Bài giảng Kỹ thuật truyền dẫn số

thích nghi và OF DM thích nghi (10 Tiết) Lý thuyết cơ bản về Mã hoá (Mã xoắn, mã Turbo và BICM-ID) (15 Tiết) Nguyên lý trải phô (5 Tiết)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngTài liệu học tậpGiáo trìnhĐỗ Công Hùng, (2011) , Bài giảng Kỹ thuật truyền dẫn số, Đại Học Thành Đô, Tài liệu tham khảoTiếng ViệtNguyễn Quốc Bình, (2000), Kỹ thuật truyền dẫn số, Học viện Kỹ thuật Quân sự.Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình, Đỗ Công Hùng, (2006) “Tối đa hóa dung lượng thông tin cho hệ thống OFDM bằng các giải pháp thích nghi”, Tạp chí Bưu chính Viễn thông và Công nghệ thông tin, Bộ Bưu chính Viễn thông, kỳ 1.Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình, (2006), “Giải pháp thích nghi cho hệ thống OFDM bằng BICM-ID với các bộ ánh xạ tín hiệu khác nhau”, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện KTQS, số 116.Nguyễn Tùng Hưng, Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Phạm Văn Bính, (2003), “Tính toán chất lượng của mã chập nhị phân có loại bỏ xen kẽ”, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện KTQS, số 103. Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình, (2006), “Nâng cao Chất lượng Hệ thống OFDM bằng BICM-ID”, Chuyên san Các công trình nghiên cứu-Triển khai Viễn thông và Công nghệ thông tin, Bộ Bưu chính Viễn thông. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngTiếng AnhAmoroso. F., (1987), “Instantaneous Frequency Effects in a Doppler Scattering Environment,” IEEE International Conference on Communications, pp. 1458-66.Benedetto. S. and Biglieri E., (1999), Principles of Digital Transmission With Wireless Applications, New York: Kluwer Academic. Sklar. B., (2001), Digital Communications: Fundamentals and Applications, Second Edition, Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall .Greenwood. D. and Hanzo, L., (1994), Characterization of Mobile Radio Channels, Mobile Radio Communications, edited by R. Steele , London: Pentech Press.Hanzo. L., Webb W., and Keller. T.,(2000), Single-and Multi-Carrier Quadrate Amplitude Modulation, New York: IEEE Press/Wiley. Hara.S., Prasad R., (2003), Multi-carrier Techniques for 4G Mobile Communications, Artech House, Boston, London.Hata. M., (1980) “Empirical Formulae for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services,” IEEE Trans. on Vehicular Technology, vol. VT-29, no. 3, pp. 317-25. Do Cong Hung, Tran Xuan Nam, Dinh The Cuong, (2006), “Adaptive Mapping for BICM-ID OFDM Systems”, Biennial Vietnam conference on Radio and Electronics (REV 2006).Sklar. B., (2001), Digital Communications: Fundamentals and Applications, Second Edition, Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall .Hagenauer. J.,(1997), “The turbo principle: Tutorial introduction and state of the art,” in Proc. Int. Symp. Turbo Codes and Related Topics, pp. 1–11. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngChương 1 Các khái niệm cơ bản và nguyên lý làm việc của HTTT số( 5 tiết)1.1.Các khái niệm cơ bảnHTTT: Hệ thống các kỹ thuật và thiết bị dùng để truyền tin tức từ nguồn tin (nơi sinh ra tin tức) đến bộ nhận tin (đích). Bản tin: Dạng hình thức chứa đựng một lượng thông tinTín hiệu: Biểu diễn vật lý của một bản tin.HTTT tương tự hay HTTT số ứng với Tín hiệu tương tự hay Tín hiệu số.Tín hiệu tương tự: Đại lượng vật lý được sử dụng làm tín hiệu có quy luật biến thiên tương tự với bản tin được sinh ra từ nguồn tin. Tín hiệu tương tự có thể là liên tục (VD tín hiệu thoại ở lối ra Micro) hoặc tín hiệu rời rạc (Tính hiệu điều biên xung PCM- Pulse Amplitude Modulation).**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngTín hiệu số: biểu diễn các con số tương ứng với bản tin và có các đặc trưng: Chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị (M=2: HTTT số nhị phân, M>2: HTTT số đa mức).Có thời gian tồn tại xác định: Ts (Time interval symbol).Ưu điểm của HTTT Số: Tiết kiệm năng lượngCó khả năng tái sinh tín hiệu nếu vượt qua ngưỡng -> có khả năng loại trừ tạp âm tích lũy sau từng cự ly nhất định. ( Tín hiệu số khỏe hơn tín hiệu tương tự).Có khả năng Điều khiển, xử lý, khai thác, quản trị và bảo trì (OA&M).Nhược điểm: Phổ rộng hơn HTTT tương tự. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng1.2. Sơ đồ khối của HTTT sốMã nguồnTạo dạngMã mậtMã kênhGhép kênhĐồng bộTrải phổĐa truy nhậpPhátGiải mã nguồnTạo dạngGiải mã mậtGiải mã kênhPhân kênhGiải điều chếGiải trải phổGiải Đa truy nhậpThuKênh TTĐíchNhận tinNguồn tinĐíchKhácNguồn khácĐiều chế**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngKhối tạo dạng: Tạo dạng tín hiệu, biến đổi tin tức cần truyền thể hiện ở dạng tín hiệu liên tục hay số có dạng chuỗi bit nhị phânMã hóa-giải mã nguồn: Nén và giải nén tin nhằm giảm tốc độ bít, giảm phổ chiếm của tín hiệu sốMã hóa-giải mã mật: Mã hóa-giải mã chuỗi bít theo 1 khóa nhằm bảo mật tin tứcMã hóa-giải mã kênh: sửa lỗi hướng đi FEC,chống nhiễu và các tác động xấu khác của kênh truyềnGhép-Phân kênh: Thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khác nhau tới các đích khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫnĐiều chế-Giải điều chế số (MODEM): Biến đổi chuỗi tín hiệu số thành các tín hiệu liên tục phù hợp (điều chế băng gốc) và điều chế RF ( Trộn tần, lọc, Khuếch đại và phát xạ vào môi trường).Trải- Giải trải phổ: Chống nhiễu cố ý và bảo mật tin tứcĐa truy nhập: Cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập mạng thông tin để sử dụng hệ thống truyền dẫn theo yêu cầuĐồng bộ: Đồng bộ nhịp và đồng bộ pha sóng mang đối với HT thông tin liên kết Lọc: Tại máy thu phát đầu cuối, bao gồm lọc cố định nhằm hạn chế phổ tần, chống tạp nhiễu và lọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gây bởi đường truyền.**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngTín hiệu từ đầu ra bộ tạo dạng tới đầu ra bộ ghép kênh có dạng chuỗi bítTín hiệu từ đầu ra bộ điều chế tới đầu ra máy phát có dạng chuỗi dạng sóng Các thuật toán từ bộ tạo dạng tới điều chế số: Thuật toán xử lý băng gốc (Baseband)Các thuật toán đa truy nhập, trải phổ và trộn tần, thu phát: Thuật toán xử lý tín hiệu cao tần băng dải ( Bandpass)1.3. HTTT số và các tham số đánh giá chất lượng HTTT số: Tập hợp các thiết bị và giải pháp kỹ thuật được thực hiện để truyền dẫn tín hiệu từ khối tạo dạng tín hiệu từ đầu phát tới khối tái tạo tín hiệu tại đầu thu.Yêu cầu HTTT số: Độ chính xác và tốc độ truyền tin (mâu thuẫn nhau)Tham số đánh giá độ chính xác truyền tin : BER, SERTham số đánh giá tốc độ truyền tin: Dung lượng tổng cộng (tốc độ truyền tin) của HT với một độ chính xác yêu cầu.B (tốc độ truyền thông tin-bps) , L: Độ lặp cần thiếtHiện tại B.L có giá trị từ vài trăm Mb/s-Km với các HT chuyển tiếp số hay cáp đồng trục, tới hàng ngàn Gb/s-Km với các hệ thống cáp quang**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngPhân loại:- Trong HT truyền dẫn số: Các tín hiệu số nhận giá trị trọng một tập hợp hữu hạn và trong một thời gian tồn tại hữu hạnKhi tập giá trị bao gồm giá trị 0 và 1: HT nhị phân, tín hiệu được gọi là bítKhi tập giá trị lớn hơn 2 ( giả sử M giá trị): Hệ thống M mức, tín hiệu gọi là Symbol.Gọi giá trị của Simbol thứ k là Dk và thời gian tồn tại của nó là Tk.Tại đầu thu tín hiệu được khôi phục là D’k và có độ rộng T’k.Nếu D’k khác Dk: Symbol bị lỗiNếu T’k khác T’k: T’k=Tk+δTk thì / δ/ được gọi là Jitter ( yêu cầu ≤ 5 %),các tín hiệu truyền hình yêu cầu jitter ≤ 500 µs, nhạy cảm với jitter do mất đồng bộ khung hình.HT nhị phân: đặc trưng bởi Tỉ lệ lỗi bít BER hay xác suất lỗi bít ( yêu cầu thấp nhất ≤ 10-4, - đối với dịch vụ điện báo truyền chữ)Hệ thống đa mức: Đặc trưng bởi Tỷ lệ lỗi Symbol SER.Độ giữ chậm tuyệt đối ( Độ trễ tín hiệu): yêu cầu ≤ 400ms**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngChương 2 Kênh thông tin và Pha đinh đa đườngBài 1: Kênh thông tin2.1. Đặt vấn đềCác cơ chế gây ra pha-đinh trong truyền dẫn vô tuyến điện được nghiên cứu từ những năm 1950, Lý thuyết và các mô hình về kênh pha-đinh không ngừng được phát triển và hoàn thiện. Kiến thức cơ sở về kênh thông tin là tối cần thiết cho mọi quá trình nghiên cứu và thiết kế các hệ thống thông tin vô tuyến. Các nội dung phân tích sau này luôn gắn kết chặt chẽ với các tính chất của kênh pha-đinh. Do đó, trước khi phân tích về các kỹ thuật truyền dẫn, mục này trình bày các kiến thức cơ bản về kênh thông tin và hiện tượng pha-đinh đa đường trên băng tần UHF, ảnh hưởng trực tiếp tới các hệ thống thông tin vô tuyến trong mạng tế bào và mạng LAN. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng2.2. Các khái niệm cơ bản về Kênh thông tinKênh thông tin là thuật ngữ chỉ môi trường truyền sóng từ máy phát tới máy thu. Khi nghiên cứu thiết kế các hệ thống thông tin, trước tiên người ta thường khảo sát chất lượng của hệ thống trên kênh tạp âm Gauss trắng cộng tính (AWGN). Đây là kênh bao gồm các mẫu tạp âm có phân bố độc lập thống kê làm sai lạc các dữ liệu không kể đến ISI. Tạp âm này được coi là có phổ rộng vô hạn với mật độ phổ công suất bằng phẳng trên mọi dải tần . Môi trường truyền sóng vô tuyến được coi là môi trường tự do, đồng đều và không hấp thụ. Khoảng cách từ đường truyền dẫn tới mặt đất được xem là xa vô cùng và sự phản xạ từ mặt đất coi như không đáng kể. Trong mẫu không gian tự do lý tưởng đó, công suất tín hiệu nhận được có thể ước lượng trước và hệ số suy giảm công suất phát được xác định theo công thức: - d là khoảng cách từ máy phát tới máy thu,  là bước sóng tín hiệu **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng - Kênh đa đường: Trong thực tế, việc truyền dẫn tín hiệu hầu hết diễn ra trong tầng khí quyển và gần với mặt đất. Mẫu giả thiết truyền dẫn trong không gian tự do trên là không thoả đáng để mô tả đặc tính của kênh cũng như để đánh giá chất lượng của hệ thống. Tín hiệu được truyền từ máy phát tới máy thu theo nhiều đường khác nhau (gọi là truyền dẫn đa đường) gây ra hiện tượng thăng giáng ngẫu nhiên về biên độ, pha và góc tới của tín hiệu thu, được gọi là pha-đinh đa đường. Ảnh hưởng của pha-đinh đa đường tới chất lượng tín hiệu truyền lớn hơn rất nhiều so với ảnh hưởng của AWGN. Ba cơ chế gây ra truyền dẫn đa đường là phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ, được mô tả tại hình1.1: **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng- Hiện tượng phản xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng nhẵn có kích cỡ rất lớn so với bước sóng. - Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che khuất bởi các vật chắn có kích cỡ lớn hơn so với bước sóng, gây ra các tia thứ cấp phía sau vật chắn. Hiện tượng tán xạ xảy ra khi sóng vô tuyến va chạm vào một bề mặt gồ ghề hay các vật thể có kích cỡ tương đương hoặc nhỏ hơn kích cỡ bước sóng làm đường truyền tín hiệu bị phân tán ra nhiều phía. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng- Hiệu ứng Doopler (Xem thêm Trang 185- KT truyền dẫn)Là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tín hiệu đã phát đi, gây bởi chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát.Tại máy thu, tần số tín hiệu nhận đuợc theo tia sóng thứ I là: f= fc+fd.cos фi. Với:fc: tần số sóng mangФi: góc tới của tia sóng thứ i so với hướng chuyển động của máy thu.fd: Độ dịch tần Doppler: fd= v.fc/c (c: vận tốc ánh sáng)Như vậy: Chỉ trong trường hợp máy thu đứng yên hoặc chuyển động vuông góc so với máy phát thì tần số của tín hiệu thu mới không đổi so với tần số phát.Khi máy thu chuyển động dọc theo huớng truyền sóng cos=1 thì hiệu ứng Doppler xảy ra mạnh nhất (máy thu đặt trên xe chuyển động trên xa lộ, an ten phát được bố trí dọc theo sa lộ).**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng2.3. Phân loại cơ chế pha-đinh2.3.1. Pha-đinh trên phạm vi rộngĐặc trưng cho sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu do sự thay đổi vị trí trên khoảng cách lớn, bị ảnh hưởng của địa hình và các vật chắn che khuất giữa máy phát và máy thu. Các số liệu thống kê về pha-đinh trên phạm vi rộng được cộng vào lượng suy hao đường truyền và thường được đánh giá bởi các giá trị trung bình của tín hiệu thu qua các khoảng cách 10-30 lần chiều dài bước sóng .2.3.2. Pha-đinh trên phạm vi hẹp Đặc trưng cho các biến đổi nhanh về biên độ và pha của tín hiệu, được khảo sát trên các thay đổi nhỏ theo vị trí không gian giữa máy phát và máy thu (cỡ 1/2 bước sóng ). **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngMối quan hệ giữa  (t) vớipha-đinh trên phạm vi rộng m (t) và pha-đinh trên phạm vi hẹp r0 (t) .(a) biểu diễn công suất của tín hiệu nhận được đối với sự thay đổi vị trí của anten theo số nguyên lần bước sóng, là một hàm của  (t). Pha-đinh chuẩn log là một hàm biến đổi tương đối chậm, trong khi r0 (t) là một hàm biến đổi nhanh theo thời gian.(a) pha-đinh trên phạm vi hẹp được cộng vào pha-đinh trên phạm vi rộng(b) pha-đinh trên phạm vi rộng được bỏ qua để thấy rõ tác động của pha-đinh trên phạm vi hẹp r0 (t) lên tín hiệu. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngKhi ước lượng tổn hao đường truyền để dự trữ năng lượng tín hiệu, cần quan tâm tới các thành phần:• Tổn hao đường truyền trung bình, là một hàm theo khoảng cách.• Dự trữ pha-đinh trên phạm vi rộng.• Dự trữ pha-đinh trên phạm vi hẹp. - Khi tín hiệu thu được tạo thành bởi thành phần tín hiệu trội (điển hình là tia truyền thẳng LOS) cộng với vô số các tín hiệu phản xạ, biên độ đường bao được mô tả bằng hàm mật độ xác suất Rice Khi đó pha-đinh được gọi là pha-đinh Rice Phân bố Rice thường được đặc trưng bởi tham số k, là tỉ số giữa công suất tia trội đối với công suất tín hiệu đa đường và được xác định bởi : k=A2/(22) - 2 : công suất trung bình trước tách sóng của tín hiệu đa đường. - A: biên độ đỉnh của thành phần tín hiệu không bị pha-đinh **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngKhi biên độ của tia trội tiến đến 0, hàm mật độ xác suất Rice tiệm cận tới hàm mật độ Rayleigh:Với một đường truyền đơn, hàm mật độ xác suất Rayleigh biểu diễn hàm mật độ xác suất của công suất tín hiệu nhận được trong trường hợp pha-đinh xấu nhất.2.4. Các loại Small Fading2.4.1. Phân loại pha-đinh do cơ chế trải trễ (phân theo thời gian trễ của tín hiệu) Căn cứ vào tương quan giữa thời gian trễ cực đại Tm và thời gian symbol Ts.Nếu Tm Ts: Kênh được gọi là pha-đinh chọn lọc theo tần số, khi các thành phần đa đường nhận được của một symbol nằm ngoài khoảng thời gian của symbol đó. Kênh như vậy còn được gọi là kênh gây ISI. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngBăng thông tương quan f0: là giới hạn thống kê của dải tần số mà kênh cho qua toàn bộ các thành phần phổ với độ suy giảm và xoay pha xấp xỉ như nhau. Xấp xỉ f0  1/ Tm. Trong đó, tốc độ symbol 1/Ts thông thường được lấy bằng tốc độ truyền hay băng thông của tín hiệu W. Trong thực tế W có thể khác 1/Ts do hệ thống lọc hoặc dạng điều chế dữ liệu (QPSK, MPSK, trải phổ....) Khi : W f0 Kênh được coi là pha-đinh chọn lọc theo tần số - Méo do pha-đinh chọn lọc theo tần số xảy ra khi các thành phần phổ của tín hiệu bị tác động khác nhau bởi kênh truyền. Các thành phần phổ tín hiệu bị nằm ngoài băng thông tương quan f0 sẽ bị tác động khác so với các thành phần nằm trong f0. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng2.4.2. Phân loại pha-đinh do trải Doppler (theo biến đổi của kênh do chuyển động) Sự phân tán trên đặc trưng cho đặc tính trải theo thời gian của tín hiệu trong một vùng cục bộ. Tuy nhiên chúng không thể hiện tính chất thay đổi theo thời gian của kênh do chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát, hoặc do chuyển động của các vật thể trong kênh, gây ra các biến đổi về biên độ và pha tín hiệu tại máy thu. Gọi thời gian tương quan T0 là khoảng thời gian giới hạn mà trong đó đáp ứng xung không biến đổi như mong muốn. Ts là khoảng thời gian phát của symbol T0> Ts: kênh được gọi là pha-đinh chậm. Tình trạng của kênh hầu như không đổi trong quá trình symbol được phát đi. Việc truyền các symbol không bị méo xung mà chỉ bị tổn hao về SNR, tương tự như pha-đinh phẳng. Nếu T0 fd (hay Ts T0).2.4.3.Tóm tắt các cơ chế gây Fading hẹp **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng CƠ CHẾ FADINGFading rộng Trên thay đổi lớn về vị tríSuy giảm tín hiệu trung bình theo khoảng cáchFading nhanhFading chậmTo(Td)>TsFading hẹp trên thay đổi nhỏ về vị tríSự thay đổi giá trị trung binhTrải theo thời gianTrễ của tín hiệu biến đổi theo thời giancủa kênhMô tả miền Tần sốMô tả miền thời gian trễMô tả miền Trải DopplerMô tả miền thời gian Fading phẳngTm thời gian symbol TsFading chậm( Doppler thấp, tổn hại SNR)Tốc độ fading kênh Fd tốc độ symbol WFading phẳng (Tổn hao SNR)Ts>Trải trễ TmMiền thời gian Miền Tần sốFading nhanh(Doppler cao, Lỗi PLL, BER không giảm được)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngKhi băng thông tín hiệu càng rộng so với băng thông tương quan của kênh, tính chất chọn lọc theo tần số càng rõ rệt, gây tổn hại nghiêm trọng đến chất lượng truyền dẫn2.6. Vai trò của OFDM với Fading nhanh và và Fading chọn lọc theo tần số- Để giảm méo do pha-đinh chọn lọc theo tần số, ngoài cách dùng các bộ lọc san bằng và các KT trải phổ thì OFDM là một phương pháp rất hiệu quả. - Trong hệ thống đơn sóng mang, pha-đinh hoặc xuyên nhiễu đơn có thể gây ảnh hưởng tới toàn bộ dữ liệu được phát đi.Nhưng trong hệ thống OFDM, do việc truyền dữ liệu được thực hiện trên nhiều sóng mang nên chỉ một phần dữ liệu bị ảnh hưởng. Sau khi thu, phần dữ liệu sai sẽ được khắc phục bằng các mã sửa sai. - Mặt khác, nhờ việc truyền dữ liệu được thực hiện đồng thời trên một số các sóng mang trực giao nhau nên băng tần được tiết kiệm một cách đáng kể.- Trong ứng dụng thực tiễn, với một trải trễ xác định, việc xây dựng một hệ thống OFDM ít phức tạp hơn nhiều so với một hệ thống sóng mang đơn dùng bộ san bằng **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngChương 3 Kỹ thuật OFDM3.1. Khái niệm, sự phát triển và vai trò của OFDM 3.1.1. Sự phát triển của OFDM Giai đoạn I : Nghiên cứu thử nghiệm và hoàn thiện 1966 : Patent US số 3,488,445 về OFDM của Robert Chang , Bell 1971 : S.B Weistein, Paul Ebert dề xuất sử dụng DFT, FFT và CP.Giai đoạn II : Ứng dụng trong các hệ thống truyền thông băng rộng 1990 : Các hệ thống truyền dẫn số HDSL1.6 Mbps, ADSL 6Mbps, VDSL 100Mbps. 1995-1997 : Chuẩn ETSI Châu Âu cho các hệ thống DAB, DVB-T, 1999-2002: Chuẩn IEEE 802.11a/g cho WAN(WI-Fi) 5/2.4MHz, 54MbpsGiai đoạn III : Nâng cao chất lượng, mở rộng các ứng dụng băng rộng và UWB 2004 : Chuẩn IEEE 802.16 cho W-MAN (Wi-MAX ), IEEE 802.11.n cho WLAN/MIMO200-540Mbps, IEEE 802.15.3.a cho UWB-WPAN/MB-OFDM 2006 :ứng cử viên có triển vọng nhất cho thế hệ thông tin 4G **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng3.1.2. Khái niệm OFDM- Kỹ thuật truyền dữ liệu song song và FDM bắt đầu phổ biến vào những năm 60. Toàn bộ băng tần tín hiệu được chia thành N kênh con. Mỗi kênh điều chế một symbol M-PSK hoặc M-QAM khác nhau. Trên miền tần số, các sóng mang được bố trí cách nhau một khoảng cách về tần số (khoảng tần số phòng vệ) sao cho có thể thu được tín hiệu bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Khoảng tần số phòng vệ dẫn đến không tận dụng phổ tần một cách hiệu quả. Ý tưởng ghép kênh phân chia theo các tần số gối nhau, nhằm sử dụng tối đa băng thông và tăng khả năng chống pha-đinh chọn lọc theo tần số: các sóng mang được sắp xếp sao cho điểm cực đại của phổ sóng mang này tương ứng điểm cực tiểu của phổ sóng mang khác. (các sóng mang phải trực giao nhau về mặt toán học). có thể tiết kiệm 50% băng thông. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng 3.2. Bản chất OFDM Là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang được phân bổ trực giao nhau. - Máy thu đóng vai trò như một tập hợp các bộ giải điều chế. Tín hiệu sau giải điều chế được tích phân trong khoảng thời gian symbol để khôi phục dữ liệu. - Nếu các sóng mang được chuyển xuống kế tiếp nhau, trên miền thời gian sẽ có toàn bộ chu trình trong khoảng thời gian symbol T. - Quá trình tích phân sẽ có kết quả bằng 0 với các sóng mang khác nếu khoảng cách giữa các sóng mang là 1/2T( Lệch pha 900) (trực giao nhau). **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng Weistein và Ebert : Áp dụng DFT vào các HT truyền dữ liệu song song với tư cách là một phần của quá trình điều chế và giải điều chế. (1971). - Việc sử dụng DFT tại máy thu và tính toán các giá trị tương quan tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang sẽ khôi phục được dữ liệu phát đi mà không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang khác. Nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên DFT, OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng lọc giải thông mà nhờ quá trình xử lý băng gốc . - Phổ biên độ của xung vuông bằng sinc(fT), và bằng 0 tại các tần số f bằng số nguyên lần của 1/T. ( hình 1.5) - Tại điểm cực đại của mỗi phổ sóng mang, phổ của các sóng mang khác bằng 0. Mỗi máy thu OFDM tính toán cần thiết sao cho giá trị phổ tại các điểm đó tương ứng với cực đại của các sóng mang riêng biệt, có thể giải điều chế từng sóng mang dễ dàng và tránh khỏi xuyên nhiễu của các sóng mang khác. - Ứng dụng IFFT và FFT cho máy phát và máy thu làm giảm đáng kể số phép tính trong quá trình thực hiện. - Việc số hoá hoàn toàn phần cứng thực hiện biến đổi FFT và những tiến bộ trong công nghệ VLSI tạo những chip FFT có dung lượng lớn, tốc độ cao và có khả năng thương phẩm. -**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*IFFT làm giảm đáng kể tổng số các phép tính bằng cách lợi dụng quy tắc của các thao tác trong IDFT. Việc sử dụng thuật toán bậc 2 và IFFT N điểm chỉ cần có (N/2).log2(N) phép nhân phức. (Ví dụ với phép biến đổi 16 điểm, 256 phép nhân của IDFT được thay bởi với 32 phép nhân của IFFT, giảm hơn 8 lần). Sự khác nhau này tăng lên khi số lượng các sóng mang lớn lên, vì sự phức tạp của IDFT tăng theo bình phương N, trong khi sự phức tạp của IFFT chỉ tăng nhanh hơn quy luật tuyến tính một chút . **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*3.3. Các biện pháp kỹ thuật trong OFDM3.3.1. Chèn khoảng thời gian phòng vệ Tg - Một trong những lý do quan trọng nhất để sử dụng OFDM là hiệu quả của nó trong xử lý trải trễ đa đường. (chia dòng dữ liệu đầu vào thành Ns sóng mang, Ts tăng Ns lần, tương tự trải trễ đa đường giảm Ns lần so với Ts ) - Khoảng thời gian phòng vệ được chọn lớn hơn trải trễ dự đoán để cho các thành phần đa đường từ một symbol không gây nhiễu tới symbol bên cạnh (ISI)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*3.3.2. Chèn tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix) - Thời gian phòng vệ Tg có thể để trống và không truyền tín hiệu, tuy nhiên khi đó ICI sẽ tăng lên vì chúng không còn trực giao nữa. - VD chỉ có sóng mang 1 không bị trễ và sóng mang 2 bị trễ. Khi máy thu OFDM giải điều chế sóng mang 1, nó sẽ thu cả nhiễu từ sóng mang 2 vì trong khoảng FFT không đảm bảo số nguyên lần sự khác nhau về chu kỳ giữa sóng mang 1 và 2. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng* - Để loại trừ ICI, symbol OFDM cần được kéo dài theo chu kỳ trong thời gian phòng vệ Đảm bảo các bản sao bị trễ của symbol OFDM luôn có 1 số nguyên về chu kỳ giữa khoảng cách FFT, miễn là độ trễ nhỏ hơn thời gian phòng vệ. Các tín hiệu đa đường có độ trễ nhỏ hơn thời gian phòng vệ không gây ra ICI. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng* - Trong thực tế, một phần tín hiệu trong khoảng thời gian symbol được copy và chèn vào phía trước khoảng thời gian FFT để tạo ra khoảng thời gian phòng vệ (Tg), phần tín hiệu này sẽ bị loại bỏ tại máy thu để loại trừ ISI và ICI**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng* Kết quả mô phỏng Giản đồ sao của tín hiệu 16-QAM không bị méo khi trễ đa đường nằm trong khoảng thời gian phòng vệ. - Khi trễ đa đường vượt quá thời gian phòng vệ là 3% của thời gian FFT, các sóng mang không còn trực giao, nhưng xuyên nhiễu vẫn đủ nhỏ và có thể nhận ra dạng của giản đồ hình sao. - Khi trễ đa đường vượt quá thời gian phòng vệ là 10% thời gian FFT, xuyên nhiễu lớn tới mức giản đồ hình sao bị phân tán trầm trọng, gây ra tỷ lệ lỗi không chấp nhận được.Giản đồ hình của tín hiệu OFDM với kênh đa đường 2 tiatia thứ 2 thấp hơn 6 dB so với tia thứ nhất **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*3.4. Sơ đồ khối băng gốc hệ thống OFDM Tuyến phát: chuỗi DL được biến đổi từ nối tiếp sang song song, tới bộ ánh xạ điều chế M-PSK hoặc M-QAM; được chuyển từ miền tần số sang miền thời gian nhờ bộ biến đổi IFFT, khoảng phòng vệ được chèn vào symbol OFDM để chống ISI. Nhánh thu: việc xử lý tín hiệu số bắt đầu với giai đoạn huấn luyện để xác định thời gian symbol và độ dịch tần. FFT được sử dụng để giải điều chế các sóng mang. Đầu ra của FFT bao gồm Ns giá trị M-PSK hoặc M-QAM, chúng được giải điều chế để tạo ra các dữ liệu ra nhị phân. Để ánh xạ được các giá trị QAM thành các giá trị nhị phân đúng, cần phải thu được pha và biên độ tham chiếu của các sóng mang. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*3.5. Thiết kế và lựa chọn các tham số OFDM - Các yêu cầu của hệ thống bao gồm: Băng thông có sẵn, tốc độ bit yêu cầu, trải trễ chấp nhận được và các giá trị Doppler. - Các tham số OFDM cơ bản cần được xác định: Khoảng cách giữa các sóng mang, dạng điều chế cho sóng mang, dạng mã hoá sửa lỗi hướng đi. - Một số trong số các các yêu cầu đặt ra mâu thuẫn với nhau: khi cần có dung sai trải trễ tốt, người ta muốn dùng nhiều sóng mang với khoảng cách sóng mang nhỏ, nhưng đối ngược với dung sai này là trải Doppler và tạp âm pha. Việc lựa chọn các tham số của OFDM cần được dung hoà giữa các yêu cầu để có sự kết hợp tốt nhất. Thông thường, ta chú ý tới 3 yêu cầu cơ bản ban đầu là: Băng thông, tốc độ bit và trải trễ. Cụ thể :Trước hết , Trải trễ quyết định trực tiếp tới thời gian phòng vệ. Theo quy luật thông thường thời gian phòng vệ cần chọn từ 2 tới 4 lần của trải trễ trung bình rms. Giá trị này phụ thuộc vào dạng mã hoá và điều chế M-QAM. Giá trị bậc M càng cao, hệ thống sẽ càng nhạy với ICI và ISI. Việc sử dụng các bộ mã mạnh có thể giảm đáng kể ảnh hưởng của xuyên nhiễu đó.**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng* - Khi thời gian phòng vệ đã được xác định, thời gian symbol cũng giữ nguyên. Để giảm nhỏ sự thiệt hại tỷ số tín trên tạp gây bởi thời gian phòng vệ, ta cần thời gian symbol rộng hơn thời gian phòng vệ. (không thể lớn tuỳ tiện vì khoảng thời gian symbol rộng có nghĩa là có nhiều sóng mang với khoảng cách sóng mang nhỏ hơn, việc thực hiện phức tạp hơn, nhậy cảm hơn đối với tạp âm pha và sự dịch tần, cũng như tỷ số công suất đỉnh trên trung bình tăng lên. - Trong thực tế cần chọn khoảng thời gian symbol ít nhất là gấp 5 lần thời gian phòng vệ Sau đó, số lượng các sóng mang được xác định theo chỉ tiêu băng thông -3dB, xác định bởi khoảng cách sóng mang. Khoảng cách sóng mang tính bằng nghịch đảo của khoảng cách symbol trừ đi thời gian phòng vệ. - Số lượng các sóng mang có thể được chọn bằng tốc độ bit yêu cầu, được chia thành tốc độ bit trên một sóng mang. Tốc độ bit trên một sóng mang được xác định bởi bậc điều chế, tốc độ mã hoá và tốc độ symbol. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*3.6. Ưu-nhược điểm của OFDM. Khi so sánh với các hệ thống đơn sóng mangCác ưu điểm cơ bản:OFDM là một biện pháp hiệu quả trong sử dụng băng tần, chống lại pha-đinh chọn lọc theo tần số và xử lý ISI do đa đường trong truyền dẫn băng rộng. OFDM có khả năng rất mạnh chống lại xuyên nhiễu băng hẹp, bởi vì tác động của xuyên nhiễm đó chỉ ảnh hưởng tới một phần trăm nhỏ của các sóng mang, các bít bị sai có thể được khôi phục bằng cách sử dụng các bộ mã sửa lỗi.Với một trải trễ xác định, việc thực hiện ít phức tạp hơn đáng kể so với hệ thống sóng mang đơn sử dụng bộ san bằng.Do đó OFDM đặc biệt hấp dẫn với các ứng dụng truyền thông và tạo ra khả năng thực thi cho mạng vô tuyến. Nhược điểm so với hệ thống đơn sóng mang:OFDM nhạy hơn đối với dịch tần số và tạp âm pha do thời gian symbol tăng.OFDM có tỷ lệ công suất đỉnh/ trung bình tương đối lớn, làm giảm hiệu quả công suất của bộ khuếch đại RF. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*2.7. Các ứng dụng cơ bản của OFDM.1957: Hệ thống thông tin quân sự Kineplex sử dụng modem đa sóng mang trên HF. 1966: Patent US số 3,488,445 về OFDM của Chang. R, phòng thí nghiệm của Bell .1971: Weinstein và Ebert đề xuất sử dụng FFT và khoảng thời gian phòng vệ. 1985: Cimini biểu diễn các ứng dụng của OFDM cho thông tin di động1987: Alard & Lasalle: COFDM cho phát thanh và truyền hình số. 1988: Thử nghiệm đường truyền vô tuyến bằng OFDM tại Paris.1990: Thử nghiệm OFDM tại Princeton, USA 1992: Thử nghiệm thiết bị OFDM thế hệ 2 với tốc độ 70 Mbit/s trên kênh 8 MHz tại Wuppertal, Germany 1992: Thử nghiệm thiết bị OFDM thế hệ 2 với BBC, London, UK. 1993: Triển lãm hệ thống 4 kênh TV và một kênh HDTV trên kênh 8MHz. 1993: Morris thử nghiệm hệ thống wireless LAN -OFDM 150Mbit/s 1995: Chuẩn đầu tiên ETSI tại châu Âu cho hệ thống DAB sử dụng OFDM . 1997: Chuẩn ETSI cho hệ thống DVB-T. 1998: Dự án Magic WAND sử dụng các modem OFDM cho wireless LAN .1999: chuẩn IEEE 802.11a cho wireless LAN (Wi-Fi) với tốc độ truyền tới 54Mbps, băng thông 20Mhz trên băng tần 5Mhz. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*2000: Bản quyền truy nhập mạng wireless cố định (V-OFDM, Flash-OFDM, etc.) 2002: Chuẩn IEEE 802.11g cho wireless LAN với tốc độ truyền tới 54Mbps, băng thông 20Mhz trên băng tần 2.4 Mhz.2004: Chuẩn IEEE 802.16-2004 cho wireless MAN (WiMAX) 2004: Chuẩn ETSI cho hệ thống DVB-H 2004: Chuẩn IEEE 802.11n cho mạng wireless LAN thế hệ mới với tốc độ truyền từ 200-540Mbps trên băng tần 2, 4 và 5Mh nhờ sự kết hợp của OFDM và công nghệ MIMO. 2004: Chuẩn IEEE 802.15.3a cho hệ thống UWB- wireless PAN sử dụng MB-OFDM 2005: Ứng cử viên cho các chuẩn tế bào di động 3.75G (3GPP & 3GPP2 Long Term Evolution)) với tên gọi là High Speed OFDM Packet Access (HSOPA) 2006: Ứng cử viên cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ 4G Sự phát triển của OFDM liên tục theo các mốc thời gian như trên chứng tỏ rằng đây là một giải pháp hữu hiệu và được ứng dụng rộng rãi không chỉ cho các hệ thống thông tin băng rộng mà còn cả cho hệ thống thông tin băng cực rộng (UWB). 2010: Ứng dụng OFDM cho các hệ thống 4G cùng công nghệ MIMO Các biện pháp nâng cao chất lượng hệ thống OFDM là một chủ đề hiện được các nhà khoa học trên thế giới hết sức tập trung nghiên cứu. Một trong những hướng nghiên cứu mới về OFDM là OFDM thích nghi (AOFDM). Các nội dung cơ bản của AOFDM sẽ được phân tích cụ thể trong mục tiếp theo. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*3.7. OFDM thích nghi3.7.1. ý tưởng và điều kiện OFDM thích nghi- Trên các kênh pha đinh chọn lọc theo tần số: ảnh hưởng của pha đinh tới các sóng mang con là khác nhau, đặc tính BER trên các sóng mang con là khác nhau ý tưởng AOFDM: Trong điều kiện kênh biến đổi chậm, có thể tăng chất lượng của hệ thống OFDM bằng cách thay đổi các tham số phát trên các sóng mang thích nghi theo điều kiện truyền. 3.7.2. Chu trình thích nghi Ước lượng kênh (Channel Estimation).Thay đổi tham số thích nghi (Parameter Adaptation)Báo hiệu tham số (Signaling Parameters) **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*3.7.3. Thích nghi tham số (Parameter Adaptation)Adaptive Modulation : Thích nghi các sơ đồ điều chế bậc cao theo SNR trên các sóng mang (Steele, Webb -1991) Adaptive Coding : Thích nghi các tham số mã hoá theo SNR trên các sóng mang (Sampei, Gold Smith, Pearce, Hanzo...- 2000) , - Thích nghi tham số OFDM (Lai Lifeng-2003)Adaptive Mapping :  Đề xuất trong luận án TS **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng1. Ước lượng kênhXác định hàm truyền đạt của kênh trên các băng con.Phương pháp sử dụng các sóng mang Pilot**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng2. Các phương thức báo hiệuBáo hiệu vòng hởBáo hiệu vòng kínDownlinkCác dạng điều chế tín hiệu được sử dụng bởi BSMSĐánh giá chất lượng kênh quan sát được và quyết định dạng truyền của TX tại chỗBSĐánh giá chất lượng kênh nhận được và quyết định dạng truyền của TX tại chỗDownlinkCác dạng điều chế tín hiệu được sử dụng bởi MSMSĐánh giá chất lượng kênh quan sát được và báo hiệu dang truyền yêu cầu tới BSTXBSĐánh giá chất lượng kênh quan sát được và báo hiệu dang truyền yêu cầu tới MSTX**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng3. Điều chế thích nghiMã hóa thích nghi..Thích nghi tham số OFDM.Điều chế thích nghi**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngChương 4. Lý thuyết về điều chế đa mức4.1. Đặt vấn đềNhu cầu về dung lượng của HTTTNhu cầu về điều chế thích nghi trên kênh chọn lọc theo tần sốVai trò điều chế đa mức 4.2. Phân biệt HTTT nhị phân và đa mức4.3. Các bộ điều chế M-PSK- Ánh xạ giữa tập bit được truyền và tập symbol tín hiệu- Mỗi Symbol tín hiệu tương ứng với log M bit DataĐiều chế QPSK- Xét bộ ánh xạ Gray, SP- Mỗi Symbol truyền đi tương ứng với 2 bit DataĐiều chế 8-PSK- Xét bộ ánh xạ Gray, SP - Mỗi Symbol truyền đi tương đương với 3 bit Data **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng4.4. Các bộ điều chế M-QAM- Ánh xạ giữa tập bit truyền và tập symbol tín hiệu- Mỗi Symbol tín hiệu tương đương với log2 M bit DataĐiều chế 4-QAM- Mỗi Symbol truyền đi tương đương với 2 bit Data- Xét sự tương đương với 4-PSK/QPSKĐiều chế 16-QAM- Xét bộ ánh xạ Gray, SP - Mỗi Symbol truyền đi tương đương với 4 bit Data **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngNhận xét: ( xem thêm trang 130 KT truyền dẫn số)Để cùng đạt được một BER đã cho, với M>8, EQ sẽ lợi hơn Ep ( với EQ là năng lượng max của tín hiệu QAM, do đó năng lượng trung bình của tín hiệu M-QAM sẽ còn bé hơn).Với hệ thống có dung lượng lớn ( tốc độ bít lớn) người ta thường sử dụng các bộ điều chế đa mức để tiết kiệm phổ tần như 2,4,8 PSK, hay 4, 16, 64QAM Trong hệ thống điều chế đa mức người ta còn đánh giá sai lỗi của hệ thống qua chỉ số SER (Symbol Error Rate)Trong hệ thống M mức, mỗi symbol gồm k bít (k=log2M)SER/k≤BER≤SERBER=SER/log2M4.5.Ứng dụng các bộ điều chế đa mức trong HTTTỨng dụng trong OFDM thích nghi Ứng dụng trong OFDM-BICM-ID ánh xạ thích nghi**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng4.6. Mô phỏng các HTTT và HT điều chế đa mức**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngThuật toán thích nghiBan đầu với mức SNR = 0BPSKTăng SNR = 0,1,2,..,35So Sánh BER C: khụng cú một bộ mó nào cú thể truyền được để thoả món xỏc suất tiến đến 0.Trường hợp đầu vào nhị phõn, đầu ra bất kỳ, tốc độ mó ẵ, giới hạn Shannon là xỏc suất lỗi bớt Pb(e)=10-5 tại xấp xỉ 0.2 dB.Phõn loại mó kờnh: Mã dạng sóngMã kênhMã chuỗi có cấu trúcMã khối(Hamming, RS, BCH)Mã xoắn(Convolution Code)Mã liên kếtNối tiếp(SCCC)Mã kết hợpLiên kết(TCM, BICM-ID)Mã liên kết song song(PCCC- Turbo)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*Mã khối (n,k): Được nghiên cứu đầu tiên nên hoàn chỉnh về mặt lý thuyết.Gồm n từ mã, trong đó có k bít tin. (số lượng bít dư là n-k, tốc độ mã hoá là k/n). K bít tin đuợc sắp xếp độc lập giữa các từ mã nên đuợc gọi là mã không nhớ.Đầu tiên là mã Hamming, sau đó là mã RS, Mã BCH ( tổng quát cho bộ mã Hamming và Golay) có tối ưu khoảng cách giữa các từ mã với khả năng sửa lỗi cụm mạnh, thường sử dụng trong các mã liên kếtCác thuật toán giải mã: Giải mã ngưỡng, giải bằng hàm số tuyến tính, giải mã tuần tựNhận xét: Chuỗi DL phát có cấu trúc khung, bộ giải mã làm việc sau khi toàn bộ khung đã thu được, dẫn đến trễ tín hiệu khi khung DL quá lớn.Giải mã khối đòi hỏi đồng bộ khung chính xác, bộ giải mã phải biết đâu là ký hiệu đầu tiên trong từ mã hoặc khung DL.Các bộ giải mã khối dựa trên cơ sở đại số thường là giải mã quyết định cứng, đầu vào bộ giải mã là các giá trị nhị phân. ( các bộ giải mã khối quyết định mềm có độ phức tạp lớn ).Cùng một độ phức tạp, mã xoắn cho chất lượng tốt hơn nhiều so với mã khối. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*5.4. Mã Xoắn (convolutional Code)5.4.1. Khái niệm chung:Ý tưởng: Với các khung tin lớn, nếu dùng mã khối thì các khối sẽ độc lập nhau. Trong khi việc truyền tín hiệu trên kênh là liên tiếp, các khung tín hiệu sẽ chịu tác động liên quan đến nhau. Làm sao cho các khối mã có liên hệ, dùng kết quả giải mã lần trước để làm tham số cho lần sau.Với kênh Gauss: phương sai σ2 có thể thay đổi. Vì vậy cần có giải mã quyết định mềm phù hợp với trạng thái của kênh.Khái niệm: (Elias-1955): Là bộ mã có nhớ, k bít đầu vào được xắp xếp để tạo thành n bít đầu ra, là một hàm phụ thuộc vào quá khứ.5.4.2. Thuật toán giải mã: Thuật toán giải mã tuần tự ( Wozencraft 1957 và được phát triển bởi Fano 1963) (số lượng tính toán giải mã là vô hạn), Thuật toán giải mã ngưỡng (Masey-1963) (số lượng tính toán hạn chế), Thuật toán Viterbi (VA-1967): Giải mã không tuần tự, giới hạn số lượng phép tính trên mỗi bước giải mã (không bị tràn như thuật toán giải mã chuỗi, đơn giản hơn thuật toán giải mã ngưỡng). Là thuật toán giải mã cực tiểu xác suất lỗi.**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*1966: Forney đưa ra ý tưởng liên kết các mã thành các tầng: Mã xoắn được sử dụng làm mã vòng trong, mã RS làm mã vòng ngoài kết hợp bộ xáo trộn, được sử dụng làm chuẩn NASA trong các HT TT vũ trụ. Theo Forney: Nếu độ phức tạp của bộ mã hóa và giải mã tăng theo hàm đại số thì chất lượng sửa sai tăng theo hàm Log.Chất lượng của các họ mã trên còn cách xa giới hạn Shannon: VD bộ mã Qualcom tốc độ ½ với chiều dài ràng buộc k=7 chỉ đạt xác suất lỗi 10-5 tại 4.3 dB.1993, 1996: Các bộ mã liên kết song song ( Turbo hay PCCC) cùng với thuật toán giải mã lăp được giới thiệu, chất lượng của các bộ mã này có thể tiến gần vài phần mười dB so với giới hạn Shannon. Các mã liên kết sau này (TCM, BICM-ID đều sử dụng với mã hạt giống là mã xoắn *(Chuyªn ®Ò 2)5.4.3.Tóm lược lịch sử phát triểnÝ TƯỞNG TẠO SỰ RÀNG BUỘC TRONG CHUỖI TIN THEO THỜI GIAN1955 ELIAS ĐƯA RA KHÁI NIỆM CONVOLUTIONAL CODES1957 WOZENCRAFT ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP GIẢI Mà TUẦN TỰ1963 FANO PHÁT TRIỂN TIẾP PHƯƠNG PHÁP NÀY1963 MASSEY GỢI Ý VIỆC GIẢI Mà NGƯỠNG Mà XOẮN1966 ZIGANGINOV GIỚI THIỆU THUẬT TOÁN NGĂN XẾP PHỤC VỤ GIẢI Mà TUẦN TỰ1967 VITERBI GIỚI THIỆU THUẬT TOÁN GIẢI Mà VITERBI1967 FORNEY ĐƯA RA KHÁI NIỆM LƯỚI (TRELLIS)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng Máy mã Wozencraft (Feed Forward)Sơ đồ tổng quátb bit đầu vàoc bit raGiá trị bít ra Phụ thuộc giá trị bítđầu vào và trạng tháIcủa ô nhớ.Thí dụ mã [5 7]**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng Máy mã Fano (systematic)Sơ đồ tổng quátThí dụ mã [5 7]**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngMáy mã có phản hồi (Recursive Systematic)Sơ đồ tổng quátCó cùng hàm truyền**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng5.4.4. Biểu diễn mã ở dạng ma trận sinhv = uGVới mã [5,7]:G0 = (11) G1 = (10) G2 = (11) **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng5.4.5. Biểu diễn mã bằng đồ hình chuyển trạng tháiCấu tạo máy mã: Xét mã 4 trạng thái G [5 7]**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng5.4.6. Biểu diễn mã ở dạng câyCây mãĐầu vào 1011Đầu ra 11 10 00 01**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng5.4.7. Biểu diễn mã dạng lưới.**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng5.4.8. Các khái niệm của mã xoắnKhoảng cách tự doKhả năng sửa lỗi của bộ mã: <dfree/2 Hàm truyền: Xuất phát từ đồ hình chuyển đổi trạng thái máy mã, ta tìm được hàm truyền bằng kĩ thuật lưu đồ tín hiệu chuẩn.**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngHàm truyền: Suy ra: T(W)=W5/(1-2W) = W5+2W6 +4W7 +..+ 2k Wk+5 Do đó dfree=5**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng5.4.9. Giải mã Maximum Likelihood ( hợp lẽ Cực đại)Có dH=5, Gỉa sử thu được từ mã 11 00 11 00 10 ta giai mã được 11 10 11 00 00, sửa được 2 bít.Chọn từ mã ước lượng r, sao cho có cự ly tới từ mã r thu được là nhỏ nhất**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng5.4.10. Giải mã ViterbiTa có dfree=5 : Giả sử chuỗi thu vào là: 10 01 10 01 01 00Giải mã sẽ là : 11 01 10 01 11 00 (sửa được 2 bit)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng5.4.11.Giới hạn dung lượng và mức độ độ lợi mã hoá.**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng5.5. Mã liên kết nối tiếp (SCCC)Liên kết nối tiếp với mã Reed-Solomon- Giới thiệu bởi Forney năm 1967: mã vòng ngoài là mã RS và mã vòng trong là mã xoắn, cách biệt nhau bởi 1 bộ xáo trộn bít.Ưu: lợi dụng được khả Năng chống lỗi cụm tốt của mã RS và khả năng sửa lỗi của mã xoắn kết hợp với bộ xáo trộn bít.Nhược: Số lượng tính toán lớn, chất lượng kém tại vùng SNR nhỏ.**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng5.6. Mã liên kết song song (Turbo)1. Bộ mã hóa:Gồm ít nhất 2 bộ mã xoắn hệ thống đệ quy và bộ xáo trộn2. Giải mã Turbo:Sử dụng thuật toán giải mã lặp của Berrou: đầu vào mềm. đầu ra mềm SISO. Đầu ra bộ giải mã là tổng hợp của xác suất tiên nghiệm, xác suất hậu nghiệm về bít hệ thống theo các bít hệ thống và lưới cơ sở. Thông tin về các bít trong lần lặp này được sử dụng làm thông tin tiên nghiệm cho lần lặp tiếp theo.Với số lần lặp và kích thước bộ giả xáo trộn lớn, Các kết quả mô phỏng (ĐATN Thùy )**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*5.7. Mã BICM-ID(Bit-Interleaved Coded Modulation With Iterative Decoding)5.7.I. Tại sao dùng BICM-ID?1982 : Sơ đồ TCM của Ungerboek [40] Kết hợp bộ mã hóa và điều chế Có chất lượng tốt trên kênh Gauss và kém trên kênh pha đinh.1992 : E. Zehavi – sơ đồ Điều chế mã hóa có xáo trộn bít BICM [44] Có chất lượng tốt trên kênh pha đinh nhưng lại kém trên kênh Gauss do không thể tối ưu hóa theo tiêu chuẩn cực đại hóa cự ly Euclid.1997 : X.Li và Ritcey- Sơ đồ BICM –ID[28] Kết hợp BICM và giải mã lặp  Có chất lượng tốt cả trên kênh Gauss và kênh pha đinh **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*5.7. 2. Nguyên lý giải mã lặp BICM-ID(Hình 6)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*5.7.3. Nhận xét: Chất lượng của hệ thống BICM-ID phụ thuộc: Chất lượng giải điều chế khi không có thông tin tiên nghiệm ( hoặc khi hệ thống làm việc ở vùng SNR thấp) Mức độ cải thiện khi có thông tin phản hồi trong các lần lặp sau (khi hệ thống làm việc ở vùng SNR cao). Nhờ tăng ích xáo trộn bít và giải mã lặp  Đặc tính BER vượt trội của hệ thống  BICM-ID là một giải pháp để nâng cao chất lượng hệ thống OFDM và AOFDM. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng*5.7.4. Mô phỏng hệ thống OFDM BICM-ID (Hình 9)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng* Kết quả mô phỏng hệ thống OFDM BICM-ID (a)(b)(c)(d)(Hình 10) Với bộ mã BICM-ID có kết cấu tương đối đơn giản, có thể cải thiên đáng kể chất lượng hệ thống OFDM trên kênh pha đinh +AWGN.**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng5.7.5.OFDM Thích nghi tham số (Parameter Adaptation)Điều chế thích nghi ( Adaptive Modulation) : (Steele, Webb -1991) -Thích nghi các sơ đồ điều chế bậc cao theo SNR trên các sóng mang Mã hóa thích nghi (Adaptive Coding) : (Sampei, Gold Smith, Pearce, Hanzo...- 2000) - Thích nghi các tham số mã hoá RRNSC, Tur bo.Tham số thích nghi (Adaptive parameters ) (Lai Lifeng-2003)- Thích nghi khoảng thời gian phòng vệ Nhược điểm: Thông lượng của hệ thống thay đổi Nghiên cứu phương pháp thích nghi mới -Ánh xạ thích nghi (Adaptive Mapping) ( Xem thêm ĐATN- Đăng Ái- ĐHĐT K1) **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng5.7.6. Kết quả nghiên cứu hệ thống AOFDM BICM –ID (Tham khảo) AOFDM truyền thống (Adaptive Modulation) Giải pháp Ánh xa thích nghi Lợi dụng đặc tính lỗi bít theo SNR khác nhau của các bộ ánh xạ tín hiệu điều chế.Thay đổi các bộ ánh xạ tín hiệu theo ngưỡng SNR nhận biết được  Tối ưu hóa đặc tính lỗi bít của hệ thống, đảm bảo được thông lượng của hệ thống là không đổi. Hạn chế:Thông lượng thông tin thay đổi trên các sóng mang.Tỷ số công suất đỉnh trên trung bìnhQuá trình thích nghi đa mức bị hạn chế tại ngưỡng mà tại đó các bộ mã sửa lỗi vẫn hoạt động tốt.(Hình 11)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng Ánh xạ thớch nghi cho hệ thống QPSK Lựa chọn cỏc bộ ỏnh xạ QPSK (a) Bộ ánh xạ Gray [ 0 1 3 2] (b)Bộ ánh xạ SP [ 0 1 2 3] (c) Bộ ánh xạ MSE W [ 0 2 1 3] (d) Bộ ánh xạ “4 in 6” [ 0 2 1 3] (Hình 12)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngKết quả BER Hệ thống Ánh xạ thích nghi QPSK (a)(b)(c)(d)Dùng phương pháp Ánh xạ thích nghi Tối ưu hóa đặc tính lỗi bít của hệ thống, đạt lợi ích đáng kểt về SNR Thông lượng của hệ thống là không đổi. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng Ánh xạ thớch nghi cho hệ thống 8-PSK Cấu trỳc cỏc bộ ỏnh xạ 8-PSK truyền thống (a) Bộ ánh xạ Gray [0 1 3 2 7 6 4 5] (b) Bộ ánh xạ SP [ 0 1 2 3 4 5 6 7] (Hình 14)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng Cấu trúc các bộ ánh xạ 8-PSK có cự ly bít lớn (c) Bộ ánh xạ Gray modified [ 0 1 3 5 4 6 7 2 ] (d) Bộ ánh xạ MSEW-C [ 0 3 6 1 2 5 4 7 ] (Hình 15)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngKết quả BER Hệ thống Ánh xạ thích nghi 8-PSK (a)(b)(c)(d)(Hình 16)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng Ánh xạ thớch nghi cho hệ thống 16QAM Cấu trỳc cỏc bộ ỏnh xạ 16QAM truyền thống (a) Bộ ánh xạ Gray(b) Bộ ánh xạ SP(Hình 17)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng Cấu trúc các bộ ánh xạ 16QAM có cự ly bít lớn(c) Bộ ánh xạ Gray modifed(d) Bộ ánh xạ MSEW(Hình 18)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngKết quả BER Hệ thống Ánh xạ thích nghi 16QAM (a)(b)(c)(d)(Hình 19)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngGiải pháp kết hợp Ánh xạ thích nghi và Điều chế thích nghi (a)(b)(a)(Hình 20)Lợi ích: - Tối ưu hóa đặc tính lỗi bít trên toàn dải SNR.- Tránh sự nhảy mức lên xuống liên tiếp.NX: Mấu chốt của Phương pháp ánh xạ thích nghi là tìm được các bộ ánh xạ tín hiệu có chất lượng tốt trên các dải SNR **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngNGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ Căn cứ Chất lượng của hệ thống BICM-ID phụ thuộc vào cấu trúc của các bộ ánh xạ tín hiệu và SNR công tác (*) [28].Mục đíchTạo ra các bộ ánh xạ có cự ly bít lớn theo tiêu chuẩn MSEW (Maximum Squared Euclidean Weight ).Hiện tại Một số bộ ánh xạ tìm được theo phương pháp hàm truyền bởi Jutan, Gordon và Stuber (2005) [25], song quá phức tạp và chưa đầy đủ.Phương phápmới Mỗi bộ ánh xạ tín hiệu đa mức có đặc trưng khác nhau. Cần phải có một phương pháp thiết kế thích hợp**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngTHIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ QPSK (a) Bộ ánh xạ Gray [ 0 1 3 2] (c) Bộ ánh xạ MSE W [ 0 2 1 3] (d) Bộ ánh xạ “4 in 6” [ 0 2 1 3] Số hoán vị 3! = 6(Hình 21)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngTHIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ 8-PSKSinh các hoán vị nhờ hàm “Perms”trong MATLAPĐịnh nghĩa các điểm tín hiệu trên Constellation Tính toán hồ sơ cự ly bit củacác tập tín hiệu mớiPhân chia thành nhóm các bộ ánh xạ đều và không đềuSắp xếp theo thư tựlưu và in ra các tập ánh xạ Số hoán vị 7! = 5040Kết quả 24 bộ ánh xạ có cự ly bít đều 96 bộ ánh xạ có cự ly bít không đềuCó cự ly tối đa theo tiêu chuẩn MSEW(Hình 22)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngCÁC BỘ ÁNH XẠ 8-PSK TÌM ĐƯỢC CÓ CỰ LY BÍT ĐỀU Bảng 3.1: Kết quả 10/24 tập ánh xạ 8-PSK MSEW-CH có cự ly bít đều **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng CÁC BỘ ÁNH XẠ 8-PSK TÈM ĐƯỢC CỂ CỰ LY BÍT KHỄNG ĐỀU Bảng 3.2: Kết quả 10/96 tập ánh xạ 8-PSK MSEW-CH có cự ly bít không đều **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngCẤU TRÚC MỘT SỐ BỘ ÁNH XẠ 8-PSK MỚI ĐIỂN HÌNH (a) Bộ ánh xạ MSEW-C [ 0 3 6 1 2 5 4 7] với hồ sơ bít (2, 2, 3.4) (b) Bộ ánh xạ MSEW-CH1 [ 0 6 5 3 4 2 1 7] với hồ sơ bít (4, 3.4, 2)(Hình 23)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngTHIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ 16-QAMLý do Phương pháp hàm truyền [25] tỏ ra quá phức tạp và không đầy đủ. Với 16 điểm trên constellation có tới 16! hoán vị, vượt quá khả năng tính toán của máy tính hiện thời.Giả thiết Thông tin phản hồi là đủ tin cậy. Kênh truyền với điều chế M=2k mức có thể được coi là k kênh truyền song song. Phương pháp Các bộ ánh xạ mới được thiết kế dựa trên ánh xạ từ khối bít tới Constenlation sao cho bít có độ bảo vệ bít thấp được kết hợp truyền với bít có độ bảo vệ bít cao hơn. Thực hiện các phép cộng modulo 2 giá trị của các bít khác vào bít được xét. Độ bảo vệ bít trung bình của cả khối bit sẽ lớn hơn. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngTHUẬT TOÁN THIẾT KẾ CÁC BỘ ÁNH XẠ 16- QAM Khai báo và tính toán hồ sơ cự ly bít của tập tín hiệu gốcĐịnh nghĩa các điểm tín hiệu trên ConstellationSinh các phép biến đổi tuyến tínháp dụng lên vị trí mỗi bítTính toán hồ sơ cự ly bit củacác tập tín hiệu mớiLựa chọn theo tiêu chuẩn Lưu các bộ tín hiệu mới**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngKẾT QUẢ CÁC BỘ ÁNH XẠ 16-QAM MỚI Bảng 3.3. 12/99 tập tín hiệu 16-QAM mới tìm được điển hình **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngKẾT QUẢ TÌM CÁC BỘ ÁNH XẠ 16-QAM MỚI Bảng 3.3. 12/99 tập tín hiệu 16-QAM mới tìm được điển hình **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngCẤU TRÚC CÁC BỘ ÁNH XẠ 16-QAM MỚI (a) Bộ ánh xạ MSEW- CH5 [11 4 6 13 2 9 15 8 14 5 3 12 7 16 10 1] (24, 36, 40, 20) dt =120 (b) Bộ ánh xạ MAX–CH1 [11 2 5 16 1 12 15 6 13 8 3 10 7 14 9 4] (20, 32, 36, 36) dt =124 (Hình 24)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngKết luận chương 5Mã hóa nói chung và mã sửa sai hướng đi ( FEC) nói riêng là nội dung không thể thiếu trong HTTT.Chất lượng mã hóa và giải mã cải thiện đáng kể đặc tính lỗi bít của HTTT.Sự phát triển của các họ mã sửa sai: mã khối, mã xoắn, mã SCCC, Turbo, TCM, BICM-ID gắn liền với sự phát triển của các thế hệ của HTTT. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng Chương 6: Cơ sở lý thuyết về san bằng và trải phổ6.1. Kỹ thuật san bằngKhái niệm Cơ sở toán họcThiết kế các bộ san bằng6.2. Kỹ thuật trải phổ- Từ cuối những năm 1940, ITT theo yêu cầu của BQP Mỹ về:- Chống tác động của can nhiễu cố ý (jamming).- Đảm bảo bảo mật thông tin- Chống pha đinh đa đường6.2.1. Cơ sở lý thuyết trải phổ- Dựa trên định lý Shannon 3: trên một kênh tạp âm trắng chuẩn cộng tính: C=B.log2( 1+S/N)C: Dung lượng kênhB: Độ rộng phổ tần chiếm của tín hiệuDo vậy, cùng trên một băng thông C của kênh, có thể truyền đuợc tín hiệu với S/N rất thấp nêú tín hiệu có phổ rộng B vô cùng. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công HùngHT như vậy có thể đảm bảo được tính bảo mật cao (đối phương không phát hiện được khi nào máy phát của ta hoạt động) do tín hiệu chìm vào nền nhiễu.Do sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên nên hầu như đối phuơng không thể giải được mã tinCho phép HT liên lạc tốt ở điều kiện nhiễu mạnh ( Nhiễu cố ý và nhiễu chọn lọc theo tần số)6.2.2. Đặc điểm của HT trải phổĐộ rộng băng tần W của tín hiệu lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng tần tối thiểu B cần thiết để truyền TT.Việc trải phổ được thực hiện nhờ bộ mã trải phổ độc lập với DL cần truyền, nhằm tạo ra tín hiệu tổng cộng gần giống tạp âm.Quá trình nén phổ được thực hiện nhờ tín hiệu giải trải phổ là bản sao đồng bộ của tín hiệu trải phổ( Các HT điều chế băng rộng như HT điều tần, HT điều chế mã xung dù thoả mãn điều kiện về độ rộng phổ nhưng không phải là HT trải phổ)Hiệu quả trải phổ của HT được đánh giá bằng Tăng ích xử lý: PG=W/Bi**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng6.2.3. Hệ thống trải phổ trực tiếp DS (Direct Sequense)Chuỗi DL d(t) có phổ D (ω) được nhân (cộng module 2) trực tiếp với chuỗi giả ngẫu nhiên c(t) có phổ C (ω).Tín hiệu sau trải phổ sẽ có dạng: d(t).c(t)Phổ tín hiệu trải phổ có dạng D (ω) *C (ω), phụ thuộc chủ yếu vào phổ của c(t) do tốc độ chíp trong HT trải phổ có tốc độ lớn hơn rất nhiều so với tốc độ DL.Tín hiệu thu bao gồm các thành phần: Tín hiệu trải phổ, Tạp âm Gauss, nhiễu băng hẹpNhờ được nhân với chuỗi giải trải phổ ( là bản sao đồng bộ của c (t): do c2(t)=1 nên d(t).c(t).c(t)=d(t)Các nhiễu băng hẹp được nhân với c(t) nên bị trải ra. **KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng Minh hoạ quá trình trải phổ: Chú ý: Do các tín hiệu nhiễu băng hẹp tại đầu vào máy thu bị trải do tác động của chuỗi trải phổ nên tỉ số S/N tăngTrải phổ không có tác dụng đáng kể với tạp băng rộng như tạp âm nhiệt và các tín hiệu trải phổ băng rộng khác. D(f)D(f)*C(f)D(f)*C(f)*C(f)C(f)**KT Truyền dẫn số - TS Đỗ Công Hùng6.2.4. Một số HT trải phổ :Hệ thống thông tin CDMA (IS-95).Hệ thống thông tin W-CDMA (IMT-2000).