang • Phân tập thời gian Lặ p lại quá trình truyền trong các khoảng thời gian khác nhau Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
  93. Phân tập chọn lọc Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
  94. Kết hợp các tỉ số cực đại Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
  95. Máy thu Rake Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS
  96. 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 nă ng sửa lỗ i 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
  97. Block interleaver Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS