Bài giảng môn Kỹ thuật viễn thông - Bài 1: Tổng quan vềtruyền thông không dây

1BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY (Overview of Wireless Systems ) Facuty of Electronics & Telecommunications Đặng Lê Khoa Email:danglekhoa@yahoo.com dlkhoa@fetel.hcmuns.edu.vn 2Nội 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 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 31. 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 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 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 5Truy 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 Thông tin có mặt ở khắp nơi giữa người và thiết bị Facuty of Electronics & Telecommunications Các mạng không dây của tương lai 1. 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 8Rate Mobility 2G 3G 4G 802.11b WLAN 2G Cellular Các vấn đề khác: Rate vs. Coverage Rate vs. Delay Rate vs. Cost Rate vs. Energy Facuty of Electronics & Telecommunications Thế hệ tương lai 1. Tổng quan về mạng không dây 9Voice VideoData Delay Packet Loss BER Data Rate Traffic <100ms - <100ms <1% 0 <1% 10-3 10-6 10-6 8-32 Kbps 1-100 Mbps 1-20 Mbps Continuous 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 Internet Access Point 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 sau 1. 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 Apps Processor BT Media Processor 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 gian 1. Tín hiệu analog: hàm liên tục (continuous) ->> biểu diễn hình dạng khác nhau 21 Tại sao phải truyền thông số? Propagation distance Original pulse Regenerated pulse Các lợi ích của truyền thông số: - Khôi phục ở đầu thu Data Voice Media A 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 SOURCE Info. Transmitter Transmitted signal Received signal Receiver Received info. Noise ChannelSource User RF RFEqualization Facuty of Electronics & Telecommunications 24 2. Giới thiệu hệ thống DCS RF (Transmitter) Facuty of Electronics & Telecommunications P A 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 LN A Low Noise Amplifier Mixer Local 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)Î Es/No < Eb/No • Khi có điều biến, ghép k bit thành 1 symbol complex Es/No = k.Eb/No, hay (Es/No) [dB] = (Eb/No) [dB] + 10log10(k)Î 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/No Es/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 Output Linear system 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications 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: Giải thích các khối trong hệ thống DCS Câu 5: Ý nghĩa của phép tự tương quan Câu 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 1BÀI 1: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN (Wireless Channel) Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS Đặng Lê Khoa Email:danglekhoa@yahoo.com dlkhoa@fetel.hcmuns.edu.vn 2Nội 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 3Kênh 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 4Các tác động của kênh truyền vô tuyến Faculty of Electronics & Telecommunications 5Phân loại kênh truyền Dựa vào tác động của môi trường chia làm 2 loại: + Large scale fading + Small scale fading Faculty of Electronics & Telecommunications 6Mô 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 7Mô 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 thống Facuty of Electronics & Telecommunications Large-scale fading 2 2 2( ) (4 ) t t r r PGGP d d L λ π= λ 8Mô 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 22 2 2 2 1 10log 10log 10log (4 ) (4 ) t r t t r r G G P GGPL dB P d d λ λ π π = = ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= = − = −⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ 2 0 0( ) ( )r r dP d P d d ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠ λ 9Mô 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 20log 0.001 r r P d dP d dBm W 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 d d ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ 0 0 ( ) ( ) 10 log dPL d dB PL d n d ⎛ ⎞= + ⎜ ⎟⎝ ⎠ 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 vật cản 4 Æ 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 Đức Bài 1, 2, 3, 5 – Chương 2 1Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS BÀI 3: Format Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS Đặng Lê Khoa Email:danglekhoa@yahoo.com dlkhoa@fetel.hcmuns.edu.vn 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 Encode TransmitPulsemodulateSample Quantize Demodulate/ Detect Channel Receive Low-pass filter Decode Pulse waveformsBit 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 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 Lecture 2 5Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS Sampling Time 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 amplitude modulated (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 Q u a n t i z e d v a l u e s ƒCông suất nhiễu lượng tử trung bình ƒCông suất đỉnh tín hiệu ƒCông 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 t Ts: sampling time x(nTs): sampled values xq(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 PCM codeword 110 110 111 110 100 010 011 100 100 011 PCM sequence amplitude x(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 )( txtx te − = 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: 2 Sat 2 Lin 222 )()(})]({[ σσσ +==−= ∫∞∞− dxxpxexqxq E ll L l l qxpq )( 12 2 12/ 0 2 2 Lin ∑− = =σ Uniform q. 12 2 2 Lin 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 tính Lỗi bão hòa có thể khử bằng bộ AGC • Phương sai của nhiễu lượng tử: 2 Sat 2 Lin 222 )()(})]({[ σσσ +==−= ∫∞∞− dxxpxexqxq E ll L l l qxpq )( 12 2 12/ 0 2 2 Lin ∑− = =σ Uniform q. 12 2 2 Lin 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 giản Ứng 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 = xˆ yˆ Compress Qauntize Channel Expand 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 3.0 Normalized magnitude of speech signalP r o b a b i l i t y d e n s i t y f u n c t i o n qN S ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ qN S ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ 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: ƒ Phase encoded ƒ Multilevel binary ƒ Nonreturn-to-zero (NRZ) ƒ Return-to-zero (RZ) 1 0 1 1 0 0 T 2T 3T 4T 5T +V -V +V 0 +V 0 -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 Khoa Email:danglekhoa@yahoo.com dlkhoa@fetel.hcmuns.edu.vn 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 hướng Phát ra hai tín hiệu trực giao nhau • Phân tập tần số Truyền tín hiệu trên nhiều tần số sóng mang • Phân tập thời gian Lặp 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