Bài giảng Mạng không dây - Chương 3: Các kỹ thuật điều chế (Modulation Techniques) - Trần Thị Minh Khoa

CHƯƠNG 3. CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ (MODULATION TECHNIQUES) GV: TS. Trần Thị Minh Khoa AGENDA • Kỹ thuật điều chế cơ bản – Định nghĩa – Các thành phần của điều chế không dây – Bit/Baud Comparison – Tại sao phải điều chế? 2/27/2017 2 AGENDA • Modulation Techniques – Analog Modulation – Digital Modulation – Spread Spectrum • Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) 2/27/2017 3 MODULATION CONCEPT 2/27/2017 4 MODULATION FOR WIRELESS • Modulation: – Quá trình mã hoá thông tin nguồn (message) cho phù hợp với quá trình truyền thông – Ánh xạ thông tin thành vào sóng mang bằng cách thay đổi thông số của sóng mang (biên độ, tần số, pha) theo thông tin) 2/27/2017 5 MAIN WIRELESS MODULATION COMPONENTS 2/27/2017 6 MAIN WIRELESS MODULATION COMPONENTS • Thông tin nguồn (message, information source) – Nội dung tin nhắn được gởi đi trên kênh truyền – Phân loại: • Analog: hàm thời gian • Digital: dãy tuần tự các giá trị số nhị phân 0/1 2/27/2017 7 MAIN WIRELESS MODULATION COMPONENTS • Sóng mang (Media, Carrier) – Kênh truyền với tín hiệu dễ truyền = sóng mang – Điều chế: đưa thông tin nguồn lên sóng mang 2/27/2017 8 MAIN WIRELESS MODULATION COMPONENTS • Bộ điều chế/Bộ giải điều chế – Bộ điều chế chuyển đổi thông tin nguồn thành tín hiệu có thể được truyền đi trên kênh truyền – Tại điểm kết thúc của kênh truyền, bộ giải điều chế chuyển tín hiệu nhận được thành dạng nguyên thuỷ – Two-way communication: tại mỗi điểm điểm cuối của kênh truyền có cả bô điều chế và giải điều chế 2/27/2017 9 MAIN WIRELESS MODULATION COMPONENTS 2/27/2017 10 BIT RATE / BAUD RATE 2/27/2017 11 BIT RATE / BAUD RATE - EXAMPLE 2/27/2017 12 BIT RATE / BAUD RATE - EXAMPLE 2/27/2017 13 WHY MODULATE? 2/27/2017 14 2/27/2017 15 ANALOG MODULATION TECHNIQUES 2/27/2017 16 AM (AMPLITUDE MODULATION) • Biên độ của tín hiệu sóng mang phong phú như những tín hiệu gói tin được truyền • Tần số (Frequency) của tín hiệu sóng mang được giữ không đổi 2/27/2017 17 FM (FREQUENCY MODULATION) • FM tích hợp tín hiệu gói tin với sóng mang bằng cách thay đổi tần số tức thời. • Biên độ (Amplitude) của tín hiệu sóng mang được giữ không đổi 2/27/2017 18 DIGITAL MODULATION TECHNIQUES 2/27/2017 19 DIGITAL MODULATION • Digital modulation is the process by which a sequence of pulses (message) of duration T is transformed into a sequence of sin waveforms, s(t) of duration T . • The general form of the modulated signal is: • Digital modulation can then be defined as the process whereby the amplitude, frequency, phase or a combination of them is varied in accordance with the information to be transmitted 2/27/2017 20 BASIC DIGITAL MODULATION TECHNIQUE • Types of Digital-to-Analog Modulation 2/27/2017 21 ADVANTAGES OF DIGITAL MODULATION 2/27/2017 22 ASK (AMPLITUDE SHIFT KEYING) • ASK: Điều chế số theo biên độ tín hiệu • Tín hiệu ASK có dạng sóng dao động có tần số f, mỗi bit đặc trưng bởi biên độ khác nhau của tín hiệu. • Ví dụ: tín hiệu ASK có tần số 100 KHz, biên độ tín hiệu = 1 cho bit 0 và biên độ tín hiệu = -1 cho bit 1. 2/27/2017 23 ASK (AMPLITUDE SHIFT KEYING) • Dễ bị nhiễu bởi tiếng ồn 2/27/2017 24 FSK (FREQUENCY SHIFT KEYING) • FSK: điều chế số theo tần số tín hiệu. • Tín hiệu FSK có dạng sóng dao động có tần số khác nhau, mỗi bit đặc trưng bởi tần số khác nhau này của tín hiệu. ưu điểm của điều chế này là dễ chế tạo nhưng lại hay mắc lỗi khi truyến • Ví dụ: f = 100Khz cho bit 0 và f' = 200Khz cho bit 1. 2/27/2017 25 FSK (FREQUENCY SHIFT KEYING) 2/27/2017 26 PSK (PHASE SHIFT KEYING) • PSK: điều chế số theo pha tín hiệu. • Tín hiệu PSK có dạng sóng dao động có tần số f, mỗi bit đặc trưng bởi góc pha khác nhau của tín hiệu. • Ví dụ: pha= 90° cho bit 0 và pha = -90° cho bit 1. 2/27/2017 27 FSK (FREQUENCY SHIFT KEYING) 2/27/2017 28 FSK (FREQUENCY SHIFT KEYING) 2/27/2017 29 QPSK (QUADRATURE PHASE SHIFT KEYING) • QPSK: điều chế pha cầu phương (điều chế pha vuông góc). • QPSK là 1 kỹ thuật điều chế tín hiệu số, mã hóa 2 bit thành 1 symbol. 2/27/2017 30 QPSK (QUADRATURE PHASE SHIFT KEYING) • In fact, each symbol uses the addition of an I wave and a Q wave, giving a total of four possible symbols. • To each possible waveform is allocated one of the four, 2-bit binary combinations 00, 01, 10 or 11, so any binary bit-stream can be transmitted by an appropriate sequence of sinusoidal symbols. 2/27/2017 31 QPSK (QUADRATURE PHASE SHIFT KEYING) • QPSK có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu gấp 2 lần so với BPSK với cùng 1 dung lượng băng thông 2/27/2017 32 QPSK (QUADRATURE PHASE SHIFT KEYING) 2/27/2017 33 QPSK (QUADRATURE PHASE SHIFT KEYING) 2/27/2017 34 CONSTELLATION DIAGRAMS 2/27/2017 35 CONSTELLATION DIAGRAMS 2/27/2017 36 CONSTELLATION DIAGRAMS 2/27/2017 37 QPSK CONSTELLATION DIAGRAMS 2/27/2017 38 QPSK CONSTELLATION DIAGRAMS 2/27/2017 39 ASK, BPSK, QPSK CONSTELLATION DIAGRAMS 2/27/2017 40 흅/ퟒ QPSK 2/27/2017 41 흅/ퟒ QPSK - EXAMPLE 2/27/2017 42 흅/ퟒ QPSK – EXAMPLE 2/27/2017 43 QAM (QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION) • PSK is limited by the ability of the equipment to distinguish between small differences in phases. – Limits the potential data rate. • If multiple pairs of Q and I amplitude (say 1 and -1; and 3 and -3) are allowed, then more symbols become available. • This is the principle of quadrature amplitude modulation, or QAM, which you can think of as the application of ASK to QPSK (or PSK). – We can have x variations in phase and y variations of amplitude – x • y possible variation (greater data rates) 2/27/2017 44 QAM (QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION) 2/27/2017 45 QAM (QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION) 2/27/2017 46 QAM (QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION) • 16 QAM (4 amplitudes, 4 phases) 2/27/2017 47 QAM (QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION) • 64 QAM 2/27/2017 48 - Spread Spectrum Principles - Spread Spectrum Procedure - Spread Spectrum Advantages - Spread Spectrum Types SPREAD SPECTRUM (TRẢI PHỔ) 2/27/2017 49 SPREAD SPECTRUM PRINCIPLES • The signal occupies a bandwidth much larger than is needed for the information signal • The spread spectrum modulation is done using a spreading code, which is independent of the data in the signal • Despreading at the receiver is done by correlating the received signal with a synchronized copy of the spreading code • Developed initially for military applications • Basis for CDMA 2/27/2017 50 SPREAD SPECTRUM PRINCIPLES • In spread spectrum, we combine signals from different sources to fit into a larger bandwidth, but our goals are to prevent eavesdropping and jamming. To achieve these goals, spread spectrum techniques add redundancy . 2/27/2017 51 SPREAD SPECTRUM PROCEDURE • Input fed into channel encoder – Produces narrow bandwidth analog signal around central frequency • Signal modulated using sequence of digits – Spreading code/sequence – Typically generated by pseudonoise/pseudorandom number generator • Increase bandwidth significantly • Receiver uses the same sequence to demodulate signal • Demodulated signal fed in to channel decoder 2/27/2017 52 SPREAD SPECTRUM ADVANTAGES • Anti-jamming • Interference rejection • Message security and privacy • Low probability of interception 2/27/2017 53 SPREAD SPECTRUM TYPES • Frequency-hopping spread spectrum (FHSS) • Direct-sequence spread spectrum (DSSS) • Chirp spread spectrum (CSS) • Time-hopping spread spectrum (THSS) 2/27/2017 54 FHSS • Rapidly switching a carrier among many frequency channels, using a pseudorandom sequence known to both transmitter and receiver 2/27/2017 55 FHSS 2/27/2017 56 FREQUENCY SELECTION IN FHSS 2/27/2017 57 FHSS CYCLES 2/27/2017 58 BANDWIDTH SHARING 2/27/2017 59 DSSS • DSSS hoạt động dựa trên nguyên tắc trải phổ tín hiệu đầu phát ở băng hẹp thành tín hiệu trải phổ băng rộng để tránh nhiễu trong môi trường • Each bit in the original signal is represented by multiple bits (chip code) in the transmitted signal • The chipping code spreads the signal across a wider frequency band in direct proportion to the number of bits used 2/27/2017 60 DSSS 2/27/2017 61 DSSS 2/27/2017 62 DSSS - EXAMPLE 2/27/2017 63 - OFDM and Multicarrier Transmission - OFDM Carriers - OFDM Spectrum - OFDM In Time and Frequency Domain - OFDM Multiplex or Modulation - Advantages of OFDM OFDM (ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING) 2/27/2017 64 OFDM AND MULTICARRIER TRANSMISSION • Single carrier transmission (truyền tải đơn sóng mang) – Mỗi người dùng truyền và nhận dữ liệu chỉ với một sóng mang duy nhất tại một thời điểm bất kỳ. • Multicarrier transmission (truyền tải đa sóng mang) – Người dùng có thể nhờ nhiều sóng mang để truyền tải dữ liệu đồng thời. 2/27/2017 65 OFDM AND MULTICARRIER TRANSMISSION 2/27/2017 66 OFDM AND MULTICARRIER TRANSMISSION • OFDM là phương pháp mã hóa các tín hiệu kỹ thuật số trên nhiều tần số sóng mang • OFDM là trường hợp đặc biệt của kỹ thuật truyền tải đa sóng mang, trong đó : – Chia phổ tần có sẵn thành những sóng mang con, mỗi sóng mang con được điều chế bởi dòng dữ liệu thấp. – Chia luồng dữ liệu thành N dòng song song nhằm giảm tốc độ truyền tải dữ liệu và truyền trên từng sóng mang con riêng biệt . • OFDM được sử dụng rộng rãi trong truyền thông không dây – Ex: digital television and audio broadcasting, DSL Internet access, wireless networks, powerline networks, and 4G mobile communications. 2/27/2017 67 OFDM AND MULTICARRIER TRANSMISSION • Sóng mang OFDM là những tần số cách nhau bởi một bội số của 1/T – Trong đó, T là chu kỳ điều chế được đặc trưng bởi bởi sự chồng chéo của những phổ tín hiệu truyền đi trên những sóng mang khác nhau 2/27/2017 68 OFDM AND MULTICARRIER TRANSMISSION 2/27/2017 69 OFDM AND MULTICARRIER TRANSMISSION • Trong dải sóng vô tuyến, các sóng mang thường cách nhau vài kiloHertz hoặc hơn. • Trong OFDM, các sóng mang con thường cách nhau chỉ vài chục hertz. • Theo đó: – Conventional FDMA: mỗi sóng mang điều chế lấy dữ liệu từ những nguồn riêng biệt. – OFDM: mỗi sóng mang con điều chế thường mang dữ liệu từ một nguồn duy nhất. 2/27/2017 70 OFDM AND MULTICARRIER TRANSMISSION • Điều chế OFDM không thể được thực hiện thông qua phần cứng với dao động analog, do – Tốn kém và sự không hoàn hảo của dao động (vd: trôi tần số, pha tiếng ồn) sẽ gây nên những trục trặc nghiêm trọng. – Nhưng, dễ thực hiện thông qua phần mềm theo cách hoàn toàn digital, đó là sử dụng FFT (Fast Fourier Transform). 2/27/2017 71 OFDM AND MULTICARRIER TRANSMISSION • OFDM uses an efficient computational technique – Discrete Fourier Transform (DFT) and its counterpart, the Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT)- to replace sinusoidal generator . – Implemented through Fast Fourier Transform (FFT) routines – highly optimized – Fast Fourier transform (FFT) is an efficient algorithm to compute the Discrete Fourier Transform (DFT) and its inverse. 2/27/2017 72 OFDM AND MULTICARRIER TRANSMISSION 2/27/2017 73 OFDM AND MULTICARRIER TRANSMISSION 2/27/2017 74 OFDM CARRIERS • OFDM = Orthogonal FDM • OFDM symbol forms Rectangular Window of duration T • Has a sinc(x)/x-spectrum with zeros at 1/ T • Other carriers are put in these zeros  peak value of f1 is at zeroes of others subcarriers are orthogonal • Difference between successive subcarrier is just one cycle 2/27/2017 75 OFDM CARRIERS 2/27/2017 76 OFDM CARRIERS 2/27/2017 77 OFDM SPECTRUM • Total Power spectrum is almost square shape • Band width (W)= NΔf 2/27/2017 78 OFDM SPECTRUM 2/27/2017 79 OFDM IN TIME AND FREQUENCY DOMAIN 2/27/2017 80 OFDM: MULTIPLEX OR MODULATION? • OFDM có thể được nhìn dưới 2 góc độ: kỹ thuật điều chế (modulation technique) hoặc kỹ thuật ghép kênh (multiplex technique) – Modulation technique • Được nhìn bởi mối quan hệt giữa những tín hiệu vào và ra – Multiplex technique • Được nhìn bởi tín hiệu đầu ra là tổng tuyến tính của các tín hiệu điều chế. 2/27/2017 81 OFDM: MULTIPLEX OR MODULATION? • Hình thức chính của OFDM là kỹ thuật điều chế kỹ thuật số, không phải là phương pháp tiếp cận kênh đa người dùng, do – OFDM chuyển bit stream lên một kênh truyền thông bằng cách sử dụng các chuỗi ký hiệu OFDM • Tuy nhiên, OFDM có thể được kết hợp với đa truy cập bằng cách sử dụng thời gian, tần số hoặc mã hóa tách biệt của người dùng. 2/27/2017 82 ADVANTAGES OF OFDM • Cho phép các sóng mang chồng lên nhau  ít lãng phí băng thông, mà không cần bất kỳ sự can thiệp của sóng mang ngoài Inter Carrier Interference (ICI) • Tốc độ truyền dữ liệu cao phân phối trên các sóng mang con  có thể loại bỏ hoàn toàn hiện tượng giao thoa giữa các kí hiệu(ISI) • Cho phép tốc độ truyền dữ liệu cao hơn FDM • Tăng cường bảo mật và hiệu quả sử dụng băng thông bằng cách sử dụng CDMA – OFDM (MC-CDMA) • Thời gian bảo vệ đơn giản làm hệ thống mạnh mẽ hơn với tác dụng đa đường. • Hệ thống có bộ thu đơn giản 2/27/2017 83 OFDM TRANSMITTER 2/27/2017 84 OFDM SUMMARY • OFDM – a multi-carrier modulation scheme – Đơn vị truyền tải cơ bản trong khoảng thời gian nhất định – Một OFDM bao gồm nhiều sóng mang con – Mỗi sóng mang con truyền tải một biểu tượng thông tin (e.g., QPSK) • The subcarriers are orthogonal – Thời gian được tính theo tích phân: – Lấy mẫu tại từng tần số: không có sự can thiệp giữa các sóng mang con 2/27/2017 85 REVIEW!!! & QUESTION??? 2/27/2017 86