Lựa chọn giải pháp điều chế tín hiệu số trong hệ thống truyền dẫn số có hiệu suất sử dụng băng tần cao

Lựa chọn giải pháp điều chế tín hiệu số trong hệ thống truyền dẫn số có hiệu suất sử dụng băng tần cao

BỘ GIÁO DỤC

& ĐÀO TẠO

TẬP ĐÒAN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

VIỆT NAM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

HỒ VĂN CỪU

LỰA CHỌN GIẢI PHÁP ĐIỀU CHẾ

TÍN HIỆU SỐ TRONG HỆ THỐNG

TRUYỀN DẪN SỐ CÓ HIỆU SUẤT SỬ

DỤNG BĂNG TẦN CAO

Chuyên ngành : Mạng và kênh thông tin liên lạc

Mã ngành : 2.07.14

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2006

Công trình được hoàn thành tại:

Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng

Khoa Viễn Thông I,

Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

2 TS Phạm Khắc Kỷ

Trung tâm Đào tạo Bưu Chính Viễn Thông II,

Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Phản biện 1: GS.TS Trần Đức Hân

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Duy Bảo

Học viện Kỹ thuật Quân sự

Phản biện 3: PGS.TSKH Nguyễn Hồng Vũ

Bộ Quốc Phòng

z Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp Nhà

nước, tại Học Viện Công Nghệ BCVT

vào hồi 15 giờ 00 phút, ngày 25 tháng 6 năm 2007

z Có thể tìm hiểu luận án tại :

- Thư viện Quốc gia

NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

[1] Nguyễn Phạm Anh Dũng, Phạm Khắc Kỷ, Hồ Văn Cừu “Ứng dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM trong thông tin di động CDMA, ” Chuyên san các công trình nghiên cứu - Triển

khai viễn thông và công nghệ thông tin số 12, Aug 2004 , Bộ Bưu Chính Viễn thông, Trang 33 – 40

[2] Hồ Văn Cừu, Võ Nguyễn Quốc Bảo, “Implementation of OFDM

- CDMA channel Using TM 320 C6711 DSP,” 31st AIC Conference

Asian Info _ Communications Council ; AICI; November 22-26,

2004 Shenzhen, China N0 44 paper: 1/7 - 7/7; Group I [3] Hồ Văn Cừu, Võ Nguyễn Quốc Bảo, Hòang Trang

“Implementation of Convolutional Code And Viterbi Decode on FPGA”, The 7th INFO- Communications and Technology

Economics seminar, Electronics and Telecommunications Research Institude ETRI (Korea) and Posts and Telecommunications Institute

of Technology PTIT (VietNam), Oct 2004

[4] Hồ Văn Cừu, Võ Nguyễn Quốc Bảo, Hòang Trang,

"Reconfigurable architecture for CDMA", GSPx 2005 Pervasive

Signal Processing, Oct 24-27, 2005 Santa Clara Convention Center, Santa Clara CA USA

[5] Nguyễn Phạm Anh Dũng, Hồ Văn Cừu, Nguyễn Quốc Anh

“Ứng dụng điều chế thích ứng trong hệ thống thông tin di động OFDM-DS-CDMA”, Hội thảo quốc gia lần thứ IX Chủ đề Hệ thống

thông tin quản lý và mạng thông tin, Đà Lạt, ngày 15-16/6/2006 [6] Nguyễn Phạm Anh Dũng, Hồ Văn Cừu, Nguyễn Quốc Anh,

“Applyying Adaptive Modulation Increases the Efficency of Transmision 4 th Generation Wideband Wireless Communications”,

The First International Conference on Communications and Electronics, HaNoi University of Technology, October 10-11,2006

trải phổ trực tiếp đa sóng mang trực giao để khắc phục Fading trong các hệ thống thông tin di động CDMA băng rộng", Hội thảo quốc gia

lần thứ VIII, Một số vấn đề chọn lọc của công nghệ thông tin và truyền thông, Hải Phòng, 25-27 tháng 8 năm 2005

lên N lần, tăng khả năng chống nhiễu, nâng cao chất lượng kênh

truyền và có số lượng người dùng cao hơn

Nghiên cứu kỹ thuật điều chế thích ứng, để xây dựng hòan

chỉnh mô hình kênh truyền ADAPTIVE-OFDM-DS-CDMA Mô

hình này có hiệu năng truyền dữ liệu k tb (bps) và hiệu quả sử dụng phổ

tần cao hơn các mô hình MC-CDMA đã công bố

Xây dựng chương trình mô phỏng hòan chỉnh hệ thống kênh

truyền DS-CDMA, OFDM-DS-CDMA và

ADAPTIVE-OFDM-DS-CDMA theo hệ thống, có nhiều mục tiêu lựa chọn để nghiên cứu mô

phỏng về kênh truyền, lọai điều chế, và các tham số đặc tính khác

Kết quả mô phỏng đã cung cấp đầy đủ các thông số về dạng tín hiệu,

đồ thị BER, để tổng hợp, phân tích và đánh gía chất lượng hệ thống,

so với các chương trình mô phỏng khác đã công bố thường chỉ cho

phép khảo sát được một vài ứng dụng riêng lẽ

Mô hình kênh ADAPTIVE-OFDM-DS-CDMA có hiệu năng

sử dụng phổ cao, đây là mô hình cần được tiếp tục nghiên cứu và

hòan chỉnh để ứng dụng trong thông tin di động OFDM-DS-CDMA

băng rộng thế hệ sau

2 KIẾN NGHỊ VÀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

Nghiên cứu cải tiến và tối ưu hóa chương trình phần mềm để

tăng tốc độ thực hiện chương trình và tăng số người dùng

Nghiên cứu nghiên cứu thử nghiện trên các thiết bị DSP

Nghiên cứu các phương pháp kết hợp mã hóa và điều chế

thích ứng động

Nghiên cứu xây dựng mô hình kênh MIMO ứng dụng trong

OFDM-DS-CDMA

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.1 Cơ sở lý luận

Thông lượng dữ liệu cực đại của kênh truyền tỉ lệ thuận với

độ rộng băng thông, như công thức (1), khi tăng số mức điều chế M,

độ rộng băng thông giảm, như công thức (2), nhưng xác suất lỗi bít

tăng như công thức (3&4), trong đó: C: thông lượng; R0: tốc độ

truyền dữ liệu; W: băng thông; P av: công suất trung bình của tín hiệu;

N 0 : mật độ công suất nhiễu; M: là số mức tín hiệu điều chế số; M = 2 k

k là số bit trong một symbol

2

o

( ) log 1

WN

av

P

0

b M PSK

E

π

−

(3)

0 2

( / )

log

R bit s

W Hz

M

α

, ( )

0

3 4

bav

b M QAM

kE

−

−

(4)

Để nâng cao chất lượng kênh truyền, giảm xác suất thu sai thì cần phải tăng bit phát hiện và sửa sai gắn thêm vào luồng dữ liệu cần truyền, như vậy cần phải tăng tốc độ tín hiệu truyền dẫn; tăng độ rộng phổ tín hiệu điều chế, tăng băng thông kênh truyền, đồng thời nhu cầu của người dùng cần được cung cấp luồng dữ liệu băng rộng ngày càng tăng; trong khi đó băng thông kênh truyền thì có giới hạn

Để làm giảm độ rộng phổ tín hiệu điều chế, tiết kiệm băng thông kênh truyền thì cần tăng số mức tín hiệu điều chế số M, nhưng xác suất thu sai tăng lên, chất lượng kênh truyền giảm xuống

1.2 Cơ sở thực tiễn

Các nghiên cứu gần đây trên thế giới bắt đầu hướng tới sự phát triển các hệ thống thông tin di động CDMA băng rộng thế hệ sau (4G, 5G) nhằm để cung cấp các luồng dữ liệu băng rộng, thích ứng cho việc truy nhập và kết nối mạng thông tin toàn cầu, hướng tới

các dịch vụ đa phương tiện băng rộng, HDTV (4–20Mbps), mạng

máy tính(1–100Mbps), mạng WLAN(1-100 Mbps)

Các tổng công ty cung cấp dịch vụ viễn thông như VNPT,

Viettel, SPT, HPT, EVN của Việt Nam đang nghiên cứu thử nghiệm

mạng thông tin di động CDMA băng rộng 3G, hệ thống truyền dẫn

vi ba số băng rộng 155Mbps, 622Mbps để phát triển mạng dịch vụ

băng rộng Điều chế tín hiệu liên quan đến băng thông và chất lượng

kênh truyền, đây là hướng nghiên cứu có ý nghĩa rất quan trọng; do

đó, tôi chọn đề tài "Lựa chọn giải pháp điều chế tín hiệu số trong hệ

thống truyền dẫn số có hiệu suất sử dụng băng tần cao" để nghiên

cứu cho luận án tiến sĩ của mình

2 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA THẾ GIỚI VÀ TRONG

NƯỚC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN

2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Tiếp tục các nghiên cứu và ứng dụng mã Turbo, mã không

gian-thời gian S-T, mã hóa điều chế kết hợp TCM Nghiên cứu phát

triển kỹ thuật điều chế trực giao OFDM, điều chế thích ứng để ứng

dụng trong các hệ thống vô tuyến OFDM-CDMA băng rộng

2.2.Tình hình nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp hợp để nâng

cấp và phát triển hệ thống mạng thông tin di động hướng tới công

nghệ CDMA băng rộng

3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Mục đích nghiên cứu của đề tài là tìm ra một phương pháp

điều chế số, có mức SNR thấp hơn khi có cùng mức BER, cùng độ

rộng băng thông, cùng đặc tính kênh truyền, hay nói cách khác là tìm

được tỉ số BER thấp hơn khi kênh truyền có cùng các tham số như tỉ

số SNR, độ rộng băng thông, mức điều chế Kết quả nghiên cứu

nhằm để áp dụng trong mạng thông tin di động CDMA băng rộng

ứng Adaptive OFDM-DS-CDMA so với hệ thống MC-CDMA trên kênh Fading Rayleigh 10 đường trễ, điều chế QPSK (HARA&PRASAD) [61] cao hơn là 2.4dB Nhưng nếu sử dụng điều chế pha MPSK thì hiệu năng sử dụng phổ thấp hơn 2.4 dB Khi số đường trể tăng lên 12 đường (TU-COST207) thì hiệu năng sử dụng phổ của hệ thống điều chế thích ứng Adaptive OFDM-DS-CDMA so với hệ thống MC-CDMA (HARA&PRASAD) [61] trên kênh Fading Rayleigh 10 đường trễ, điều chế QPSK thấp hơn là 2.1dB và nếu sử dụng điều chế pha MPSK thì thấp hơn 5.6dB

Kết quả trên cho thấy mô hình Adaptive OFDM-DS-CDMA

có hiệu năng sử dụng phổ cao hơn so với các mô hình kênh OFDM-CDMA của K.Fazel và S.Kaiser K.Fazel và S.Kaiser và gần bằng với

mô hình kênh OFDM-CDMA của HARA&PRASAD đã công bố và hiệu suất sử dụng phổ của kỹ thuật điều chế MPSK luôn thấp hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 KẾT LUẬN

Kết quả nghiên cứu trong luận án đã tổng kết các ưu điểm của kỹ thuật mã hóa Turbo có tỉ số lỗi bit thấp; kỹ thuật điều chế biên

độ số cầu phương MQAM có hiệu năng sử dụng phổ cao, kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM có khả năng khắc phục được nhiễu giao thoa, nhiễu xuyên kênh và fading, tiết kiệm băng thông,

để phát triển các đóng góp mới trong luận án là:

Xây dựng mô hình kênh truyền OFDM-DS-CDMA(MUX)

có sử dụng thêm bộ ghép kênh tuần tự các luồng dữ liệu trải phổ trực tiếp thành phần của các người dùng, so sánh với các mô hình OFDM-CDMA đã ứng dụng trong thông tin di động OFDM-CDMA 3G và 4G, khi xét cùng thông số kênh truyền thì hệ thống này có độ lợi trải phổ tăng

Eb/N0 của mô hình kênh DS-CDMA bằng 8dB, mô hình kênh

OFDM-DS-CDMA có tỉ số Eb/N0 là 3dB và mô hình kênh

OFDM-DS-CDMA(MUX) có tỉ số Eb/N0 là 2dB như vây hiệu năng sử dụng

phổ mô hình kênh OFDM-DS-CDMA(MUX) cao hơn Tương tự mô

phỏng trên kênh fading đa đường trể (4 đường), 12 người dùng, SNR

(10dB), điều chế QPSK, tỉ số lỗi bit BER=10-3 mô hình kênh

OFDM-DS-CDMA(MUX) có dung lượng người dùng là 15, mô hình kênh

OFDM-DS-CDMA có dung lượng là 13 và mô hình kênh DS-CDMA

có dung lượng là 8 Mô hình OFDM-DS-CDMA(MUX) có sử dụng

bộ ghép kênh tuần tự các luồng tín hiệu trải phổ trực tiếp thành phần,

so với các mô hình đã công bố, khi có cùng tham số số kênh truyền,

thì hệ số trải phổ tăng, nâng cao chất lượng kênh truyền, hiệu năng và

số kênh người dùng cao hơn

Kết quả nghiên cứu trong chương 4, kênh AWGN, cùng

thông số kênh truyền, điều chế MQAM, SNR bằng 20,8(dB), BER

bằng 2,2.10-3 thì số bit trung bình N(bit per symbol) bằng 5,7(bps),

trong khi đó số bit trung bình k tb (bps) khi sử dụng điều chế MPSK là

5,5(bps), vậy hiệu năng truyền dẫn M-QAM cao hơn so với điều chế

M-PSK

Tương tự mô phỏng trên kênh fading, SNR là 19,5(dB), thì

hiệu năng của kênh truyền fading theo mô hình RA (COST 207) có

mức BER là 4.10-3, thấp hơn mô hình kênh truyền TU(COST 207),

12 đường trễ, có mức BER là 1.10-2, phù hợp với thực tế Xét trong

mô hình kênh truyền fading đa đường mô hình RA, 6 đường trể, theo

chuẩn COST 207, cùng mức tỉ số lỗi bit BER thì hiệu năng sử dụng

phổ của hệ thống Adaptive OFDM-DS-CDMA khi sử dụng điều chế

MQAM cao hệ thống OFDM-DS-CDMA là 1.0 dB, nếu sử dụng điều

chế pha MPSK thì cao hơn 0.1dB

Xét trong đường truyền có tốc độ 4Mbps, trong mô hình

kênh truyền fading Rice, mô hình RA, COST 207, 6 đường trể, điều

chế MQAM, thì hiệu năng sử dụng phổ của hệ thống điều chế thích

4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa Turbo, điều chế MQAM, MPSK, điều chế đa sóng mang trực giao OFDM, điều chế thích ứng

để tìm các ưu điểm về khắc phục fading, chống nhiễu ISI, ICI và tăng hiệu quả sử dụng băng thông, để xây dựng mô hình kênh truyền OFDM-DS-CDMAvà mô hình kênh Adaptive-OFDM-DS-CDMA có khả năng khắc phục fading đa đường, đảm bảo cho người sử dụng thiết bị di động có được sự dung hòa tốt nhất các yếu tố về hiệu suất

sử dụng phổ tần và chất lượng dịch vụ

Xây dựng mô hình toán ma trận để phân tích quá trình biến đổi tín hiệu trong hệ thống, xây dựng chương trình mô phỏng để biểu diễn các dạng tín hiệu trong các khối, đo đạc các tham số kỹ thuật, so sánh và đánh giá hiệu quả sử dụng băng thông của kênh truyền

5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về mã hóa và điều chế số

Chương 2: Nghiên cứu về kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM để tìm ưu điểm về dung lượng truyền, khả năng khắc phục ISI, ICI, Fading

Chương 3: Nghiên cứu sự kết hợp kỹ thuật điều chế trực giao đa sóng mang OFDM với CDMA, để xây dựng mô hình kênh truyền OFDM-DS-CDMA(MUX) có sử dụng bộ ghép kênh tuần tự

Chương 4: Nghiên cứu kỹ thuật điều chế thích ứng để xây dựng

mô hình kênh Adaptive-OFDM-DS-CDMA

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu xây dựng mô hình kênh truyền OFDM-CDMA

có sử dụng bộ ghép kênh tuần tự, để tăng độ lợi trải phổ, tăng khả năng chống nhiễu và cân bằng các tác động của kênh truyền lên tín

hiệu người dùng Nghiên cứu xây dựng mơ hình kênh truyền

ADAPTIVE-OFDM-DS-CDMA để tăng hiệu năng truyền dẫn

Kết quả nghiên cứu của đề tài rất phù hợp với xu hướng hiện

nay của thế giới cũng như ở trong nước là tìm ra một giải pháp điều

chế và mã hĩa cĩ hiệu suất sử dụng băng tần cao, để xây dựng các

tiêu chuẩn kỹ thuật cho hệ thống thơng tin số CDMA 4G và 5G

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MÃ HĨA VÀ ĐIỀU CHẾ SỐ

1.1 MÃ HĨA KÊNH

Mã hĩa kênh phát triển từ năm 1940, dựa theo lý thuyết

Shannon, bao gồm các lọai như: mã khối tuyến tính, mã chập, mã

liên kết, mã turbo Mã Turbo phát triển năm 1993, sơ đồ như hình

1.2, 1.3 Dữ liệu ở đầu ra của bộ mã hĩa ký hiệu [ Ci] là sự tổng hợp

của chuỗi tín hiệu vào [Xi] với các chuỗi dữ liệu mã hĩa RSC thành

vào, n là khối bit ra; p là số bit chèn parity Trong kênh truyền dẫn

số, với tỉ số BER =10−4 thì phương pháp mã hĩa turbo cĩ độ lợi mã

hĩa tăng từ 5dB đến 6dB so với kênh truyền khơng sử dụng mã hĩa.

Mã hóa đệ quy

Mã hóa đệ quy

Mã hóa đệ quy

Chèn khối

1

Chèn khối

(n-1)

Chuyển đổi song song nối tiếp

i

C1,

0

C

j

C1,

i

C2,

j

C2,

i n

C,

j n

C,

Tín hiệu vào

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

nj

C C C

M

1 0

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

k

x

x

x

M

1

0

i

C

i

X

Tín hiệu ra

Hình 1.2 - Sơ đồ khối mã hĩa Turbo

mơ hình RA, COST207, khi sử dụng điều chế MQAM, 6 đường trể, tương ứng với tỉ số lỗi bit BER trung bình bằng 0.004, thì tỉ số Eb/N0 trung bình của hệ thống Adaptive OFDM-DS-CDMA là 11.0dB, tỉ

số Eb/N0 của hệ thống OFDM-CDMA do HARA và PRASAD [61] cơng bố với kênh truyền fading 10 đường trể là 13.4dB như vậy nếu

hệ thống Adaptive cĩ số đường trể ít hơn 4 đường thì hiệu năng sử dụng phổ của hệ thống điều chế thích ứng Adaptive

OFDM-DS-CDMA cao hơn hệ thống MC-OFDM-DS-CDMA [61] là 2.4dB

4.5 KẾT LUẬN

Xét trong mơ hình kênh truyền fading Rice, mơ hình RA thì hiệu năng sử dụng phổ của hệ thống điều chế thích ứng Adaptive OFDM-DS-CDMA cao hệ thống OFDM-DS-CDMA

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

1 NỘI DUNG ĐÃ NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu về mã hĩa Turbo cĩ BER thấp, kỹ thuật điều chế MQAM và MPSK, cĩ khả năng tiết kiệm băng thơng, kỹ thuật điều chế OFDM, truyền được luồng tín hiệu băng rộng, khắc phục ISI, ICI

và fading để xây dựng mơ hình kênh truyền OFDM-DS-CDMA cĩ sử dụng bộ ghép kênh MUX Nghiên cứu kỹ thuật điều chế thích ứng để xây dựng mơ hình kênh Adaptive-OFDM-DS-CDMA Xây dựng chương trình mơ phỏng kênh truyền OFDM, DS-OFDM, OFDM-DS-CDMA và ADAPTIVE-OFDM-DS-OFDM-DS-CDMA, để hiển thị các dạng tín hiệu, tổng hợp kết quả phân tích, đánh giá chất lượng hệ thống

2 BÀN LUẬN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Kết quả mơ phỏng giữa các mơ hình DS-CDMA, OFDM-DS-CDMA và OFDM-OFDM-DS-CDMA(MUX) cĩ sử dụng bộ ghép kênh tuần tự cho thấy, khi cĩ cùng số người dùng (12 người dùng), cùng mức tỉ số lỗi bit BER = 10-4, cùng sử dụng điều chế BPSK, thì tỉ số

BER 0.006 0.04 0.006 0.006 0.04

Hiệu năng sử dụng phổ bằng tỉ

số

Eb/No(Adaptive-OFDM-DS-CDMA)-

Eb/No(MC-CDMA)

Bảng 4.17- Bảng so sánh kết quả mơ phỏng giữa hệ thống

MC-CDMA [61] và Adapter OFDM-DS-MC-CDMA

Mơ phỏng,

Rc=4Mbps,

Nc=512,

N(FFT)=1024

M-QAM M-PSK M-QAM M-PSK

SNRo(dB) 13.4 11.4 11.0 13.8

Hiệu năng sử dụng phổ bằng tỉ số

Eb/No(MC-CDMA)-Eb/No(Adaptive-OFDM-DS-CDMA)

2.4 -2.4

Theo bảng 4.16, xét trong mơ hình kênh truyền fading đa

đường, khi cĩ cùng mức tỉ số lỗi bit BER=6,3.10-3 , mơ hình RA, 6

đường trể, điều chế M-QAM, trong hệ thống điều chế thích ứng

Adaptive OFDM-DS-CDMA cĩ tỉ số Eb/No là 13.2dB, cịn hệ thống

OFDM-DS-CDMA do K.Fazel và S.Kaise cĩ tỉ số Eb/No là 14.2 dB,

vậy hiệu năng sử dụng phổ của hệ thống thích ứng cao là 1.0dB,

tương tự như vậy khi sử dụng điều chế pha thì hiệu năng sử dụng phổ

của hệ thống thích ứng cao hệ thống OFDM-CDMA do Deepshikha

Grag và Fumiyuki Adachi là 0.1dB Theo bảng 4.17, ứng với đường

truyền cĩ tốc độ 4Mbps, trong mơ hình kênh truyền fading đa đường,

Kênh hệ thống Kênh chẵn lẻ 1

Kênh chẵn lẻ 2

Kênh vào mềm

Chèn khối

Mạch giải mã 2

Mạch giải mã 1

Giải chèn khối

Chèn khối Tín hiệu ra

Tín hiệu ra

1 2 3

1 2 3

Soft channel input

Systematic (Parity 1)

(Parity 2) Hình 1.3 - Sơ đồ mạch giải mã Turbo

Bảng 1.2 - Độ lợi mã hĩa của mã Turbo (trích từ [42])

3

K=3, G0=7, G1=5,

1000 bit chèn, 10.000

1.2 ĐIỀU CHẾ SỐ

Nội dung nghiên cứu trong phần này là tính xác suất thu sai của các lọai điều chế biên bộ số ASK, điều pha số PSK, điều chế cầu phương biên độ số QAM như các cơng thức sau:

) sin 2 ( 2

P b MPSK ≤ γb π (1.43) 1 2 / 2

2

t x

π

∞

−

= ∫ ≥ (5)

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

−

−

≤

0 2 ,

) 1 ( log 6 ) 1 ( 2

N M E M Q

M

M

MASK b

(1.37)

⎟

⎞

⎜

⎛

−

≤

0

3 4

N

E M

k Q

MQAM

Trong đĩ: M là mức điều chế, E av là năng lượng trung bình,

N 0: mật độ cơng suất nhiễu Để khắc phục nhược điểm của việc mã

hĩa là cần phải tăng tốc độ truyền dẫn và khi tăng mức điều chế thì

BER tăng, Ungerboeck phát triển hệ thống mã hĩa và điều chế lưới

kết hợp TCM, cấu trúc bộ điều chế TCM như hình (1.21)

k bit không mã hóa

k bit

mã hóa

Bộ chọn

2 tín hiệu phát trong không gian tín hiệu 2

1

k

i

x

k i

h

k

i

x

1

D

m

i

x

1

k

i

x

1

m

i

x

1

i

x

1

i

h

1

−

v D

0

−

v

h v D

k i

h

1

i

h

0

h

0

h

S(t)

1

k i

C

k i

C

m i

C

1

k i

C

1

m i

C

1

i

C

0

i

C

m

m+1

Hình 1.21- Cấu trúc bộ điều chế mã hĩa lưới TCM của UngerBoeck

Độ lợi mã hĩa được xác định như cơng thức (1.51), xác suất lỗi bit

như cơng thức (1.58)

[ ] [ ]

[ ]

e free e free

e

E

E d d d E d E

γ γ

'

2 ) min

2 )

2 )

2 ) min

(1.51)

0

2

e free e

d

N

Trong đĩ d( )free e là khoảng cách tự do, dmin( )e là khoảng cách

Euclide cực tiểu, E' là năng lượng tín hiệu điều chế TCM Để tăng

khoảng cách Euclide; Ungerboeck xây dựng kỹ thuật phân chia tập

hợp tín hiệu; khơng gian M tín hiệu lần lượt chia thành các cấp giảm

dần; khoảng cách Euclide tăng Hiệu năng của điều chế TCM cao

hơn điều chế MQAM và MPSK

Kết quả mơ phỏng của bộ điều chế thích ứng OFDM-DS-CDMA trên kênh truyền fading Rice, mơ hình TU, COST 207, 12

đường trễ, sử dụng điều chế M-PSK, thay đổi theo dữ liệu vào

Hình 4.21- Kết quả mơ phỏng của bộ điều chế thích ứng OFDM-DS-CDMA trên kênh truyền fading Rice, mơ hình TU, COST 207, 12 đường trễ, sử dụng điều chế M-PSK, thay đổi theo dữ liệu vào Bảng 4.13- Bảng tổng hợp N(bps) , kênh fading Rice, mơ hình TU, COST 207, 12 đường trễ, điều chế MPSK

Tốc độ Dữ liệu Hệ số K(dB)

bình

10 0,0227 19,65 2,926 2,048Mbps

15 0,0182 19,05 2,926

4,096Mbps

15 0,0226 23,15 2,926

10 0,0244 20,30 2,926 8,192Mbps

15 0,0219 19,95 2,887

10 0,0251 18,30 2,8074 16,386Mbps

15 0,02005 14,15 2,8875

Bảng 4.16- Bảng so sánh kết quả mơ phỏng giữa hệ thống OFDM-DS-CDMA của (*) K.Fazel và S.Kaiser; (**) Deepshikha Grag ,Fumiyuki Adachi và Adapter OFDM-DS-CDMA

Adaptive OFDM-DS-CDMA

OFDM-CDMA, (**)

OFDM-CDMA (*) Fading COST

RA,6 đường trể K.Fazel&Kaiser DeepshikhaGrag&F.Adachi

Mơ phỏng, Rc=16Mb

ps, Nc=512, N(FFT)=1

M-QAM

M-PSK

M-QAM

M-PSK M-QAM M-M-PSK

Mức SNR (dB) và mức lỗi bit BER trung bình tổng cộng của

bộ điều chế thích ứng OFDM-DS-CDMA trên kênh truyền fading

Rice, mô hình RA, 6 đường trễ, COST 207, sử dụng điều chế

M-QAM, tương ứng với các luồng dữ liệu vào từ 2 Mbps đến 16 Mbps

Hình 4.17- Mức SNR (dB) và tỉ số lỗi bit BER trung bình tổng của bộ

điều chế thích ứng OFDM-DS-CDMA trên kênh truyền fading Rice,

mô hình RA, COST 207, 6 đường trễ, sử dụng điều chế M-QAM

Bảng 4.9- Bảng tổng hợp số bit trung bình trong một symbol k tb (bps),

kênh fading Ricean, điều chế MQAM

Tốc độ Dữ

bình

10 0,00415 18,65 5,4236 2,048Mbps

15 0,00413 19,05 5,4529

10 0,00418 18,35 5,4361 4,096Mbps

15 0,00415 17,85 5,4660

10 0,00524 19,25 5,2400 8,192Mbps

16,386Mbps

Kết quả mô phỏng kênh Adaptive OFDDS-CDMA,

M-QAM fading Rice, mô hình TU, COST 207, 12 đường trễ

Hình 4.20- Kết quả mô phỏng của bộ điều chế thích ứng

OFDM-DS-CDMA, kênh fading Rice, mô hình TU, COST 207, L=12, M-QAM

Bảng 1.4 - Hiệu năng của tín hiệu MQAM so với tín hiệu MPSK

Tỉ số Eb/N0(dB) BER,

AWGN 16-ASK 16-PSK 16-QAM 16-TCM

Kết luận:

Ưu điểm kỹ thuật mã hóa turbo có tỉ số BER thấp, điều chế MQAM có khả năng tiết kiệm băng thông và được ứng dụng để nghiên cứu trong các chương sau

CHƯƠNG 2

ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO GHÉP THEO TẦN SỐ OFDM

2.1 DẪN NHẬP

Kỹ thuật điều chế OFDM phát minh năm 1970 ở Mỹ và được ứng dụng trong thông tin băng rộng

2.2 MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN OFDM

/2 , /2 ,

N

i k C

RF RF k k

FT GI FT GI

i

T

π

+

=−

⎪

⎩

∑

Công thức tín hiệu phát OFDM được viết như (2.6), trong đó:

T là độ dài ký hiệu OFDM; T FFT là thời gian FFT; T GI là thời gian bảo

vệ; T FT là thời gian bảo vệ giao thoa đầu và cuối khung; Δf =1/T FFT là

khoảng cách tần số giữa hai sóng mang; N là độ dài FFT, k là chỉ số

về ký hiệu được truyền; x i,k là véc tơ tín hiệu điều chế của sóng mang

con thứ i trong ký hiệu OFDM thứ k

Công thức tín hiệu thu:

r p ( )=FFT r n[ ( )]=FFT IFFT x p H p{ [ ( ) ( )] }=x p H p ( ) ( ) (2.9)

Hình 2.1 - Mô hình hệ thống OFDM

2.3 TỈ SỐ CÔNG SUẤT ĐỈNH TRÊN CÔNG SUẤT TRUNG

BÌNH PAPR

PAPR là tham số tính hiệu năng sử dụng phổ công suất tín

hiệu, được định nghĩa như sau:

2 [ 0 , ] 2 0

max{| ( ) | } | PAPR=

1

| ( ) |

t T T

S t

T

∈

∫

(2.10)

2.4 TÍNH TRỰC GIAO CỦA OFDM

Tính trực giao của tín hiệu OFDM tính theo công thức 2.13

I=∫T S n t S m t dt=⎩⎨⎧ ≠=

m n , 1 ) ( )

2.5 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN

Dung lượng kênh OFDM được tính như công thức 2.18,

trong đó r ci , Mi là tỉ lệ mã và số mức điều chế kênh thứ i, Δf i =Δf là

băng thông của sóng mang con

2 1

i

=

Xây dựng giải thuật điều chế thích ứng kết hợp hai quá trình lựa chọn băng thông và mức điều chế sẽ có ý nghĩa toàn diện trong việc nâng cao hiệu năng và hiệu quả sử dụng băng thông kênh truyền

4.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Mức tín hiệu đa đường và đáp ứng xung trễ đa đường

Mô hình kênh vùng đồng bằng, RA, 6

đường COST207 Mô hình kênh vùng đồng bằng, RA, 6 đường, COST207

Hình 4.12- Thành phần và đáp ứng xung kênh truyền fading Mức tỉ số SNR(dB) và mức điều chế M-QAM của bộ điều chế thích ứng OFDM-DS-CDMA trên kênh truyền AWGN tương ứng với các kênh dữ liệu vào từ 2Mbps đến 16Mbps Nc=256,

NFFT=512, fD=80Hz BER ngưởng =10-3

Hình 4.15- Mức SNR (dB) và mức điều chế MQAM của bộ điều chế thích

ứng OFDM-DS-CDMA trên kênh truyền AWGN

Bảng 4.8- Bảng tổng hợp các tham số mô phỏng gồm số bit trung

bình trong một symbol k tb (bps), BER tổng, Mức SNR trung bình,

AWGN, MQAM