ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ML ĐỂ ĐỒNG BỘ PHA SÓNG MANG VÀ ĐỊNH THỜI CHO KÊNH PHA ĐING

Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt
Đỗ Văn Quang - D2001VT
vi
Học viện công nghệ bu chính viễn thông
khoa viễn thông i
***********
Đồ án
tốt nghiệp đại học
Đề tài: ứng dụngthuật toán ml để đồng
bộ
pha sóng mang và định thời cho
kênh pha đing
Giáo viên hớng dẫn: TS. Nguyễn Phạm
Anh Dũng
KS. Nguyễn Viết
Đảm
Ngời thực hiện : Đỗ Văn Quang
Lớp :
Đ2001VT
Hà nội 2005
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt
Thuật ngữ viết tắt
ACI
Khử nhiễu kênh lân cận
AGC
Độ lợi không đổi
AWGN
Tạp âm Gaussian trắng cộng
BPSK
Điều chế khoá dịch xung cơ hai
CIR

Đáp ứng xung kênh
CCI
Nhiễu đồng kênh
CDMA
Đa truy nhập theo mã
ctf
Hàm truyền đạt kênh
DA
Hỗ trợ dữ liệu
DD
Trực tiếp quyết định
DFPLL
Vòng khoá pha hồi tiếp quyết định
Dgus
Tán xạ Gauss không tơng quan tất định
Etsi
Viện tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu
FB
Hồi tiếp
FF
Hồi tiếp thuận
Gsm
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
Gwssus
Tán xạ không tơng quan dừng nghĩa rộng Gauss
Hf
Tần số cao
Ht
Địa hình đồi núi
Imt 2000

Viễn thông di động quốc tế 2000
Isi
Nhiễu giữa các kí hiệu
LM
Di động mặt đất
Los
Đờng đi thẳng
Lpnm
Phơng pháp chuẩn L
p

Mcm
Phơng pháp Monte Carlo
MD
méo nhân
MF
Bộ lọc thích hợp
ML
Khả năng giống nhất
MAP
Xác suất hậu nghiệm lớn nhất
NDA
Không hỗ trợ dữ liệu
WSS
Quá trình dừng theo nghĩa rộng
WSSUS
Quá trình pha đing tán xạ không tơng quan dừng theo nghĩa rộng
PLL
Vòng khoá pha
Psd

Mật độ phổ công suất
Ra
Vùng nông thôn
RF
Tần số vô tuyến
SM
Di động vệ tinh
SNR
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
VCC
Đồng hồ điều khiển bằng điện áp
VCO
Dao động đợc khiển bằng điện áp
WGN
Tạp âm Gaussian trắng
Wssus
Tán xạ không tơng quan dừng nghĩa rộng
Đỗ Văn Quang - D2001VT
vii
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
Các kí hiệu
Lí thuyết toán tập hợp
C
Tập các số phức
N
Tập các số tự nhiên
IR
Tập các số thực
Z
Tập các số nguyên

Là một phần tử của

Không là một phần tử của

Mọi phần tử

Tập con

Hợp

Giao
A \ B Các phần tử thuộc A nhng không thuộc B

Tập rỗng
[a,b]
Tập các số thực trong khoảng từ a đến b
[a,b] = {
x
R | a
x
b}
[a,b)
Tập các số thực trong khoảng từ a đến cận b
[a,b) = {
x
R | a
x
< b}
(a,b]

Tập các số thực trong khoảng từ cận a đến b
(a,b] = {
x
R | a <
x
b}
{ }
N
n
n
x
1
=
Tập các phần tử
x
1
,
x
2
, ,
x
N
Kí hiệu hỗn hợp và toán tử
Arg {
x
}
Argumen của
x
=
x

1
j
x
2
( )
Tktg
T

Đáp ứng xung bộ lọc phát
e
x
Hàm mũ
E{
x
}
Giá trị trung bình (thống kê) hay giá trị kỳ vọng của
x
s(t)
Tín hiệu tần cơ sở phát
Exp {
x
}
Hàm mũ
p

Trễ truyền sóng
ML


Ước tính pha cực đại

Im {
x
}
Phần ảo của
x
=
x
1
+ j
x
2
T
Chu kỳ ký hiệu
lim Giới hạn
ln
x
Logarit tự nhiên của
x
log
a
x
Logarit cơ số a của
x
max
{ }
N
n
n
x
1

=
Phần tử lớn nhất của tập {
x
1
,
x
2
, ,
x
N
}
min
{ }
N
n
n
x
1
=
Phần tử nhỏ nhất của tập {
x
1
,
x
2
, ,
x
N
}
mod Toán tử modul

n!
Hàm giai thừa
P (
à

x
) Xác suất xảy ra sự kiện
à

x
Re{
x
}
Phần thực của
x
=
x
1
+ j
x
2
round{
x
}
Số nguyên gần nhất với
x
sgn (
x
)
Hàm dấu của

x
là:1 nếu
x
> 0; -1 nếu
x
< 0
Var{
x
}
Phơng sai của
x
x
1
(t)
x
2
(t)
Nhân kết hợp
x
1
(t) và
x
2
(t)
x
*
Số liên hợp của số phức
x
=
x

1
+ j
x
2
|
x
|
Giá trị tuyệt đối của
x
x
Giá trị gốc của căn bậc hai của
x

=
N
1n
Tích các số
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

30
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ

=
N
1n
Tổng các số

b
a
dt)t(x

Tích phân của hàm
x
(t) trên khoảng [a,b]
)(tx

Đạo hàm của hàm
x
(t) đối với thời gian t
K
Thông số độ lợi

Xấp xỉ bằng nhau

Phân bố theo (thống kê) hay gần bằng nhau (phân tích)

Nhỏ hơn hoặc bằng
<<
Nhỏ hơn nhiều
=
Bằng

Không bằng

Chuyển đổi Fourier
( )
tc
n
Trọng lợng đờng truyền sóng
( )
tr

Tín hiệu thu
( )
i
k
r
Tín hiệu thu thành phần
B Độ rộng băng thông
A
-1
Ma trận nghịch đảo của ma trận A

Biến tần số

Biến tần số góc
n

Thừa số khuyếch đại
n
D

Dịch Doppler

Vectơ tham số
( )
t
Biên độ pha đinh
a, I Thông số dữ liệu
a

,

I

Thông số ớc tính dữ liệu

,

Thông số pha


,


Thông số ớc tính pha

,

Thông số định thời


,


Thông số ớc tính định thời
B
eq
Độ rộng băng tạp âm tơng đơng
Các hàm đặc biệt
erf ()
Hàm lỗi
erfc ()

Hàm lỗi bù
I
v
()
Hàm Bessel loại một thứ v cải tiến
J
v
()
Hàm Bessel loại một thứ v
rect ()
Hàm chữ nhật
sinc ()
Hàm sin
()
Hàm delta
Các quá trình thống kê
B
C
Độ rộng băng tần nhất quán
c
0
Tốc độ ánh sáng
c
R
Hệ số Rice
E
2
()
Chuẩn sai số bình phơng trung bình

Tần số Doppler

0
Tần số sóng mang
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

31
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ

c
Tần số cắt

max
Tần số Doppler cực đại

min
Tần số cắt thấp hơn của mật độ phổ công suất Jakes giới hạn phía bên trái

s
Tốc độ lấy mẫu

sym
Tốc độ kí hiệu


Tần số Doppler của thành phần truyền thẳng m(t)
h(


)

Đáp ứng xung không phụ thuộc thời gian
h(


,t)
Đáp ứng xung phụ thuộc thời gian
H()
Hàm truyền đạt của các hệ thống tuyến tính không phụ thuộc thời gian
H(,t)
Hàm chuyển đổi phụ thuôc thời gian
i
m
à
Giá trị trung bình của
à
i
(t)
( )
xp
i
à
Phân bố Gauss
t Biến thời gian
T(,)
Hàm truyền đạt phụ thuộc Doppler
T
C
Thời gian tơng quan
T
s

Khoảng lấy mẫu
T
sym
Thời giạn kí hiệu
T

(r) Thời gian phađinh của các quá trình Rayleigh

(t)
T

(r) Thời gian phađinh của các quá trình Suzuki

(t)
T

(r) Thời gian phađinh của của các quá trình Rice

(t)
T
g

(r)
Thời gian phađinh của của các quá trình Loo g(t)
u
n
Biến ngẫu nhiên, phân bố đều trong khoảng (0,1]
v Tốc độ của khối di động
c
i

()
Hàm trọng số
x(t)
Tín hiệu đầu vào
y(t) Tín hiệu đầu ra

0
Tỷ số tần số f
min
trên f
max

c
Tỷ số tần số f
max
trên f
c

(t)
Quá trình logarit tự nhiên
à
(t)
Quá trình ngẫu nhiên Gauss phức trung bình không
2
0

Công suất trung bình của
à
i
(t)

Hiệu thời gian giữa t
2
và t
1
.

= t
2
t
1


Trễ truyền sóng liên tục


max
Trễ truyền sóng cực đại



Hiệu trễ truyền sóng giữa


và


1
.

=


-


1
.
Danh sách hình vẽ
Hình
1.1
Kịch bản tán xạ điển hình trong thông tin di động. 3
Hình
1 2
Các phạm vi thời gian máy phát và máy thu 4
Hình
1.3
Mô hình kênh pha đinh tuyến tính 10
Hình
1.4
Mô hình kênh rời rạc cho các kênh pha đinh chọn lọc tần số. 12
Hình Các mô hình kênh truyền rời rạc cho các kênh phađinh phẳng 15
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

32
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
1.5
Hình
1.6

Các quan hệ chuyển đổi Fourier giữa các hàm thống kê tơng đơng 18
Hình
1.7
Các loại cụm trong mặt phẳng Doppler- trễ 19
Hình
1.8
Ví dụ về hàm tán xạ, lý lịch trễ công và phổ Doppler 24
Hình
2.1
Các thuật toán đồng bộ Feedforward (FF) và Feedback (FB) 33
Hình
2.2
Bộ ớc tính không hỗ trợ dữ liệu cho ớc tính hợp
( )

;g
với.
41
Hình
2.3
Sự ớc tính định thời quyết định trực tiếp sử dụng tín hiệu chỉnh pha 42
Hình
2.4
Bộ ớc tính (
,
) hợp DA (DD)
43
Hình
2.5
Bộ ớc tính pha sóng mang (Feedforward). 44

Hình
2.6
(a) Hệ thống hồi tiếp lỗi pha sóng mang (DPLL);.
(b) Bộ tách lỗi pha DD
45
Hình
3.1
Sơ đồ khối máy thu tín hiệu BPSK 50
Hình
3.2
Sơ đồ khối máy thu tín hiệu M-PSK 51
Hình
3.3
Sơ đồ khối máy thu tín hiệu M-PAM 51
Hình
3.4
Sơ đồ khối máy thu tín hiệu QAM. 52
Hình
3.5
Dùng vòng khoá pha PLL để ớc tính pha sóng pha mang không điều
chế theo tiêu chuẩn ML 56
Hình
3.6
Ước tính pha sóng mang không điều chế theo tiêu chuẩn ML 56
Hình
3.7
Các phần tử cơ bản của vòng khoá pha (PLL) 56
Hình
3.8
Mô hình vòng khoá pha (PLL) 57

Hình
3.9
Mô hình PLL tơng đơng cùng với tạp âm cộng 60
Hình
3.10
Mô hình PLL tuyến tính có tạp âm cộng 60
Hình
3.11
So sánh phơng sai pha VCO đối với vòng khoá pha PLL bậc một
(mô hình tuyến tính) giữa xấp xỉ và chính xác. 62
Hình
3.12
Sơ đồ máy thu tín hiệu PAM hai băng (BPSK) cùng với ớc tính pha
sóng mang trực tiếp quyết định 64
Hình
3.13
Khôi phục sóng mang bằng vòng khoá pha (PLL) hồi tiếp quyết
định. 65
Hình
3.14
Sơ đồ khối máy thu tín hiệu QAM xó ớc tính pha trực tiếp quyết
định 65
Hình
3.15
Khôi phục sóng mang có tín hiệu M-PSK dùng PLL hồi tiếp quyết
định . 67
Hình
3.16
Vòng khoá pha (PLL) không trực tiếp quyết định để ớc tính pha
sóng mang của các tín hiệu PAM hay BPSK 70

Hình
3.17
Khôi phục sóng mang nhờ thiết bị nhân hai 71
Hình Sơ đồ khối vòng Costas 72
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

33
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
3.18
Hình
3.19
Khôi phục sóng mang bằng thiết bị nhân M lần tín hiệu vào đối
với tín hiệu thu M-PSK 74
Hình
3.20
Ước tính định thời theo phơng pháp ML trực tiếp quyết định cho tín
hiệu băng tần cơ sở 78
Hình
3.21
Ước tính định thời theo kiểu không trực tiếp quyết định cho tín hiệu
PAM băng tần cở sở cơ hai
79
Hình
3.22
Ước tính định thời theo kiểu không trực tiếp quyết định cho tín hiệu
PAM băng tần cở sở .
80
Hình
3.23
Mối quan hệ tín hiệu vào ra bộ lọc thích hợp . 81

Hình
3.24
Sơ đồ khối bộ đồng bộ cổng sớm muộn. 82
Hình
3.25
Sơ đồ khối dạng luân phiên - bộ đồng bộ cổng sớm muộn. 83
Hình
3.26
Vòng bám liên hợp trực tiếp quyết định đối với pha sóng mang và
định thời ký hiệu trong QAM & PSK 85
Hình
3.27
Hiệu năng ớc tính định thời ký hiệu băng tần cơ sở đối với các băng
thông vòng và tín hiệu cố định 89
Hình
3.28
Hiệu năng ớc tính định thời ký hiệu băng tần cơ sở đối với băng
thông vòng cố định và SNR không đổi
89
Hình
4.1
Vòng khoá pha PLL 92
Hình
4.2
Vòng khoá pha PLL sau khi khửa các thành phần tần số cao. 92
Hình
4.3
Mô hình tuyến tính hoá cho vòng khoá pha PLL 93
Hình
4.4

Đáp ứng của PLL đối với sự thay đổi tức thì về pha 96
Hình
4.5
Bộ tách sóng tơng quan cho BPSK để phân tích ảnh hởng của sóng
mang và trợt pha 97
Hình
4.6
Xác suất lỗi bit trung bình đối với BPSK khi Jitter pha có giá
trị phơng sai không đổi
Hình
4.7
Sơ đồ khối bộ đồng bộ cổng sớm muộn 101
Hình
4.8
Đầu ra bộ lọc thích hợp và các mẫu sớm & muộn. 102
Hình
4.9
Tín hiệu dạng cosin tăng và hàm tự tơng quan của nó 104
Mục lục
Mục lục
Lời nói đầu
Thuật ngữ viết tắt
Danh sách hình vẽ
iii
vi
x
Chơng1.
mô hình kênh phađing & các thông số đặc tr
mô hình kênh phađing & các thông số đặc tr
ng

ng
1
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

34
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
1.1. Giới thiệu
1
1.2.
Mô hình kênh pha đinh liên tục
Mô hình kênh pha đinh liên tục
2
1.3. Mô hình kênh phađinh rời rạc. 11
1.4.Đặc tính thống kê của kênh phađinh 16
1.5. Kết luận 29
Chơng 2. Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
30
2.1. Mở đầu 30
2.2. Rút ra các thuật toán đồng bộ ML
30
2.3. Thuật toán tìm kiếm lớn nhất. 34
2.4. Các hệ thống hồi tiếp lỗi 35
2.5. Ước tính thông số định thời NDA
36
2.6. Các bộ ớc tính thông số định thời DA (DD)
42
2.7. Ước tính bộ pha sóng mang và hồi tiếp lỗi pha
44
2.8. Kết luận .
45

Chơng 3.
ứ
ứ
ng dụng thuật toán ML để Đồng bộ sóng mang & định thời ký hiệu
ng dụng thuật toán ML để Đồng bộ sóng mang & định thời ký hiệu
47
3.1. Giới thiệu
47
3.2. ớc tính thông số tín hiệu
3.2.1. Hàm khả năng
3.2.2. Khôi phục sóng mang và đồng bộ ký hiệu trong giải điều chế
47
49
50
3.3. ớc tính pha sóng mang
3.3.1. ớc tính pha sóng mang
3.3.2. Vòng khoá pha PLL.
3.3.3. ảnh hởng của tạp âm cộng lên ớc tính pha
3.3.4. Vòng trực tiếp quyết định.
3.3.5. Vòng không trực tiếp quyết định
52
54
56
59
62
67
3.4. Ước tính định thời ký hiệu
3.4.1. ớc tính định thời khẳ năng nhất ML
3.4.2. ớc tính định thời không trực tiếp quyết định
76

76
78
3.5. Ước tính hợp của pha sóng mang và định thời ký hiệu .
84
3.6. Hiệu năng của các bộ ớc tính ML .
86
3.7. Kết luận
90
Chơng 4: Chơng trình mô phỏng đồng bộ sóng mang & định thời ký hiệu .
90
4.1. Giới thiệu 90
4.2. Mô phỏng đồng bộ sóng mang
4.2.1. Mô phỏng hoạt động vòng khoá pha PLL
4.2.2. ảnh hởng của lỗi pha và chỉ số điều chế lên quá trình đồng bộ
91
91
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

35
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
sóng mang trong hệ thống BPSK 96
4.3. Mô phỏng đồng bộ định thời ký hiệu 100
4.4. kết luận. 104
Kết luận
Tài liệu tham khảo
105
106
Lời nói đầu
Lời nói đầu

Trong tiến trình phát triển của xã hội lài ngời, thông tin và sự trao đổi thông tin
luôn là lĩnh vực tiên phong, điều kiện tiên quyết, điều kiện cần và cũng là cơ hội để
mỗi quốc gia, mỗi dân tộc thu hẹp khoảng cách phát triển, tránh nguy cơ lạc hậu, tăng
năng lực cạnh tranh hẹp hơn đối với các doanh nghiệp, cách ngành công nghiệp, các
nhà đầu t có cơ hội nâng cao năng lực cạnh tranh, cơ hội tìm kiếm đầu t mở rộng sản
xuất kinh doanh hay nói cách khác xu thế và nhu cầu tất yếu của xã hội loài ngời hiện
tại & tơng lai là thông tin, trao đổi tin sự khẳng định này đang đợc minh chứng một
cách nhanh chóng thông qua các chơng trình nh chính phủ điện tử, thơng mại điện
tử.v.v bởi lẽ tính hiệu quả của nó đã và đang đợc khẳng định trong mọi lĩnh vực kinh
doanh & đời sống xã hội. Trong xã hội thông tin đó, nổi bật nhất là thông tin vô tuyến
mà đặc biệt là thông tin di động do tính linh hoạt, mềm dẻo, di động, tiện lợi của nó.
Nh vậy, nhu cầu tất yếu về sử dụng hệ thống thông tin di vô tuyến và đang đợc gia tăng
điều này đồng nghĩa với nhu cầu sự chiếm dụng tài nguyên vô tuyến gia tăng hay nói
cách khác tồn tại mâu thuẫn lớn giữa nhu cầu chiếm dụng tài nguyên & tài nguyên vốn
có của thông tin vô tuyến. Do đặc điểm vốn có của truyền dẫn vô tuyến nh tài nguyên
hạn chế, chất lợng phụ thuộc nhiều vào môi trờng địa hình, thời tiết dẫn đến làm hạn
chế triển khai đáp ứng nhu cầu của xã hội của các nhà công nghiệp và dịch vụ viễn
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

36
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
thông. Trớc mâu thuẫn này, đặt ra bài toán lớn cho các nhà khoa học và các nghành
công nghiệp có liên quan phải giải quyết. Chẳng hạn khi nói về vấn đề tài nguyên vô
tuyến, lịch sử phát triển đã cho thấy chúng đợc giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật,
công nghệ nh: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, sự kết hợp giữa chúng ở đó đã tìm mọi
cách để khai thác triệt để tài nguyên ở dạng thời gian, tần số, không gian, mã. Nói
vấn đề giải quyết ở đây đợc hiểu là sự khám phá tài nguyên vốn có, tìm các giải pháp
để khắc phục đối phó nhợc điểm chứ không phải là cải tạo hay tạo ra tài nguyên mới.
Mặt khác, do tính liên mạng của quá trình truyền tin đòi hỏi gữa các phần tử trong liên

mạng phải hoạt động đồng bộ với nhau, điểu này có nghĩa là vấn đề đồng bộ là vấn đề
có tính chất sống còn của mạng viễn thông. Vậy thử hỏi điều gì gây ra mất đồng bộ, có
thể liệt kê ở đây nh: ảnh hởng của môi trờng truyền tin (môi trờng cáp quang, vô
tuyến ), sự bất ổn định của các phần tử trong hệ thống viễn thông trong những ảnh
hởng đó thì ảnh hởng của môi trờng vô tuyến là nghiêm trọng nhất và phức tập nhất vì
rằng do đặc tính của môi trờng vô tuyến, chất lợng truyền tin phụ bị ảnh hởng một cách
ngẫu nhiên rất lớn, làm thăng giáng tín hiệu một cách ngẫu nhiên. Vì thế gây khó
khăn lớn cho vấn đề đồng bộ mạng.
Nhận thức rõ đợc tầm quan trọng vấn đề đồng bộ trong mạng viễn thông và
nhân tố ảnh hởng lên vấn đề đồng bộ cùng với sự định hớng của thày giáo TS. Nguyễn
Phạm Anh Dũng và thày giáo KS Nguyễn Viết Đảm, đồ tốt nghiệp chọn chủ đề
nghiên cứu các giải pháp đồng bộ trong môi trờng kênh pha đinh cụ thể là:
"ứng dụng thuật toán ML để đồng bộ pha sóng mang và định thời cho kênh
phađinh"
Theo đó, từ quan điểm nhìn nhận mô hình truyền tin ở dạng chức năng và hệ
thống cũng nh các đặc tính kênh pha đinh đồ án đợc chia thành 4 chơng nh sau:
Chơng 1: Mô hình kênh pha đinh và các thông số đặc trng
Trình bầy tổng quan các mô hình kênh pha đinh liên tục và rời rạc, phân
loại kênh pha đinh, tính cách hoá, đặc tính hoá cho kênh đợc thể hiện ở
dạng các thông số đặc trng. Các tính cách phụ thuộc thời gian và tần số,
thông số hoá các ảnh hởng của kênh lên các thông số ớc tính định thời ký
hiệu và pha sóng mang.
Chơng 2: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
Định nghĩa hàm ML để ớc tính pha và định thời và phân loại các ớc tính
theo các tiêu trí cụ thể. Phân tích tổng hợp các thuật toán ML đợc dùng
trong hệ thống truyền thông phù hợp với các điều kiện xét nh ảnh hởng của
môi trờng truyền tin, loại tín hiệu tin.
Chơng 3: ứng dụng thuật toán ML để đồng bộ pha sóng mang và định thời
ứng dụng thuật toán ML để đồng bộ pha sóng mang và định thời ký hiệu
cho các phơng pháp điều chế và loại dữ liệu cụ thể trong thông tin vô tuyến

từ đó xây dựng sơ đồ khối chức năng để khôi phục pha sóng mang và định
thời.
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

37
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
Chơng 4: Chơng trình mô phỏng
Xây dựng chơng trình mô phỏng bằng Matlab để khảo sát hoạt động đồng
bộ sóng mang và đồng bộ định thời ký hiệu điển hình.
Đợc sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu
của thày giáo TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thày giáo KS Nguyễn Viết Đảm và ý
kiến đóng góp của các thày cô giáo trong bộ môn Vô tuyến cùng với sự cố gắng, nỗ lực
của bản thân đồ án đợc hoàn thành với nội dung đợc giao ở mức độ và phạm vi nhất
định. Tuy nhiên, do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn không tránh khỏi
những sai sót, kính mong các thày cô giáo và bạn đồng nghiệp chỉ bảo, đóng góp ý
kiến chỉnh xửa và định hớng nội dung cho hớng phát triển tiếp theo.
Em xin chân thành cảm ơn thày giáo TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thày
giáo KS Nguyễn Viết Đảm đã tận tình giúp đỡ trong thời gian học tập, công tác và
làm đồ án tốt nghiệp.
Hà nội, ngày tháng năm 2005
Ngời làm đồ án
SV. Đỗ Văn Quang
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

38
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
Chơng I
mô hình kênh phađing & các thông số đặc tr
mô hình kênh phađing & các thông số đặc tr
ng

ng
1.1. Giới thiệu
1.1. Giới thiệu
Với mục đính của đồ án là trình bầy các giải pháp đồng bộ để định thời và pha
sóng mang hay nói cách khác là trình bầy các phơng pháp khôi phục sóng mang
và định thời ký hiệu cho hệ thống truyền thông trong môi trờng kênh pha đinh.
Muốn vậy việc đầu tiên là phải biết đợc tính cách của kênh pha đinh nghĩa là
phải biết đợc các thông số đặc trng của kênh pha đinh, cách thức mà kênh pha
đinh gây ảnh hởng lên dữ liệu tin đợc truyền trên nó ở dạng các thông số đặc tr-
ng của kênh pha đinh tác động vào các thông số đặc trng của dữ liệu tin.
Theo đó, chơng này đồ án trình bầy mô hình kênh pha đinh liên tục và rời rạc,
phân loại kênh pha đinh và rút ra các thông số đặc trng của kênh pha đinh đồng
thời cũng đa ra các thông số đặc trng cho một số kênh pha đinh quan trọng.
Để đáp ứng yêu cầu gia tăng cả về tính di động và chất lợng vụ của nhiều loại
hình dịch vụ chất lợng cao, thì việc truyên thông vô tuyến số cho tiếng số hoá,
hình ảnh tĩnh hoặc động, bản tin, các dữ liệu khác đóng vai trò vai trò quan trọng
trong thiết kế và thực thi các hệ thống thông tin di động và cá nhân [1,2]. Về mặt
bản chất, tất cả các kênh vô tuyên dù ít hay nhiều đều có tính phân tán
(dispersive) và tính phụ thuộc thời gian (time-variant). Tuy vậy, nhiều môi trờng
điện từ nh: kênh vệ tinh hoặc kênh Vi ba tầm nhìn thẳng LOS, thờng đợc coi là
bất biến theo thời gian (time-invariant), khi này có thể áp dụng các cấu trúc máy
thu gồm các bộ đồng hồ đợc rút ra từ các kênh tĩnh.
Mặt khác, các môi trờng nh kênh di động mặt đất (LM: Land-Mobile), di động
vệ tinh (SM: Satellite-Mobile), hoặc sóng ngắn tầng điện ly (tần số cao, HF) tỏ ra
biến đổi tín hiệu đáng kể trong phạm vi thời gian ngắn (short-term time scale),
sự thăng giáng tín hiệu gây ảnh hởng gần nh ở mọi tầng của hệ thống truyền tin.
Đồ án tập chung nghiên cứu cho loại điều chế tuyến tính. Các thay đổi lớn về
mức tín hiệu thu do phađing cùng với các phần tử của máy thu số; vì vậy độ
chính xác cho các bộ chuyển đổi A/D và xử lý tín hiệu số phải cao hơn so với các
kênh tĩnh. Đặc biệt, khi xảy ra phađing sâu, cần phải dùng các kỹ thuật phân tập

để khắc phục, thờng phân tập thời gian ẩn và hiện (đợc thấy ở dạng các giao thức
phát lại hoặc sử dụng mã hoá kênh thích hợp với đan xen), anten, không gian, và
phân tập phân cực [3]. Ngoài ra, nếu phân tán kênh gây ra giao thoa giữa các ký
hiệu ISI, thì phải đợc khắc phục bởi bộ cân bằng (thích ứng). Cuối cùng, việc
truyền dẫn trên các kênh pha đinh cần phải có các cấu trúc bộ đồng bộ đợc thiết
kế đặc biệt và các thuật toán, nhìn chung về cơ bản khác so với các kênh tĩnh.
Theo đó, đồ án sẽ tập trung rút ra các bộ đồng bộ dới dạng toán hệ thống, dựa
trên mô hình phù hợp cho tất cả các tín hiệu và các hệ thống đợc cho trong [4].
Đặc biệt quan tâm nhiều nhất vào việc mô hình hoá kênh pha đing thích hợp. Vì
khi quan trắc sự thay đổi kênh tại máy thu là ngẫu nhiên, nên ta xét mô hình
kênh thống kê. Hơn nữa, do các bộ đồng bộ chủ yếu phải đối phó với các biến
đổi ngắn hạn của các đại lợng biên độ và pha của tín hiệu thu, nên thờng coi các
thuộc tính kênh thống kê là dừng ít nhất trong khung thời gian đủ ngắn.
Trên cơ sở đó đồ án sẽ thực hiện xây dựng mô hình toán học đặc trng hoá cho
các kênh pha đinh một cách vắn tắt đối với lớp các kênh phađinh liên tục và rời
rạc theo thời gian. Trình bày vắn tắt các đặc tính thống kê của kênh phađinh
cũng nh việc phân loại kênh phađinh. Đặc biệt mô hình hoá các ảnh hởng của
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

39
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
kênh lên các thông số đồng bộ ở dạng toán học, nhờ đó làm cơ sở nền tảng cho
việc ớc tính và thực hiện đồng bộ các thông số đồng bộ ở các chơng sau.
1.2. Mô hình kênh pha đinh liên tục
1.2. Mô hình kênh pha đinh liên tục
Trong quá trình truyền tin số trên các kênh tuyến tính, thì tín hiệu băng tần cơ sở
phát tơng đơng s (t) là chuỗi các đáp ứng xung bộ lọc phát
( )
Tktg
T

, b trễ bởi
kT và đợc đánh trọng lợng bởi các ký hiệu dữ liệu M-PSK hoặc
k
a
của M-QAM:
( ) ( )
kTtgats
T
k
k
=

(1.1)
Do quan tâm đến việc truyền thông vô tuyến giới hạn băng thông chặt. Vì vậy,
tất cả các tín hiệu và hệ thống đợc hiểu là sự trình bày đờng bao giá trị phức
thông thấp tơng đơng của các bản sao băng thông của chúng. Tất cả hệ thống và
các tín hiệu đờng bao thông thấp quy vào sóng mang máy phát
( )
tcos2
0

sao
cho tín hiệu thông băng phát
( )
[ ]
t
0
j
etsRe2

đợc tập trung xung quanh tần số
sóng mang phát
0

. Kênh pha đinh vật lý chỉ là hệ thống tuyến tính thông thấp t-
ơng đơng đợc đặc tính hoá bởi đáp ứng xung kênh CIR (Channel Impulse
Response) pha đinh phụ thuộc thời gian giá trị phức
( )
t;c
hoặc hàm truyền đạt
kênh tức thời
( )
t;C
là biến đổi chuỗi Fourier của
( )
t;c
theo biến trễ

tại
thời điểm t. Hầu hết các kênh vô tuyến đợc đặc tính hoá bởi truyền sóng đa đờng
ở đó tồn tại nhiều tia phản xạ và tán xạ đến phía thu. Kịch bản tán xạ điển hình
đợc cho ở hình 1.1 đối với môi trờng vô tuyến di động. Trừ khi bị che khuất, tia
LOS (đờng nét đứt) đến máy thu sớm nhất, trong khi đó các tia khác (các đờng
liền) bị phản xạ từ các vật thể khác trong các vùng lân cận. Mỗi một tia đợc đặc
tính hoá bởi suy giảm (biên độ khuyếch đại ), dịch pha và trễ truyền sóng
riêng. Hai vấn đề trên đợc biểu diễn hợp bởi hệ số khuyếch đại giá trị phức
( )
tc

n
trong đó
( ) ( )
tct
nn
=
là khuyếch đại biên độ phụ thuộc thời gian và
( ) ( )
{ }
tcargt
nn
=
là dịch pha ngẫu nhiên. ở đây, các trễ
( )
t
n

đợc rút ra từ
quan hệ với trễ truyền sóng
p

của tia đến đầu tiên (thờng là tia LOS). Quan hệ
trễ truyền sóng và khoảng cách truyền sóng
p
d
giữa máy phát và máy thu là:
[ ]
s
km
d

33.3
c
d
pp
p
à==
(1.2)
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

40
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
Hình 1.1 Kịch bản tán xạ điển hình trong thông tin di động
Trong đó c vận tốc của ánh sáng. Thờng,
( )
t
n

và
p

thay đổi chậm theo thời
gian; vì vậy trễ phân biệt tức thời
( )
t
nn
=
đợc coi là dừng trong trong khung
thời gian phù hợp sao cho chúng có thể đợc đánh chỉ số
max1N10
0 ==

. Đáp ứng xung kênh vật lý chứa trễ truyền sóng
p

đợc trình bày nh là sự xếp chồng của N xung Dirac đợc đánh trọng lợng và bị trễ:
( ) ( )
[ ]
( )
np
1N
0n
np
tct;c
+=


=
(1.3)
Trong truyền tin số ở đó các pha đồng hồ máy phát và máy thu có thể khác
nhau, nên trễ đồng hồ máy thu (hoặc sớm nhịp, nếu âm)
T
cc
=
phải đợc cộng
vào trễ truyền sóng
( )
np
+
. Giả sử tốc độ đồng hồ phát và thu
T1

, lệch định
thời tơng đối
c

là dừng và
5.05.0 <
c
. Độ trễ truyền sóng
p

bây giờ đợc
biểu diễn theo khoảng thời gian ký hiệu T nh sau:
[ ]
TL
cpp
++=
(1.4)
Với
p
L
là số nguyên sao cho trễ phụ phân đoạn (hoặc sớm)

cũng trong phạm
vi
5.05.0 <
. Từ hình 1.2, thấy rõ

là trễ phân đoạn của tia đa đờng đến
đầu tiên theo nhịp đồng hồ ký hiệu máy thu gần nhất.
Với mục đích thiết kế máy thu, cần phải đa ra đáp ứng xung kênh theo chuẩn

định thời máy thu:
( )
[ ]
( )
( )
[ ]
( )
n
1N
0n
n
cpp
Ttc
t;TLct;c
+=
++=


=

(1.5)
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

41
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
Hình 1.2 Các phạm vi thời gian máy phát và máy thu
(xem hình 1.2). Tổng quát, do trễ truyền sóng
p

không phải là nguyên lần chu

kỳ ký hiệu T, nên trễ định thời

có thể nhận giá trị bất kỳ trong phạm vi
5.05.0 <
thậm chí trong trờng hợp thích hợp chính xác giữa đồng hồ bộ
máy phát và máy thu
( )
0
c
=
. Vì vậy, khởi đầu của đáp ứng xung kênh (tia
đến đầu tiên) có thể bị lệch đi một nửa ký hiệu tơng ứng với chuẩn định thời máy
thu.
Từ mô hình kênh (1.5), cần phải đồng nhất các nhiệm vụ đồng bộ máy thu. Xét
về nhất quán hoặc chỉ thu nhất quán vi sai, tồn tại các trọng lợng đờng truyền
giá trị phức thay đổi ngẫu nhiên
( )
tc
n
cần có một số loại khôi phục sóng mang,
nghĩa là phải dùng cơ chế đồng bộ pha và điều khiển khuyếch đại nếu điều chế
đa mức (M-QAM). Các trễ định thời và đa đờng phân biệt
n

và

tơng ứng,
phục vụ cho đồng bộ định thời. Nếu kênh là không chọn lọc(
T
n

<<
, xem bên d-
ới), thì đồng bộ định thời đợc thực hiện bằng cách ớc tính và bù trễ định thời

.
Tr ờng hợp kênh chọn lọc tần số:
Trờng hợp các kênh chọn lọc, thì phiên bản đáp ứng xung kim kênh đã đợc lọc
và lấy mẫu
( )
t;c

phải đợc ớc tính và bù bằng kỹ thuật cân bằng.
Ngoài dịch pha ngẫu nhiên do kênh, sự không hoàn hảo của các bộ dao động
phát và thu cũng ảnh hởng đáng kể, thờng không ngẫu nhiên nhng không biết tr-
ớc dịch tần. Nếu xẩy ra sự lệch rất lớn hoặc vợt quá tốc độ ký hiệu
T1
, thì cần
phải đồng bộ tần số sơ bộ trong máy thu. Theo đó dới đây, ta coi rằng dịch tần số
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

42
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
nhỏ và ở mức độ vừa phải trong phạm vi
15.01.0
2
T



, nghĩa là, phổ tín hiệu

thu có thể bị dịch lên đến 10-15% tốc độ ký hiệu. Nếu đa
T
vào mô hình tín
hiệu và kết hợp dịch pha sóng mang không đổi

vào các trọng lợng đờng truyền
sóng giá trị phức
( )
tc
n
, thì tín hiệu mang tin
( )
ts
[phơng trình (1.1)] đợc truyền
qua kênh mang lại tín hiệu thu bị dịch tần thông qua sự quay pha
tj
e

:

( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( )
[ ] [ ]
( )
( )
( )
( ) ( )
tnt;Tkthae
tnTTktgtcae

tnTkTtgatce
tnTtstcetr
k
k
tj
k
t;Tkth
1N
0n
nTnk
tj
1N
0n
n
k
Tkn
tj
1N
0n
nn
tj
+






==
+

+=
+

=
+






=






=


=


=


=

(1.6)
Với
( )
t;h

là đáp ứng xung kênh hiệu lực phụ thuộc thời gian, bao gồm lọc
phát và trễ định thời phân đoạn. CIR
( )
t;h

và hàm chuyển đạt của nó
( )
t;H

có thể đợc khai triển nh sau:
( ) ( )
[ ]
( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
[ ]
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
==
==
==

=
==
==
==
+=





=

+

=



=

=





T
Tj
Tj
T

n
j
1N
0n
n
Tj
T
n
Tj
T
1N
0n
n
T
T
n
1N
0n
nT
n
1N
0n
Tn
Gt;Ct;Het;H
et;Ct;CGt;C
etct;CeGt;C
eGtct;H
gt;ct;hTt;h
Tt;ct;cgt;c
tct;cTgt;c

Tgtct;h
(1.7)
trong đó

là phép tích chập, và
( ) ( )
t;h,t;c

là CIR & kênh vật lý tơng ứng, chỉ lấy
xét các trễ phân biệt, vì vậy bỏ qua trễ định thời và truyền sóng. Việc khai triển này
hữu hiệu cho việc mô hình hoá và mô phỏng kênh vì các ảnh hởng của kênh vật lý (pha
đing, phân tán), lọc máy phát và lệch định thời (truyền sóng, đồng hồ máy thu) đợc
quy vào các phần tử
( ) ( )

T
g,t;c
và
( )
T
tơng ứng.
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

43
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
Ta chú ý rằng định nghĩa về đáp ứng xung kim kênh đợc dùng ở đây không bao gồm
việc lọc thu và vì vậy khác với các tài liệu thờng dùng ở đó
( ) ( )
t;Ht;h
hàm ý

đến tầng có bộ lọc phát, kênh vật lý và bộ lọc thu. ở đây, n(t) là tạp âm Gaussian trắng
cộng (AWGN) với mật độ phổ công suất N
0
, Mặc dù, thực tế n(t) bị ảnh hởng nhiều bởi
nhiễu đồng kênh (CCI: Co-channel interference) trong môi trờng đợc hạn chế nhiễu.
Ngoài ra, n(t) bị tơng quan thông qua việc lọc bởi bộ lọc
( )
F
. Tuy vậy, với điều kiện
phẳng (
( )
r
B;1F =
, xem bên dới) đợc áp dụng cho
( )
F
, thì không bị méo tạp
âm trong băng thông xét, nh vậy nó không còn quan trọng dù có xét đến ảnh hởng của
( )
F
hay không.
Vì phổ là nguồn tài nguyên cực kỳ quan trọng trong các môi trờng đa truy nhập, nên
cần có các bộ lọc lấy dạng xung phát hạn chế băng chặt chẽ cho tín hiệu băng hẹp.
Theo đó, cũng đợc ứng dụng cho truyền thông CDMA trong đó thuật ngữ băng hẹp
coi là tốc độ chip thay cho tốc độ ký hiệu. Việc lấy dạng xung chặt chẽ cũng góp phần
khử nhiễu kênh lân cận (ACI: adjacent channel interference). Vì vậy, ta coi rằng bộ lọc
( ) ( )

TT
Gg

đợc lấy gần đúng bằng băng thông B của tín hiệu RF sao cho kênh
( ) ( )
Tj
et;Ht;H


=
[phơng rình (1.7)] cũng đợc giới hạn băng chặt tới B.
Thờng, chọn bộ lọc phát có hàm truyền đạt là hàm truyền đạt cosin tăng[8].
( )
( )
( ) ( ) ( )
( )
( ) ( ) ( ) ( )













+

+
















=










+

+<


















<
=
T
1cos
4
T
1si1
T
41
1
g

T
10
T
1
T
1
T
1
4
T
cos
T
11
TG
2
T
T
(1.8)
trong đó năng lợng bộ lọc

( ) ( )
TdG
2
1
dgE
2
T
2
TgT
=

==

+

+

(1.9)
bằng khoảng ký hiệu T. Nh vậy bộ lọc và kênh có băng đợc giới hạn băng chặt hai phía
là
( )
+= 1B
T
1
với hệ số dốc mở rộng băng
10 <<
. Biết rằng, bộ lọc thích hợp thu
(chuẩn hoá năng lợng) cho trờng hợp kênh không lựa chọn (AWGN, không dịch tần) đ-
ợc cho bởi
( ) ( )
=
*
T
T
1
FM
G.G
. Do đó, tầng lấy dạng xung
( ) ( ) ( )
=

FMT
GGG
và
các bộ lọc thích hợp xung bằng
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

44
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
( ) ( ) ( )
( )
( )
( ) ( ) ( )
( )
( )
( )
[ ]
( )
[ ]
2
2
T
T41
Tcos
T
sig
T
10
T
1
T

1
T
1
2
T
cos1
2
1
T
11
T
,GT1G









=

+

+<

+

<
=
=
G
hạn, Chẳng
(1.10)
là xung dốc cosin thoả mãn điều kiện Nyquit về việc truuyền dẫn không có ISI [Chơng
2, [1]]. Lu ý rằng, truyền dẫn băng tần cơ sở thì B đợc định nghĩa là độ rộng băng tần
một phía còn đối với truyền dẫn thông băng thì B đợc định nghĩa là độ rộng băng tần B
tín hiệu RF hai phía.
Nh đợc giải thích ở trên, nội dung tần số của tín hiệu thu
( )
tr
đợc phép dịch tần do
sự không hoàn hảo bộ dao động đến một giá trị cực đại
max

cụ thể, vì vậy sau biến đổi
hạ tần, bộ lọc
( )
F
ở trớc bộ chuyển D/ A loại bỏ tín hiệu thu trong khoảng tần số
2
B2B2
max
2r
+
=

. Chỉ khi,

rất nhỏ hoặc đã đợc bù hiệu quả bằng tầng điều
khiển tần số phía trớc
( )
F
, thì bỏ qua sự mở rộng giải tần đầu vào máy thu trong thiết
kế
( )
F
.
Từ phơng trình (1.7), thấy rõ kênh
( ) ( )
Tj
et;Ht;H


=
dù nhiều hay ít đều thể
hiện đặc tính truyền dẫn phụ thuộc tần số. Mức độ lựa chọn lọc tần số phụ thuộc vào
kênh vật lý
( ) ( )
Tj
et;Ct;C


=
và độ rộng băng thông truyền dẫn B. Đặc
biệt, hàm truyền đạt kênh không chọn lọc tần số (không chọn lọc hoặc phẳng) trong độ
rộng băng B nếu

1e
maxmax
j
=

, trong đó
2B
max
=
sẽ nằm trong khoảng tốc độ ký
hiệu
T1
trong các môi trờng băng thông bị giới hạn. Vì vậy, kênh không chọn lọc là
kênh khi độ phân tán (trải rộng các trễ truyền tia) thoả mãn
T
max
<<
(trong thiết kế
máy thu, tính không chọn lọc thờng đợc giả định nếu
T1.0
max
<
); với kênh chọn lọc
tần số thì độ phân tán có thể so sánh đợc với khoảng thời gian của ký hiệu hoặc vợt quá
khoảng thời gian ký hiệu T.
Tr ờng hợp kênh không chọn lọc tần số: Hàm truyền đạt kênh và đáp ứng
xung rút gọn thành:
( ) ( ) ( )
( )
( ) ( )

( )
( ) ( )
( )
( ) ( ) ( )
Tgtct;h
etcG
)(etcG
eetcGt;H
T
Tj
T
Tj
1N
0n
nT
1N
0n
Bin1
n
j
Tj
nT
=
=

=




=

=






phẳngPhading

(1.11)
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

45
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
Nh vậy tất cả các trọng lợng đờng truyền (không khả giải - nonresolvable)
( )
tc
n
đều
hợp nhất vào một trọng lợng
( )
tc
đợc gọi là méo nhân (MD: multiplicative distortion)
[11], và tất cả các trễ truyền lan lên tới
T
max
<<
đều có thể đợc nhận giá trị 0 sao cho
cho phép thể hiện trễ định thời
T
. Vì vậy tín hiệu thu đợc viết nh:
( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
( )
( ) ( ) ( )
tnkTTtgtcatce
tnkTTtgtcaetr
k
Tk
tc
tj

k
Tk
tj
+






=
+






=






phẳng phading
(1.12)
Lệch tần rất nhỏ
1T <<
đôi khi đợc thấy trong mô hình quá trình méo nhân MD

kênh động để tìm đợc quá trình méo nhân MD kênh tần số kết hợp
( ) ( )
tcetc
tj

=
.
Nếu tất cả các thông số đồng bộ
( )
[ ]
tc,,
đều đợc biết trớc, thì có thể xử lý tín hiệu
thu bằng cách sử dụng bộ lọc thích hợp kênh tần số năng lợng chuẩn hoá (lý tởng).

( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
( )
[ ]
( )
( )
( ) ( )
( )
( ) ( ) ( )
( )
[ ]
( ) ( )
)(Tg
T

1
tce
Tg
T
1
t;ce
t;h
T
1
e
)(t;het;h
)(eG
T
1
tce
eG
T
1
t;Ce
t;H
T
1
e
)(t;Het;H
*
T
*tj
*
T
*tj

*tj
FM
tj
,FM
Tj*
T
*tj
Tj*
T
*tj
*tj
FM
tj
,FM
phẳng dingpha
phẳng dingpha và chọnlựa dingPha
phẳng dingpha
phẳng dingpha và chọnlựa dingPha






+=

+=
=
=






=
=
=
=






+
+




(1.13)
[xem ptr(1.7)], bằng cách bù tần số (quay ngợc bộ pha phức
tj
e

) thông qua thành
tj
e

và lọc thích hợp kênh bởi
)t;(h
FM

trờng hợp pha đinh phẳng, bao gồm hiệu
chỉnh pha (pha kênh
( ) ( )
[ ]
tcargt
=
thay đổi ngẫu nhiên ) thông qua
( )
tc
*
, lọc thích
hợp xung bởi
( ) ( ) ( )
=
*
TFM
gT1tg
, và bù độ trễ định thời thông qua
( )
T+
.

Chú ý rằng, khi việc lọc thích hợp kênh tần số chính xác, thì không thay đổi thứ tự
các hoạt động, nghĩa là, việc hiệu chỉnh tần số và pha đợc thực hiện trớc khi lọc thích
hợp xung. Hiển nhiên, lệch tần số lớn và các biến đổi kênh nhanh làm cho tín hiệu thu
bị dịch tần số, sao cho phổ của nó thích hợp với xung bộ lọc thích hợp MF. Tuy vây, do
chỉ xét các lệch tần số (d) và độ rộng băng thông phađinh kênh là tơng đối nhỏ so với
độ rộng băng thông B, nên việc thiết kế máy thu và mô hình truyền dẫn cho các kênh
pha đing phẳng đợc đơn giản đáng kể bằng cách bù tần số và pha nh sau: xung MF
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

46
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
( ) ( )

MFMF
Gg
(đợc biết trớc và không đổi), nh vậy tránh đợc bộ lọc thích hợp
kênh tần số (lý tởng nhng không đợc biết trớc). Nh vậy xung MF có thể đợc thực hiện
hoặc nh phần đầu [chẳng hạn, bằng cách kết hợp nó với bộ tiền lọc tơng tự:
( ) ( )
= FG
MF
] hoặc nh bộ lọc số theo
( )
F
và sự chuyển đổi A/D. Khi đó đầu ra
của xung lọc thích hợp MF đợc viết
( ) ( ) ( )
( )
( )
( )

[ ]
( ) ( )
( ) ( )
[ ]
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( )
( )
( )
[ ]
( )


1u
T
*
T
1uifsmall
uj
k
k
tj
k
k
tj
k
T
*
T
uj

k
tj
k
Tk
utj*
T
FM
dukTTutgug
T
1
e1atce
tmkTTtgatce
tmdukTTutgug
T
1
eatce
tmdukTTutgautceug
T
1
trtgtz
<<
<<

+






=
+

+






=
=







nếunhỏ
(1.14)
trong đó
( ) ( ) ( )
tntgtm
FM
=
là tạp âm đợc lọc với mật độ phổ công suất
( ) ( ) ( ) ( )
== GNNGT1S
00
2
Tm

và hàm tự tơng quan
( ) ( )
tgNtR
0m
=
. Tuyệt
đại đa số các hệ thống làm việc trên các kênh pha đing đợc thiết kế sao cho tốc độ
phađinh duy trì ở bên dới tốc độ ký hiệu 1/ T, nên lấy xấp xỉ
( ) ( )
tcutc
là hợp lệ
trong khoảng của xung
( )
tg
T
mà búp sóng chính thuộc vùng - T < t < T. Số hạng thứ
ba của phơng trình (1.14) đợc xác định là độ méo do lọc không thích hợp khi sử dụng
( )

FM
g
-thay cho
( )
tge
FM
tj
trớc khi hiệu chỉnh tần số. Biết rằng, đối với kênh
AWGN thành phần này là nhỏ nếu lệch tần tơng đối nhỏ hơn 1. Vì vậy, đầu ra bộ lọc
thích hợp xung có thể đợc xấp xỉ bởi:
( )

( )
( )
( )
( ) ( )
)(tmkTTtgatcetz
k
k
tc
tj
T
phẳngdingpha
nhỏ
+












(1.15)
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

47
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ

Hình 1.3 Mô hình kênh pha đinh tuyến tính
Hình 1.3 tổng hợp thảo luận ở trên và minh hoạ các mô hình kênh truyền dẫn
cho các kênh pha đing chọn lọc tần số và không chọn lọc tần số. Nh đã đợc đề cập,
chỉ cho phép hoán vị việc hiệu chỉnh tần số và lọc thích hợp xung (nh đợc thấy trên
hình) khi các lệch tần tơng đối là nhỏ nằm trong khoảng 10 - 15 %.
Nếu điều này không đợc bảo đảm, thì phải dùng một bộ đồng bộ tần số riêng trớc
( )

FM
G
. Lọc thích hợp kênh lựa chọn tần số sẽ nhạy hơn đối với các lệch tần vì vậy,
nếu bộ lọc thích hợp kênh (phụ thuộc vào thời gian, không đợc biết trớc)
( ) ( ) ( )
t;CGt;H
*
FMFM
=
đợc sử dụng để thu gần tôi u (chơng 13, [1]), thì nên
đồng bộ tần số trớc khi lọc thích hợp trừ khi dịch tần số trong khoảng hoặc nhỏ hơn tốc
độ kênh pha đinh.
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

48
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
1.3. Mô hình kênh phađinh rời rạc
1.3. Mô hình kênh phađinh rời rạc
Trong tất cả các thực hiện máy thu số, tín hiệu thu r(t) [phơng trình (1.6)] đợc
lấy mẫu. Để đảm bảo đủ nội dung thông tin, phải lấy mẫu tại tốc độ tối thiểu là
bộ
( ) ( ) ( ) ( )

++== 2T11BT1
maxr
min
s
(xem hình 1. 3). Tuy nhiên, cần có
một bộ lọc chống chồng phổ (anti-aliasing) thông thấp lý tởng
( )
F
với độ rộng
băng thông
2B
r
(một phía). Vì vậy, nhìn chung
( )
min
T
1
s
không tơng xứng với tốc
độ ký hiệu
T1
và xét dịch tần số nhỏ
max

và các hệ số dốc định dạng xung điển
hình trong phạm vi giữa 0.2 và 0.7, có thể chọn tần số lấy mẫu danh định là
T2T1
s
=
. Vì vậy cho phép chuyển giữa thông băng và không thông băng mịn

bằng cách đó dễ dàng thực hiện bộ lọc chống chồng phổ
( )
F
.
Trong khi tần số lấy mẫu thực tế của đồng hồ máy thu hoạt động tự do không
bao giời chính xác bằng 2/T (chơng 4, [1]), sự thay đổi tại các thời điểm định
thời do các tốc độ không tơng xứng đợc cho là vẫn duy trì đủ nhỏ trong khoảng
thời gian đủ ngắn. Điều này đặc biệt phù hợp với các kênh pha đinh ở đó thông
tin hầu nh đợc chuyển vào khối hoặc giống nh gói. Vì vậy, trong các khoảng thời
gian của các khối đó, trễ định thời tơng đối có thể đợc coi là dừng.
Tất nhiên, có nhiều thay đổi về việc lấy mẫu. Thí dụ, tín hiệu thu có thể đợc
lấy mẫu ở tốc độ cao hơn 2/T, chọn là 8/T, để chế tạo bộ lọc không tạo tần số giả
đơn giản hơn (tần số cắt cao hơn, độ dốc mịn hơn). Tuy nhiên, trong trờng hợp
đó tín hiệu mẫu có thể chứa tạp âm không và nhiễu kênh lân cận không mong
muốn. Việc lọc thông thấp số và quyết định nhận đợc tín hiệu ở tốc độ 2/T. Một
cách khác là chuyển tín hiệu thu vào một vài băng trung gian (hoặc âm thanh),
sau đó lấy mẫu đầu bộ trộn tại tốc độ cao bằng cách dùng một bộ chuyển đổi A/
D, sau đó chuyển số vào băng tần cơ sở, và cuối cùng quyết định tốc độ 2/ T.
Nếu lấy mẫu cách kép ở tốc độ 2/T, thì tín hiệu thu r(t) đợc lấy mẫu [phơng
trình (1.6) bao gồm lệch tần] có thể đợc biểu diễn là:
( )
[ ]
( ) ( )
( )
( ) ( ) ( )
i
k
n
i
k;nk,n

2ikTj
n
n
2ikTj
s
i
k
nhae
T
2
i
ktn
T
2
i
kt;nTT
2
i
khae
1,0iT
2
i
ktrTik2trr
+

=














+=+

+=






+==
=

+==+==



+

+
(1.16)
có các chỉ số i = 0, 1 ký hiệu cho các mẫu nhận giá trị tại các thời điểm định thời
kT (bội nguyên lần của T) và kT + T/2 (bội một phần hai nguyên lần của T). Từ
phơng trình (1.16), đáp ứng xung kim kênh phân tán rời rạc tơng đơng (bao gồm
lệch định thời máy thu) đợc coi là:

( )














+=

+==

T
2
i
kt;TnT
2
i
khh
i
k;n,
(11-17)
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

49
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
Hình 1.4 Mô hình kênh rời rạc cho các kênh pha đinh chọn lọc tần số
Vì vậy, chính kênh thể hiện nếu nh nó đợc lấy mẫu trong miền trễ và thời ở tốc
độ 2/T. Hơn nữa, chỉ số cụ thể trong các phơng trình (1.16) và (1.17) thể hiện
việc tách tín hiệu thu thành hai tín hiệu thành phần
( ) ( )
1
k
rvà

0
k
r
tơng ứng. Mỗi
một thành phần của các tín hiệu này
( )
i
k
r
phụ thuộc vào kênh dành riêng cho nó
( )
i
k;n,
h

trong khi đó nó độc lập với kênh thành phần khác. Vì vậy, hệ thống truyền
dẫn có thể đợc mô hình hoá nh là hai hệ thống riêng biệt (các kênh thành phần
( )
i
k;n,
h

) cả hai đều đợc cung cấp bởi cùng tín hiệu vào (luồng ký hiệu
{ }
k
a
) và
đều tạo ra hai tín hiệu thu riêng. Các quá trình tạp âm mẫu
( )
i

k
n
trong phơng trình
(1.16) có thể đợc xem là không tơng quan riêng biệt (chú ý các thuộc tính tạp
âm), nhng nói chung thông qua các hoạt động của bộ lọc không tạo tần số giả
( )
F
mà các quá trình
( ) ( )
1
k
và n
0
k
n
bị tơng quan chéo nhau. Nh vậy, tìm đợc mô
hình kênh truyền dẫn từng phần rời rạc tơng đơng đợc minh hoạ ở hình 1.4 đối
với kênh hai tai. Mô hình này hoàn toàn phù hợp vì tất cả các hệ thống và tín
hiệu thành phần rời rạc đều là kết quả của việc lấy mẫu trong miền trễ và miền
thời gian ở cùng một tốc độ, tức là tốc độ ký hiệu 1/T (thay vì tốc độ 2/ T nh ở tr-
ơc đó). Nếu cần thiết, kỹ thuật thành phần hoá này có thể đợc mở rộng một cách
dễ dàng cho việc lấy mẫu ở tốc độ cao hơn nhiều lần tốc độ ký tự.
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

50
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
Trờng hợp các kênh pha đinh không lựa chon tần số: Mô hình truyền dẫn sẽ
đơn giản rất nhiều. Quan sát phơng trình (1.11), đáp ứng xung kim kênh lấy mẫu
[phơng trình (1.17)] đợc viết là:
( )

( ) ( )
( ) ( )
i
n,T
i
k
i
n,T
g
T
i
k
c
i
k;n,
gc
)(TT
2
i
kgT
2
i
ktc
T
2
i
kt;nTT
2
i
khh

=















+=

+==














+=






+==
phẳng dingpha

(1.18)

Do các tốc độ pha đinh chậm và vừa phải, nên lấy xấp xỉ
[ ]
( ) ( )
TktcT5.0ktc =+=
và vì vậy
( ) ( )
0
k
1
k
cc
để giữ xử lý MD. Bộ lọc bất
biến số tơng đơng
( )
[ ]
( )
TT2ingg
T
i
n,T
+==

là đáp ứng xung máy phát
đợc lấy mẫu đợc dịch bởi độ trễ định thời nhỏ
T
. Lấy mẫu tín hiệu thu r(t) [ph-
ơng trình (1.12)] ở tốc độ 2/T khi đó đợc:
( )
( )
( ) ( ) ( )

( ) ( )
( )
( ) ( )
)(ngace
nhae
1,0iT
2
i
ktrr
i
k
n
i
nk,Tn
i
k,
c
i
k
2ikTj
i
k
n
i
k;nk,n
2ikTj
i
k
phẳng dingpha
+

=
+






=
=

+==




+

+

(1.19)
Nh đã đợc thảo luật ở trên, việc lọc xung thích hợp làm cho mô hình truyền
dẫn pha đing phẳng đơn giản hơn. Một khi thực hiện
( )

MF
g
nh bộ lọc tơng tự và
lấy mẫu đầu ra z(t) của nó [phơng trình (1.5)], hoặc tơng đơng, áp dụng lọc thích
hợp MF xung số (thành phần)
( )
( )
[ ]
( )
T2ingT1g
*
T
i
n,MF
+==
để lọc tín hiệu

mẫu (thành phần)
( )
i
k
r
[xấp xỉ hoá phơng trtình (1.19)]. Nh vậy đầu ra MF xung
mẫu trở thành:
( )
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
( ) ( )
)(mgace
T
2
i
ktm
nTTT
2
i
kgace
T
2
i
ktzr
i
k
n
i

nk,n
i
k,
c
i
k
2ikTj
n
n
i
k,
c
i
k
2ikTj
T
i
k
phẳng dingpha
nhỏ
+






=

+=+

+=














+==




+

+

(1.20)
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

51
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chơng II: Tổng hợp các thuật toán đồng bộ
Trong đó
( )
[ ]
( )
TT2ingg
i
n,
+==

là xung Nyquist đợc lấy mẫu bị trễ
T
. Tự
tơng quan của các quá trình tạp âm thành phần
( )
i
k
m

và tơng quan chéo giữa hai
quá trình thành phần
( ) ( )
1
k
và mm
0
k
lần lợt đợc cho bởi:
( )
( )
( ) ( )
[ ]
( )
( )
( )
( ) ( )
( )
( ) ( )
[ ]
( )
[ ]
( )
[ ]
[ ]
( )
[ ]
( )
T21ngNT21ntR
T21nkTtmTktmEmmEnR

NnTgN
nTtRmmEnR
0m
*i
nk
i
k1
m,
0
m
n00
i
m
i
nk
i
ki
m
+==+==
++====
===
===
+
+
(1.21)
Vậy thì,
( ) ( )
1
k
và mm

0
k
là các quá trình tạp âm trắng riêng biệt có phơng sai
0
N
,
xong đợc ghép tơng hố nhau qua việc lọc xung thích hợp xung.
Thờng biết trớc thông số định thời

, hoặc thông qua bắt định thời khởi tạo
hoặc từ bám liên tục trong quá trình hoạt động ở trạng thái ổn định. Thực tế,
trong các kênh pha đing phẳng, việc bám pha định thời hoàn toàn có thể sử dụng
các thuật toán nh đã dùng cho các kênh AWGN, vì suy giảm hiệu năng (so với
việc bám trên các kênh tĩnh) giữ ở mức nhỏ [12]. Vì vậy,

có thể đợc bù bằng
cách nội suy số hoặc bằng cách điều chỉnh đồng hồ lấy mẫu sao cho
0=
. Với
việc khôi phục định thời tựa chính xác, đầu ra MF đợc giảm xuống tốc độ ký
hiệu 1/T mà làm mất thông tin, vì vậy, hai tín hiệu thành phần
( )
i
k
z
và các quá
trình MD thành phần
( )
i
k

c
chỉ còn
( )
k
0
k
zz =
và
( )
k
0
k
cc =
. Ngoài ra, ta có
( )
( )
n
0
n,0
g =
=
do việc lấy dạng xung Nyquist (không có ISI) và việc lọc thích hợp
chuẩn hoá năng lợng (energy-normalizing matched filtering). Khi đó mô hình
truyền đối với đầu ra xung MF bị triệt đợc chuyển thành:đó mô hình truyền cho
đầu ra MF xung đợc chuyển thành:

+=








=

xác chính thoi dịnh
phẳng, dingpha
0
;nhỏ
kk
k,
c
k
kTj
T
k
macez

(1.22)
Trong đó
( )

0
kk
mm =
là tạp âm trắng cộng với phơng sai
0
N
, Vì thế, mô hình kênh
pha đinh phẳng tơng đơng khi lệch tần nhỏ và định thời chính xác bao gồm việc
điều chỉnh không nhớ nhng méo nhân phụ thuộc thời gian
k,
c

và quá trình
AWGN rời rạc với phơng sai
0
N
. Các mô hình kênh truyền dẫn pha đinh phẳng
tơng đơng rơi rạc khi độ trễ định thời không đợc biết hoặc đợc biết/đợc bù lần lợt
thể hiện trên hình 1.5.
Đỗ Văn Quang Lớp D2001VT

52