Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép

của ai được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết. Nội dung luận văn có tham khảo

và sử dụng các tài liệu theo danh mục tài liệu tham khảo. Các số liệu có nguồn trích

dẫn, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong các công trình

nghiên cứu khác.

Hà Nội, tháng 5 năm 2012

Học viên

Ngô Mạnh Hà

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 1

MỤC LỤC ........................................................................................................................ 2

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... 4

DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................ 9

DANH MỤC HÌNH MINH HOẠ .................................................................................. 10

LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 13

CHƯƠNG 1: MẠNG BĂNG SIÊU RỘNG UWB ........................................................ 15

1. Giới thiệu chương .................................................................................................. 15

2. Giới thiệu về hệ thống UWB ................................................................................. 15

2.1. Lịch sử phát triển của UWB ............................................................................ 16

2.2. Các ưu điểm của UWB ................................................................................... 17

2.3. Những thách thức của UWB ........................................................................... 18

3. Các thuộc tính của hệ thống UWB ......................................................................... 19

3.1. Mặt nạ phổ công suất ...................................................................................... 19

3.2. Mẫu xung ........................................................................................................ 20

3.3. Chuỗi xung ...................................................................................................... 23

3.4. Đa đường ......................................................................................................... 25

3.5. Các đặc điểm khác .......................................................................................... 27

4. Các lĩnh vực ứng dụng của UWB .......................................................................... 29

4.1. Các mạng WPAN (Wireless Personal Area Network).................................... 30

4.2. Các mạng cảm biến (Sensor Network) ........................................................... 31

4.3. Các hệ thống chụp ảnh .................................................................................... 31

4.4. Các hệ thống rada giao thông .......................................................................... 32

5. Tổng kết chương .................................................................................................... 32

CHƯƠNG 2: GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ ......................................... 34

TRỰC GIAO (OFDM) ................................................................................................... 34

1. Giới thiệu chương .................................................................................................. 34

2. Lịch sử phát triển OFDM ....................................................................................... 34

3. Các nguyên lý cơ bản của OFDM .......................................................................... 34

3.1. Đơn sóng mang (Single Carrier) ..................................................................... 39

3.2. Đa sóng mang (Multi-Carrier) ........................................................................ 39

3.3. Sự trực giao (Orthogonal) ............................................................................... 41

3.4. Mô tả toán học của OFDM.............................................................................. 43

3.5. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM ................................................................ 48

3.5.1. Điều chế BPSK ......................................................................................... 49

3.5.2. Điều chế QPSK ........................................................................................ 50

3.5.3 Điều chế QAM .......................................................................................... 53

3.6. Mã Gray .......................................................................................................... 54

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

3.7. Khoảng bảo vệ (Guard Period) ....................................................................... 57

3.7.1. Bảo vệ chống lại offset thời gian .................................................................. 57

3.7.2. Bảo vệ chống lại ISI ..................................................................................... 58

3.7.3. Overhead của khoảng bảo vệ ....................................................................... 59

4. Các đặc tính của OFDM ......................................................................................... 59

4.1. Ưu điểm ........................................................................................................... 59

4.2 Nhược điểm ..................................................................................................... 60

4.3. Ứng dụng ......................................................................................................... 60

5. Tổng kết chương .................................................................................................... 62

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ CDMA ............................................................................. 63

1.Giới thiệu chương ................................................................................................... 63

2. Tổng quan về CDMA ............................................................................................. 63

2.1. Mã trải

phổ

...................................................................................................... 65

2.1.1. Chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN ....................................................................... 66

2.1.2. Chuỗi mã trải phổ Walsh-Hardamard ......................................................... 67

2.2. Các kiểu trải phổ cơ bản .................................................................................. 67

2.3. Chuyển giao .................................................................................................... 68

2.3.1. Mục đích của chuyển giao ........................................................................... 68

2.3.2. Các loại chuyển giao .................................................................................... 69

2.4. Điều khiển công suất trong

CDMA

............................................................... 70

2.4.1. Điều khiển công suất vòng hở (OLPC) ........................................................ 71

2.4.2. Điều khiển công suất vòng kín (CLPC) ....................................................... 72

3. Tổng kết

chương

.................................................................................................... 73

CHƯƠNG 4: KẾT HỢP OFDM VÀ CDMA TRONG UWB ....................................... 74

1. Giới thiệu chương .................................................................................................. 74

2. Kết hợp OFDM và CDMA .................................................................................... 74

3. Công thức tín hiệu dạng tổng quát tại ngõ ra các khối .......................................... 81

3.1. Tại khối xử lý tín hiệu phát của hệ thống OFDM - CDMA ........................... 81

3.2. Đáp ứng tín hiệu trên kênh truyền của hệ thống OFDM - CDMA ................. 83

3.3. Tại khối xử lý tín hiệu thu của hệ thống OFDM - CDMA ............................. 83

4. Tổng kết chương .................................................................................................... 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 89

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

3G Third Generation Thế hệ thứ ba

ADC Analog- to- Disgital Converter Bộ chuyển đổi tương tự

sang số

AGC Automatic Gain Control Điều khiển độ lợi tự động

AWGN Additive White Gaussian Noise

Tạp âm Gaussian trắng

cộng

BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bít

BPM Bi-Phase Modulation

Điều chế pha cơ hai

CATV Cable Television or Community Antenna

Television

Truyền hình cáp hay

truyền hình anten cộng

đồng

CE Consummer Equipment Thiết bị người dùng

CMOS Complementary Metal-oxide-

Semiconductor

Bán dẫn ôxít kim loại bổ

xung

DS-

CDMA

Direct Sequence-CDMA Đa truy nhập phân chia

theo mã - chuỗi trực tiếp

DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

DVD Digital Video Disc, Digital Versatile Disc

DVD

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

Tốc độ số liệu tăng cường

để phát triển GSM

FCC Federal Communications Commission Uỷ ban truyền thông liên

bang

FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo

thời gian

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo tần số

FH Frequency Hopping Nhảy tần

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum

Trải phổ dùng nhảy tần

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói

chung

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GSM Global System for Mobile

Communications

Hệ thống toàn cầu cho

truyền thông di động

HDTV High-Definition Television

Tivi có độ phân giải cao

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISI InterSymbol Interference

Nhiễu giao thoa ký hiệu

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm

thấp

LOS Line-of-Sight

Tầm nhìn thẳng

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập

phương tiện

MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập

MB-

OFDM

Multiband-OFDM Ghép kênh phân chia theo

tần số trực giao - đa băng

MPEG Moving Picture Experts Group

Nhóm các chuyên gia về

ảnh động

OFDM Orthogonal Frequency-Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo

tần số trực giao

OOK On-Off Keying

Khoá On-Off

PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung

PAN Personal Area Network Mạng khu vực cá nhân

PDA Personal Digital Assistants Trợ giúp số cá nhân

PN Pseudo Noise Giả tạp âm

PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

QoS Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

SNR Signal- to - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SS Spread Spectrum Trải phổ

STB Set-Top Box Hộp kết nối từ nguồn nội

dung đến Tivi

SVGA Super Video Graphics Array

Mảng đồ hoạ Video cấp

cao

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo thời gian

TH Time Hopping Nhảy thời gian

THSS Time Hopping Spread Spectrum

Trải phổ dùng nhảy thời

gian

UMTS Universal Mobile Telecommunications

System

Hệ thống viễn thông di

động toàn cầu

USB Universal Serial Bus Thiết bị lưu trữ

UWB Ultra WideBand

Băng tần siêu rộng

VGA Video Graphics Array

Mảng đồ hoạ Video

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

theo mã băng rộng

WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây

WPAN Wireless PAN Mạng nội bộ cá nhân

không dây

WUSB Wireless USB USB không dây

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây ............. 29

Bảng 2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác .............. 29

Bảng 3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau ........................ 33

Bảng 4: Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế ......... 52

Bảng 5: Bảng Mã Gray ................................................................................................. 55

Bảng 6: Các thông số được đề xuất cho hệ thống ......................................................... 74

Bảng 7: Thí dụ về sáu mẫu nhẩy tần với sáu tần số nhẩy khác nhau ........................... 79

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

DANH MỤC HÌNH MINH HOẠ

Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB ................ 19

Hình 1.2: Các monoycle px(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công

suất của chúng ................................................................................................................ 22

Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet ......................... 22

Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi xung

chữ nhật; (b) Chuỗi xung dạng Gaussian; (c) xung đạo hàm bậc 1; (d) các xung

Gaussian doublet ............................................................................................................ 23

Hình 1.5: Chuỗi xung UWB ........................................................................................... 24

Hình 1.6: Phổ của chuỗi xung chưa được làm trơn (a) và của chuỗi xung được làm

trơn bằng cách dịch lên phía trước hoặc sau một khoảng nhỏ (TH) ............................. 25

Hình 1.7: Mô hình đa đường điển hình trong nhà, xung phát bị phản xạ bởi các vật thể

trong nhà tạo ra các phiên bản của xung ở bộ thu với cường độ, độ trễ khác nhau ..... 26

Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không

chồng lấn và sẽ không gây nhiễu ................................................................................... 27

Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng

lấn ................................................................................................................................... 28

Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB ............................................................... 30

Hình 2. 1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang

chồng xung (b) ................................................................................................................ 35

Hình 2. 2: Sơ đồ hệ thống OFDM .................................................................................. 37

Hình 2. 3: Phổ của sóng mang con OFDM ................................................................... 38

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Hình 2. 4: Truyền dẫn sóng mang đơn .......................................................................... 39

Hình 2. 5: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang ................................................ 40

Hình 2. 6: Các sóng mang trực giao .............................................................................. 42

Hình 2. 7: Thêm CP vào symbol OFDM ........................................................................ 45

Hình 2. 8: Tích của hai vector trực giao bằng 0 ............................................................ 46

Hình 2. 9: Giá trị của sóng sine bằng 0 ......................................................................... 47

Hình 2. 10: Tích phân của hai sóng sine a) có tần số khác nhau; b) có cùng tần số .... 47

Hình 2. 11: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK ............................................................. 50

Hình 2. 12: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK ................................................................... 53

Hình 2. 13: Chùm tín hiệu M-QAM ............................................................................... 54

Hình 2. 14: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray. Mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay

đổi một bit đơn ............................................................................................................... 55

Hình 2. 15: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM ......................... 56

Hình 3. 1: Hàm tương quan của chuỗi PN .................................................................... 66

Hình 3. 2: OLPC đường lên ........................................................................................... 72

Hình 3. 3: Cơ chế điều khiển công suất CLPC .............................................................. 72

Hình 4. 1: Lưới thời gian – tần số của hệ thống ............................................................ 75

Hình 4. 2: Cấu trúc khung .............................................................................................. 75

Hình 4. 3: Cấu trúc cụm điều chế .................................................................................. 76

Hình 4. 4: Cấu trúc tần số .............................................................................................. 77

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Hình 4. 5: Mô hình hệ thống MC-CDMA ...................................................................... 77

Hình 4. 6: Sơ đồ khối hệ thống thông tin di động CDMA .............................................. 79

Hình 4. 7: Sơ đồ khối của mô hình hệ thống OFDM - CDMA ...................................... 80

Hình 4. 8: Sơ đồ khối phần phát của OFDM - CDMA .................................................. 80

Hình 4. 9 Sơ đồ khối phần thu của OFDM - CDMA...................................................... 81

Hình 4. 10: Mô hình mô phỏng kênh truyền OFDM - CDMA ....................................... 85

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm trước đây, khi nói đến chiếc đầu video chúng ta sẽ nghĩ tới rất nhiều

dây kết nối tivi với đầu video, với ampli và loa. Ngày nay, bạn đã bao giờ tưởng tượng

rằng tất cả dây kết nối đó sẽ biến mất và bạn có thể tận hưởng bộ phim, bản nhạc của

mình trong một không gian tuyệt đẹp không hề có dây kết nối mất thẩm mỹ đ

ó. Đằng

sau máy tính của bạn có rất nhiều dây dẫn đủ loại nào là dây nối chuột, bàn phím, màn

hình, kết nối USB, ... Chúng thật phiền phức và vướng víu! Bạn đã nghĩ rằng một ngày

nào đó, toàn bộ dây dẫn đằng sau chiếc PC của bạn sẽ biến mất. Điều này là hoàn toàn

có thể với công nghệ UWB (Ultra wideband: mạng băng siêu rộng).

UWB với bước sóng ngắn rất thích hợp cho các mạng gia đình WPAN (wireless

personal area networks). Đây được coi là công nghệ có giá rẻ, tiết kiệm năng lượng,

băng thông lớn. Hiện tại, UWB cho phép các thiết bị "nói chuyện" với nhau trong

phạm vi là 10m. Tương lai các mạng không giây giữa các thiết bị trong gia đình sẽ là

UWB với khả năng chia sẻ ảnh số, âm nhạc, video, dữ liệu, tiếng nói, … với tốc độ

cao.

Không những thế, UWB sẽ tiến tới truyền các tập tin lớn giữa các PC và các

thiế

t bị di động như các máy phát nhạc MP3 và máy ảnh số. Hiện tại, UWB có thể

truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 252 Mbps. Và trong tương lai, khả năng có thể lên tới

480 Mbps trong khoảng cách không quá xa. Do đó, ý tưởng truyền các tập tin lớn là

hoàn toàn có khả năng.

Luận văn “Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng” trình bày

những vấn đề căn bản nhất về công nghệ UWB, OFDM, CDMA và việc kết hợp

OFDM và CDMA trong UWB, các ưu nhược điểm của từng hệ thống riêng rẽ và ưu

nhược điểm của hệ thống kết hợp.

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Luận văn được chia làm 4 chương, với các nội dung chính như sau:

Chương 1: Giới thiệu về mạng băng thông siêu rộng UWB.

Chương 2: Giới thiệu về phương pháp điều chế sử dụng các sóng mang con trực

giao OFDM.

Chương 3: Giới thiệu về công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.

Chương 4: Giới thiệu về việc kết hợp OFDM và CDMA trong UWB.

Việc kết hợp OFDM và CDMA trong UWB đòi hỏi một ki

ến thức sâu rộng và

sự đầu tư thoả đáng về thời gian. Vì vậy trong khuôn khổ luận văn chắc chắn không

tránh khỏi những sai sót cũng như còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết thỏa đáng.

Rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo, sự góp ý và phê bình của các

bạn.

Xin gửi lời biết ơn trân trọng nhất tới TS. Nguyễn Vi

ết Nguyên, thầy đã tạo mọi

điều kiện và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.

Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân - những người đã luôn

giúp đỡ và động viên tôi trong thời gian qua.

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

CHƯƠNG 1: MẠNG BĂNG SIÊU RỘNG UWB

1. Giới thiệu chương

Chương này giới thiệu các khái niệm chung về UWB và giải thích mà không sử

dụng quá nhiều công thức để chứng minh UWB là một kĩ thuật hấp dẫn và có tính đột

phá. Trong chương này tôi trình bày về lịch sử phát triển của UWB để thấy rằng UWB

không hoàn toàn là kĩ thuật mới cả về phương diện khái niệm lẫn các kĩ thuật xử lí tín

hiệu được sử dụng. Với các ưu thế như tốc độ cao, công suất tiêu thụ thấp, gây nhiễu

nhỏ, … Các ứng dụng UWB rất hấp dẫn cả ở hiện tại và trong tương lai với các ứng

dụng không dây.

2. Giới thiệu về hệ thống UWB

Trước khi tìm hiểu về truyền thông UWB, tôi trình bày định nghĩa về UWB.

Định nghĩa:

UWB mô tả các hệ thống truyền dẫn trải phổ tới 500 MHz hay tỉ số băng tần lớn

hơn 20%.

0.2

−

=≥ (1.1)

Trong đó B:=f

-f

chỉ băng tần 10 dB của hệ thống, và tần số trung tâm hệ thống

UWB với f

=(f

)/2 với f

là tần số cao với công suất thấp hơn 10 dB so với tần số

có công suất cực đại, và f

là tần số thấp với công suất thấp hơn 10 dB so với tần số có

công suất cực đại.

Về mặt lịch sử, các hệ thống rada UWB được phát triển chủ yếu để phục vụ mục

đích quân sự bởi vì chúng có thể “nhìn xuyên qua” cây cối và mặt đất. Tuy nhiên, gần

đây kĩ thuật UWB chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực dân sự như các ứng dụng đi

ện tử

Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

viễn thông. Các đặc điểm lí tưởng của các hệ thống UWB là công suất tiêu thụ thấp,

giá thành thấp, tốc độ cao, khả năng định vị chính xác và gây nhiễu cực nhỏ.

Mặc dù các hệ thống UWB đã phổ biến nhiều năm trước nhưng gần đây mới

thực sự được chú ý trong ngành công nghiệp vô tuyến. Kĩ thuật UWB có khác biệt so

với các kĩ thuật truyền dẫn không dây băng h

ẹp thông thường đó là thay bằng truyền

dẫn trên các kênh tần số riêng biệt, UWB trải tín hiệu trên một dải rộng tần số. Dạng

truyền thông điển hình dựa trên sóng vô tuyến dạng sin được thay thế bởi các chuỗi

xung với tốc độ hàng triệu xung trên một giây. Với băng tần rộng và công suất rất nhỏ

làm tín hiệu UWB giống như tạp âm nền.

2.1. Lịch sử phát triển của UWB

Phần lớn mọi người nghĩ rằng UWB là một công nghệ “mới”, do nó là công nghệ

cho phép thực hiện những điều trước đó không thể có. Đó là tốc độ cao, kích cỡ thiết bị

nhỏ hơn, tiêu thụ công suất thấp hay cung cấp các ứng dụng mới. Tuy nhiên, đúng hơn

UWB là công nghệ mới theo nghĩa các thuộc tính vật lí mới của nó được phát hiện và

được đưa vào ứng dụng.

Tuy nhiên, ph

ương pháp chiếm ưu thế trong truyền thông vô tuyến hiện nay dựa

vào các sóng dạng sin. Truyền thông dựa vào sóng điện từ dạng sin đã trở nên phổ biến

trong truyền thông vô tuyến đến nỗi nhiều người không biết rằng hệ thống truyền thông

đầu tiên thực tế dựa trên tín hiệu dạng xung. Năm 1893, Heirich Hertz sử dụng một bộ

phát xung để tạo sóng điện từ cho thí nghiệm của ông. Các sóng đó hi

ện nay có thể

được gọi là các tạp âm màu. Trong khoảng 20 năm sau những thí nghiệm đầu tiên của

Hertz, các bộ tạo sóng chủ yếu là các bộ phát tia lửa điện giữa các điện cực cacbon.

Tuy nhiên, truyền thông dựa trên sóng dạng sin trở thành dạng truyền thông chủ

yếu và chỉ đến những năm 1960 các ứng dụng UWB mới được khởi động lại một cách

nghiêm túc và tập trung chủ yếu vào phát triển các thiết bị

rada và truyền thông. Ứng

dụng trên lĩnh vực rada được chú ý rất nhiều vì có thể đạt được các kết quả chính xác với