TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY (Wireless Communication)dulieu.tailieuhoctap.vn/books/khoa-hoc-ky-thuat/vien-thong/file_goc_774899.pdf · không dây. Tiếng nói, dữ liệu, truyền

1

BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ

TRUYỀN THÔNG

KHÔNG DÂY (Overview of Wireless Systems

)

Facuty of Electronics & Telecommunications

Đặng Lê KhoaEmail:[email protected]

[email protected]

Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

MigrationPending set by Nguyen Xuan Thuan

Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

Marked set by Nguyen Xuan Thuan

2

Nội dung trình bày:1. Tổng quan về

mạng không dây

Lịch sử

phát triển Các thử

thách thiết kế

Các mạng hiện tại và tương laiMạng điện thoại tế

bào

Mạng máy tính không dây2. Hệ

thống truyền thông số

Tại sao phải truyền thông sốHệ

thống truyền thông số cơ bản

3. Một số

khái niệm


3

1. Tổng quan về

mạng không dây


4

•

Thời cổ: Khói thuốc, bồ câu đưa thư, …•

Sóng vô tuyến được phát minh 1880 bởi Marconi

•

Nhiều hệ

thống vô tuyến không dây được phát triển công phu trong và

sau chiến tranh thứ 2

•

Điện thoại tế

bào được phát triển từ 1988, đến nay khoảng 3 tỉ

thuê bao

Thúc đẩy phát triển thiết bị

không dâyTiếng nói, dữ

liệu, truyền thông đa phương tiện có

mặt ở

khắp nơi•

Sự

thành công và

phát triển mạnh của Wifi

Các mạng rộng khắp (vd: Wimax) và

các mạng ở khoảng cách ngắn như Bluetooth, UWB ít thành công

hơn


Lịch sử

Wireless

1. Tổng quan về

mạng không dây

5

Truy cập Internet không dâyThế

hệ điện thoại tế

bào thứ

nCác mạng không dây Ad Hoc Thiết bị

giải trí

không dâyNgôi nhà

thông minh…Khó khăn hạn chế

về

thời gian trễKhó khăn hạn chế năng lượng

Thông tin có

mặt ở

khắp nơi giữa người và

thiết bị


Các mạng không dây của tương lai1. Tổng quan về

mạng không dây

6

•

Hạn chế

của dung lượng kênh truyền•

Mô hình lưu thông, định vị user, điều kiện mạng luôn thay đổi

•

Các ứng dụng không đồng nhất •

Giới hạn về năng lượng và độ

trễ

của thiết kế khi đi

qua các lớp của hệ

thống


Các thử

thách khi thiết kế

1. Tổng quan về

mạng không dây

7

•

Các hệ

thống Wireless hiện tại–

3G Cellular: ~200-300 Kbps.

–

WLANs: ~450 Mbps (và đang phát triển).•

Đang thực hiện mạng thế

hệ

sau

–

4G Cellular: Khả năng OFDM/MIMO–

4G WLANs, 3G vừa hoàn thành

•

Các kỹ

thuật quan tâm–

Hardware:

Better batteries. Better circuits/processors.

–

Link: Antennas, modulation, coding, adaptivity, DSP, BW.–

Network:

Không nhiều: more efficient algorithms

–

Application:

Soft and adaptive QoS.Facuty of Electronics & Telecommunications

Sự

phát triển của các hệ

thống hiện tại

1. Tổng quan về

mạng không dây

8

Rate

Mobility

2G

3G

4G

802.11b WLAN

2G Cellular

Các vấn đề

khác:Rate vs. CoverageRate vs. DelayRate vs. CostRate vs. Energy


Thế

hệ tương lai1. Tổng quan về

mạng không dây

9

Voice VideoDataDelay

Packet LossBER

Data Rate

Traffic

<100ms - <100ms

<1% 0 <1%10-3 10-6 10-6

8-32 Kbps 1-100 Mbps 1-20 MbpsContinuous Bursty Continuous


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


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


1. Tổng quan về

mạng không dây

12

Wireless Local Area Networks (WLANs)

•

WLANs kết nối “local”

các máy tính (khoảng 100m)•

Chia data thành các gói

•

Truy cập kênh được chia sẽ

(random access)•

Dựa trên cung cấp các dịch vụ

Internet

-> Chất lượng dịch vụ

kém ở

một số ứng dụng (vd: video)

01011011

InternetAccessPoint

0101 1011


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


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


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


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


17

Thiết bị

mạng thế

hệ

sau1. Tổng quan về

mạng không dây

Mọi thứ

không dây trên cùng 1 thiết bị


18

Thử

thách khi tích hợp nhiều thiết bị

•

Can nhiễu RF •

Nơi đặt các antenna

•

Kích thước•

Năng lượng tiêu thụ

Cellular

AppsProcessor

BT

MediaProcessor

GPS

WLAN

Wimax

DVB-H

FM/XM

1. Tổng quan về

mạng không dây


19

2. Giới thiệu hệ

thống DCS


Nguyen Xuan Thuan

Underline

Nguyen Xuan Thuan

Underline

digital communication sys

20

Tín hiệu analog và

Digital

2. Tín hiệu Digital:

hàm rời rạc->>

biểu diễn bằng các xung

(ON hoặc

OFF) –> 2

trạng thái


thống DCS


Một tín hiệu có

thể được định nghĩa như là

1 hàm theo thời gian1. Tín hiệu analog: hàm liên tục (continuous)

->> biểu diễn hình dạng khác nhau…

21

Tại sao phải truyền thông số?

Propagation distance

Originalpulse

Regeneratedpulse

Các lợi ích của truyền thông số:-

Khôi phục ở đầu thu

DataVoice

MediaA bit is a bit!

- Các loại tín hiệu khác nhau được xử lý tương tự

nhau


thống DCS


Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

_ xung vuông --> đáp ứng lớn --> ko lọc được --> chuyển sang sin

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


thống DCS


Tại sao phải truyền thông số?

Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

hạn chế = 2 cách: 1. đầu thu có thể phát hiện và sửa lỗi 2. ktra có lỗi --> nếu có thì iu cầu gửi lại

23


thống DCS

Cấu trúc chung của DCS

Formatter Source encoder

Channel encoder Modulator

Formatter Source decoder

Channel decoder Demodulator

Transmitter

Receiver

SOURCEInfo.

Transmitter

Transmittedsignal

Receivedsignal

Receiver

Receivedinfo.

Noise

ChannelSource User

RF

RFEqualization


Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

định dạng data tương ứng để truyền đi ví dụ: voice: low pass -> packet

Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

bỏ bớt những data chi tiết hóa --> giảm kích thước data truyền đi = nén

Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

thêm những redundant bit (dùng sửa sai)

Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

đưa lên tso cao để truyền đi

Nguyen Xuan Thuan

Callout

data đi vào từ đây

Nguyen Xuan Thuan

Oval

quyết định sai ít hay nhiều khi truyền đi

Nguyen Xuan Thuan

Callout

voice đi vào từ đây

Nguyen Xuan Thuan

Text Box

bộ DUPLEX để có thể vừa thu và phát

Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

FDD TDD

Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

+ pulse modulator: PCM + bandpass " :QPSK,...

24


thống DCS

RF (Transmitter)


PA

Power Amplifier

Up-Converter

Local OscillatorBand

Pass Filter

Mixer

Band Pass Filter

Nguyen Xuan Thuan

Callout

AM, FM, PM

25


thống DCS

RF (Receiver)


Down-Converter

LNA

Low Noise Amplifier

MixerLocal Oscillator

Band Pass Filter

Nguyen Xuan Thuan

Callout

PLL

26

3. Một số

khái niệm


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


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


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


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


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


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


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


34

Quan hệ

giữa SNR với Eb/No và

Es/No•

Khi có

mã hóa kênh tốc độ

code r (r<1)

Es/No = r.Eb/No, hay (Es/No) [dB] = (Eb/No) [dB] + 10log10(r) Es/No < Eb/No

•

Khi có điều biến, ghép k bit thành 1 symbol complexEs/No = k.Eb/No, hay (Es/No) [dB]

= (Eb/No) [dB] + 10log10(k) Es/No > Eb/No•

Khi có

mã hóa kênh và điều biến

Es/No = k.r.Eb/No, hay (Es/No) [dB] = (Eb/No) [dB] + 10log10(k.r)

Quan hệ

giữa SNR và

Es/NoEs/No [dB] = 10log10(K.T_symbol/T_sampling)

+ SNR [dB]

3. Một số

khái niệm


35

Truyền tín hiệu trên hệ

thống tuyến tín

Tín hiệu xác định:–

Tín hiệu ngẫu nhiên:

•

Sự

méo dạng tín hiệu trên đường truyền:Tất cả

các thành phần tần số

của tín hiệu không xuất

hiện ở

máy thu giống như ban đầu. Các tín hiệu này sẽ bị

trễ

và

biệ độ

sẽ được tăng lên hoặc bị

suy giảm

Input OutputLinear system

3. Một số

khái niệm


36

Bài tậpCâu 1:

Nêu các mạng truyền thông không dây hiện tại

Câu 2: Xu hướng mạng tương lai và

các thách thức trong phát triển mạng không dây

Câu 3:

Các lợi ích trong truyền thông sốCâu 4:

Giải thích các khối trong hệ

thống DCS

Câu 5:

Ý nghĩa của phép tự tương quanCâu 6:

Biết hệ

thống không mã hóa kênh và

có

8

bit/symbol bị

nhiễu trắng có

SNR = 10dB. Tìm ?


σ

1

BÀI 1: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

(Wireless Channel)

Faculty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS


[email protected]

2

Nội dung trình bày

Faculty of Electronics & Telecommunications

• Định nghĩa kênh truyền• Các tác động của kênh truyền vô tuyến• Kênh truyền large scale fading• Kênh truyền small scale fading• Mô hình hóa kênh truyền

3

Kênh truyền


Là môi trường giữa đầu phát và đầu thu•

Hữu tuyến: Cáp, cáp đồng

trục, cáp quang• Vô tuyến: Dùng sóng điện từ

+ Kênh truyền vô tuyến có

thể

biến đổi từ đơn giản

đến phức tạp+ Kênh truyền có

ảnh

hưởng lớn đến hiệu quả

trong truyền tín hiệu.

Kênh truyền vô tuyến

4

Các tác động của kênh truyền vô tuyến


5

Phân loại kênh truyền

Dựa vào tác động của môi trường chia làm 2 loại:+ Large

scale fading

+ Small

scale fadingFaculty of Electronics & Telecommunications

6

Mô hình free-space•

Free-space là điều kiện lý tưởng

•

Free-space là môi trường chỉ

có+ Đường truyền thẳng+ Không có

vật chắn ở

giữa

+ Đầu phát ở

rất cao so với mặt đất để

không có

tia phản xạ

+ Môi trường gần như đồng nhất. Ví

dụ: truyền thông vệ

tinh,truyền thông vô tuyến chỉ

sử

dụng thành phần LOS.


Large-scale fading

7


Suy giảm khi truyền của thành phần LOS theo khoảng cách theo phương trình Friis:

Pr là năng lượng nhận, Pt là năng lượng phát, Gr và

Gt là độ

lợi của antenna thu và

phát,

là bước sóng của sóng truyền, d là

khoảng cách từ đầu phát đến đầu thu,

L là

hệ

số

suy giảm của hệ

thốngFacuty of Electronics & Telecommunications

Large-scale fading

2

2 2( )(4 )

t t rr

PG GP dd Lλ

π=

λ

8


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)


Large-scale fading

( )2 2

2 2 2 21

10log 10log 10log(4 ) (4 )

t r

t t r

r G G

P G GPL dBP d d

λ λπ π

= =

⎡ ⎤ ⎡ ⎤= = − = −⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦⎣ ⎦

20

0( ) ( )r rdP d P dd

⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

λ

9


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.


Large-scale fading

0 0( )( ) 10 log 20log0.001

rr

P d dP d dBmW d

⎡ ⎤ ⎛ ⎞= + ⎜ ⎟⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎝ ⎠

0( )rP d

10Facuty of Electronics & Telecommunications

Large-scale fading

Ví

dụ

với mô hình free-space

11Facuty of Electronics & Telecommunications

12

Mô hình suy giảm log-normal•

Trong thực tế, sự

suy giảm năng lượng theo khoảng cách

thường theo hàm mũ

bậc n

hay


0

( )n

dPL dd

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ 0

0

( ) ( ) 10 log dPL d dB PL d nd

⎛ ⎞= + ⎜ ⎟

⎝ ⎠

Môi trường Hệ

số

suy giảm, nFree-space 2Đô thị 2.7 3.5Đô thị

với nhiều nhà

cao tầng 3 5Trong nhà

(LOS) 1.6 1.8Trong nhà

có

vật cản 4 6

Hệ

số n được thống kê như sau:

13

Kênh truyền small-scale fading


• 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


• 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


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


17

Flat fading –

Fast fading


18

Frequency selective fading –

slow fading


19


slow fading


20


fast fading


21

Bài tập


Sách: Thông tin vô tuyến –

Nguyễn Văn ĐứcBài 1, 2, 3, 5 – Chương 2

1Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS

BÀI 3: Format

Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS


[email protected]

2Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS

Nội dung trình bày•

Chuyển nguồn thông tin (âm thanh) trong hệ

thống

số•

Cấu trúc bộ

Format

•

Lấy mẫu•

Lượng tử

hóa

•

Luật nén A và

luật nén μ

2006-01-26 Lecture 2 3Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUNS

EncodeTransmitPulse

modulateSample Quantize

Demodulate/Detect

Channel

ReceiveLow-pass

filter Decode

PulsewaveformsBit stream

Format

Format

Digital info.

Textual info.

Analog info.

Textual info.

Analog info.

Digital info.

source

sink

Formatting và

truyền tín hiệu dải gốc

Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

muốn phát+thu --> thêm duplex


Format cho tín hiệu analog•

Để

chuyển từ

dạng sóng

analog tương thích trong hệ

thống số

ta phải qua 2 bước sau1. Sampling (lấy mẫu)2. Quantization

and encoding (Lượng tử

hóa và

mả

hóa)3. Baseband

transmission (truyền dẫn dải gốc)


SamplingTime domain Frequency domain

)()()( txtxtxs ×= δ )()()( fXfXfX s ∗= δ

|)(| fX)(tx

|)(| fXδ

|)(| fX s)(txs

)(txδ


Chống biệt danh

LP filter

Nyquist rate

aliasing


Định lý lấy mẫu

•

Chu kì

lấy mẫu phải thõa biểu thức:

•

Tốc độ

lấy mẫu được gọi là

tốc độ Nyquist

Sampling process

Analog signal

Pulse amplitudemodulated (PAM) signal


Lượng tử

hóa•

Lượng tử

hóa biên độ: Chuyển dạng sóng liên tục

thành một một tập hữu hạn các biên độ

In

Out

Qua

ntiz

edva

lues

Công suất nhiễu lượng tử trung bình

Công suất đỉnh tín hiệu

Công suất tín hiệu trên nhiễu lượng tử trung bình


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


Ví

dụ

về lượng tử

hóa

tTs: sampling time

x(nTs): sampled valuesxq(nTs): quantized values

boundaries

Quant. levels

111 3.1867

110 2.2762

101 1.3657

100 0.4552

011 -0.4552

010 -1.3657

001 -2.2762

000 -3.1867

PCMcodeword 110 110 111 110 100 010 011 100 100 011 PCM sequence

amplitudex(t)


Quantization error•

Quantizing error:

The difference between the input and output of a quantizer

)()(ˆ)( txtxte −=

+

)(tx )(ˆ tx

)()(ˆ)(

txtxte−=

AGC

x

)(xqy =Qauntizer

Process of quantizing noise

)(tx )(ˆ tx

)(te

Model of quantizing noise

Nguyen Xuan Thuan

Highlight

auto gain control: tự điều chỉnh độ lợi


Quantization error …•

Quantizing error:–

Granular or linear errors

happen for inputs within the dynamic range of quantizer

–

Saturation errors

happen for inputs outside the dynamic range of quantizer

•

Saturation errors are larger than linear errors•

Saturation errors can be avoided by proper tuning of AGC•

Quantization noise variance:

2Sat

2Lin

222 )()(})]({[ σσσ +==−= ∫∞

∞−dxxpxexqxq E

ll

L

l

l qxpq )(12

212/

0

22Lin ∑

−

=

=σ Uniform q.12

22Lin

q=σ

Nguyen Xuan Thuan

Highlight

Nguyen Xuan Thuan

Highlight


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


Sai số lượng tử…•

Sai số lượng tử:–

Lỗi tuyến tính xảy ra khi tín hiệu trong khoảng lượng tử

–

Lỗi bảo hòa xảy ra khi tín hiệu nằm ngoài khoảng lương tử

Lỗi bảo hòa lớn hơn lỗi tuyến tínhLỗi bão hòa có

thể

khử

bằng bộ

AGC

•

Phương sai của nhiễu lượng tử:

2Sat

2Lin

222 )()(})]({[ σσσ +==−= ∫∞

∞−dxxpxexqxq E

ll

L

l

l qxpq )(12

212/

0

22Lin ∑

−

=

=σ Uniform q.12

22Lin

q=σ


Lượng tử

hóa đều và không đều–

Lượng tử

hóa đều:

+ Không quan tâm đến thuộc tính thống kê và tương quan của ngõ vào+ Không phát hiện thay đổi nhỏ

của tính hiệu

+ Thực hiện đơn giảnỨng dụng: Xử

lý tin hiệu, vẽ

và

hiển thị ứng dụng, các ưng

dụng điều khiển–

Lượng tử

hóa không đều:

+ Sử

dụng tính thống kêcủa tham số lượng tử+ Có

SNR

lớn hơn lượng tử đều đối với cùng số

mức

lượng tử+ Có

cùng phương sai của nhiễu lượng tử

Ứng dụng:

Phổ

biến trong tiếng nói

Nguyen Xuan Thuan

Highlight

maximum = 1/2

Nguyen Xuan Thuan

Highlight

max = 0.5, nằm ngay giữa


Lượng tử

hóa không đều•

It is done by uniformly quantizing the “compressed”

signal. •

At the receiver, an inverse compression characteristic, called “expansion”

is employed to avoid signal distortion.

compression+expansion companding

)(ty)(tx )(ˆ ty )(ˆ tx

x

)(xCy = x

yCompress Qauntize

ChannelExpand

Transmitter Receiver

Nguyen Xuan Thuan

Highlight

Nguyen Xuan Thuan

Highlight


Statistical of speech amplitudes•

In speech, weak signals are more frequent than strong ones.

•

Using equal step sizes (uniform quantizer) gives low for

weak signals and high for strong signals.

–

Adjusting the step size of the quantizer by taking into account the speech statistics improves the SNR for the input range.

0.0

1.0

0.5

1.0 2.0 3.0Normalized magnitude of speech signalPr

obab

ility

den

sity

func

tion

qNS⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

qNS⎟⎠⎞

⎜⎝⎛


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=


PCM waveforms

•

PCM waveforms category:

Phase encodedMultilevel binary

Nonreturn-to-zero (NRZ)Return-to-zero (RZ)

1 0 1 1 0

0 T 2T 3T 4T 5T

+V-V

+V0

+V0

-V

1 0 1 1 0

0 T 2T 3T 4T 5T

+V-V

+V-V+V

0-V

NRZ-L

Unipolar-RZ

Bipolar-RZ

Manchester

Miller

Dicode NRZ

Nguyen Xuan Thuan

Callout

LINE CODING

Nguyen Xuan Thuan

Highlight

cons: tiết kiệm năng lượng do truyền bit 0 pros: tốn băng thông --> do bật bit 1 trong 1/2 chu kì

Nguyen Xuan Thuan

Highlight

bit 1 --> 10 bit 0 --> 01


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


Spectra of PCM waveforms


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=


PAM example


BÀI 5: BỘ

CÂN BẰNG, PHÂN TẬP

& ĐAN XEN (Equalization, Diversity & Interleaving)


[email protected]


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


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

Nguyen Xuan Thuan

Highlight

Nguyen Xuan Thuan

Highlight

+ tín hiệu ngầm định đã bit' --> quy luật --> chuỗi pn???

Nguyen Xuan Thuan

Highlight

+ chống nhiễu ISI + gồm CB tuyến tính và phi tuyến

Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

PP mô phỏng cân bằng: Phát: 1. tạo chuỗi data ngẫu nhiên // x 2. tạo pilot + ghép vào data 3. add nhiễu // x1 = x + n --> lấy FFT pilot // s Thu: 1. thu lại pilot 2. tính đáp ứng H của hệ thống

Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

PP mô phỏng lọc thích nghi Quá trình huấn luyện: 1. x: m bit data + m1 bit thêm // m1 = dk 2. nhiễu x1 = x + n 3. khởi tạo trọng số ban đầu wk 4. nhân chập tính ~dk

Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

kênh truyền đảo bit nhị phân: tín hiệu nhiễu add trực tiếp vào tín hiệu nhị phân


Mô hình cân bằng

Nguyen Xuan Thuan

Oval

dùng để hiệu chỉnh bộ cân bằng --> e(t) giảm nhỏ đến 1 gtri mong muốn (const)


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

Nguyen Xuan Thuan

Sticky Note

1. tín hiệu thử kênh 2. gửi xen kẽ data và pilot --> hiệu chỉnh, nhân đáp ứng


Cấu trúc cơ bản của bộ

lọc thích nghi

Nguyen Xuan Thuan

Oval

Nguyen Xuan Thuan

Oval

Nguyen Xuan Thuan

Callout

hiệu chỉnh trọng số

Nguyen Xuan Thuan

Callout

dk càng giống xk --> ok


Mô tả

toán học


Mô tả

toán học…


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)

Nguyen Xuan Thuan

Highlight


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

Nguyen Xuan Thuan

Highlight

Nguyen Xuan Thuan

Rectangle

Nguyen Xuan Thuan

Oval

alpha < 0 alpha càng nhỏ càng tốt --> nhỏ = chậm


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

Nguyen Xuan Thuan

Line

Nguyen Xuan Thuan

Line

Nguyen Xuan Thuan

Cross-Out


Các kỹ

thuật phân tập•

Phân tập không gian-

Phân tập chọn lọc

-

Phân tập quét (scanning) và

hồi tiếp- Kết hợp các tỉ

số

cực đại

- Kết hợp độ

lợi bằng nhau (Equal gain Combining) •

Phân tập định hướngPhát ra hai tín hiệu trực giao nhau

•

Phân tập tần sốTruyền tín hiệu trên nhiều tần số

sóng mang

•

Phân tập thời gianLặp lại quá

trình truyền trong các khoảng thời gian khác

nhau

Nguyen Xuan Thuan

Highlight

Nguyen Xuan Thuan

Highlight

Nguyen Xuan Thuan

Highlight

Nguyen Xuan Thuan

Highlight


Phân tập chọn lọc


Kết hợp các tỉ

số

cực đại


Máy thu Rake


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

Nguyen Xuan Thuan

Cross-Out

header


Block interleaver

TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY (Wireless Communication)dulieu.tailieuhoctap.vn/books/khoa-hoc-ky-thuat/vien-thong/file_goc_774899.pdf · không dây. Tiếng nói, dữ liệu, truyền

Documents