Đồ án tốt nghiệp Đại học
lục

Mục

Mục lục

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

1


Đồ án tốt nghiệp Đại học
lục

Mục

DANH MỤC HÌNH VẼ

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

2


Đồ án tốt nghiệp Đại học
lục

Mục

DANH MỤC BẢNG

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

3


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tắt

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

Thuật ngữ viết

4


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tắt

Thuật ngữ viết

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
4G

Fourth Generation

Công nghệ truyền thông không
dây thế hệ thứ tư

A
AM


Amplitude Modulation

Điều chế biên độ

ANN

Artificial Neural Network

Mạng nơ ron nhân tạo

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gauss trắng cộng

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BO

Back Off

Độ lùi

BP


Back Propagation

Lan truyền ngược

FIM

Fisher Information Matrix

Ma trận thông tin Fisher

FIR

Finite Impulse Response

Đáp ứng xung kim hữu hạn

FFE

FeedForward Equalizer

Bộ cân bằng tiếp thuận

High Power Amplifier

Khuếch đại công suất cao

Inter Symbol Interference

Nhiễu giao thoa ký hiệu


Least Mean Square

Bình phương trung bình tối

B

F

H
HPA
I
ISI
L
LMS

thiểu
M
MLP

MultiLayer Perceptron

Perceptron đa lớp

MMSE

Minimum Mean Square Error

Sai số trung bình quân phương
cực tiểu


MSE

Mean Square Error

Sai số trung bình quân phương

N
Nguyễn Việt Linh, D12VT4

5


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tắt

Thuật ngữ viết

NG

Natural Gradient

Gradient tự nhiên

NN

Neural Network

Mạng Nơ ron


PM

Phase Modulation

Điều chế pha

PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

P

Q

R
RDS


Root mean square Delay Spread

Trải trễ trung bình quân

phương
S
SSPA

Solid State Power Amplifier

Bộ khuếch đại công suất bán
dẫn

SOM

Self Organizing Map

Ánh xạ tự tổ chức

Traveling Wave Tube Amplifier

Bộ khuếch đại đèn sóng chạy

Zero Forcing Equalizer

Bộ cân bằng ép không

T
TWTA

Z
ZFE

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

6


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU

Các hệ thống thông tin vệ tinh được phát triển nhanh chóng trong những thập
kỷ gần đây. Qua các hệ thống thông tin vệ tinh, con người có thể thu nhận hoặc trao
đổi thông tin tới bất kỳ nơi nào trên trái đất. Thông tin vệ tinh có khả năng đa dạng
dịch vụ, không chỉ trong lĩnh vực đời sống hàng ngày mà cả các dịch vụ quốc phòng,
an ninh, hàng không, hàng hải, khai thác thăm dò địa chất,..v..v.. Bên cạnh những lợi
ích đó, các kênh vệ tinh được coi như là hệ thống động phi tuyến, đang phải đối mặt
với hai thách thức cơ bản, đó là: Méo phi tuyến do sử dụng bộ khuếch đại phi tuyến
trên vệ tinh (như bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWT và bộ khuếch đại công suất bán
dẫn SSPA) và pha đinh đa đường do kênh truyền sóng đường xuống. Các vấn đề này
cần phải được giải quyết để đạt được hiệu quả truyền dẫn và hiệu năng BER ở mức
cho phép. Các nghiên cứu gần đây cho rằng mạng Nơ ron là một công cụ cân bằng phi
tuyến mạnh, do đó việc sử dụng mạng Nơ ron là một bước quan trọng để đạt được mục
tiêu trên.
Mạng Nơ ron có các cấu trúc khác nhau như perceptron đa lớp (MLP), mạng
hàm cơ sở xuyên tâm (RBF), ánh xạ tự tổ chức (SOM), vv.. Đối với kênh thông tin sử
dụng sơ đồ truyền tin hai chiều như điều chế biên độ cầu phương QAM, điều chế khóa
dịch pha (PSK) thường sử dụng các bộ cân bằng giá trị phức, cho phép xử lý thích ứng

trực tiếp tín hiệu giá trị phức. Đối với việc cân bằng kênh phi tuyến cao, sử dụng mạng
Nơ ron hồi quy do chúng có thể biểu diễn trạng thái động phức đa dạng phi tuyến cao.
Với khả năng học hỏi nhanh các thuật toán huấn luyện tinh vi, mô phỏng các
hàm cực kỳ phức tạp, mạng Nơ ron đang ngày càng được quan tâm và áp dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau. Do đó em chọn đề tài “Bộ cân bằng Nơ ron cho kênh vệ tinh
phi tuyến” để nghiên cứu. Nội dung của đề tài được trình bày trong ba chương:
Chương 1: Kỹ thuật cân bằng kênh phi tuyến
Chương 2: Mạng Nơ ron nhân tạo
Chương 3: Bộ cân bằng Nơ ron

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

7


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

CHƯƠNG 1
KỸ THUẬT CÂN BẰNG KÊNH PHI TUYẾN
1.1 Đặc tính kênh phi tuyến
1.1.1 Giới thiệu
Ứng dụng rộng rãi của truyền thông đa phương tiện băng rộng cho phép người
sử dụng kết nối thông tin, dịch vụ mong muốn mà không phụ thuộc vào vị trí địa lý,
qua đó cho phép cạnh tranh tốt hơn trên thị trường toàn cầu, truy nhập bình đẳng tới
các dịch vụ giáo dục, sức khỏe của chính phủ, các ứng dụng đa phương tiện tương
tác… Việc tìm các giải pháp truyền tải dễ dàng các ứng dụng và dịch vụ tốc độ cao
qua vệ tinh trở thành thách thức thực tế và cấp thiết. Khi đó, vệ tinh sẽ đóng vai trò

quan trọng trong hệ thống thông tin di động thứ 4 (4G). Các nhà khoa học đang nỗ lực
nghiên cứu trên khắp thế giới trong lĩnh vực thông tin di động vệ tinh với mục đích
đáp ứng các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) của 4G. Các yêu cầu này bao gồm
truyền dẫn với tốc độ dữ liệu cao và tỷ lệ lỗi bit thấp.
Các kênh vệ tinh có thể xem là hệ thống động phi tuyến và phải đối mặt với hai
thách thức cơ bản: Méo phi tuyến do sử dụng bộ khuếch đại phi tuyến trên vệ tinh
(như bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWT, các bộ khuếch đại công suất bán dẫn SSPA);
và pha đinh đa đường do kênh truyền sóng đường xuống. Các vấn đề này cần phải
được giải quyết để đạt được tốc độ truyền dẫn cao và hiệu năng BER chấp nhận được.
1.1.2 Bộ khuếch đại công suất cao HPA
Chức năng cơ bản của HPA là nâng công suất sóng mang định phát đi từ mức
công suất thấp lên mức công suất cao, bảo đảm đầu ra cho từng bộ phát đáp. Tùy thuộc
vào từng ứng dụng mà các công suất đầu ra của một HPA có thể từ vài Wat đến vài
Kilowat. Hình 1.1 cho thấy trước mỗi bộ khuếch đại công suất là một bộ suy giảm đầu
vào. Bộ này có chức năng để điều chỉnh đầu vào của bộ khuếch đại công suất đến mức
mong muốn. Bộ suy hao bao gồm phần cố định và phần thay đổi. Phần cố định để cân
bằng các thay đổi suy hao vào sao cho các kênh phát đáp có cùng suy hao danh định,
điều chỉnh được thực hiện trong quá trình lắp ráp. Phần suy hao thay đổi để thiết lập
mức cho từng kiểu ứng dụng. Các công nghệ khuếch đại công suất được sử dụng trong
Nguyễn Việt Linh, D12VT4

8


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

thông tin vệ tinh gồm có: KPA (Klystron Power Amplifier), TWTA (Traveling Wave

Tube Amplifier) và SSPA (Solid State Power Amplifier).

Hình 1.1 Sơ đồ khối các thành phần điển hình trong một bộ phát đáp
Bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWTA) được sử dụng rộng rãi trong các bộ
phát đáp để đảm bảo công suất ra cần thiết cho anten phát. Sơ đồ đèn sóng chạy được
cho trên hình 1.2. Trong đèn sóng chạy, súng tia điện tử gồm: Sợi nung, Ka tốt và các
điện cực hội tụ để tạo ra chùm tia điện tử. Trường từ để giới hạn chùm tia điện tử
truyền trong dây xoắn. Đối với TWT công suất cao hơn sử dụng ở các trạm mặt đất,
trường từ có thể được tạo ra bởi cuộn cảm và được cấp dòng một chiều. vì kích thước
khá lớn và tiêu thụ công suất cao nên cuộn cảm không thích hợp cho sử dụng trên vệ
tinh. Các TWT công suất thấp hơn được sử dụng với hội tụ bằng nam châm từ.
Tín hiệu vô tuyến cần khuếch đại được cấp cho dây xoắn tại đầu gần Ka tốt
nhất và tạo ra tín hiệu sóng chạy dọc dây xoắn. Trường điện của sóng sẽ có thành phần
dọc dây xoắn. Trong một số vùng, trường này sẽ giảm tốc các tia điện tử trong chùm
tia và trong một số vùng khác nó sẽ tăng tốc các điện tử trong chùm tia. Vì thế điện tử
sẽ co cụm dọc theo tia.
Tốc độ trung bình của chùm tia được xác định bởi điện áp một chiều trên
collector và có giá trị hơi lớn hơn tốc độ pha của sóng dọc dây xoắn. Trong điều kiện
này, sẽ xảy ra sự chuyển đổi năng lượng: Động năng của chùm tia được biến thành thế
năng của sóng. Thực tế, sóng sẽ chuyền dọc theo dây xoắn gần với tốc độ ánh sáng,
nhưng thành phần dọc trục của nó sẽ tương tác với chùm tia điện tử. Thành phần này

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

9


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến


Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

thấp hơn tốc độ ánh sáng một lượng bằng tỷ số giữa bước xoắn và chu vi. Vì sự giảm
tốc độ pha này, nên dây xoắn được gọi là cấu trúc sóng chậm.

Hình 1.2 Sơ đồ đèn sóng chạy TWT và cấp nguồn
1.1.3 Tính phi tuyến của HPA
Ưu điểm của bộ khuếch đại này so với các bộ khuếch đại đèn điện tử khác là nó
có thể đảm bảo khuếch đại trên một băng tần khá rộng. Tuy nhiên cần điều chỉnh cẩn
thận mức vào TWT để giảm thiểu méo. Ảnh hưởng của méo đặc tuyến truyền đạt được
cho trên hình 1.3. Tại các mức công suất thấp, quan hệ giữa đầu vào và đầu ra là tuyến
tính, nghĩa là một thay đổi dB cho trước ở đầu vào sẽ gây ra cùng một sự thay đổi dB
ở đầu ra. Tại các mức công suất vào cao, công suất ra sẽ bị bão hòa. Điểm công suất ra
cực đại này được gọi là điểm bão hòa. Điểm bão hòa là một điểm tham chuẩn tiện lợi
và các đại lượng vào cùng với các đại lượng ra thường được tham chuẩn theo điểm
này. Vùng tuyến tính của TWT được định nghĩa là vùng giới hạn bởi giới hạn tạp âm
nhiệt ở đầu thấp và bởi điểm nén 1dB. Đây là điểm mà tại đó đường cong truyền đạt
thực tế thấp hơn đường thẳng suy diễn như trên hình 1.3.
Ta xét về đặc tính pha. Thời gian trễ tuyệt đối giữa các tín hiệu vào và ra tại
một mức vào cố định thường không đáng kể. Tuy nhiên tại các mức cao khi nhiều
năng lượng chùm tia hơn được chuyển vào công suất đầu ra, tốc độ chùm tia trung
bình sẽ giảm và vì thế thời gian trễ sẽ tăng. Vì trễ pha tỷ lệ thuận với thời gian trễ, nên
điều này dẫn đến dịch pha và sự dịch này thay đổi theo đầu vào. Ký hiệu dịch pha là
và pha do thời gian trễ tại điểm bão hòa là

θ

θ s , hiệu số pha so với bão hòa là θ − θ s .

Hiệu số này được vẽ trên hình 1.4 phụ thuộc vào công suất đầu vào. Như vậy nếu công

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

10


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

suất đầu vào thay đổi, sẽ xảy ra điều chế pha, quá trình này được gọi là chuyển đổi
AM/PM (điều biên thành điều pha). Độ dốc của đặc tuyến dịch pha cho ta hệ số điều
chế pha theo độ trên dB. Đường cong độ dốc phụ thuộc công suất vào được cho trên
hình 1.4

Hình 1.3 Đặc tuyến truyền đạt của TWT. Trạng tháo bão hòa được sử dụng
như tham chuẩn 0dB cho cả đầu vào và đầu ra
Điều tần (FM) thường được sử dụng cho các kênh thông tin vệ tinh tương tự,
với các hệ thống thông tin vệ tinh số thì dùng điều chế pha (PM). Tuy nhiên điều chế
biên độ không mong muốn có thể xảy ra do quá trình lọc được thực hiện trước đầu vào
TWT. Quá trình AM này biến đổi điều chế biên độ thành điều chế pha (PM), và điều
chế này thể hiện như là tạp âm đối với sóng mang. Khi chỉ có một sóng mang duy
nhất, nó có thể được đưa qua bộ hạn biên trước khi được khuếch đại bởi TWT. Bộ hạn
biên sẽ nén biên độ sóng mang gần đường chuẩn không để loại bỏ điều chế biên độ

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

11



Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

Hình 1.4 Đặc tuyến pha của TWT
TWT cũng có thể được sử dụng để khuếch đại hai hay nhiều sóng mang đồng
thời, trường hợp này được gọi là khai thác nhiều sóng mang. Khi này biến đổi AM/PM
sẽ là một hàm phức tạp của các biên độ sóng mang, ngoài ra đặc tuyến truyền đạt phi
tuyến cũng gây ra méo điều chế giao thoa. Ta có thể biểu diễn đặc tuyến truyền đạt phi
tuyến vào chuỗi Taylor thể hiện quan hệ giữa điện áp vào và điện áp ra như sau:

e0 = aei + bei2 + cei3 + ...

(1.1)

Trong đó a, b, c… là các hệ số phụ thuộc vào đặc tuyến truyền đạt, e0 là điện áp
ra và ei là điện áp vào bao gồm tổng các sóng mang khác nhau. Thành phần bậc ba là

ce 3 . Thành phần này và các thành phần mũ lẻ gây ra các sản phẩm điều chế giao thoa,
nhưng thường thì chỉ có thành phần bậc ba là đáng kể. Giả thiết rằng đầu vào TWT có
nhiều sóng mang cách nhau ∆ f , như trên hình 1.5. Nếu xét các sóng mang tại các tần
số f 1 và f 2 , ta thấy do thành phần bậc ba sẽ xuất hiện các tần số 2 f 2 − f1 và 2 f1 − f 2 .
Do f 2 − f 1 = ∆ f ta có thể viết lại hai thành phần này như sau: f 2 + ∆ f và f1 − ∆ f . Như
vậy các sản phẩm điều chế giao thoa rơi vào các tần số sóng mang lân cận như trên
hình 1.5. Tương tự các sản phầm điều chế giao thoa sẽ xuất hiện từ các cặp sóng mang

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

12



Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

khác và khi các sóng mang này được điều chế, méo điều chế giao thoa sẽ thể hiện như
tạp âm ở băng tần của bộ phát đáp

Hình 1.5 Các sản phẩm điều chế giao thoa bậc ba
Để giảm điều chế giao thoa, ta cần dịch điểm công tác của TWT đến gần hơn
phần tuyến tính của đường cong. Sự giảm này được là độ lùi đầu vào. Khi có nhiều
sóng mang được khuếch đại, công suất ra xung quanh bão hòa đối với mọi sóng mang
sẽ nhỏ hơn công suất ra khi chỉ có một sóng mang. Điều này được minh hoa bởi các
đường cong đặc tuyến truyền đạt trên hình 1.6.
Độ lùi đầu vào là hiệu đo bằng dB giữa đầu vào sóng mang tại điểm công tác và
đầu vào bão hòa cần thiết cho hoạt động một sóng mang. Độ lùi đầu ra thường ứng với
sự giảm công suất đầu ra tương ứng. Thường thì độ lùi đầu ra thấp hơn khoảng 5dB so
với độ lùi đầu vào. Sự cần thiết đưa vào độ lùi sẽ làm giảm đáng kể dung lượng kênh
của đường truyền vệ tinh vì sự giảm tỷ số sóng mang trên tạp âm tại trạm mặt đất.

Hình 1.6 Đường cong truyền đạt cho một sóng mang và nhiều sóng mang

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

13


Đồ án tốt nghiệp Đại học

tuyến

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

1.2 Đặc tính kênh phân tán
1.2.1 Kênh phân tán
Đối với nhiều kênh vật lý, cũng như kênh vô tuyến, không chỉ gây ra các giời
hạn băng tần mà chúng còn tạo ra các biến dạng trong dải phổ. Một kênh như vậy có
thể được mô hình hóa bởi một bộ lọc tuyến tính bất biến thời gian LTI (Linear TimeInvariant), tiếp theo là một nguồn AWGN như trên hình 1.7

Hình 1.7 Mô hình kênh phân tán
Kênh vô tuyến của một hệ thống thông tin không dây thường được trình bày
bằng khái niệm kênh truyền sóng trực xạ (LOS: Line of Sight) và không trực xạ
(NLOS: None Line of Sight). Trong đường truyền LOS, tín hiệu truyền trực tiếp và
đường truyền không bị che chắn từ máy phát đến máy thu.
Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến phải được tối ưu hóa để đảm bảo phủ sóng
tốt cho điều kiện không trực xạ (NLOS). Đường truyền LOS đòi hỏi rằng hầu hết vùng
Fresnel thứ nhất không có bất kỳ vật chắn nào (Hình 1.8), vì nếu không đảm bảo điều
kiện này thì cường độ tín hiệu sẽ bị suy giảm đáng kể. Khoảng hở cần thiết phụ thuộc
vào tần số công tác và cự ly giữa máy phát và máy thu.
Khoảng hở vùng Fresnel thứ nhất được xác định bằng đường kính vùng Fresnel
thứ nhất:

2 R1 = 2

λ d1d 2
d1 + d 2

d1 , d 2 là khoảng cách từ máy phát và máy thu đến điểm


phản xạ
Trong một đường truyền không trực xạ, tín hiệu đến máy thu qua phản xạ, tán
xạ và nhiễu xạ. Tín hiệu tại máy thu gồm các thành phần nhận được từ: (1) Đường

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

14


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

truyền trực tiếp, (2) Các đường phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ. Các tín hiệu này có các
trải trễ, suy hao, phân cực và độ ổn định khác nhau so với tín hiệu của đường trực tiếp.

Hình 1.8 Điều kiện LOS
Hiện tượng đa đường có thể dẫn đến thay đổi phân cực vì thế sử dụng phân cực
vuông góc cho tái sử dụng tần số như thường thấy trong các triển khai LOS có thể gây
nguy hiểm trong các điều kiện NLOS. Trong thông tin vô tuyến di động, các đặc tính
kênh vô tuyến di động có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất
lượng truyền dẫn và dung lượng. Trong các hệ thống vô tuyến thông thường (không
phải các hệ thống vô tuyến thích ứng), các tính chất thống kê dài hạn của kênh được
đo và đánh giá trước khi thiết kế hệ thống. Nhưng trong các hệ thống điều chế thích
ứng, vấn đề này phức tạp hơn. Để đảm bảo hoạt động thích ứng đúng, cần phải liên tục
nhận được thông tin về các tính chất thống kê ngắn hạn, thậm chí tức thời của kênh.
Một trong số các khác biệt quan trọng giữa các kênh hữu tuyến và các kênh vô
tuyến là các kênh vô tuyến thay đổi theo thời gian, nghĩa là chúng chịu ảnh hưởng của
pha đinh chọn lọc thời gian. Ta có thể mô hình hóa kênh vô tuyến di động như là một

bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim thay đổi theo thời gian. Mô hình kênh truyền
thống sử dụng mô hình đáp ứng xung kim, đây là một mô hình trong miền thời gian.
Ta có thể liên hệ quá trình thay đổi tín hiệu vô tuyến phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng
xung kim của kênh vô tuyến di động. Nếu x(t) biểu diễn tín hiệu phát, y(t) biểu diễn
tín hiệu thu và h (t ,τ ) biểu diễn đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đa đường thay
Nguyễn Việt Linh, D12VT4

15


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

đổi theo thời gian, thì ta có thể biểu diễn tín hiệu thu như là tích chập của tín hiệu phát
với đáp ứng xung kim của kênh như sau:
∞

y (t ) = ∫ x (t )h (t ,τ ) d (τ ) = x (t ) ⊗ h (t ,τ )
−∞

Trong đó t là biến thời gian,

τ

(1.2)

là trễ đa đường của kênh đối với một giá trị t cố


định.
Ảnh hưởng của đa đường trên kênh vô tuyến thường được biết đến ở dạng phân
tán thời gian hay trải trễ. Phân tán thời gian (tán thời) hay trải trễ xảy ra khi một tín
hiệu được truyền từ anten phát đến anten thu qua hai hay nhiều đường có các độ dài
khác nhau. Một mặt tín hiệu này được truyền trực tiếp, mặt khác nó được truyền từ các
đường phản xạ (tán xạ) khác nhau có độ dài khác nhau với các thời gian đến máy thu
khác nhau. Tín hiệu tại anten thu chịu ảnh hưởng của tán thời sẽ bị méo dạng. Trong
khi thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống vô tuyến số để truyền số liệu tốc độ cao ta cần
xét các phản xạ (tán xạ) này. Tán thời có thể được đặc trưng bằng trê trội, trê trội trung
bình hay trễ trội trung bình quân phương.
1.2.2 Trễ trội trung bình quân phương RDS
Trễ trội là một khái niệm được sử dụng để biểu thị trễ của một đường truyền so
với đường truyền đến sớm nhất (thường là LOS: Đường truyền trực tiếp). Một thông
số thời gian quan trọng của tán thời là trải trễ trung bình quân phương (RDS: Root
mean squared Delay Spread): Căn bậc hai moment trung tâm của lý lịch trễ công suất.
RDS là một số đo thích hợp cho trải đa đường của kênh. Ta có thể sử dụng nó để đánh
giá ảnh hưởng của nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI).

στ = τ 2 −τ

∑ P (τ )τ
τ =
∑ P(τ )
k

2

(1.3)

k


k

k

(1.4)

k

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

16


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

τ2

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

∑ P(τ )τ
=
∑ P(τ )
k

2

k


k

k

(1.5)

k

P(τ k ) là công suất trung bình đa đường tại thời điểm τ k .

Trong đó
1.2.3 ISI

Nói chung ISI luôn được tạo ra, đối với một hệ thống truyền thông sử dụng một
bộ điều chế tuyến tính như BPSK, thông qua một kênh phân tán, toàn bộ hệ thống có
thể được mô tả như trong Hình 1.9, trong đó trình tự của các ký hiệu thông tin được ký
hiệu là { I k } và

H T ( f ) , H C ( f ) và H R ( f ) tương

ứng là hàm truyền đạt của bộ lọc

phát, kênh phân tán và bộ lọc thu.
Điều kiện Nyquist để không có ISI có thể dễ dàng tổng quát cho các hệ thống
thông tin liên lạc dưới đây:

Hình 1.9 Mô hình truyền thông thời gian liên tục trên một kênh phân tán
Không có ISI nếu điều kiện Nyquist thỏa mãn:

c

x(nT ) = 
0
Cho biết

khi n = 0
khi n ≠ 0

(1.6)

X ( f ) = H T ( f ) H C ( f ) H R ( f ) , điều kiện để không có ISI là phổ gấp X(f)

là hằng số cho tất cả các tần số.
∞

n
X
(
f
−
)=T
∑
T
n = −∞
Nguyễn Việt Linh, D12VT4

(1.7)

17



Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

Một phương pháp để đạt được điều kiện Nyquist là thay đổi bộ lọc thu để có bộ
lọc phù hợp, nghĩa là đặt

H R ( f ) = H T* ( f ) H C* ( f ) , và chọn bộ lọc phát để thỏa mãn công

thức (1.7). Đây là phương pháp thiết kế xung Nyquist. Những bất lợi chính của
phương pháp hình dạng xung này nói chung là khó khăn để xây dựng các bộ lọc tương
tự thích hợp cho H T ( f ) và H R ( f ) trong thực tế. Hơn nữa, chúng ta phải biết kênh đáp
ứng

H C ( f ) trước để xây dựng bộ lọc phát và bộ lọc thu.
Một phương pháp thay thế là thay đổi bộ lọc phát và chọn bộ lọc thu H R ( f )

thỏa mãn điều kiện trong công thức (1.7). Giống với các phương pháp trước đó, nó
cũng khó khăn để xây dựng bộ lọc tương tự phù hợp H R ( f ) để loại bỏ ISI. Tuy nhiên,
nhận thấy rằng những gì chúng ta muốn cuối cùng là các mẫu trong khoảng thời gian T
tại phía thu. Vì vậy, chúng ta có thể chọn để xây dựng một bộ lọc đơn giản H R ( f ) , lấy
mẫu trong khoảng thời gian T, và đặt một bộ lọc số, được gọi là bộ cân bằng ở đầu ra
để loại bỏ ISI như thể hiện trong hình 1.10.

Hình 1.10 Hệ thống truyền thông với bộ cân bằng
Phương pháp này để loại bỏ ISI thường được biết đến như sự cân bằng. Ưu
điểm chính của phương pháp này là một bộ lọc số rất dễ dàng để xây dựng và thay đổi
cho các cơ chế cân bằng khác nhau, cũng như để phù hợp với điều kiện kênh khác
nhau.

1.3 Các kỹ thuật cân bằng truyền thống
Để nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần, cần hải thực hiện các biện pháp để bù
méo phi tuyến trong thông tin vệ tinh do các bộ khuếch đại công suất gây ra. Hai
Nguyễn Việt Linh, D12VT4

18


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

phương pháp cơ bản được sử dụng để cân bằng lại tín hiệu bị méo là kỹ thuật san bằng
phi tuyến ở phía máy thu và kỹ thuật làm méo trước ở phía máy phát. Các bộ san bằng
có ưu điểm là san bằng kênh đường xuống (có thể là kênh pha đinh biến đổi theo thời
gian) và đồng thời loại bỏ ảnh hưởng của méo phi tuyến. Hạn chế chính của kỹ thuật
này là chi phí bổ sung và khối lượng tính toán của bộ cân bằng ứng dụng mạng nơ ron
ở mỗi thiết bị đầu cuối. Với kỹ thuật làm méo trước có ưu điểm là chúng ta chỉ cần
một hệ thống duy nhất đặt trên vệ tinh để chống lại méo phi tuyến gây ra do HPA (so
với bộ san bằng thì phải đặt ở mỗi thiết bị đầu cuối mặt đất).
1.3.1 Kỹ thuật làm méo trước
Làm méo trước là kỹ thuật đơn giản nhất để tuyến tính hóa bộ khuếch đại công
suất RF. Kỹ thuật này bao gồm tạo lập một đặc trưng méo là âm bản của đặc trưng
méo của RF PA và nối tầng chung với nhau để chúng bù trừ lẫn nhau. Ưu điểm của
làm méo trước RF là có thể tuyến tính hóa toàn bộ băng thông vì thế rất phù hợp cho
các hệ thống đa sóng mang băng rộng. Nguyên lý cơ sở làm méo trước được cho trên
hình 1.11. Hàm méo trước β (.) tác động lên tín hiệu đầu vào sao cho nó bị méo ngược
với méo do RF PA gây ra, F(.). Vì thế tín hiệu đầu ra được khuếch đại nhưng không bị
méo so với tín hiệu đầu vào. Hình 1.11 a cho thấy sơ đồ của một bộ khuếch đại RF kết

hợp với bộ làm méo trước. Hình 1.11 b cho thấy hoạt động của hệ thống làm méo
trước.

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

19


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

Hình 1.11 a) Sơ đồ một bộ khuếch đại RF kết hộ với bộ làm méo trước
b) Hoạt động của hệ thống làm méo trước
Như vậy, quá trình làm méo trước cơ bản được thực hiện qua 3 bước:
1. Nhận dạng hàm truyền đạt của kênh, từ đó xây dựng được mô hình toán học
của kênh. Mô hình kênh sử dụng trong đề tài được xây dựng sử dụng công cụ mạng nơ
ron với cấu trúc RBF
2. Từ mô hình kênh đạt được, thực hiện nghịch đảo hàm truyền đạt của kênh để
thực hiện vai trò cân bằng. Quá trình này được thực hiện bằng việc cập nhật các trọng
số của mạng nơ ron RBF.
3. Với kênh phi tuyến động, các trọng số cần được thay đổi để phù hợp với đặc
tính của kênh. Điều này đạt được nhờ chuỗi hướng dẫn và các giải thuật tính toán mềm
để giảm thiểu lỗi. Đây chính là cơ sở của méo trước thích ứng.
1.3.2 Kỹ thuật san bằng kênh
Các bộ san bằng được lắp đặt tại máy thu để sửa méo xung gây ra do ISI, khôi
phục lại tín hiệu thu sao cho xác suất lỗi nhỏ nhất. Do đặc tính biến đổi theo thời gian
của kênh, bộ cân bằng kênh phải có khả năng thích nghi. Vai trò chính của bộ san
bằng là tuyến tính hóa hàm truyền đạt của kênh. Việc này được thực hiện với hàm


Nguyễn Việt Linh, D12VT4

20


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

truyền đạt

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

H ' ( f ) ≈ H ch− 1 ( f ) như minh họa trong hình 1.12. Hiệu quả của việc cân bằng

càng thể hiện rõ khi việc ước tính hàm truyền đạt của kênh càng chính xác

Hình 1.12 Nguyên lý cân bằng cơ bản
Bộ cân bằng tuyến tính đơn giản đưa tín hiệu thu qua một bộ lọc mô phỏng đảo
đặc tính kênh. Tuy nhiên khi đảo kênh, nó đồng thời cũng đảo cả tạp âm dẫn đến tăng
tạp âm và giảm hiệu năng máy thu, đặc biệt là trong các kênh xảy ra pha đinh sâu. Các
bộ cân bằng tuyến tính được thực hiện khá đơn giản, tuy nhiên cho hiệu năng kém
trong kênh thay đổi theo thời gian và ISI nghiêm trọng. Dưới đây ta xem xét một trong
số các loại cân bằng điển hình đang được áp dụng trong máy thu, đó là bộ cân bằng
cưỡng bức về không ZF.
Bộ cân bằng ZF (Zero Forcing: Cưỡng bức về không) thuộc loại bộ cân bằng
tuyến tính. Hình 1.13 cho thấy sơ đồ hệ thống truyền dẫn với bộ cân bằng ZF.

Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn
Các ký hiệu phát trên hình 1.13 được ký hiệu là s(k), n(k) là ký hiệu cho các

∧

mẫu AWGN, còn đầu ra của bộ cân bằng ký hiệu là s(k ) . Các hàm truyền đạt kênh và
bộ cân bằng được ký hiệu là H(f) và C(f).

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

21


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

Bộ cân bằng ZF được thiết kế và được tối ưu bằng cách sử dụng tiêu chuẩn ZF.
Điều này có nghĩa là buộc tất cả các đóng góp hưởng ứng xung kim của máy phát,
kênh và bộ cân bằng phải bằng 0 tại các thời điểm truyền ký hiệu nT đối với

n ≠ 0,

trong đó T là thời gian của đoạn truyền. Vì ép ISI xuống mức không trong miền tần số,
nên tiêu chuẩn ZF đảm bảo quan hệ sau khi coi rằng trễ bằng không:

Dẫn đến:

H ( f )C ( f ) = 1

(1.8)


1
H( f )

(1.9)

C( f ) =

Vì thế bộ cân bằng trở thành bộ lọc FIR (Finite Impulse Response: Đáp ứng
xung kim hữu hạn.
FFE (FeedForward Equalizer) là bộ lọc tuyến tính có các hệ số điều chỉnh
được và được gọi là bộ cân bằng tiếp thuận. Đây là một giải pháp cân bằng hiệu quả
cho kênh vô tuyến. FFE tuyến tính được áp dụng để loại bỏ ISI do nhiều tác nhân
truyền dẫn gây ra vì nó không cần biết nguyên nhân của ISI. Tuy nhiên nếu kênh có
tính phi tuyến mạnh thì FFE không được xem là giải pháp tối ưu. FFE tuyến tính thực
tế là một bộ lọc FIR như minh họa trong hình 1.14. Tín hiệu tới x(n) được lọc sau đó
tạo ra tín hiệu cân bằng y(n) theo biểu thức:

y ( n) =

M −1

∑ C x( n − i )
i= 0

Với

Ci

i


(1.10)

là trọng số thứ i của bộ lọc

M là bậc lọc
Tín hiệu vào được trễ với các khoảng

∆ T , thường bằng chu kỳ của ký hiệu. Vì

vậy FFE còn được gọi là bộ cân bằng ngang cách khoảng T (T-spaced Transversal
Equalizer).

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

22


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

Hình 1.14 Bộ cân bằng FFE
Khác với bộ lọc FIR thông thường, các trọng số của FFE có thể được cập nhật
theo nhiều tiêu chí khác nhau. Mục tiêu của các tiêu chí này là làm sao để tín hiệu ra
y(n) có nhiễu ISI nhỏ nhất. Phương pháp cân bằng dựa trên tiêu chí đặc tính méo đỉnh
(Peak Distortion Criterion) và tiêu chí sai số bình phương trung bình MSE là hai
phương pháp phổ biến sử dụng cho bộ cân bằng tuyến tính. Trong tiêu chí méo đỉnh,
đáp ứng tần số của bộ lọc được điều chỉnh để xấp xỉ bằng nghịch đảo đáp ứng tần số
của kênh truyền. Do vậy bộ lọc này cũng được gọi là cân bằng cưỡng ép không ZF.

Tuy nhiên bộ cân bằng này có một hạn chế nghiêm trọng, nếu có phổ “0” (null) trong
đáp ứng tần số thì bộ cân bằng sẽ bù lại bằng cách tạo ra độ lợi vô tận ở tần số đó.
Điều này làm tăng nhiễu cộng, giảm chất lượng của bộ cân bằng.
Đối với tiêu chí MSE, các trọng số của bộ cân bằng được điều chỉnh sao cho sai
số bình phương trung bình giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu ra của bộ cân bằng là
nhỏ nhất. Nhiều thuật toán thích ứng được sử dụng góp phần nâng cao chất lượng bộ
cân bằng như bình phương trung bình tối thiểu LMS, bình phương tối thiểu đệ quy
RLS.
1.4 Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày khái quát về đặc tính kênh vệ tinh với hai đặc trưng cơ
bản là tính phi tuyến HPA và tính phân tán khi xét kênh truyền sóng đường xuống.
Ảnh hưởng của kênh đối với tín hiệu truyền qua kênh thể hiện ở méo phi tuyến và điều
chế giao thoa do đặc tính HPA, nhiễu giao thoa ký hiệu do kênh phân tán đường xuống
Nguyễn Việt Linh, D12VT4

23


Đồ án tốt nghiệp Đại học
tuyến

Chương 1 Kỹ thuật cân bằng kênh phi

vệ tinh. Để khắc phục ảnh hưởng của kênh, các kỹ thuật cân bằng đã được đưa vào để
bù méo giúp đưa ra thông tin chính xác, đó là kỹ thuật làm méo trước và kỹ thuật san
bằng tín hiệu thu.

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

24



Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2 Mạng nơ ron nhân tạo

CHƯƠNG 2
MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO
2.1 Lịch sử phát triển
Nghiên cứu và mô phỏng trí não, cụ thể là tế bào thần kinh (nơ ron) là một ước
muốn từ lâu của nhân loại. Từ mơ ước đó nhiều nhà khoa học đã không ngừng nghiên
cứu tìm hiểu về mạng nơ ron. Với khoảng 15 tỷ nơ ron ở não người, mỗi nơ ron có thể
nhận hàng vạn tín hiệu từ các khớp thần kinh và được coi là một cơ chế sinh vật phức
tạp nhất. Não người có khả năng giải quyết những vấn đề như: nghe, nhìn, nói, hồi ức
thông tin… Não thực hiện những nhiệm vụ như vậy nhờ các phần tử tính toán (nơ
ron). Não phân bố việc xử lý cho hàng tỷ nơ ron có liên quan, điều khiển mối liên hệ
giữa các nơ ron đó. Nơ ron không ngừng nhận và truyền thông tin lẫn nhau. Cơ chế
hoạt động của nơ ron bao gồm: liên kết (association), tổng quát hóa (generation), và tự
tổ chức (self – organization).

Nguyễn Việt Linh, D12VT4

25