Đồ án Tìm hiểu và mô phỏng các phương pháp tách sóng trong hệ thống MC - CDMA

MỤC LỤC

Trang

Phần A

Lời Cảm ơn ii

Quyết định giao đề tài iii

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn iv

Nhận xét của giáo viên phản biện v

Lời mở đầu vi

I. Lời nói đầu vi

II. Lý do chọn đề tài vi

III. Mục tiêu vii

IV. Đối tượng tìm hiểu vii

V. Giới hạn đề tài vii

Mục lục ix

Danh mục hình vẽ xv

Danh mục bảng biểu xix

Danh mục các từ viết tắt xx

Phần B

Chương 1: Kênh truyền vô tuyến

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Đặc điểm kênh truyền vô tuyến 3

1.2.1 Các kiểu kênh truyền 3

1.2.2 Truyền dẫn trong không gian tự do 5

1.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 6

1.3.1 Hiện tượng đa đường 6

1.3.2 Hiện tượng Doppler 7

1.3.3 Hiện tượng vật che chắn 7

1.3.4 Suy hao trên đường truyền 7

1.4 Ảnh hưởng của kênh truyền đối với tín hiệu 7

1.4.1 Phản xạ phản chiếu 8

1.4.2 Phản xạ lan truyền 8

1.4.3 Nhiễu xạ 8

1.4.4 Ảnh hưởng của che bóng 9

1.4.5 Trải trễ 9

1.4.5.1 Định nghĩa 9

1.4.5.2 Các tham số tán xạ thời gian 9

1.4.6 Băng thông lien kết 10

1.4.6.1 Định nghĩa 10

1.4.6.2 Công thức xấp xỉ băng thông lien kết 10

1.4.7 Thời gian liên kết 11

1.4.7.1 Định nghĩa 11

1.4.7.2 Công thức tính thời gian liên kết 11

1.5 Các loại phân bố kênh truyền 11

1.5.1 Phân bố Rayleigh 12

1.5.2 Phân bố fading Ricean 14

1.5.3 Fading logarit chuẩn 15

1.6 Mô hình Jakes và Xiao 17

1.7 Kết luận chương 18

Chương 2: Công nghệ CDMA

2.1 Giới thiệu 19

2.2 Tổng quan về CDMA 19

2.3 Mã trải phổ 21

2.3.1 Chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN 21

2.3.2 Chuỗi mã trải phổ Walsh-Hardamard 22

2.4 Các kiểu trải phổ cơ bản 22

2.5 Chuyển giao 23

2.5.1 Mục đích của chuyển giao 23

2.5.2 Các loại chuyển giao 24

2.5.2.1 Chuyển giao mềm và mềm hơn 24

2.5.2.2 Chuyển giao cứng 25

2.6 Điều khiển công suất trong CDMA 25

2.6.1 Điều khiển công suất vòng hở (OLPC) 26

2.6.2 Điều khiển công suất vòng kín (CLPC) 27

2.7 Kết luận chương 28

Chương 3: Tổng quan về hệ thống OFDM

3.1 Hệ thống OFDM 31

3.2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu OFDM 32

3.2.1 Mã hóa sửa sai trước FEC 32

3.2.2 Phân tán ký tự 33

3.2.3 Sắp xếp 33

3.2.4 Sử dụng IFFT/FFT trong OFDM 33

3.3. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM 36

3.3.1 Điều chế BPSK 36

3.3.2 Điều chế QPSK 38

3.3.3 Điều chế QAM 38

3.4. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM 39

3.4.1 Ước lượng tham số kênh 40

3.4.2 Đồng bộ trong OFDM 41

3.4.2.1 Đồng bộ ký tự 41

3.4.2.2 Đồng bộ tần số sóng mang 42

3.4.2.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu 43

3.5 Đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM 43

3.5.1 Sự suy hao 43

3.5.2 Nhiễu trắng Gaussian 43

3.5.3 Nhiễu liên ký tự ISI 43

3.5.4 Nhiễu liên sóng mang ICI 44

3.5.5 Nhiễu đa truy nhập MAI 44

3.5.6 Fading Rayleigh 45

3.5.7 Fading lựa chọn tần số 45

3.5.8 Trải trễ 46

3.5.9 Dịch Doppler 46

3.6 Đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM 46

3.6.1 Ưu điểm của kỹ thuật OFDM 46

3.6.2 Nhược điểm của kỹ thuật OFDM 47

3.6.3 Ứng dụng 48

3.7 Kết luận chương 48

Chương 4:Hệ thống MC - CDMA

4.1. Hệ thống MC-CDMA 49

4.1.1 Cấu trúc tín hiệu 49

4.1.2 Tín hiệu tuyến xuống(downlink) 50

4.1.3 Tín hiệu tuyến lên ( uplink) 51

4.2. Máy phát 52

4.3 Máy thu MC-CDMA 54

4.4 Kênh truyền 55

4.5 Các kỹ thuật dò tín hiệu ( Detection algorithm) 57

4.5.1 Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao ORC 57

4.5.2 Phương pháp TORC 57

4.5.3 Phương pháp kết hợp độ lợi bằng nhau (EGC) 58

4.5.4 Phương pháp kết hợp tỷ số cực đại (MRC) 58

4.5.5 Phương pháp MMSE 59

4.6 Các phương pháp triệt nhiễu 59

4.6.1 Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp (SIC) 59

4.6.2 Phương pháp triệt nhiễu song song (PIC) 60

4.7. Vấn đề dịch của tần số sóng mang trong hệ thống MC-CDMA 61

4.8 Giới hạn BER của hệ thống MC-CDMA 65

4.9. Phân loại MC-CDMA 66

4.10 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật MC-CDMA 69

4.10.1 Ưu điểm của kỹ thuật MC-CDMA 69

4.10.2 Nhược điểm của kỹ thuật MC-CDMA 69

4.11 Kết luận chương 69

Chương 5: Các phương pháp tách sóng trong MC - CDMA

5.1. Sơ lược kỹ thuật tách sóng trong hệ thống MC - CDMA 72

5.2. Các kỹ thuật tách sóng đơn user 72

5.2.1 Trọng số Gk’(m) trong kỹ thuật tách sóng đơn user 73

5.2.2 Phương pháp MRC 76

5.2.3 Phương pháp EGC 77

5.2.4 Phương pháp cưỡng bức zero (ZF – Zero Forcing) 77

5.2.5 Phương pháp MMSEC 78

5.2.6 Phương pháp ORC 79

5.2.7 Phương pháp TORC 79

5.3 Các kỹ thuật tách sóng đa user 80

5.3.1 Phát hiện theo khả năng cao nhất 80

5.3.1.1 Ước lượng chuỗi khả năng cao nhất (MLSE) 80

5.3.1.2 Phương pháp MLSSE 81

5.3.2 Bộ cân bằng khối tuyến tính 81

5.3.2.1 Phương pháp ZF 81

5.3.2.2 Phương pháp MMSE 82

5.3.3 Triệt nhiễu giao thoa (IC – Interference Cancellation) 82

5.3.3.1 Phương pháp triệt nhiễu giao thoa song song (PIC) 83

5.3.3.2 Phương pháp triệt nhiễu giao thoa nối tiếp (SIC) 83

5.3.3.3 Triệt nhiễu giao thoa mềm 84

5.4 Kết luận chương 87

Chương 6: Mô phỏng

6.1. Giao diện mô phỏng 91

6.2. Nội dung mô phỏng 91

6.3. Đặc tính các chuỗi mã 92

6.3.1 Đặc tính tương quan các chuỗi mã 92

6.3.2 Chuỗi mã giả nhiễu 92

6.3.3 Chuỗi mã Walsh - Hadamard 93

6.3.4 Chuỗi mã Gold 94

6.3.5 Chuỗi mã Kasami 94

6.4 Tách sóng đơn user trong MC - CDMA 95

6.4.1 Mô phỏng BER trong MC-CDMA tuyến xuống theo Eb/N0 96

6.4.2 Mô phỏng BER trong MC-CDMA tuyến lên theo Eb/N0 98

6.5 Tách sóng đa user trong MC-CDMA 99

6.6 Hệ thống MC-CDMA 103

6.6.1 Máy phát 103

6.6.2 Máy thu 113

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển đề tài

7.1 Kết luận 121

7.2 Hướng phát triền đề tài 121

Phần C 123

Phụ lục A 124

Tài liệu tham khảo 126

 

docx156 trang | Chia sẻ: lethao | Ngày: 25/03/2013 | Lượt xem: 1461 | Lượt tải: 12download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đồ án Tìm hiểu và mô phỏng các phương pháp tách sóng trong hệ thống MC - CDMA, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ing) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những ký tự hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IFFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường. Cuối cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu Gausian trắng cộng AWGN. Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh(Channel Equalization). Các ký tự hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng, chúng ta nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu. DFT là phép biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform), thực hiện chuyển đổi tín hiệu x(n) trong miền thời gian sang tín hiệu trong miền tần số X(k). Phép biển đổi IDFT là quá trình ngược lại, thực hiện chuyển đổi phổ tín hiệu X(k) thành tín hiệu x(n) trong miền thời gian. Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1, 2, …, N-1). Công thức của phép biến đổi DFT là , k = 0, 1, …, N-1 (3.1) Trong đó được xác định là = (3.2) Do vậy, có giá trị là = (3.3) Công thức của phép biến đổi IDFT là , n = 0, 1, …, N-1 (3.4) Chuyển đổi Fourier nhanh(FFT) là thuật toán giúp cho việc tính toán DFT nhanh và gọn hơn.Từ công thức (3.1), (3.4) ta thấy thời gian tính DFT bao gồm Thời gian thực hiện phép nhân phức. Thời gian thức hiện phép cộng phức. Thời gian đọc các hệ số WN. Thời gian truyền số liệu. Trong đó chủ yếu là thời gian thực hiện phép nhân phức. Vì vậy, muốn giảm thời gian tính toán DFT thì người ta tập trung chủ yếu vào việc giảm thời gian thực hiện phép nhân phức. Mà thời gian thực hiện phép nhân phức tỉ lệ với số phép nhân. Do đó để giảm thời gian tính DFT thì người ta phải giảm được số lượng phép tính nhanh bằng cách sử dụng thuật toán FFT. Để tính trực tiếp cần phép nhân. Khi tính bằng FFT số phép nhân chỉ còn . Vì vậy tốc độ tính bằng FFT nhanh hơn tính trực tiếp là . Ngoài ra FFT còn có ưu điểm giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. 3.3 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân. Do đó, điều chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và số phức dn = an + bn ở ngõ ra. Các kí tự an, bn có thể được chọn là {± 1,±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK. Bảng 3.2 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM M Dạng điều chế an, bn 2 BPSK 4 QPSK 16 16-QAM , 64 64-QAM ,,, Mô hình điều chế được sử dụng tùy thuộc vào tốc độ truyền, công suất nguồn hay chất lượng kênh truyền. 3.3.1 Điều chế BPSK Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s1(t), s2(t) được sử dụng để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau: (3.5) (3.6) Hay: (3.7) (3.8) Trong đó, Tb : Độ rộng của 1bit Eb : Năng lượng của 1 bit θ (t) : Góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế θ : Góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và không ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0 i = 1 : Tương ứng với symbol 0 i = 2 : Tương ứng với symbol 1 Hình 3.5 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK Khi tín hiệu điều chế BPSK được truyền qua kênh chịu tác động của nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit giải điều chế được xác định theo công thức sau: (3.9) Trong đó, Eb : Năng lượng bit N0 : Mật độ nhiễu trắng cộng 3.3.2 Điều chế QPSK Đây là một trong những phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn. Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau: (3.10) Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0 (3.11) Trong đó, i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10" T = 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: Thời gian của một ký tự) E : Năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự. Hình 3.6 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK 3.3.3 Điều chế QAM Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi. Tuy nhiên, nếu loại bỏ loại này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lập với nhau thì ta được một sơ đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang QAM (điều chế biên độ gốc) . Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên độ lẫn pha. Điều chế QAM là có ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn. Dạng tổng quát của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xác định như sau: (3.12) Trong đó, E0 : Năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất ai , bi : Cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin. Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc. Vì thế có tên là " điều chế tín hiệu vuông góc". Hình 3.7 Chùm tín hiệu M-QAM 3.4 Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao. Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có hai vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM: Ước lượng tham số kênh. Đồng bộ sóng mang Vấn đề thứ nhất liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM nếu dùng phương pháp giải điều chế liên kết, còn hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý các nhược điểm của OFDM. Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lượng hệ thống, người ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM. 3.4.1 Ước lượng tham số kênh Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted Modulation). Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước về pha và biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ước lượng kênh có thể được phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số. Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con được ước lượng. Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con được ước lượng. Có hai vấn đề chính được quan tâm khi sử dụng PSAM : Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot : phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này. Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể được thực hiện trên giản đồ thời gian-tần số, vì vậy kỹ thuật OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ thống đơn sóng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu hệ thống. Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ ước lượng kênh: phải giảm được độ phức tạp của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu. Yêu cầu về tốc độ thông tin cao (tức là thời gian xử lý giảm) và các chỉ tiêu hệ thống là hai yêu cầu ngược nhau. Chẳng hạn, bộ ước lượng kênh tuyến tính tối ưu (theo nguyên lý bình phương lỗi nhỏ nhất-MSE) là bộ lọc Wiener hai chiều (2D-Wiener filter) có chỉ tiêu kỹ thuật rất cao nhưng cũng rất phức tạp. Vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu trên. 3.4.2 Đồng bộ trong OFDM Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM. Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM mất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này. Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization). 3.4.2.1 Đồng bộ ký tự Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn. Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise). Lỗi thời gian Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang. Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh. Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI. Có hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là: đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp. Nhiễu pha sóng mang  Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu. 3.4.2.2 Đồng bộ tần số sóng mang Trong đồng bộ tần số sóng mang, hai vấn đề chính được quan tâm đến là : lỗi tần số (frequency error) và thực hiện ước lượng tần số. Lỗi tần số  Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tao dao động bên phát và bên thu, do độ dịch tần Doppler, hoặc do nhiễu pha xuất hiên khi kênh truyền không tuyến tính. Hai ảnh hưởng do lỗi tần số gây ra là : suy giảm biên độ tín hiệu thu được (vì tín hiệu không được lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang hình sin) và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mất tính trực giao). Ước lượng tần số Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp. Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang được sử dụng để truyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu). Sử dụng những ký tự đã biết trước về pha và biên độ sẽ giúp ta ước lượng được độ quay pha do lỗi tần số gây ra. Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng, người ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL). Nhận xét : Một vấn đề cần được quan tâm đến là mối quan hệ giữa đồng bộ ký tự và đồng bộ tần số sóng mang. Để giảm ảnh hưởng của sự mất đồng bộ tần số sóng mang thì có thể giảm số lượng sóng mang, tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau. Nhưng khi giảm số sóng mang thì phải giảm chu kỳ của mỗi ký tự trên mỗi sóng mang, dẫn đến việc đồng bộ ký tự rất khó khăn và phải chặt chẽ hơn. Điều đó chứng tỏ hai vấn đề đồng bộ trên có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có sự dung hòa hợp lý để hệ thống đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. 3.4.2.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu được lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu. Người ta đưa ra hai phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này. Phương pháp thứ nhất là sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO). Phương pháp thứ hai được gọi là : lấy mẫu không đồng bộ; trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ. 3.5 Đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM 3.5.1 Sự suy hao Suy hao là sự suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm khác. Nó là kết quả của chiều dài đường truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng đa đường. Để giải quyết vấn đề này, phía phát thường được đưa lên càng cao càng tốt để tối thiểu số lượng vật cản. Các vùng tạo bóng thường rất rộng, tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm. Vì thế, nó còn được gọi là fading chậm. Hình 3.8 Đáp ứng tần số của kênh truyền đa đường 3.5.2 Nhiễu trắng Gaussian Tạp âm trắng Gaussian có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra như thời tiết,do bộ khuếch đại ở máy thu,do nhiệt độ,hay do con người. Nhiễu nhiệt-sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây ra-là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng. 3.5.3 Nhiễu liên ký tự ISI ISI gây ra do trải trễ đa đường. Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự (ISI). Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đó.Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu. Nhưng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh. Do đó giải pháp này là không thể thực hiện được. Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế là chèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM. 3.5.4 Nhiễu liên sóng mang ICI Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác. Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng không. Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác. Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh (ICI) . ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng. ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễu ISI. Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM. 3.5.5. Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference_MAI) Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các user giao thoa với nhau, là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ thống. Khả năng giảm thiểu nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference) dựa vào tính tương quan chéo của mã trải phổ. Trong trường hợp truyền đa đường đòi hỏi rất khắt khe của viễn thông di động, khả năng phân biệt một tín hiệu thành phần từ nhiều thành phần khác trong tín hiệu thu tổng hợp được cung cấp bởi tính tự tương quan của mã trải phổ. Để khử MAI người ta thường dùng các phương pháp trực giao nhưng trên thực tế không thể có sự trực giao hoàn toàn. Do đó MAI vẫn tồn tại trong các hệ thống đa truy nhập. Hình 3.9 nhiễu đa truy cập 3.5.6 Fading Rayleigh Fading Rayleigh là loại Fading (Fading phẳng) sinh ra do hiện tượng đa đường (Multipath Signal) và xác suất mức tín hiệu thu được suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh. Loại fading này còn được gọi là fading nhanh vì sự suy giảm công suất tín hiệu rõ rệt trên khoảng cách ngắn (tại các nửa bước sóng) từ 10-30dB. Trong môi trường đa đường tín hiệu thu được suy giảm theo khoảng cách do sụ thay đổi pha của các thành phần đa đường (thay đổi pha là do các thành phần tín hiệu đến máy thu vào các thời điểm khác nhau đến trễ lan truyền. Trễ lan truyền sẽ gây ra sự xoay pha của tín hiệu). Hình 3.10 Các tín hiệu đa đường Fading Rayleigh gây ra do sự giao thoa (tăng hoặc giảm) bởi sự kết hợp của các sóng thu được. Khi bộ thu di chuyển trong không gian pha giữa các thành phần đa đường khác nhau thay đổi gây ra giao thoa cũng thay đổi, từ đó dẫn đến sự suy hao công suất tín hiệu thu được. Phân bố Rayleigh thường được sử dụng để mô tả trạng thái thay đổi theo thời gian của công suất tín hiệu nhận được. 3.5.7 Fading lựa chọn tần số Trong truyền dẫn vô tuyến đáp ứng phổ của kênh là không bằng phẳng, nó bị dốc và suy giảm do phản xạ dẫn đến tình trạng có một vài tần số bị triệt tiêu tại đầu thu. Phản xạ từ các vật gần như mặt đất, công trình xây dựng, cây cối có thể dẫn đến các tín hiệu đa đường có công suất tương tự như tín hiệu nhìn thẳng. Điều này sẽ tạo ra các điểm “0”(nulls) trong công suất tín hiệu nhận được do giao thoa. 3.5.8 Trải trễ Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiệu ứng đa đường. Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự ISI. Điều này là do tín hiệu sau khi trải trễ có thể chồng lấn đến các kí tự lân cận. Nhiễu xuyên kí tự sẽ tăng khi tốc độ tín hiệu tăng. Điểm bắt đầu của hiệu ứng tăng đáng kể khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit. Trong kỹ thuật OFDM, tốc độ tín hiệu giảm sau khi qua bộ S/P làm cho chu kỳ tín hiệu tăng. Từ đó làm giảm nhiễu ISI do trải trễ. Hình 3.11 Trải trễ đa đường 3.5.9 Dịch Doppler Khi bộ phát và bộ thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số của tín hiệu tại bộ thu không giống với tần số tín hiệu tại bộ phát. Cụ thể là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Doppler. 3.6 Đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM 3.6.1 Ưu điểm của kỹ thuật OFDM Dưới đây là các ưu điểm chính của kỹ thuật OFDM: Khả năng chống nhiễu ISI, ICI nhờ kỹ thuật giảm tốc độ tín hiệu bằng bộ S/P, sử dụng tiền tố lặp CP, các sóng mang phụ trực giao với nhau. Hiệu suất sử dụng phổ cao hơn so với FDM do phổ của các sóng mang phụ có thể chồng phủ lên nhau mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu sau khi tách sóng. Hình 3.12 So sánh việc sử dụng băng tần của FDM và OFDM Các kênh con có thể coi là các kênh fading phẳng nên có thể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thông tin, giảm độ phức tạp của máy thu. Điều chế tín hiệu đơn giản, hiệu quả nhờ sử dụng thuật toán FFT và các bộ ADC, DAC đơn giản. 3.6.2 Nhược điểm của kỹ thuật OFDM Bên cạnh những ưu điểm thì hệ thống OFDM còn tồn tại nhiều nhược điểm: Hệ thống OFDM tạo ra tín hiệu trên nhiều sóng mang, dải động của tín hiệu lớn nên công suất tương đối cực đại PAPR lớn, hạn chế hoạt động của bộ khuếch đại công suất. Dễ bị ảnh hưởng của dịch tần và pha hơn so với hệ thống một sóng mang. Vì vậy phải thực hiện tốt đồng bộ tần số trong hệ thống. Cùng với các nhược điểm trên, ít có nhu cầu OFDM trong thông tin cố định do các hệ thống hiện tại vẫn đang hoạt động tốt và hiệu quả, là nguyên nhân việc triển khai sản phẩm mới đạt mức khiêm tốn trong khi ưu điểm của hệ thống sử dụng kỹ thuật này rất rõ ràng. 3.6.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM Hiện nay, OFDM đã được khuyến nghị sử dụng trong các hệ thống thông tin số tốc độ cao như phát thanh và truyền hình số và sẽ được ứng dụng trong hệ thống thông tin di động tương lai như hệ thống LAN vô tuyến, các công nghệ truyền dẫn số tốc độ cao: ADSL, VDSL… OFDM cũng là một giải pháp đầy hứa hẹn để thực hiện hệ thống thông tin di động đa phương tiện (G4). 3.7 Kết luận chương Chương này cho chúng ta hình dung một cách khái quát về kỹ thuật OFDM. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con trực giao với nhau. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường. Tìm hiểu kỹ thuật sử lý tín hiệu trong OFDM như mã hóa và sửa sai trước FEC( Forward Error Correcting), phân tán kí tự, sắp xếp, sử dụng IFFT/FFT trong OFDM. Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM như điều chế QPSK, QPSK, QAM. Tìm hiểu các vấn đề kỹ thuật trong OFDM như ước lượng tham số kênh, đồng bộ sóng mang. Tìm hiểu về đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM như sự suy hao, nhiễu gaussian, fading rayleigh, fading lựa chọn tần số, trải trễ, dịch Doppler. Tìm hiểu ưu điểm và nhược điểm của OFDM để ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động như được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát âm thanh số DAB, hệ thống phát hình số DVB và mạng LAN không dây… CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG MC-CDMA 4.1 Hệ thống MC-CDMA 4.1.1 Cấu trúc tín hiệu MC-CDMA (MultiCarrier CDMA) là một hệ thống đa truy nhập mới dựa trên việc kết hợp giữa CDMA và OFDM. Khác với CDMA trải phổ trong miền thời gian thì MC-CDMA trải phổ trong miền tần số. Công nghệ này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM để phát tín hiệu trên tập sóng mang phụ trực giao. Mỗi một chíp của kí hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp được ánh xạ lên một sóng mang phụ riêng. Do đó trong hệ thống MC_CDMA, các chíp của dữ liệu trãi phổ chuỗi trực tiếp được phát song song trên các sóng mang phụ khác nhau, thay vì phát tuần tự như trong hệ thống MC_CDMA. Giả sử số user tích cực cùng một thời điểm trong hệ thống vô tuyến di động MC_CDMA là k. Hình 4.1 Nguyên tắc tạo tín hiệu MC-CDMA Hình 4.1 cho thấy cách tạo một ký hiệu trải phổ đa sóng mang từ ký hiệu dữ liệu phức d(K) của user thứ K. Tốc độ của các kí hiệu dữ liệu nối tiếp là 1/Td. Không mất tính tổng quát, có thể mô tả hệ thống MC-CDMA với một ký hiệu dữ liệu đơn cho mỗi user, do đó chỉ số dùng chỉ số thứ tự của ký hiệu có thể bỏ đi. Ở máy phát, ký hiệu dữ liệu phức d(K) được nhân với mã trải phổ đặc trưng cho user thứ K : (4.1) Trong đó L=PG là chiều dài của mã trải phổ. Tốc độ chíp của mã trải phổ nối tiếp( chưa qua bộ chuyển đổi nối tiếp-song song) là : (4.2) Chuỗi kí hiệu phức đạt được sau khi trải phổ (4.3) Cuối cùng, tín hiệu trải phổ đa sóng mang được tao ra bằng cách ánh xạ các kí hiệu SL(K) lên L sóng mang phụ. Trong trường hợp số sóng mang phụ Nc bằng với chiều dài của mã trải phổ, thời gian của một ký tự OFDM, bao gồm cả khoảng dự phòng sẽ là : (4.4) Cũng trong trường hợp này, một kí hiệu trong mỗi user sẽ được phát đi trong một kí hiệu OFDM. 4.1.2 Tín hiệu tuyến xuống (downlink) Ở tuyến xuống đồng bộ, các tín hiệu trải phổ của k user được cộng lại với nhau trước khi thực hiện OFDM (xem hình 4.2), kết quả cộng lại k user với nhau tạo ra tín hiệu trải phổ: (4.5) Kết quả này có thể viết dưới dạng ma trận : s = C.d (4.6) Trong đó (4.7) Là vector gồm ký hiệu phát của k user tích cực, còn C là ma trận mà cột thứ k là mã trải phổ đặc trưng cho user thứ k (4.8) Hình 4.2 máy phát MC-CDMA tuyến xuống Tín hiệu MC-CDMA tuyến xuống là kết quả của quá trình xử lý tín hiệu s bằng khối OFDM. Giả sử rằng khoảng dự phòng là đủ dài, vector thu sau khi thực hiện biến đổi ngược OFDM và loại bỏ các khoảng tần số thừa sẽ được xác định bởi : (4.9) Trong đó H là ma trận LxL đặc trưng cho kênh truyền và n là vecto tín hiệu nhiễu chiều dài L. vec tơ r sẽ được đưa vào bộ phát hiện dữ liệu để ước lượng (bằng phương pháo cứng hoặc mềm) dữ liệu phát. Khi mô tả kĩ thuật phát hiện đa user, vecto r sẽ được biểu diễn dưới dạng (4.10) Với A là ma trận hệ thống được xác định bởi A=H.C (4.11) 4.1.3 Tín hiệu tuyến lên ( uplink) Ở tuyến lên, tín hiệu MC_CDMA có được một cách trực tiếp sau khi xử lý chuỗi S(K) của user thứ k bằng khối OFDM. Sau khi thực hiện quá trình biến đổi ngược OFDM và loại bỏ khoảng tần số thừa ở máy thu vì vector thu ứng với chuỗi phát ở S(K) sẽ là (4.12) Trong đó hệ số H(K) bao gồm các hệ số của kênh truyền phụ ứng với user thứ k. Tuyến lên phải được đồng bộ để phương pháp OFDM đạt hiệu suất phổ cao nhất. vector R này sẽ được đưa vào bộ phát hiện để ước lượng dữ liệu phát bằng phương pháp cứng hoặc mềm. Ma trận hệ thống A của tuyến lên được định nghĩa bởi (4.13) Được kết hợp các vector đặc trưng cho từng user : (4.14) 4.2 Máy phát Máy phát MC-CDMA trải tín hiệu băng gốc trong miền tần số băng một mã trải cho truớc. Ngoài ra, mỗi phần của ký tự tương ứng với một chip của mã trải được điều chế bằng một sóng mang phụ khác nhau. Đối với truyền đa sóng mang, chúng ta cần đạt được fading không chọn lọc tần số trên mỗi sóng mang. Vì thế, nếu tốc độ truyền của tín hiệu gốc đủ cao để trở thành đối tượng của fading chọn lọc tần số thì tín hiệu cần chuyển từ nối tiếp sang song song trước khi được trải trong miền tần số. Quá trình tạo ra tín hiệu MC-CDMA theo thứ tự sau : Chuỗi dữ liệu ngõ vào có tốc độ bit là 1/Ts, được điều chế BPSK, tạo ra các ký tự phức ak. Luồng thông tin này ak được chuyển thành P chuỗi dữ liệu song song (ak,0(i), ak,1(i), ..., ak,P-1(i)), trong đó I ký hiệu cho chuỗi ký tự thứ I (mỗi khối gồm P ký tự). Mỗi ngõ ra của bộ biến đổi nối tiếp/song song được nhân với mã trải phổ của người dùng thứ k (dk(0), dk(1),.. dk(KMC-1))có chiều dài KMC để tạo ra tất cả N=P.KMC(tương ứng với tổng số sóng mang phụ) ký tự mới. Mỗi ký hiệu (ký tự) mới này có dạng tương tự như một ký tự tron

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docxnoi dung.docx