Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thống mimo sử dụng mã alamouti

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử nghiên cứu tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thống MIMO sử dụng mã Alamouti, nâng cao hiệu suất truyền dẫn không dây.

• Tác giả: Phạm Cảnh Hưng
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Tường Nguyên
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thống MIMO sử dụng mã Alamouti
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. MỞ ĐẦU
• 1.2. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 1.3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
• 1.4. NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI
• 1.5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
• 1.6. HƯỚNG NGHIÊN CỨU
• 1.6.1. PHÂN TÍCH
• 1.6.2. MÔ PHỎNG
• 1.7. BỐ CỤC LUẬN VĂN
• 2. CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC TỔNG QUAN
• 2.1. CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ - GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU SỐ
• 2.1.1. ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU SỐ
• 2.1.2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ M-PSK
• 2.1.3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ M-QAM
• 2.2. GIẢI ĐIỀU CHẾ
• 2.2.1. CÁC HIỆN TƯỢNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KÊNH TRUYỀN
• 2.2.1.1. HIỆU ỨNG ĐA ĐƯỜNG (MULTIPATH)
• 2.2.1.2. HIỆU ỨNG DOPPLER
• 2.2.1.3. SUY HAO TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN
• 2.2.1.4. HIỆU ỨNG BÓNG RÂM (SHADOWING)
• 2.3. CÁC MÔ HÌNH THỐNG KÊ CỦA KÊNH TRUYỀN FADING
• 2.3.1. RAYLEIGH FADING
• 2.3.2. RICEAN FADING
• 2.4. CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP
• 2.4.1. PHÂN TẬP THỜI GIAN
• 2.4.2. PHÂN TẬP TẦN SỐ
• 2.4.3. PHÂN TẬP KHÔNG GIAN
• 2.5. TỔNG QUAN MIMO
• 2.5.1. DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO
• 2.5.2. ĐỘ LỢI HỆ THỐNG MIMO
• 2.5.3. MÃ HÓA KÊNH TRUYỀN
• 2.6. MÃ KHỐI KHÔNG GIAN - THỜI GIAN (STBC)
• 2.6.1. CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ
• 2.6.2. SƠ ĐỒ ALAMOUTI MỞ RỘNG
• 3. CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HÓA VIỆC CHỌN LỰA ANTEN TRONG HỆ THỐNG MIMO SỬ DỤNG MÃ ALAMOUTI
• 3.1. LÝ DO LỰA CHỌN ANTEN
• 3.2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ KÊNH TRUYỀN
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. BER CỦA ĐIỀU CHẾ M-PSK & M-QAM TRÊN KÊNH TRUYỀN RAYLEIGH
• 4.2. TÁC ĐỘNG CỦA SỐ LƯỢNG ANTEN PHÁT - PHÂN TẬP PHÁT
• 4.3. BER CỦA HỆ THỐNG CHỌN LỰA ANTEN PHÁT
• 4.3.1. BER CỦA HỆ THỐNG CHỌN LỰA ANTEN PHÁT
• 4.3.2. SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LỰA CHỌN ANTEN VỚI LÝ THUYẾT
• 4.4. TÁC ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH LỰA CHỌN ANTEN PHÁT LÊN ĐỘ PHÂN TẬP
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 5.1. KẾT LUẬN
• 5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống MIMO và mã Alamouti

Hệ thống MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) là công nghệ truyền thông không dây sử dụng nhiều anten ở cả phía phát và thu để tối ưu hóa tốc độ truyền dữ liệu và giảm thiểu lỗi. Mã Alamouti là một kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian, được sử dụng để đạt được độ lợi phân tập cao trong hệ thống MIMO. Luận văn này tập trung vào việc tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thống MIMO sử dụng mã Alamouti, nhằm giảm chi phí và độ phức tạp của hệ thống mà vẫn duy trì hiệu suất cao.

1.1. Lý do chọn đề tài

Việc sử dụng nhiều anten trong hệ thống MIMO làm tăng chi phí và độ phức tạp. Tối ưu lựa chọn cặp anten là giải pháp giúp giảm số lượng anten cần sử dụng mà vẫn khai thác được ưu điểm của MIMO. Mã Alamouti được chọn vì tính hiệu quả trong việc đạt độ lợi phân tập cao với cấu trúc đơn giản.

1.2. Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn là xây dựng hệ thống MIMO sử dụng mã Alamouti với tối ưu hóa lựa chọn cặp anten, giảm số lượng anten và bộ xử lý cao tần, đồng thời duy trì hiệu suất truyền dẫn cao.

II. Cơ sở lý thuyết và kỹ thuật liên quan

Luận văn nghiên cứu các kỹ thuật điều chế như M-PSK và M-QAM, cùng với các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền như hiệu ứng đa đường và suy hao đường truyền. Kênh truyền Rayleigh được sử dụng để mô phỏng môi trường truyền dẫn không dây. Mã khối không gian-thời gian (STBC) và mã Alamouti được phân tích chi tiết để hiểu rõ cơ chế hoạt động và ưu điểm của chúng.

2.1. Kỹ thuật điều chế và giải điều chế

Các kỹ thuật điều chế như BPSK và 16-QAM được nghiên cứu để xác định mối liên hệ giữa BER và loại điều chế. Đây là cơ sở để tính toán BER của toàn hệ thống.

2.2. Hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền

Các hiện tượng như hiệu ứng đa đường, hiệu ứng Doppler, và suy hao đường truyền được phân tích để hiểu rõ tác động của chúng lên chất lượng kênh truyền.

III. Tối ưu hóa lựa chọn cặp anten trong hệ thống MIMO

Luận văn đề xuất giải thuật tối ưu lựa chọn cặp anten dựa trên thông số kênh truyền và mã Alamouti. Giải thuật này giúp chọn ra cặp anten phù hợp nhất để đạt được BER thấp nhất và SNR cao nhất. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống đạt được độ lợi phân tập đầy đủ với SNR cao, tương đương với việc sử dụng tất cả anten.

3.1. Giải thuật lựa chọn anten

Giải thuật dựa trên thông số kênh truyền và mã Alamouti để chọn cặp anten tối ưu. Kết quả cho thấy hệ thống đạt được BER thấp và SNR cao với số lượng anten giảm.

3.2. Ảnh hưởng của số lượng anten

Nghiên cứu cho thấy việc tăng số lượng anten phát không cải thiện đáng kể BER nếu đã sử dụng giải thuật tối ưu lựa chọn cặp anten.

IV. Kết quả mô phỏng và đánh giá

Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy hệ thống sử dụng mã Alamouti và tối ưu lựa chọn cặp anten đạt được BER thấp hơn so với hệ thống không sử dụng giải thuật này. Điều này chứng tỏ hiệu quả của giải thuật trong việc cải thiện chất lượng truyền dẫn.

4.1. Kết quả mô phỏng BER

Kết quả mô phỏng cho thấy BER của hệ thống giảm đáng kể khi sử dụng mã Alamouti và tối ưu lựa chọn cặp anten.

4.2. So sánh với lý thuyết

Kết quả mô phỏng phù hợp với lý thuyết, chứng minh tính chính xác của giải thuật và mô hình hệ thống.

V. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã chứng minh hiệu quả của việc tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thống MIMO sử dụng mã Alamouti. Hướng phát triển tiếp theo có thể là nghiên cứu ứng dụng giải thuật này trong các hệ thống truyền thông thực tế như 5G và IoT.

5.1. Kết luận

Giải thuật tối ưu lựa chọn cặp anten giúp giảm chi phí và độ phức tạp của hệ thống MIMO mà vẫn duy trì hiệu suất cao.

5.2. Hướng phát triển

Nghiên cứu ứng dụng giải thuật trong các hệ thống truyền thông hiện đại như 5G và IoT để tăng hiệu quả truyền dẫn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyền thông không dây, hệ thống MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) đã trở thành một giải pháp tối ưu nhằm nâng cao tốc độ truyền dữ liệu và cải thiện chất lượng tín hiệu. Theo báo cáo của ngành, việc sử dụng nhiều anten phát và thu giúp tăng dung lượng kênh truyền đáng kể so với hệ thống SISO truyền thống. Tuy nhiên, việc trang bị nhiều anten phát đồng nghĩa với chi phí và độ phức tạp của hệ thống tăng cao do yêu cầu về bộ xử lý cao tần và phần cứng phức tạp.

Luận văn tập trung nghiên cứu tối ưu lựa chọn cặp anten phát trong hệ thống MIMO sử dụng mã Alamouti, nhằm giảm số lượng anten phát cần thiết mà vẫn đảm bảo độ lợi phân tán cao và tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp. Mục tiêu cụ thể là xây dựng công thức tính BER chính xác cho các phương pháp điều chế BPSK và M-QAM trên kênh truyền Rayleigh, đồng thời mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của các tham số hệ thống như số lượng anten phát, kỹ thuật điều chế và suy hao kênh đến chất lượng truyền dẫn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống MISO (Multiple-Input Single-Output) với kênh truyền Rayleigh, trong khoảng thời gian nghiên cứu đến năm 2013 tại Việt Nam.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống truyền thông không dây có chi phí thấp, hiệu quả cao, phù hợp với điều kiện thực tế tại các khu vực đô thị có nhiều vật cản và hạn chế về kích thước thiết bị di động. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu suất truyền dẫn, giảm tỷ lệ lỗi và hỗ trợ thiết kế các hệ thống MIMO thương mại trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mã hóa không gian-thời gian (Space-Time Block Code - STBC): Sử dụng mã Alamouti để mã hóa tín hiệu phát qua hai anten nhằm đạt được độ lợi phân tán không gian và thời gian, giúp giảm tỷ lệ lỗi bit trong môi trường fading.

• Mô hình kênh truyền Rayleigh: Mô hình hóa kênh truyền vô tuyến trong môi trường đa đường với phân bố xác suất Rayleigh, phản ánh chính xác hiện tượng fading đa đường trong các khu vực đô thị.

• Phương pháp điều chế số: Tập trung vào điều chế BPSK và M-QAM, trong đó BPSK có ưu điểm về độ bền nhiễu, còn M-QAM cho phép tăng tốc độ truyền dữ liệu với băng thông hiệu quả.

• Kỹ thuật lựa chọn anten phát (Transmit Antenna Selection): Chọn cặp anten phát tối ưu dựa trên thông tin trạng thái kênh (CSI) thu được từ máy thu, nhằm giảm số lượng anten phát cần thiết mà vẫn giữ được hiệu suất truyền dẫn cao.

Các khái niệm chính bao gồm tỷ lệ lỗi bit (BER), tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), độ lợi phân tán (diversity gain), và mã hóa không gian-thời gian.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện qua hai giai đoạn chính:

• Phân tích lý thuyết: Dựa trên các công thức toán học và kết quả nghiên cứu từ các bài báo khoa học quốc tế, luận văn xây dựng biểu thức tính BER chính xác cho hệ thống MIMO sử dụng mã Alamouti với lựa chọn cặp anten phát, áp dụng cho điều chế BPSK và M-QAM trên kênh Rayleigh. Phân tích này giúp xác định mối quan hệ giữa các tham số hệ thống và hiệu suất truyền dẫn.

• Mô phỏng trên Matlab: Thực hiện mô phỏng quá trình truyền tín hiệu điều chế BPSK và M-QAM qua kênh Rayleigh với các cấu hình anten phát khác nhau. Chuỗi tín hiệu ngẫu nhiên được điều chế, truyền qua kênh, thu nhận và giải điều chế để tính toán tỷ lệ lỗi bit thực tế. Mô phỏng đảm bảo công suất phát đồng nhất khi thay đổi tham số để so sánh hiệu quả công bằng.

Cỡ mẫu mô phỏng đủ lớn để đảm bảo độ tin cậy của kết quả, phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên nhằm phản ánh tính ngẫu nhiên của kênh truyền. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2013, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, phân tích lý thuyết, lập trình mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. BER giảm đáng kể khi sử dụng lựa chọn cặp anten phát: Kết quả mô phỏng cho thấy, với cùng số lượng anten phát, việc lựa chọn cặp anten tối ưu dựa trên CSI giúp giảm tỷ lệ lỗi bit khoảng 10-15% so với việc sử dụng ngẫu nhiên anten phát. Ví dụ, tại SNR 10 dB, BER giảm từ khoảng 10^-2 xuống còn gần 10^-3.

2. Mã Alamouti đạt độ lợi phân tán đầy đủ với số lượng anten phát hạn chế: Hệ thống sử dụng 2 anten phát trong mỗi lần truyền vẫn đạt được độ lợi phân tán tương đương với hệ thống sử dụng tất cả anten phát, đặc biệt ở vùng SNR cao (trên 15 dB). Điều này chứng tỏ hiệu quả của mã hóa không gian-thời gian kết hợp với lựa chọn anten.

3. Ảnh hưởng của phương pháp điều chế: Điều chế BPSK cho tỷ lệ lỗi bit thấp hơn so với M-QAM ở cùng mức SNR, tuy nhiên M-QAM cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn. Tại SNR 12 dB, BER của BPSK đạt khoảng 10^-4, trong khi M-QAM (16-QAM) đạt khoảng 10^-3.

4. Tác động của suy hao kênh và số lượng anten phát: Khi số lượng anten phát tăng từ 2 lên 4, BER giảm thêm khoảng 3-5 dB ở cùng mức SNR, tuy nhiên chi phí và độ phức tạp cũng tăng theo. Suy hao kênh Rayleigh làm giảm chất lượng truyền dẫn, nhưng kỹ thuật lựa chọn anten giúp giảm thiểu ảnh hưởng này.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do kỹ thuật lựa chọn anten phát giúp tận dụng các kênh truyền có chất lượng tốt nhất, từ đó tối ưu hóa tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại máy thu. Mã hóa Alamouti cung cấp khả năng phân tán tín hiệu không gian-thời gian hiệu quả, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của fading đa đường.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng và phân tích lý thuyết của luận văn phù hợp với các báo cáo quốc tế, đồng thời mở rộng bằng cách áp dụng cho điều chế M-QAM, một điểm mới so với các nghiên cứu chỉ tập trung vào BPSK. Biểu đồ BER so sánh giữa các cấu hình anten và phương pháp điều chế minh họa rõ ràng sự cải thiện hiệu suất nhờ lựa chọn anten.

Ý nghĩa của kết quả là cung cấp một giải pháp thiết kế hệ thống MIMO có chi phí thấp, giảm số lượng phần cứng cần thiết mà vẫn đảm bảo hiệu suất truyền dẫn cao, phù hợp với các ứng dụng di động và môi trường đô thị phức tạp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thuật toán lựa chọn cặp anten phát dựa trên CSI: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) xuống dưới 10^-3 trong các hệ thống MIMO thương mại, thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể thực hiện là các nhà phát triển thiết bị viễn thông.

2. Tối ưu hóa phần cứng anten phát: Giảm số lượng bộ xử lý cao tần từ N xuống 2 bộ, nhằm giảm chi phí sản xuất và tiêu thụ năng lượng, hoàn thành trong 18 tháng, do các nhà sản xuất thiết bị di động đảm nhiệm.

3. Áp dụng mã hóa không gian-thời gian Alamouti kết hợp với điều chế M-QAM: Nâng cao tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống MIMO, mục tiêu tăng code rate lên tối đa, thời gian triển khai 24 tháng, do các nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm thực hiện.

4. Nâng cao khả năng thích ứng với môi trường kênh Rayleigh: Phát triển các thuật toán tự động điều chỉnh lựa chọn anten theo điều kiện kênh thực tế, nhằm duy trì chất lượng truyền dẫn ổn định, thời gian nghiên cứu và thử nghiệm 2 năm, do các viện nghiên cứu viễn thông đảm nhận.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, viễn thông: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về hệ thống MIMO, mã hóa không gian-thời gian và kỹ thuật lựa chọn anten phát, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và luận văn.

2. Kỹ sư phát triển thiết bị truyền thông không dây: Áp dụng các giải pháp tối ưu lựa chọn anten để thiết kế thiết bị có hiệu suất cao, chi phí thấp, phù hợp với các tiêu chuẩn viễn thông hiện đại.

3. Các nhà quản lý dự án công nghệ viễn thông: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống MIMO, từ đó đưa ra quyết định đầu tư và phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị di động và trạm thu phát: Tận dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, giảm chi phí phần cứng, nâng cao hiệu suất truyền dẫn trong môi trường đô thị phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần lựa chọn cặp anten phát trong hệ thống MIMO?
   Lựa chọn cặp anten phát giúp giảm số lượng anten và bộ xử lý cao tần cần thiết, từ đó giảm chi phí và độ phức tạp hệ thống mà vẫn giữ được hiệu suất truyền dẫn cao nhờ tận dụng các kênh truyền tốt nhất.

2. Mã Alamouti có ưu điểm gì trong hệ thống MIMO?
   Mã Alamouti cung cấp độ lợi phân tán không gian-thời gian đầy đủ với cấu trúc đơn giản, giúp giảm tỷ lệ lỗi bit và tăng độ tin cậy truyền dẫn trong môi trường fading đa đường.

3. Điều chế BPSK và M-QAM khác nhau như thế nào về hiệu suất?
   BPSK có tỷ lệ lỗi bit thấp hơn ở cùng mức SNR nhưng tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn. M-QAM cho phép truyền dữ liệu nhanh hơn nhưng yêu cầu SNR cao hơn để đạt hiệu suất tương đương.

4. Ảnh hưởng của kênh Rayleigh đến hệ thống MIMO là gì?
   Kênh Rayleigh mô tả hiện tượng fading đa đường gây biến động biên độ và pha tín hiệu, làm giảm chất lượng truyền dẫn. Kỹ thuật lựa chọn anten và mã hóa không gian-thời gian giúp giảm thiểu ảnh hưởng này.

5. Làm thế nào để mô phỏng hiệu quả hệ thống MIMO?
   Sử dụng phần mềm Matlab để tạo chuỗi tín hiệu ngẫu nhiên, điều chế, truyền qua kênh Rayleigh, thu nhận và giải điều chế, sau đó tính toán tỷ lệ lỗi bit. Mô phỏng cần đảm bảo công suất phát đồng nhất và số mẫu đủ lớn để kết quả tin cậy.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công công thức tính tỷ lệ lỗi bit (BER) cho hệ thống MIMO sử dụng mã Alamouti với lựa chọn cặp anten phát trên kênh Rayleigh, áp dụng cho điều chế BPSK và M-QAM.
• Kỹ thuật lựa chọn anten phát giúp giảm số lượng anten cần thiết, giảm chi phí phần cứng mà vẫn duy trì độ lợi phân tán và hiệu suất truyền dẫn cao.
• Mã hóa không gian-thời gian Alamouti kết hợp với lựa chọn anten phát là giải pháp tối ưu cho các hệ thống MIMO tốc độ cao trong môi trường đô thị phức tạp.
• Kết quả mô phỏng trên Matlab khẳng định tính chính xác của phân tích lý thuyết và cung cấp cái nhìn trực quan về ảnh hưởng của các tham số hệ thống.
• Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm triển khai thuật toán lựa chọn anten thực tế, tối ưu phần cứng và nâng cao khả năng thích ứng với điều kiện kênh biến đổi.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng và mở rộng các kết quả này trong các hệ thống MIMO thực tế, đồng thời nghiên cứu thêm các kỹ thuật mã hóa và lựa chọn anten nâng cao nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của truyền thông không dây hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan GVHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên TS.Hô Văn Khương Chương 3: Tối ưu hóa việc lựa chọn anten trong hệ thống MIMO sử dụng mã Alamouti. Là quá trình xây dựng công thức lý thuyết xác định tỷ lệ lỗi bit BER của hệ thống. Chương 4: Kết quả mô phỏng.

Chương này trình bày các kết quả đạt được từ việc mô phỏng hệ thống bằng chương trình matlab, đồng thời đưa ra các nhận xét — giải thích cho kết quả vừa nhận được. Chương 35: Kết luận và hướng nghiên cứu. Đánh giá kết quả nhận được so với mục tiêu dé ra ban dau, đồng thời gợi mở lên các hướng nghiên cứu từ kết qua của luận văn này. Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thông mimo - 5- HVTH: Phạm Cánh Hưng sử dụng mã Alamouti Chương 2: Kiến thức tổng quan GVHD: TS.

Huỳnh Tường Nguyên TS.Hô Văn Khương CHƯƠNG 2: KIÊN THỨC TONG QUAN 2.1 CÁC KỸ THUẬT DIEU CHE - GIẢI DIEU CHE TÍN HIỆU SO Điều chế là quá trình chuyển đổi pho tan của tín hiệu cần truyền đến một vùng phố tần khác bằng cách dùng một sóng mang để chuyên chở tín hiệu cần truyền đi. Mục đích của việc làm này là chọn một phô tan thích hợp cho việc truyền thông tin, với các tan số sóng mang khác nhau người ta có thể truyền nhiễu tín hiệu có cùng phố tần trên các kênh truyền khác nhau của cùng một đường truyén. Một cách tổng quát, phương pháp điều chế là dùng tín hiệu cần truyền làm thay đổi một vài thông số nào đó của sóng mang (biên độ, tần số, pha. Tùy theo thông số được thay đối mà ta có các phương pháp điều chế khác nhau: điều chế biên độ (AM), điều chế tần s6(FM), diéu ché pha (DM), diéu ché xung (PM), điều chế biên độ - pha (QAM).

Khác với công nghệ tương ty, phương pháp điều chế tín hiệu số cho phép M tín hiệu S¡(, So(t), ., S(t) được gửi vào cùng một khoảng thời gian của chu ky ky tự (symbol) T,, với M = 2°, n là số nguyên, T, = n.T§, T, là chu kỳ của bit. Các tín hiệu được điều chế bang cách thay đổi biên độ, pha hay tan số của sóng mang trong M bước rời rac. Do vậy, các phương pháp điều chế số thường được ký hiệu M-aray ASK (Amplitude Shift Keying), M-aray PSK (Phase Shift Keying), M-aray FSK (Frequency Shift Keying ) hay còn gọi la M-ASK, M-PSK, M-FSK. Tín hiệu M-aray còn có thé dat được bang cách kết hop các phương pháp điều chế khác nhau thành một dạng điều chế lai.

Ví dụ: kết hợp việc thay đối rời rac cả về pha và biên độ của sóng mang để tạo ra tín hiệu khóa dịch pha biên độ M-aray APK. Dạng đặc biệt của loại điều chế lai này được gọi là M-QAM. Các kiểu điều chế M-aray nêu trên được sử dụng để điều chế tín hiệu nhị phân với mục đích truyền dẫn tín hiệu số trong các kênh thông tin. Trên thực tế, các kênh thông tin ít khi có độ rộng băng tan băng đúng như bé rộng dải phố của nguồn tín hiệu nhị phân.

Do vậy, khi độ rộng băng tần của kênh nhỏ hơn so với yêu cầu, cần điều chế tín hiệu số theo phương pháp M-aray dé thu hep dải thông. Tùy thuộc giá trị M, các phương thức điều chế khác nhau đòi hỏi bề rộng băng tần khác nhau để truyền cùng một chuỗi bit thông tin. Ví dụ: nếu truyền băng phương pháp Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thông mimo - 6- HVTH: Pham Canh Hung su dung ma Alamouti Chương 2: Kiến thức tổng quan GVHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên TS.Hô Văn Khương điều chế BPSK (n=1,M=2 ), độ rộng băng tần cần thiết sẽ ty lệ nghịch với giá tri Tp.

Tuy nhiên, nếu sử dụng phương pháp điều chế với n = 2, 3, 4,. chu ky của một symbol nA x ` ` <A r re 1 +À ` 2 ~ A 2 T, =n. Độ rộng băng tân cân thiệt tương ứng với _ Điêu này có nghĩa: nêu sử dụng b tín hiệu M-PSK để truyền cùng một chuỗi bit thông tin nêu trên, băng tần có thể giảm đi n= logzM lân so với trường hợp sử dụng phương pháp điều chế BPSK.1 DIEU CHE TÍN HIỆU SO 2.1 PHUONG PHAP DIEU CHE PAM Điều chế PAM là làm thay đổi biên độ của dãy xung sóng mang sao cho biên độ của mỗi xung băng hoặc tỉ lệ với giá trị tức thời của tín hiệu tại những thời điểm xuất hiện xung. Điều biên PAM thực chất là rời rạc tín hiệu.

x | t yữ)=~ lÌ() T Tf Hinh 2.1: So dé mach truyén tín hiệu roi rac H(o) = YT— = | 20 nax (2.1) Theo dinh ly về rời rac tín hiệu, có thé truyền tin tức băng mẫu rời rạc được thực hiện trên hình 2. Đó là hệ thống rời rac lý tưởng, bởi vì nó bao gồm mach phát xung lý tưởng Dirac ở bên phát và mạch lọc thông thấp lý tưởng bên thu. Việc rời rạc lý tưởng được thực hiện trong mạch nhận tín hiệu tin tức có tần số giới hạn Q,, với day xung Dirac —l Ill =) , độ^ cao bang don vi¬ va chu ky: thỏa man định lýTY. Ở đầu ra của t \ , -.

be VÀ : @m mach điêu wR chêk ta nhận ^ được tin2 hiệu NHÀ roiAI rac y,,,,(t) = uO)1 lI B t. Giaae tri của các , xung Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thông mimo - 7- HVTH: Phạm Cánh Hưng sử dụng mã Alamouti Chương 2: Kiến thức tổng quan GVHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên TS.Hô Văn Khương Dirac sẽ băng các mâu x(nT) cua tín hiệu x(t) tại các điêm nT. Phô của tín hiệu rời rac là pho lặp tuần hồn của X(Q) và bằng: Y 44 (@) = = [x(o) *Y(Ø)| (2.2) 27 Tin hiệu roi rac được truyền từ noi nhận tin và được giải điêu chê nhờ mach lọc thông thấp có đặc tính lý tưởng.

Ở đầu ra của mạch lọc thông thấp sẽ nhận được tín hiệu x(t) có phố X(@).3) Hệ thống rời rạc lý tưởng vừa xét trên đây không thể thực hiện trong thực tế, do không thé tạo được dãy xung Dirac có độ rộng bang không và không thé có mạch loc thông thấp có đặc tuyến tần số lý tưởng. Sóng mang trong thực tế là dãy xung vuông góc. Tín hiệu PAM được tạo ra do quá trình rời rạc tín hiệu tin tức có pho không xác định. Trong pho tín hiệu PAM, thành phan tần số thấp và một chiều chiếm đa số, đó là thành phan không có lợi cho việc truyền đi xa.

Để thực hiện điều nay người ta thực hiện điều chế PAM một lần nữa trong hệ thống điều chế liên tục AM. Cách điều chế này cho ta tín hiệu PAM-AM hoặc PAM-FM. Phổ tín hiệu sẽ được dịch lên miền tần số cao hơn.2 PHƯƠNG PHAP DIEU CHE M-PSK Đối với phương pháp điều chế M-PSK, pha của sóng mang có thé bang bat kỳ giá trị nào trong số M giá tri Ø= 2(i — DĐ với 1= l,2,. Trong chu ky symbol T,, luôn tồn tại một trong số M tín hiệu.

Gọi E là năng lượng symbol, ƒ, = = là tần số sóng mang, n, là một số nguyên nao đó. Tín hiệu M-PSK được biểu thị bang: 2E 27 S,(t) =,|— T cos(2Z f.4 4) Khai trién phương trình trên ta có: Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thông mimo - 8- HVTH: Pham Canh Hung su dung ma Alamouti Chương 2: Kiến thức tổng quan GVHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên TS.Hô Văn Khương (t) = \— S(t P cos —(i-l)cos 2a2/7 f, ƒ.£—sin— 2E 20 sn (¡ —])sin )sin 2Z af]ft 27 ( 2.5 ) Do vay, vi tri cua cac diém thông tin được xác định boi toa độ cos( = (i—1)) trên trục ~. ^ Iva sin(- (i—1))trén trục Q.2 chỉ ra ba chòm sao của điều chế M-PSK sử dung cả sóng mang đồng pha (1) và vuông pha (Q).

2-PSK 4-PSK 8-PSK Q Q Q -4 0 1 -4 0 1 -1 0 1 (a) (c) (c) Hình 2.2: Điều chế M-PSK Xác suất thu sai của điều ché BPSK: Giả sử nhiễu nền công suất No được lọc qua bộ lọc thông di tần số cắt f, thì mật độ phố công suất nhiễu là: N =——= NT, (2.6) b Với công suất tín hiệu đầu vào là C¡ , chu kỳ chuỗi bit T, thì năng lượng mỗi bit tín hiệu là: hy, =Cj1, (2.7) Như vậy xác suất thu sai của điều chế BPSK là: P - ert (2.8) 2 7 Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thông mimo - 9- HVTH: Pham Canh Hung su dung ma Alamouti Chương 2: Kiến thức tổng quan GVHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên TS.Hô Văn Khương Trong đó, E,/n là tỷ SỐ năng lượng bit so với mật độ nhiều (tính bang dB). Theo công thuc (2.8) khi E,/n tang thi xac suất thu sai P, giam nhanh. Xác xuất thu sai của điều chế QPSK: Giả sử sóng mang QPSK dùng một năng lượng Es = PsTs = 2C¡Ty để truyền một ký hiệu.

Do đó, năng lượng để truyền mỗi bit là Ey = Pslt — C,T,=Es/2. Vì day pho tan QPSK hep gấp đôi so với dãy phô tan BPSK nên day tan thiết bị thu là B =f,/2, do đó xác suất thu sai của điều chế QPSK là: P= on “| (2.9) n So sánh với (2.8), ta nhận thấy xác suất thu sai của QPSK lớn hơn gấp đôi xác suất thu sai của BPSK với cùng năng lượng bit và công suất nhiễu. Điều này có thể được lý giải rang đối với BPSK, chỉ thành phan nhiễu trên phương của don vị u,(t) gây ra thu sai, trong khi đối với QPSK hai thành phan nhiễu n, và np trên cả hai phương của vector đơn vị u,(t) v ua() đều có thể gây ra thu sai.3 PHƯƠNG PHÁP DIEU CHE M-QAM Khác với M-PSK, trong phương pháp điều chế M-QAM tín hiệu được điều chế cả pha và biên độ. Dạng tổng quát của tín hiệu điều chế M-QAM được biểu thị bằng: |2z |2z S,(t) = Fp 4,c0S2Z ft + “ph sin 2a fit void <t<T (2.10) Trong đó, Eo là năng lượng của tín hiệu với biên độ nhỏ nhat, a; và b; là cặp các sô nguyên độc lập được chon sao cho phù hợp với vị trí của điểm thông tin.11) @Œ)= = sin(2n ft) 0</<T Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thông mimo - 10- HVTH: Phạm Cánh Hưng sử dụng mã Alamouti Chương 2: Kiến thức tổng quan GVHD: TS.

Huỳnh Tường Nguyên TS.Hô Văn Khương Vị trí điểm thông tin thứ i trên đồ thi pha biên độ, có 2 trục là I và Q được xác định bởi gi trị a,,/E, V b,JE, , trong đó (a;, b;) được xác định theo dạng ma trận vuông L-L: (-L+1,L-1) (CL+3,L-I) .3: Giản đồ sao điều chế M-QAM Gan nhãn các diém thuộc chùm sao: Gan nhãn một mau bit cho tat cả các diém.