LÝ THUYẾT TRẢI PHỔ VÀ ĐA TRUY NHẬP - TS. NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG - 6 pot

Mỗi chip của chuỗi trực tiếp sẽ trải phổ cho ký hiệu số liệu sau đó được đặt lên một sóng mang con.. Như vậy trong MC-CDMA các chip của một ký hiệu được trải phổ sẽ được truyền song song

Chương 6 Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao và CDMA đa sóng mang

C¸c kho¶ng b¶o vÖ (kh«ng dïng)

B¨ng tÇn hÖ thèng

Khe b¨ng (100kHz) 4,17 kHz 24 sãng mang con×

Kho¶ng c¸ch sãng mang con OFDMA (4,17 kHz)

Hình 6.23 Cấu trúc tần số OFDMA

6.10 CDMA ĐA SÓNG MANG, MC-CDMA

Tín hiệu MC-CDMA được tạo ra bằng cách kết hợp DSCDMA và OFDMA Mỗi chip của chuỗi trực tiếp sẽ trải phổ cho ký hiệu số liệu sau đó được đặt lên một sóng mang con Như vậy trong MC-CDMA các chip của một ký hiệu được trải phổ sẽ được truyền song song trên các sóng mang con khác nhau khác vời trường hợp truyền nối tiếp trong DSCDMA

Hình 6.24 cho thấy mô hình của một hệ thống MC-CDMA

nh song song OF

k ˆd

Hình 6.24 Mô hình hệ thống MC-CDMA

Hình 6.4 Mô tả hệ thống MC CDMA gồm K người sử dụng Máy thu thực hiện tách sóng cho người sử dụng thứ k Tại phía phát (hình 6.24) từng ký hiệu (dk) tốc độ Rb=1/Tc của từng người sử dụng được trải phổ bởi chuỗi chip ck tương ứng có chu kỳ là N và tốc độ chip Rc=1/Tc Sau trải phổ K luồng này được cộng đại số với nhau sau đó được bộ biến đổi nối tiếp thành song song chia thành N luồng (tương ứng với N chip trải phổ cho ký hiệu số liệu):

K

Chương 6 Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao và CDMA đa sóng mang

trong đó sk=dk kc ,

ck=[c0,k , c1,k, , cN-1,k] (6.23)

rồi đưa lên bộ điều chế OFDM và đầu ra ta được một ký hiệu OFDM (x) phát đến đầu thu Tại phía thu , tín hiệu thu y:

trong đó h là hàm truyền đạt kênh và η là tạp âm

được đưa qua bộ OFDM ngược rồi qua bộ biến đổi song song thành nối tiếp để được:

[ 0 1 N 1]

Cuối cùng luồng r này được đưa lên bộ tách sóng (giải trải phổ) để nhận được ước tính của ký

hiệu dk: ˆd k

6.11 TỔNG KẾT

Chương này đã xét nguyên lý chung của điều chế OFDM OFDM là một hệ thống đa sóng mang trong đó luồng số liệu cần truyền được chia nhỏ và được truyền trên các sóng mang con trực giao với nhau So với hệ thống FDMA, OFDM cho phép nén phổ xuống 50% Các vi mạch xử lý tín hiệu như IFFT và FFT cho phép đơn giản hóa quá trình tạo các sóng mang con trong các hệ thống truyền dẫn OFDM Chương này cũng trình bầy các phần tử cơ bản của máy thu và máy phát OFDM trong hệ thống truyền dẫn OFDM Hai phần thử đặc thù của máy phát và máy thu là bộ biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT) và bộ biến đổi Fourier (FFT) Phađinh nhiều đường trong

hệ thống truyền dẫn OFDM dẫn đến nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) và nhiễu giữa các sóng mang (ICI) Vì thế ta không thể đặt băng thông sóng mang con tùy ý Băng thông sóng mang con một mặt phải không nhỏ hơn độ rộng băng tần nhất quán đối với tương quan tần số lớn hơn 0,9 để chống ICI, mặt khác phải lớn hơn đại lượng nghịch đảo của RDS để chống phađinh chọn lọc tần

số gây ra do trải trễ (hay RDS)

Chương này cũng đã xét các thuộc tính và các thông số của OFDM Quan hệ giữa các thông số điều chế OFDM cũng được phân tích để làm tiền đề cho việc thiết kế các hệ thống truyền dẫn OFDM Chương này cũng đưa ra phương pháp thiết kế hệ thống truyền dẫn OFDM trong WLAN

Thí dụ về áp dụng OFDM nhẩy tần cho thông tin di động thế hệ mới đã được xét trên dựa trên đề xuất hệ thống này cho UMTS

Phần cuối cùng của chương đã xét nguyên lý của MC-CDMA Các sơ đồ đơn giản của rmáy phát và máy thu trong một hệ thống MC-CDMA cũng đã được xét trong phần cuối cùng này Đặc thù của MC-CDMA là các chip của mã trải phổ sau khi trải phổ cho số liệu được truyền trên các sóng mang con khác nhau Như vậy số các sóng mang con của OFDM cũng sẽ bằng số chip trong một chu kỳ chuỗi mã trải phổ

OFDM hiện đã được ứng dụng rộng rãi trong truyền hình số và các hệ thống WLAN OFDM và MC-CDMA cũng đang được nghiên cứu ứng dụng cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới

Chương 6 Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao và CDMA đa sóng mang

6.12 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

1 Trình bày nguyên lý chung của OFDM

2 Trình bày nguyên lý tạo các sóng mang con

3 Trình bày phương pháp lựa chọn băng thông sóng mang con

4 Trình bày phương pháp lựa chọn thời gian bảo vệ

5 Giải thích lý do tạo lập cửa số

6 Trình bày nguyên nhân gây ra ISI và ICI trong hệ thống truyền dẫn OFDM

7 Trình bày hoạt động của sơ đồ OFDM

8 Trình bày nguyên lý OFDMA nhẩy tần

9 Trình bày nguyên lý MC-CDMA

10 Cho một đường truyền có lý lịch trễ công suất sau:

2

Tính trễ trội trung bình

(a) 20ns; (b) 45,9ns; (c) 51,5ns ; (d) 60ns

11 (tiếp) Tính moment bậc hai của lý lịch trễ công suất

(a) 1000 ns2; (b) 1530ns2; (c) 2314,5ns2; (d) 2500ns2

12 (tiếp) Tính trải trễ trung bình quân phương

(a) 15ns; (b) 25ns; 30,6ns; (d) 46ns

13 (tiếp) Tìm băng thông con cực tiểu cho OFDM

(a) 200 kHz; (b) 300kHz; (c) 350kHz; (d) 434,78kHz

14 (tiếp) Tìm số sóng mang con cực đại cho một hệ thống OFDM có băng thông 10 MHz (a) 10; (b) 18; (c) 23; (d)30

15 Một hệ thống OFDM WLAN (802.11a) sử dụng điều chế 16-QAM với tỷ lệ mã hóa 1/2 cần đảm bảo tốc độ truyền dẫn 24Mbps với tổng độ rông băng tần Bt=20MHz và thông số kênh RDS bằng 200ns Tính thời gian bào vệ cần thiết (TGD)

(a) 400ns ; (b) 500ns; (c) 800ns

16 (tiếp) Tính thời gian ký hiệu OFDM (Ts)

(a) 1,5 μs; (b) 3μs; (c) 4μs; (d) 4,5μs

17 (tiếp) Tính tốc độ ký hiệu OFDM (Rs)

(a) 200 ksps; (b) 250ksps; (d)300 ksps; (d) 350 ksps

18 (tiếp) Tính thời gian hiệu dụng ký hiệu (TFFT)

(a) 3μs; (b) 3,2μs; (c) 3,5μs; (d) 4μs

19 (tiếp) Tính băng thông con (khoảng cách giữa hai sóng mang con)

(a) 310 kHz; (b) 312,5 kHz; (c) 324,5kHz

20 (tiếp) Tính số bit thông tin trên một ký hiệu OFDM

(a) 76; (b) 86; (c) 96; (d) 106

21 (tiếp) Tính tính số bit thông tin trên một sóng mang con

(a) 1; (b)2; (c)3; (d)4

22 (tiếp) Tính số sóng mang con nếu cần thêm bốn sóng mang con cho hoa tiêu

Chương 6 Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao và CDMA đa sóng mang

(a) 15,25 MHz; (b) 16,25MHz; (d) 17,25 MHz

24 (tiếp) Tính khoảng băng bảo vệ

(a) 3,5 MHz; (b) 3,75MHz; (c) 4MHz; (d) 4,25MHz

25 Nếu hệ thống WLAN 802.11a trong bài 17 sử dụng điều chế 64 QAM với tỷ lệ mã hóa 3/4 thì tốc độ truyền tin sẽ bằng bao nhiêu

(a) 44Mbps; (b) 47Mbps; (c) 54Mbps; (d)64Mbps

HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI

CHƯƠNG 1

Bài 6

P=0,02×1000+3+0,5+0,5= 24W: (d)

Bài 7

Tổng tích theo cặp của hai chuỗi phải băng không:

(a) và (c)

Bài 8

( )

3 max

2

M

K

2 C

3 I

12, 5.10 / 25 500

61 8,16 2

10 3

Bài 9

( )

3 max

M

K

2 C

3 I

12, 5.10 /(100 : 4) 500

194

2, 58 2

10 3

CHƯƠNG 2

Bài 1

Ta có thể viết lại hàm tương quan như sau:

x

R ( ) τ = + Λ τ 2 3 ( ) ; trong đó ( ) 1 ; 1

0

⎧ − τ τ ≤

⎪⎪

Λ τ = ⎨

⎪⎪⎩ nÕu kh¸c Công suất trung bình bằng Rx(0)=2+3=5W: (c)

Bài 2

Biến đổi Fourier cho tín hiệu x(t) ta được:

Φx(f)= 2δ(f)+3Sinc2f

Thành phần thứ nhất biểu thị công suất một chiều Vậy công suất một chiều là 2W: (a)

Bài 3

Hàm tam giác Λ1000(f-106) có giá trị bằng 1 tại f=106Hz và bằng không tại f≤0,999MHz và f≥1,001MHz Vì thế công suất sẽ là 2 lần của diện tích nửa tam giác từ 1MHz đến 1,001MHz P=2×1000.10-4/2=0,1W: (a)

Bài 4

Rc(τ) ( ) T c

c

T

τ

Λ =⎧⎪⎪ ⎪⎪

⎨⎪

⎪⎪⎪⎩ nÕu kh¸c

15 1 0,75 10− 1000 15 0, 25 15 15 0, 2

Bài 5

0 -1 -1 -1 1 -1 1 1 3/7

1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 -1/7

2 -1 1 -1 1 1 -1 -1 3/7

3 1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1/7

4 -1 1 1 -1 -1 -1 1 -1/7

5 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -5/7

cj'

6 1 -1 -1 -1 1 -1 1 3/7

Trả lời : (a)

Bài 6

c

T

c 0

1

R (1, 5T ) c(t)cʹ(t 1, 5T )dt

7T

=

c

c 0

1

c p (t iT ) c ʹ p (t 1, 5T iT )dt

∫

Nhưng:

1, iT t (i 0, 5)T khi j i 1

p (t iT )p (t 1, 5T iT ) 1,(i 1)T t (i 1)T khi j i 2

⎪⎪

⎪

⎪⎩ víi mäi t

Vì thế

(i 0 ,5)T 6 (i 1)T 6

1

7T

c c

c

1

0, 5T ( 1 1) ( 1 1) ( 1 1) (1 1) (1 1) ( 1 1) (1 1) 7T

0, 5T ( 1 1) ( 1 1) ( 1 1) (1 1) (1 1) ( 1 1) (1 1)

⎡

= ⎣ − ×− + − ×− + − × + ×− + × + − × + ×−

⎤

− ×− + − × + − ×− + × + × + − ×− + ×− ⎦ =1 /7

Trả lời: (a)

Bài 7

E[(k+x(t))(k+x(t+τ)]= k2+E[x(t)x(t+τ)]=k2+Rx(τ): (c)

Bài 8

Công suất trung bình của tín hiệu x(t) đựơc xác định như sau:

P=Rc(τ=0)=aΛt1(τ)=a= (+1)2 Pr(x(1)=+1)+(0)2Pr(x(t)=0)+(-1)2Pr(x(t)=-1)=1/3+1/3=2/3

Trả lời: (b)

Bài 9

E[(k+x(t)cos(2πfct+θ))(k+x(t+τ)cos(2πfct+θ+2πfcτ)]=k2+E[x(t)cos(2πfct+θ)

x(t+τ)cos(2πfct+θ+2πfcτ)=k2+E[x(t)x(t+τ)]E[cos(2πfct+θ)cos(2πfct+θ+2πfcτ)]

=k2+0,5Rx(τ)cos(2πfcτ)

Trả lời: (d)

CHƯƠNG 3

Bài 1

Gp= 10lg(106/1200)=29,2dB: (a)

Bài 2

B= Rc=1/Tc= N/Tb=NRb =2047×10.103Hz=20,47MHz: (d)

Bài 3

Rb= Rc/Gp=107/103= 104 bps=10kbps: (c)

Bài 4

b

T

z c(t)c(t )dt ( )

khi τ=0,5Tc ΛTc(0,5Tc)=0,5 Vậy= b

i

b

2E 1 z

2 T

= : (b)

Bài 5

Rb=64kbps; Rc=40Mcps Vậy Gp=Rc/Rb=40.106/(64.103)=625: (d)

Bài 6

Trả lời: (c)

Bài 7

Theo phương trình (3.21) ta có:

[ ]

b

b

b

b

E

T

E

=

Do c1(t) và c2(t) có cùng độ dài chip nên:

2 x1(f) x1(f) T Sinc (fT )c c

Φ = Φ =

Từ giaó trình vi ba số ta có

b

b

b c

b

E 2 (f) 2 (f) ((f f )T ((f f )T

4 T

E T

Sinc ((f f )T Sinc ((f f )T

T 2

Trả lời: (d)

Bài 8

Từ phương trình (3.22) ta được

γ=7π/4: (d)

Bài 9

Thành phần tần thấp trong (3.24) thứ nhất trong trường hợp này sẽ nhận được từ tích sau:

br

b

2E

T d(t-τ)sin(2πfct+θ') sin(2πfct+θ")→ br

b

2E

T d(t-τ)cos(θ'-θ")

Vì thế tín hiều u(t) sẽ giảm

Trả lời: (b)

Bài 10

SNR0= br 2

0

2E

2.10 200

Bài 11

0

SNR

N / 2 PT / 2 N R P / G

0 b

N R (1/ 100)w=0,01w

N = N R ⇒ = (E / N ) =

r 0

0 b j p

N R P / G 0,01 50 / 2000

Trả lời: (b)

Bài 12

br 0

0 j j

2E

SNR

=

Trả lời: (d)

Bài 13

Từ phương trình (3.42 ta có

Để thành phần gây nhiễu không đi thằng:

,

s = ± E cos( ʹ)R ( ʹ) θ τ

bằng không ta cần đảm bảo: τ'=15m/c= 15m/(3.108m/s)≥Tc=1/Rc

Vậy tốc độ chip cực tiểu bằng:

Rcmin= (3.108m/s)/15m= 20Mcps: (d)

Bài 14

(xem bài 13)

Trả lời: (b)

Bài 15

,

r1 b

b

P T

N N (D11/ D12)P / R N 4 T N 4E / G

T

Ebr1=!00N0

Vậy:

,

N = N 0, 4N = 1, 4N

+ Trả lời: (a)

CHƯƠNG 4

Bài 1

Z là một số ngẫu nhiên

E n(t)c(t)sin(2 f t )dt E(n(t))c(t) sin(2 f t )dt 0

Trả lời: (a)

Bài 2

b b

2T 2T

0 0

E n(t)n(s)c(t)c(s)sin(2 f t ) sin(2 f s )dtds

=

b b

2T 2T

0 0

(N / 2) (t s)c(t)c(s)sin(2 f t δ − π + θ ) sin(2 f s π + θ )dtds

∫ ∫

b

2T

2 2

0

N / 2 ∫ c(t) sin (2 f t π + θ )dt = N T / 2

Trả lời: (a)

Bài 4

Không tồn tại quan hệ tuyến tính giữa Pb, K, N, SNR

Trả lời: (e)

Bài 6

Số người sử dụng trong 1 cell tính theo công thức :

p

G

(E / N ) (1 )

= +

υ + β η

λ

0,6

3 (1 + 0, 5)

(1, 25.10 9, 6).0, 8

0, 6 2, 5 = 80, 6

.

/

max

K = +1 Vậy số người sư dụng trên đoạn ô là Kmax/3=26,4 Trả lời: (b)

Bài 7

Do hệ thống là trải phổ DS/SS – BPSK nên ta có xác suất lỗi bit của hệ thống xác định như sau:

Hệ thống DS/SS-BPSK có xác xuất lỗi là :

p

G

(E / N ) (1 )

= +

υ + β η

λ

b

0

E

K (1 )

N 40.4,8.(1 0,6).0, 5

0,8.1

+ β υ

+

c

c

R

G R 9, 6.G 9, 6.192 1, 8(Mcps)

9, 6

Bài 8

b

e

0

2E

P Q

N

⎛ ⎞⎟

⎜ ⎟

= ⎜ ⎜ ⎟

⎟⎟

⎜⎝ ⎠ ;

b 0

2E

x 2.4,8 3 N

e

P = e− /(2, 5 3) × = 1, 5.10− : (b)

CHƯƠNG 5

Bài 15

8

3 6

c d

3.10

c / f 0,162m

1850.10

80.10

f f f 1850.10 1850,000137MHz

3600 0,162

×

Trả lời: (c)

Bài 16

f=fc-fd= 1850.106-137.10-6= 1849,999863MHz: (c)

Bài 17

(d)

Bài 18

Δτ=100:64=1,5625μs: (c)

Bài 19

(1)(5) (0,1)(1) (0,1(2) (0,001)(0)

4, 38 s [0,01+0,1+0,1+1]

Bài 20

2 (1)(5) (0,1)(1) (0,1)(2) (0,01)(0) 2

21,07 s

1, 21

Bài 21

2

21,07 (4, 38) 1, 37 s

τ

σ = − = μ : (c)

Bài 22

c

5 ς 5(1, 37 s)

σ μ : (b)

CHƯƠNG 6

Bài 10

Chuyển bảng lý lịch trễ công suất vào số lần

2

1(0) 0,107(110) 0,012(190) 0,0052(410)

1 0,107 0,012 0,0052

τ =

= 11,77 2, 28 2,132

1,1242

=14,4ns: (b)

Bài 11

2 1(0) 0,107(110) 0,012(190) 0,0052(410)

1 0,107 0,012 0,0052

τ =

1294,7 433, 2 874,12

1,1242

= = 2314,55ns2: (c)

Bài 12

2 2 2314, 55 207, 36 46ns τ

Bài 13

Tính băng thông sóng mang con cực tiểu:

1/(50στ)=109/(50×46)=434,78 kHz: (c)

Bài 14

10.106/(434,78.103)=23 (c)

Bài 1 5

TGD=4×200ns=800ns: (c)

Bài 1 6

Tính thời gian của một ký hiệu OFDM: Ts=5×TGD= 5×800ns=4μs: (c)

Bài 17

Tính tốc độ ký hiệu OFDM: Rs=1/Ts=106/4=250ksps: (b)

Bài 18

Tính thời gian hiệu dụng ký hiệu: TFFT= Ts-TGD=3,2μs: (b)

Bài 19

Tính độ băng thông con: Δf=1/TFFT= 106/3,2= 312,5 kHz: (b)

Bài 20

Tính số bit thông tin trên một ký hiệu: 24Mbps × 4μs=96: (c)

Bài 21

Tính số bit thông tin trên một sóng mang con: 4/2=2: (b)

Bài 22

96/2+4=52: (c)

Tính tổng băng thông được sử dụng: 52×312,5KHz=16,25MHz: (b)

Bài 24

Tính khoảng băng bảo vệ: 20Mhz-16,25Mhz=3,75MHz: (b)

Bài 25

Tốc độ truyền tin sẽ là: 48×6×3/4×250.103=54Mbps: (c)

THUẬT NGỮ

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

BER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi

BPSK Binary Phase Shift Keying Modulation Điều chế khóa dịch pha hai trạng

thái CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã DPS Delay Power Spectrum Phổ công suất trễ

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FSR FFT time to Symbol period Ratio in an

OFDM symbol Tỷ số giữa thời gian FFT và chu kỳ ký hiệu OFDM ICI Inter Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh đảo

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu

LOS Line of Sight Đường truyền thẳng

MA Multiple Access Đa truy nhập

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PDP Power Delay Profile Lý lịch trễ công suất

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

Modulation

Điều chế khóa dịch pha cầu phương

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RDS Root mean square Delay Spread Trải trễ trung bình quân phương rms Root mean square Trung bình quân phương

SE Spectrum Efficiency Hiệu suất phổ tần

SINR Signal to Interference plus Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp

âm SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiêu trên tạp âm

KÝ HIỆU

B Băng thông tổng

BC Băng thông nhất quán

B Độ rộng băng tần của số liệu hay thông tin

fd Trải Doppler

C Dung lượng

ES Năng lượng ký hiệu thu

ƒc Tần số trung tâm

K Thừa số K kênh Rice

M Mức điều chế

N Số sóng mang con trong hệ thống OFDM

L Số tia đa đường

NB Số băng con trong hệ thống OFDM

N0 Mật độ phổ công suất AWGN (W/Hz)

P Công suất

Pe Xác suất lỗi

Pr Công suất thu

PFR Δf×RDS

PT Công suất phát

r(t) Công suất thu trong miền thời gian

Rb Tốc độ bit

rc Tỷ lệ mã

Rtb Tốc độ bit tổng của hệ thống

RS Tốc độ ký hiệu

SE Hiệu suất phổ

Tb Thời gian bit

TC Thời gian nhất quán

TFFT Thời gian truyền dẫn hiệu dụng trong một ký hiệu OFDM, thời gian

FFT

TGD Khỏang bảo vệ trong một ký hiệu OFDM

T Chu kỳ ký hiệu

Twin Thời gian cửa sổ trong một ký hiệu OFDM

στ Trải trễ trung bình quân phương

∆f Băng thông sóng mang con của hệ thống OFDM

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Lý thuyết trải phổ và ứng dụng, Giáo trình, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Nhà xuất bản Bưu điện, 2000

2 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Lý thuyết trải phổ và đa truy nhập vô tuyến, Giáo trình, Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, 2004

3 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Cơ sở truyền dẫn vi ba số, Giáo trình, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Nhà xuất bản Bưu điện, 2001