Chương 1 CÔNG NGHỆ CDMA1.1 Giới thiệu chươngCông nghệ CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ tín hiệu để phát dữ liệu cùng một phổ tần. Tất cả công suất của tín hiệu trong đường truyền CDMA được đồng thời trên cùng một băng tần rộng, phát trên cùng một tần số và tín hiệu nguyên thuỷ sẽ được khôi phục tại đầu thu. Đồng thời tín hiệu trải phổ xuất hiện trải rộng đều trên toàn bộ băng tần với công suất phát thấp, do đó loại bỏ được nhiễu, giao thoa. Trong chương này chúng ta sẽ đi vào nghiên cứu khả năng đa truy nhập, phân tích ưu nhược điểm và điều khiển công xuất của quá trình thu phát tín hiệu trong hệ thống CDMA.1.2 Tổng quan về CDMACDMA được đưa ra thị trường lần đầu tiên vào năm 1995 với chuẩn IS95. Ở thế hệ di động thứ 3 sẽ sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) thay vì công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) theo chuẩn IMT2000.Trong hệ thống CDMA, mỗi người dùng được cấp phát một chuỗi mã (chuỗi trải phổ) dùng để mã hoá tín hiệu mang thông tin. Tại máy thu, tín hiệu thu sẽ được đồng bộ giải mã để khôi phục tín hiệu gốc và dĩ nhiên máy thu phải biết được chuỗi mã đó để mã hoá tín hiệu. Kỹ thuật trải phổ tín hiệu giúp các người dùng không gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện có thể cùng một lúc dùng chung dải tần số. Điều này dễ dàng thực hiện được vì tương quan chéo giữa mã của người dùng mong muốn và mã của các người dùng khác thấp. Băng thông của tín hiệu mã được chọn lớn hơn rất nhiều so với băng thông của tín hiệu mang thông tin; do đó, quá trình mã hoá sẽ làm trải rộng phổ của tín hiệu, kết quả cho ta tín hiệu trải phổ.Ở các hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng hằng trăm lần trước khi phát. Trải phổ không mang lại hiệu quả về mặt sử dụng băng thông đối với hệ thống đơn người dùng. Tuy nhiên nó có ưu điểm trong môi trường đa người dùng vì các người dùng này có thể dùng chung một băng tần trải phổ với can nhiễu lẫn nhau không đáng kể.Một kỹ thuật điều chế trải phổ phải thoã mãn 2 tiêu chuẩn:•Băng thông của tín hiệu truyền phải lớn hơn băng thông của tín hiệu mang thông tin.•Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu.Tỉ số băng thông truyền trên băng thông của tín hiệu thông tin được gọi là độ lợi xử lý của hệ thống trải phổ: Gp= (1.1)Với Bt : băng thông truyền; Bi : băng thông của tín hiệu mang thông tin•Tín hiệu trải phổ cho băng thông rộng nên có những ưu điểm khác so với tín hiệu băng hẹp.Khả năng đa truy cập: nếu các người dùng phát tín hiệu trải phổ tại cùng một thời điểm, máy thu có khả năng phân biệt giữa các người dùng, do đó các mã trải phổ có các tương quan chéo thấp. Vì vậy, băng thông của tín hiệu công suất của người dùng mong muốn sẽ lớn hơn công suất gây ra bởi nhiễu và các tín hiệu trải phổ khác (nghĩa là lúc này tín hiệu của những người dùng khác vẫn là những tín hiệu trải phổ trên băng thông rộng).Bảo vệ chống nhiễu đa đường: trong kênh truyền vô tuyến không chỉ có một đường truyền giữa máy thu và máy phát. Vì tín hiệu bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ nên tín hiệu thu được tại đầu thu bao gồm các tín hiệu trên các đường khác nhau. Tín hiệu trên các đường khác nhau đều là bản sao của cùng một tín hiệu nhưng khác biên độ, pha, độ trễ và góc tới. Khi cộng tất cả các tín hiệu này lại sẽ tạo nên những tần số mới và cũng làm mất đi một số tần số mong muốn. Trong miền thời gian điều này làm phân tán tín hiệu. Điều chế trải phổ chống lại nhiễu đa đường, việc giải trải phổ sẽ coi phiên bản của trễ là tín hiệu nhiễu và giữ lại một phần nhỏ của tín hiệu này trong băng thông tín hiệu mong muốn, tuy nhiên nó phụ thuộc nhiều vào phương pháp điều chế được sử dụng.Bảo mật: vì tín hiệu trải phổ sử dụng toàn băng thông tại mọi thời điểm nên nó có công suất rất thấp trên một đơn vị băng thông, và việc khôi chỉ được thực hiện khi biết được mã trải phổ. Điều này gây khó khăn cho việc phát hiện tín hiệu đã trải phổ tức là tính bảo mật rất cao.....
Trang 1
LỜI CAM ĐOAN
Đồ án này đã được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu các nguồn tài liệu là sách báo chuyên ngành và thông tin trên mạng mà theo em là hoàn toàn tin cậy Nội dung của đồ án được em tổng hợp lại từ các tài liệu tham khảo (cuối đồ án), không sao chép toàn bộ các đồ án và các công trình nghiên cứu của các tác giả khác Em xin chịu trách nhiệm về nội dung trong đồ án của mình
Đà Nẵng, tháng 06 năm 2008
Người thực hiện
Nguyễn Văn Xô
Trang 2MỤC LỤC Chương 1 CÔNG NGHỆ CDMA
1.1 Giới thiệu 1
1.2 Tổng quan về CDMA 1
1.3 Mã trải phổ 2
1.3.1 Chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN 3
1.3.2 Chuỗi mã trải phổ Walsh-Hardamard 4
1.4 Các kiểu trải phổ cơ bản 4
1.5 Chuyển giao 5
1.5.1 Mục đích của chuyển giao 5
1.5.2 Các loại chuyển giao 5
1.5.2.1 Chuyển giao mềm và mềm hơn 6
1.5.2.2 Chuyển giao cứng: 7
1.6 Điều khiển công suất trong CDMA 7
1.6.1 Điều khiển công suất vòng hở (OLPC) 8
1.6.2 Điều khiển công suất vòng kín (CLPC) 9
1.7 Kết luận chương………10
Chương 2 KỸ THUẬT OFDM 2.1 Giới thiệu chương 11
2.2 Hệ thống OFDM 11
2.2.1 Sơ đồ khối 11
2.3 Kỹ thuật xử lý tín hiệu OFDM 12
2.3.1 Mã hóa sửa sai trước FEC 12
2.3.2 Phân tán kí tự 13
2.3.3 Sắp xếp 13
2.3.4 Sử dụng IFFT/FFT trong OFDM 13
2.3.4.1 Phép biến đổi………14
2.3.4.2 Ứng dụng FFT/IFFT trong OFDM……… 14
2.4 Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM……….16
2.4.1 Ước lượng tham số kênh 17
2.4.2 Đồng bộ trong OFDM 17
2.4.2.1 Đồng bộ ký tự………18
2.4.2.2 Đồng bộ tần số sóng mang……… 18
2.4.2.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu……… 19
Trang 32.5 Đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM 19
2.5.1 Sự suy hao 19
2.5.2 Tạp âm trắng Gaussian 20
2.5.3 Fading Rayleigh 20
2.5.4 Fading lựa chọn tần số 21
2.5.5 Trải trễ 21
2.5.6 Dịch Doppler 22
2.6 Đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM 22
2.6.1 Ưu điểm 22
2.6.2 Nhược điểm 23
2.6.3 Ứng dụng 23
2.7 Kết luận chương………23
Chương 3 HỆ THỐNG MC-CDMA 3.1 Giới thiệu chương 24
3.2 Hệ thống MC-CDMA 24
3.2.1 Khái niệm MC-CDMA 24
3.2.2 Sơ đồ khối 24
3.3 Máy phát………25
3.3.1.Quá trình tạo ra tín hiệu MC-CDMA theo thứ tự sau 25
3.4 Máy thu MC-CDMA 26
3.5 Kênh truyền 28
3.6 Các kỹ thuật dò tín hiệu ( Detection algorithm) 30
3.6.1 Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao ORC: 30
3.6.2 Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao ORC đỉnh (TORC) 30
3.6.3 Phương pháp kết hợp độ lợi bằng nhau (EGC) 31
3.6.4 Phương pháp kết hợp tỷ số cực đại (MRC) 31
3.6.5 Phương pháp kết hợp sai số trung bình bình phương tối thiểu (MMSE) 31
3.7 Các phương pháp triệt nhiễu 32
3.7.1 Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp (SIC) 32
3.7.2 Phương pháp triệt nhiễu song song (PIC) 33
3.8 Vấn đề dịch của tần số sóng mang trong hệ thống MC-CDMA 34
3.9 Giới hạn BER của hệ thống MC-CDMA 37
3.9.1 Phân loại 38
3.10 Ưu điểm của công nghệ MC-CDMA: 41
3.11 Nhược điểm 41
3.12 Kết luận chương 41
Trang 4
Chương 4 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA 4.1 Giới thiệu chương 42
4.2 Mục đích của điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA ……….42
4.3 Điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA 43
4.4 Hồi tiếp dương trong điều khiển công suất đường lên 47
4.5 Cơ chế điều khiển công suất trong các hệ thống MC-CDMA 48
4.6 Các phương pháp điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA 51
4.6.1 Điều khiển công suất fixed-step và multi-level………51
4.6.2 Điều khiển công suất dự đoán……… 52
4.6.3 Dự đoán công suất thu được kế tiếp……….52
4.6.4 Quyết định lệnh điều khiển công suất cho đường lên……… 56
4.7 Hệ thống MC-CDMA với băng chọn lọc thích nghi 57
4.7.1 Truyền dữ liệu trên băng chọn lọc thích nghi….……….57
4.7.2 Phương pháp xác định hệ số chọn lọc băng tần………… ……….59
4.7.2.1 Hệ số chọn lọc băng tần tối ưu……… ………59
4.7.2.2 Phân tích BER trong hệ thống 1/N…… ……… 61
4.8 Kết luận chương……….62
Chương 5 KẾT QỦA TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 5.1 Giới thiệu chương 63
5.2 Các thông số mô phỏng 64
5.3 Mô phỏng 64
5.3.1 Mô phỏng phương pháp điều khiển công suất fixed step…… ………….64
5.3.2 Mô phỏng phương pháp điều khiển công suất đa mức (multilevel)…… 65
5.3.3 Mô phỏng phương pháp điều khiển công suất dự đoán trước (predictive).67 5.4 So sánh ba phương pháp dựa vào công suất phát , SNR , BER 69
5.5 Mô phỏng hệ thống MC-CDMA lựa chọn băng tần thích nghi (1/N ) 71
5.6 Kết luận chương 72 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
Trang 6CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN
A/D Analog/Digital
Chuyển đổi tương tự-số ADSL Asymmetrical Digital Subcriber Line
Đường thuê bao số không đối xứng AWGN Additive White Gaussian Noise
Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate
Tỷ lệ bit lỗi BPSK Bit Phase Shift Key
Khóa dịch pha nhị phân
BS Base Station
Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CP Cycle Prefix
Tiền tố lặp D/A Digital/Analog
Chuyển đổi số- tương tự DAB Digital Audio Broadcasting
Hệ thống phát âm thanh số DFT Discrete Fourier Transform
Phép biến đổi Fourier rời rạc DS-CDMA Direct Sequence-Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp
DS-SS Direct Sequence Spread Spectrum
Trải phổ chuỗi trực tiếp DVB-T Digital Video Broading -Terrestrial
Hệ thống phát hình số quảng bá EGC Equal Gain Combining
Phương pháp kết hợp độ lợi bằng nhau
FDMA Frequency Division Multiple Access
Trang 7Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward Error Coding
Mã hóa sửa sai trước FDM Frequency Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform
Thuật toán biến đổi Fourier nhanh
FH Frequency Hopping
Nhảy tần ICI InterCarrier Interference
Nhiễu xuyên kênh IDFT Inverse Discrete Fourier Transform
Phép biến đổi Fourier rời rạc ngược IFFT Inverse Fast Fourier Transform
FFT ngược ISI InterSymbol Interference
Nhiễu xuyên ký tự LAN Local Access Network
Mạng truy nhập nội bộ MAI Multiple Access Interference
Nhiễu đa truy cập MC-CDMA MultiCarrier Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã điều chế đa sóng mang MC-DS-CDMA MultiCarrier-DS-CDMA
DS-CDMA đa sóng mang MRC Maximal Ratio Combining
Phương pháp kết hợp tỷ số cực đại
MS Mobile Station
Trạm di động OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao ORC Orthogonality Restoring Combining
Trang 8Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao PAPR Peak to Average Power Ratio
Tỉ số công suất tương đối cực đại PIC Parallel Interference Cancellation
Phương pháp triệt nhiễu song song
PN Pseudo noise
Chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS Pseudo Random Binary Sequence
Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên QAM Quadrature Amplitude Modulation
Điều chế cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying
Khoá dịch pha cầu phương
RF Radio Frequency
Tần số vô tuyến (Tần số sóng mang) SIC Successive Interference Cancellation
Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp SNR Signal Noise Ratio
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/P Serial/Parallel
Chuyển đổi nối tiếp-song song SUD Single User Detector
Bộ tách sóng đơn thuê bao TDMA Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo thời gian
TH Time Hopping
Nhảy thời gian TORC Threshold Orthogonality Restore Combining
Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao cải tiến 4G The four Generation
Thế hệ thứ 4
Trang 9LỜI GIỚI THIỆU
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang được sử dụng trong các ứng dụng vô tuyến lẫn hữu tuyến OFDM đã được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát âm thanh số (DAB), hệ thống phát hình ảnh
số (DVB) và mạng LAN không dây Ưu điểm của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số và sử dụng băng thông hiệu quả Ngoài ra, quá trình điều chế và giải điều chế đa sóng mang có thể thực hiện dễ dàng nhờ phép biến đổi nhanh Fourier thuận và nghịch
Thông tin vô tuyến phải chia Sẻ cùng một kênh truyền Do đó, kỹ thuât đa truy cập đóng vai trò quan trọng trong việc giảm can nhiễu giữa các user So với các
kỹ thuật đa truy cập khác như đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA và đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) thì kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã CDMA có nhiều ưu điểm hơn CDMA có khả năng chống lại hiện tượng đa đường
và can nhiễu
Việc kết hợp giữa OFDM và CDMA tạo ra một hệ thống mới là MC-CDMA
Hệ thống này thừa kế các ưu điểm của cả OFDM và CDMA Hệ thống đa truy nhập MC-CDMA sẽ là một giải pháp tối ưu cho thông tin di động, có tính khả thi và hiệu quả cao khi nó được áp dụng vào thực tế Đặc biệt trong việc truyền dữ liệu tốc độ cao, làm tăng hiệu quả của việc sử dụng băng thông Các hệ thống MC-CDMA là các hệ thống dựa trên nền CDMA thì tất cả các trạm di động chia sẻ băng tần số như nhau trong một cell, sơ đồ điều khiển công suất cần chống lại hiệu ứng gần-xa và fading để cải thiện dung lượng hệ thống mà vẫn duy trì được QoS đáng tin cậy Công suất phát đi khác nhau được ấn định đến mỗi sóng mang tùy thuộc vào SNR nhận được, và lệnh điều khiển công suất được xác định theo sơ đồ điều khiển công suất bước cố định hoặc đa mức Tuy nhiên, để chống lại fading tác động độc lập đối với mỗi sóng mang phụ một cách hiệu quả, thì lệnh điều khiển công suất bằng sơ đồ điều khiển công suất dự đoán trước thực hiện tốt hơn Đồng thời ứng dụng phương pháp điều chế thích nghi vào trong hệ thống MC-CDMA tức là chỉ truyền dữ liệu trên những băng tần số được chọn lựa từ toàn bộ các băng tần phụ, mô hình này sẽ
Trang 10cải thiện dung lượng hệ thống MC-CDMA, và đạt được BER tốt hơn nếu so với hệ thống MC-CDMA dùng toàn bộ băng thông, cùng lượng công suất phát và lượng dữ liệu
Nội dung đề tài tốt nghiệp “ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ
THỐNG MC-CDMA” bao gồm 5 chương:
Chương 1: CÔNG NGHỆ CDMA
Chương 2: KỸ THUẬT OFDM.
Chương 3: HỆ THỐNG MC-CDMA.
Chương 4: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA.
Chương 5: KÊT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG.
Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do thời gian thực hiện đề tài là ít và một số hạn chế trong việc tìm hiểu tài liệu liên quan nên chắc chắn không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô và bạn bè
Em xin bày tỏ lòng cảm ơn đến thầy giáo Nguyễn Duy Nhật Viễn đã hướng
dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong Khoa Điện Tử-Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa đã truyền thụ kiến thức trong suốt thời gian học tập ở trường
Đà Nẵng, tháng 06 năm 2008
Người thực hiện
Nguyễn Văn Xô