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 TẬP ĐỊAN BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG & ĐÀO TẠO VIỆT NAM HỌC VIỆN CƠNG 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 kênh thông tin liên lạc Mã ngành : 2.07.14 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2006 Cơng trình hồn thành tại: Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Khoa Viễn Thơng I, Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng TS Phạm Khắc Kỷ Trung tâm Đào tạo Bưu Chính Viễn Thơng II, Học viện Cơng 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 Phản biện 3: PGS.TSKH Nguyễn Hồng Vũ Bộ Quốc Phòng Luận án bảo vệ Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước, Học Viện Công Nghệ BCVT vào hồi 15 00 phút, ngày 25 tháng năm 2007 Có thể tìm hiểu luận án : - Thư viện Quốc gia NHỮNG CƠNG 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 thơng tin di động CDMA, ” Chun san cơng trình nghiên cứu - Triển khai viễn thông công nghệ thông tin số 12, Aug 2004 , Bộ Bưu Chính Viễn thơng, 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 hệ thống thông tin di động OFDM-DS-CDMA”, Hội thảo quốc gia lần thứ IX Chủ đề Hệ thống thông tin quản lý 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 4th Generation Wideband Wireless Communications”, The First International Conference on Communications and Electronics, HaNoi University of Technology, October 10-11,2006 [7] Hồ Văn Cừu, Địan Xn Thảo " Xây dựng mơ hình kênh truyền trải phổ trực tiếp đa sóng mang trực giao để khắc phục Fading hệ thống thông tin di động CDMA băng rộng", Hội thảo quốc gia lần thứ VIII, Một số vấn đề chọn lọc công nghệ thơng tin truyền thơng, Hải Phịng, 25-27 tháng năm 2005 lên N lần, tăng khả chống nhiễu, nâng cao chất lượng kênh truyền có số lượng người dùng cao Nghiên cứu kỹ thuật điều chế thích ứng, để xây dựng hịan chỉnh mơ hình kênh truyền ADAPTIVE-OFDM-DS-CDMA Mơ hình có hiệu truyền liệu ktb(bps) hiệu sử dụng phổ tần cao mơ hình MC-CDMA cơng bố Xây dựng chương trình mơ hịan chỉnh hệ thống kênh truyền DS-CDMA, OFDM-DS-CDMA ADAPTIVE-OFDM-DSCDMA theo hệ thống, có nhiều mục tiêu lựa chọn để nghiên cứu mô kênh truyền, lọai điều chế, tham số đặc tính khác Kết mơ cung cấp đầy đủ thơng số dạng tín hiệu, đồ thị BER, để tổng hợp, phân tích đánh gía chất lượng hệ thống, so với chương trình mơ khác công bố thường cho phép khảo sát vài ứng dụng riêng lẽ Mơ hình kênh ADAPTIVE-OFDM-DS-CDMA có hiệu sử dụng phổ cao, mơ hình cần tiếp tục nghiên cứu hịan chỉnh để ứng dụng thông tin di động OFDM-DS-CDMA băng rộng hệ sau KIẾN NGHỊ VÀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Nghiên cứu cải tiến tối ưu hóa chương trình phần mềm để tăng tốc độ thực chương trình tăng số người dùng Nghiên cứu nghiên cứu thử nghiện thiết bị DSP Nghiên cứu phương pháp kết hợp mã hóa điều chế thích ứng động Nghiên cứu xây dựng mơ hình kênh MIMO ứng dụng OFDM-DS-CDMA MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.1 Cơ sở lý luận Thông lượng liệu cực đại kênh truyền tỉ lệ thuận với độ rộng băng thông, công thức (1), tăng số mức điều chế M, độ rộng băng thông giảm, công thức (2), xác suất lỗi bít tăng cơng thức (3&4), đó: C: thông lượng; R0 : tốc độ truyền liệu; W: băng thơng; Pav: cơng suất trung bình tín hiệu; N0: mật độ công suất nhiễu; M: số mức tín hiệu điều chế số; M = 2k k số bit symbol ⎛ P ⎞ C = W ( Hz ) log ⎜1 + av ⎟ ⎝ WN o ⎠ R (bit / s ) W ( Hz ) = (1 + α ) log M (1) (2) ⎛ E π ⎞ Pb , ( M − PSK ) ≤ 2Q ⎜ 2k b sin ⎟ ⎜ N0 M⎟ ⎝ ⎠ ⎛ 3kEbav Pb , ( M −QAM ) ≤ 4Q ⎜ ⎜ ( M − 1) N ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ (3) (4) Để nâng cao chất lượng kênh truyền, giảm xác suất thu sai cần phải tăng bit phát sửa sai gắn thêm vào luồng liệu cần truyền, 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 người dùng cần cung cấp luồng liệu băng rộng ngày tăng; băng thơng kênh truyền có giới hạn Để làm giảm độ rộng phổ tín hiệu điều chế, tiết kiệm băng thơng kênh truyền cần tăng số mức tín hiệu điều chế số M, xác suất thu sai tăng lên, chất lượng kênh truyền giảm xuống 1.2 Cơ sở thực tiễn Các nghiên cứu gần giới bắt đầu hướng tới phát triển hệ thống thông tin di động CDMA băng rộng hệ sau (4G, 5G) nhằm để cung cấp luồng liệu băng rộng, thích ứng cho việc truy nhập kết nối mạng thơng tin tồn cầu, hướng tới 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 VNPT, Viettel, SPT, HPT, EVN Việt Nam 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 chất lượng kênh truyền, hướng nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng; đó, tơi chọn đề tài "Lựa chọn giải pháp điều chế tín hiệu số hệ thống truyền dẫn số có hiệu suất sử dụng băng tần cao" để nghiên cứu cho luận án tiến sĩ 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 giới Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng mã Turbo, mã khơng 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 hệ thống vơ tuyến OFDM-CDMA băng rộng 2.2.Tình hình nghiên cứu nước Nghiên cứu lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp hợp để nâng cấp phát triển hệ thống mạng thông tin di động hướng tới cơng nghệ CDMA băng rộng MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Mục đích nghiên cứu đề tài tìm phương pháp điều chế số, có mức SNR thấp có mức BER, độ rộng băng thơng, đặc tính kênh truyền, hay nói cách khác tìm tỉ số BER thấp kênh truyền có tham số tỉ số SNR, độ rộng băng thông, mức điều chế Kết nghiên cứu nhằm để áp dụng mạng thông tin di động CDMA băng rộng ứng Adaptive OFDM-DS-CDMA so với hệ thống MC-CDMA kênh Fading Rayleigh 10 đường trễ, điều chế QPSK (HARA&PRASAD) [61] cao 2.4dB Nhưng sử dụng điều chế pha MPSK hiệu sử dụng phổ thấp 2.4 dB Khi số đường trể tăng lên 12 đường (TU-COST207) hiệu sử dụng phổ hệ thống điều chế thích ứng Adaptive OFDM-DS-CDMA so với hệ thống MC-CDMA (HARA&PRASAD) [61] kênh Fading Rayleigh 10 đường trễ, điều chế QPSK thấp 2.1dB sử dụng điều chế pha MPSK thấp 5.6dB Kết cho thấy mơ hình Adaptive OFDM-DS-CDMA có hiệu sử dụng phổ cao so với mơ hình kênh OFDMCDMA K.Fazel S.Kaiser K.Fazel S.Kaiser gần với mơ hình kênh OFDM-CDMA HARA&PRASAD công bố hiệu suất sử dụng phổ kỹ thuật điều chế MPSK thấp nhiều so với kỹ thuật điều chế KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Kết nghiên cứu luận án tổng kết ưu điểm kỹ thuật mã hóa Turbo có tỉ số lỗi bit thấp; kỹ thuật điều chế biên độ số cầu phương MQAM có hiệu sử dụng phổ cao, kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM có khả khắc phục nhiễu giao thoa, nhiễu xuyên kênh fading, tiết kiệm băng thông, để phát triển đóng góp luận án là: Xây dựng mơ hình kênh truyền OFDM-DS-CDMA(MUX) có sử dụng thêm ghép kênh luồng liệu trải phổ trực tiếp thành phần người dùng, so sánh với mơ hình OFDMCDMA ứng dụng thơng tin di động CDMA 3G 4G, xét thơng số kênh truyền hệ thống có độ lợi trải phổ tăng Eb/N0 mơ hình kênh DS-CDMA 8dB, mơ hình kênh OFDM-DS-CDMA có tỉ số Eb/N0 3dB mơ hình kênh OFDMDS-CDMA(MUX) có tỉ số Eb/N0 2dB vây hiệu sử dụng phổ mơ hình kênh OFDM-DS-CDMA(MUX) cao Tương tự mơ kênh fading đa đường trể (4 đường), 12 người dùng, SNR (10dB), điều chế QPSK, tỉ số lỗi bit BER=10-3 mơ hình kênh OFDMDS-CDMA(MUX) có dung lượng người dùng 15, mơ hình kênh OFDM-DS-CDMA có dung lượng 13 mơ hình kênh DS-CDMA có dung lượng Mơ hình OFDM-DS-CDMA(MUX) có sử dụng ghép kênh luồng tín hiệu trải phổ trực tiếp thành phần, so với mơ hình cơng bố, có tham số số kênh truyền, hệ số trải phổ tăng, nâng cao chất lượng kênh truyền, hiệu số kênh người dùng cao Kết nghiên cứu chương 4, kênh AWGN, thông số kênh truyền, điều chế MQAM, SNR 20,8(dB), BER 2,2.10-3 số bit trung bình N(bit per symbol) 5,7(bps), số bit trung bình ktb(bps) sử dụng điều chế MPSK 5,5(bps), hiệu truyền dẫn M-QAM cao so với điều chế M-PSK Tương tự mô kênh fading, SNR 19,5(dB), hiệu kênh truyền fading theo mơ hình RA (COST 207) có mức BER 4.10-3, thấp mơ hình kênh truyền TU(COST 207), 12 đường trễ, có mức BER 1.10-2, phù hợp với thực tế Xét mơ hình kênh truyền fading đa đường mơ hình RA, đường trể, theo chuẩn COST 207, mức tỉ số lỗi bit BER hiệu sử dụng phổ hệ thống Adaptive OFDM-DS-CDMA sử dụng điều chế MQAM cao hệ thống OFDM-DS-CDMA 1.0 dB, sử dụng điều chế pha MPSK cao 0.1dB Xét đường truyền có tốc độ 4Mbps, mơ hình kênh truyền fading Rice, mơ hình RA, COST 207, đường trể, điều chế MQAM, hiệu sử dụng phổ hệ thống điều chế thích 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 ưu điểm khắc phục fading, chống nhiễu ISI, ICI tăng hiệu sử dụng băng thông, để xây dựng mơ hình kênh truyền OFDM-DS-CDMAvà mơ hình kênh Adaptive-OFDM-DS-CDMA có khả khắc phục fading đa đường, đảm bảo cho người sử dụng thiết bị di động có dung hòa tốt yếu tố hiệu suất sử dụng phổ tần chất lượng dịch vụ Xây dựng mơ hình tốn ma trận để phân tích q trình biến đổi tín hiệu hệ thống, xây dựng chương trình mơ để biểu diễn dạng tín hiệu khối, đo đạc tham số kỹ thuật, so sánh đánh giá hiệu sử dụng băng thông kênh truyền NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN Chương 1: Nghiên cứu tổng quan mã hóa điều chế số Chương 2: Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM để tìm ưu điểm dung lượng truyền, khả khắc phục ISI, ICI, Fading Chương 3: Nghiên cứu kết hợp kỹ thuật điều chế trực giao đa sóng mang OFDM với CDMA, để xây dựng mơ hình kênh truyền OFDM-DS-CDMA(MUX) có sử dụng ghép kênh Chương 4: Nghiên cứu kỹ thuật điều chế thích ứng để xây dựng mơ hình kênh Adaptive-OFDM-DS-CDMA 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 ghép kênh tuần tự, để tăng độ lợi trải phổ, tăng khả chống nhiễu cân tác động kênh truyền lên tín hiệu người dùng Nghiên cứu xây dựng mơ hình kênh truyền ADAPTIVE-OFDM-DS-CDMA để tăng hiệu truyền dẫn Kết nghiên cứu đề tài phù hợp với xu hướng giới nước tìm giải pháp điều chế mã hóa có hiệu suất sử dụng băng tần cao, để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho hệ thống thông tin số CDMA 4G 5G CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MÃ HÓA VÀ ĐIỀU CHẾ SỐ 1.1 MÃ HÓA KÊNH Mã hóa kênh phát triển từ năm 1940, dựa theo lý thuyết Shannon, bao gồm lọai như: mã khối tuyến tính, mã chập, mã liên kết, mã turbo Mã Turbo phát triển năm 1993, sơ đồ hình 1.2, 1.3 Dữ liệu đầu mã hóa ký hiệu [C i ] tổng hợp chuỗi tín hiệu vào [ X i ] với chuỗi liệu mã hóa RSC thành phần C n ,i , C n , j n = 1,2 , n Tỉ lệ mã hóa r = k/n; k khối bit vào, n khối bit ra; p số bit chèn parity Trong kênh truyền dẫn số, với tỉ số BER = 10 −4 phương pháp mã hóa turbo có độ lợi mã hóa tăng từ 5dB đến 6dB so với kênh truyền không sử dụng mã hóa C0 Tín hiệu vào Xi x0 ⎤ ⎡ ⎢x ⎥ ⎢ 1⎥ ⎢M⎥ ⎢ ⎥ ⎣ xk ⎦ Mã hóa đệ quy Chèn khối Mã hóa đệ quy Chèn khối (n-1) Mã hóa đệ quy C 1, i C1, j C , i Chuyển đổi Tín hieäu Ci C2, j song song ⎡ C0 ⎤ nối tiếp ⎢C ⎥ ⎢ 1⎥ ⎢M⎥ ⎢ ⎥ Cn,i ⎢Cnj ⎥ ⎣ ⎦ Cn, j Hình 1.2 - Sơ đồ khối mã hóa Turbo mơ hình RA, COST207, sử dụng điều chế MQAM, đường trể, tương ứng với tỉ số lỗi bit BER trung bình 0.004, tỉ số Eb/N0 trung bình hệ thống Adaptive OFDM-DS-CDMA 11.0dB, tỉ số Eb/N0 hệ thống OFDM-CDMA HARA PRASAD [61] công bố với kênh truyền fading 10 đường trể 13.4dB hệ thống Adaptive có số đường trể đường hiệu sử dụng phổ hệ thống điều chế thích ứng Adaptive OFDM-DSCDMA cao hệ thống MC-CDMA [61] 2.4dB 4.5 KẾT LUẬN Xét mơ hình kênh truyền fading Rice, mơ hình RA hiệu sử dụng phổ hệ thống điều chế thích ứng Adaptive OFDM-DS-CDMA cao hệ thống OFDM-DS-CDMA CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN NỘI DUNG ĐÃ NGHIÊN CỨU Nghiên cứu mã hóa Turbo có BER thấp, kỹ thuật điều chế MQAM MPSK, có khả tiết kiệm băng thông, kỹ thuật điều chế OFDM, truyền luồng tín hiệu băng rộng, khắc phục ISI, ICI fading để xây dựng mơ hình kênh truyền OFDM-DS-CDMA có sử dụng 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 kênh truyền OFDM, DS-OFDM, OFDM-DSCDMA ADAPTIVE-OFDM-DS-CDMA, để hiển thị dạng tín hiệu, tổng hợp kết phân tích, đánh giá chất lượng hệ thống BÀN LUẬN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Kết mơ mơ hình DS-CDMA, OFDMDS-CDMA OFDM-DS-CDMA(MUX) có sử dụng ghép kênh cho thấy, có số người dùng (12 người dùng), mức tỉ số lỗi bit BER = 10-4, sử dụng điều chế BPSK, tỉ số BER SNR(dB) 0.006 0.04 20.60 17.55 ktb(bps) 5.504 4.39 SNRo(dB) 13.2 11.1 Hiệu sử dụng phổ tỉ số Eb/No(Adaptive-OFDMDS-CDMA)- Eb/No(MCCDMA) 0.006 19.2 14.2 0.006 16 13.6 -1.0 -0.4 0.04 14.2 11.2 Kênh vào mềm Soft channel input -0.1 Nc=512, Fading Rayleigh,10 đường trể đường trể, K=0 N(FFT)=1024 Lọai điều chế Lọai điều chế Kênh chẵn lẻ (Parity 2) Fading COST 207, RA Chèn khối Mạch giải mã Giải chèn khối Adaptive-OFDM-DS-CDMA HARA PRASAD(61) Chèn khối Bảng 4.17- Bảng so sánh kết mô hệ thống MCCDMA [61] Adapter OFDM-DS-CDMA Hệ thống MC-CDMA Tín hiệu Kênh hệ thống Systematic Mạch giải Kênh chẵn lẻ mã (Parity 1) Mơ phỏng, Rc=4Mbps, Tín hiệu Hình 1.3 - Sơ đồ mạch giải mã Turbo Bảng 1.2 - Độ lợi mã hóa mã Turbo (trích từ [42]) Mã Turbo giải mã Giá trị BER (Eb/N0 ) Độ lợi mã hóa G(dB,BER) M-QAM M-PSK M-QAM M-PSK BER 0.004 0.02 0.004 0.02 SNR(dB) 23.40 21.40 18.35 19.65 ktb(bps) 2 5.43 3.84 MAP 1.45 1.83 5.22 6.70 11.0 13.8 Log MAP Max logMAP 1.46 1.64 1.84 1.97 5.21 5.03 6.69 5.56 SOVA 1.92 2.56 4.75 5.97 2.4 -2.4 SNRo(dB) 13.4 11.4 Hiệu sử dụng phổ tỉ số Eb/No(MCCDMA)-Eb/No(Adaptive-OFDM-DS-CDMA) Theo bảng 4.16, xét mơ hình kênh truyền fading đa đường, có mức tỉ số lỗi bit BER=6,3.10-3 , mơ hình RA, đường trể, điều chế M-QAM, hệ thống điều chế thích ứng Adaptive OFDM-DS-CDMA có tỉ số Eb/No 13.2dB, hệ thống OFDM-DS-CDMA K.Fazel S.Kaise có tỉ số Eb/No 14.2 dB, hiệu sử dụng phổ hệ thống thích ứng cao 1.0dB, tương tự sử dụng điều chế pha hiệu sử dụng phổ hệ thống thích ứng cao hệ thống OFDM-CDMA Deepshikha Grag Fumiyuki Adachi 0.1dB Theo bảng 4.17, ứng với đường truyền có tốc độ 4Mbps, mơ hình kênh truyền fading đa đường, K=3, G0=7, G1=5, 1000 bit chèn, 10.000 khối khung Khơng mã hóa 10 −3 10 −4 10 −3 10 −4 Eb/No(dB) 6.67 Eb/No(dB) 8.53 Eb/No(dB) 0.00 Eb/No(dB) 0.00 1.2 ĐIỀU CHẾ SỐ Nội dung nghiên cứu phần tính xác suất thu sai lọai điều chế biên số ASK, điều pha số PSK, điều chế cầu phương biên độ số QAM công thức sau: Pb , MPSK ≤ 2Q ( 2kγ b sin Pb ,MASK ≤ π (1.43) ) M 2( M − 1) ⎡ log M Ebav Q⎢ M ⎢ ( M − 1) N ⎣ ⎤ ⎥ ⎥ ⎦ (1.37) ∞ Q( x) = e − t / dt ; x ≥ 2π ∫ x ⎛ 3k E av ⎞ ⎟ Pb ,MQAM ≤ 4Q⎜ ⎜ ( M − 1) N ⎟ ⎠ ⎝ (5) (1.47) Trong đó: M mức điều chế, Eav lượng trung bình, N0: mật độ cơng suất nhiễu Để khắc phục nhược điểm việc mã hóa cần phải tăng tốc độ truyền dẫn tăng mức điều chế BER tăng, Ungerboeck phát triển hệ thống mã hóa điều chế lưới kết hợp TCM, cấu trúc điều chế TCM hình (1.21) Mức SNR (dB) Fading Rice k bit không mã hóa x x Kết mơ điều chế thích ứng OFDM-DSCDMA kênh truyền fading Rice, mơ hình TU, COST 207, 12 đường trễ, sử dụng điều chế M-PSK, thay đổi theo liệu vào m i m −1 i Mức BER,kênh Fading Rice C im Cim−1 Cik +1 Cik Cik −1 xik +1 k i k −1 i x x x i1 Ci1 i h k bit mã hóa Dv h v hik hi1 hik Dv−1 Bộ chọn 2m tín hiệu phát S(t) không gian tín hiệu m+1 MPSK, 16,384Mbps, K=15 Hình 4.21- Kết mơ điều chế thích ứng OFDM-DSCDMA kênh truyền fading Rice, mơ hình TU, COST 207, 12 đường trễ, sử dụng điều chế M-PSK, thay đổi theo liệu vào D1 h10 v −1 h Ci0 Hình 1.21- Cấu trúc điều chế mã hóa lưới TCM UngerBoeck Độ lợi mã hóa xác định cơng thức (1.51), xác suất lỗi bit công thức (1.58) 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 2,048Mbps E' [d ] γ = (e) E [d ] ( e) free [d ] = [d ] ( e) free (e) 4,096Mbps E' = γ Dγ P E ⎡ d ⎤ ⎡1 e ⎤1 Pe ≈ ⎢ N (d (free) ) ⎥ exp ⎢ − free ⎥ N0 ⎦ ⎣2 ⎦2 ⎣ 8,192Mbps (1.51) (1.58) (e) e) Trong d (free khoảng cách tự do, d khoảng cách Euclide cực tiểu, E' 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 chia thành cấp giảm dần; khoảng cách Euclide tăng Hiệu điều chế TCM cao điều chế MQAM MPSK MPSK, 16,384Mbps, K=15 16,386Mbps Hệ số K(dB) Ricean BER trung bình SNR(dB) trung bình 10 15 10 15 10 15 10 15 0,0227 0,0182 0,0429 0,0226 0,0244 0,0219 0,0251 0,02005 19,65 19,05 25,20 23,15 20,30 19,95 18,30 14,15 ktb(bps)trung bình 2,926 2,926 2,887 2,926 2,926 2,887 2,8074 2,8875 Bảng 4.16- Bảng so sánh kết mô hệ thống OFDMDS-CDMA (*) K.Fazel S.Kaiser; (**) Deepshikha Grag ,Fumiyuki Adachi Adapter OFDM-DS-CDMA Mô phỏng, Rc=16Mb ps, Nc=512, N(FFT)=1 024 Adaptive OFDM-DSCDMA Fading COST 207 RA,6 đường trể Lọai điều chế MMQAM PSK OFDM-CDMA, (**) Fading đa đường,L=6 K.Fazel&Kaiser Lọai điều chế MMQAM PSK OFDM-CDMA (*) Fading đa đường, L=6 DeepshikhaGrag&F.Adachi Lọai điều chế M-QAM M-PSK Mức SNR (dB) mức lỗi bit BER trung bình tổng cộng điều chế thích ứng OFDM-DS-CDMA kênh truyền fading Rice, mơ hình RA, đường trễ, COST 207, sử dụng điều chế MQAM, tương ứng với luồng liệu vào từ Mbps đến 16 Mbps Mức SNR (dB), điều chế MQAM M-QAM, 16,384Mbps, K=10 Mức BER, điều chế QAM M-QAM, 16,384Mbps, K=10 Bảng 1.4 - Hiệu tín hiệu MQAM so với tín hiệu MPSK BER, AWGN 10-3 10-4 16-ASK 15,5 Tỉ số Eb/N0(dB) 16-PSK 16-QAM 15,5 11,3 16,2 17,0 16-TCM 10,4 12,5 11,8 Kết luận: Ưu điểm kỹ thuật mã hóa turbo có tỉ số BER thấp, điều chế MQAM có khả tiết kiệm băng thông ứng dụng để nghiên cứu chương sau Hình 4.17- Mức SNR (dB) tỉ số lỗi bit BER trung bình tổng điều chế thích ứng OFDM-DS-CDMA kênh truyền fading Rice, mơ hình RA, COST 207, đường trễ, sử dụng điều chế M-QAM CHƯƠNG ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO GHÉP THEO TẦN SỐ OFDM Bảng 4.9- Bảng tổng hợp số bit trung bình symbol ktb(bps), kênh fading Ricean, điều chế MQAM 2.1 DẪN NHẬP Tốc độ Dữ liệu 2,048Mbps Kỹ thuật điều chế OFDM phát minh năm 1970 Mỹ ứng dụng thơng tin băng rộng 2.2 MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN OFDM 4,096Mbps 8,192Mbps 16,386Mbps Hệ số K(dB) 10 15 10 15 10 15 10 15 BER trung bình 0,00415 0,00413 0,00418 0,00415 0,00524 0,00528 0,00646 0,00636 SNR(dB) trung bình 18,65 19,05 18,35 17,85 19,25 18,5 20,5 20,6 ktb(bps) trung bình 5,4236 5,4529 5,4361 5,4660 5,2400 5,2371 5,3716 5,5046 Kết mơ kênh Adaptive OFDM-DS-CDMA, MQAM fading Rice, mơ hình TU, COST 207, 12 đường trễ Mức SNR (dB), QAM Mức BER, QAM + N /2 i ⎧ )(t − kT )]};∀t ∉{*} ⎪Re{w(t − kT ) ∑ xi,k exp[ j2π[( fC + TFFT SRF (t) = ∑ SRF,k (t − kT ) = ∑⎨ i =− N /2 k =−∞ −∞ ⎪ 0; ∀t ∉{*} = {−(kT + TFT + TGI ); +(kT + TFT + TGI )} ⎩ +∞ +∞ (2.6) Cơng thức tín hiệu phát OFDM viết (2.6), đó: T độ dài ký hiệu OFDM; TFFT thời gian FFT; TGI thời gian bảo vệ; TFT thời gian bảo vệ giao thoa đầu cuối khung; Δf =1/TFFT khoảng cách tần số hai sóng mang; N độ dài FFT, k số ký hiệu truyền; xi,k véc tơ tín hiệu điều chế sóng mang thứ i ký hiệu OFDM thứ k M-QAM, 2,048Mbps, K=10 M-QAM, 2,048Mbps, K=10 Hình 4.20- Kết mơ điều chế thích ứng OFDM-DSCDMA, kênh fading Rice, mơ hình TU, COST 207, L=12, M-QAM Cơng thức tín hiệu thu: r ( p ) = FFT [ r ( n )] = FFT {IFFT [ x( p )H( p )]} = x( p )H( p ) (2.9) Xây dựng giải thuật điều chế thích ứng kết hợp hai q trình lựa chọn băng thơng mức điều chế có ý nghĩa tồn diện việc nâng cao hiệu hiệu sử dụng băng thơng kênh truyền 4.4 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Mức tín hiệu đa đường đáp ứng xung trễ đa đường Mức tín hiệu thành phần đa đường Đáp ứng xung đa đường trễ Mơ hình kênh vùng đồng bằng, RA, đường COST207 Mơ hình kênh vùng đồng bằng, RA, đường, COST207 Hình 2.1 - Mơ hình hệ thống OFDM 2.3 TỈ SỐ CÔNG SUẤT ĐỈNH TRÊN CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH PAPR PAPR tham số tính hiệu sử dụng phổ cơng suất tín hiệu, định nghĩa sau: PAPR = max{| S ( t ) |2 } |t∈[ ,T ] T | S ( t ) |2 dt T ∫ (2.10) Hình 4.12- Thành phần đáp ứng xung kênh truyền fading Mức tỉ số SNR(dB) mức điều chế M-QAM điều chế thích ứng OFDM-DS-CDMA kênh truyền AWGN tương ứng với kênh liệu vào từ 2Mbps đến 16Mbps Nc=256, NFFT=512, fD=80Hz BER ngưởng =10-3 Mức tỉ số SNR(dB) Mức điều chế MQAM 2.4 TÍNH TRỰC GIAO CỦA OFDM Tính trực giao tín hiệu OFDM tính theo công thức 2.13 ⎧1 , n = m I = ∫ S n (t ) S m (t )dt = ⎨ ⎩0, n ≠ m T (2.13 ) ứng OFDM-DS-CDMA kênh truyền AWGN 2.5 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN Dung lượng kênh OFDM tính cơng thức 2.18, rci , Mi tỉ lệ mã số mức điều chế kênh thứ i, Δfi=Δf băng thơng sóng mang Rtb ( bps ) = N ∑(r i =1 ci log M i )FSRi Δ f i a Tín hiệu vào 2,048Mbps b Tín hiệu vào 2,048Mbps Hình 4.15- Mức SNR (dB) mức điều chế MQAM điều chế thích (2.18) Bảng 4.8- Bảng tổng hợp tham số mô gồm số bit trung bình symbol ktb(bps), BER tổng, Mức SNR trung bình, AWGN, MQAM Tốc độ Dữ liệu BER trung SNR(dB) trung ktb(bps)trung bình 2,048Mbps 4,096Mbps 8,192Mbps 16,386Mbps bình 0,00243 0,00221 0,00236 0,00354 bình 23,16 25,20 23,30 20,30 5,717 5,767 5,750 5,546 2.6 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ LIÊN QUAN ĐẾN CHẤT LƯỢNG KÊNH TRUYỀN Thông số ảnh hưởng đến BER mức điều chế, tỉ lệ mã hóa, số kênh sóng mang thành phần, độ trải trể trung bình qn phương 2.7 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Hình 4.11 Sơ đồ mơ Adaptive-OFDM-CDMA 4.3 GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ THÍCH ỨNG Hình 2.12.a- Đồ thị BER 16QAM, 256 sóng mang, 512 điểm FFT Hình 2.12.d- Đồ thị BER 16PSK, 256 sóng mang 512 điểm FFT Hình 2.15- Đồ thị BER theo Hình 2.13- Đồ thị BER theo số thời gian bảo vệ, fading đường trễ Mulitpath, Delay Spread=30µs,SignalPeriod=10µs, đường, Delay Spread=256µs, Signal Period = 5µs, 4-QAM điều chế 4QAM (SNR=8dB) Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật điều chế thích ứng tổng quát 2.8 KẾT LUẬN Khi mức SNR(dB), mức điều chế, tham số kênh truyền tỉ lệ lỗi bít BER kênh truyền OFDM thấp kênh truyền đơn sóng mang Kỹ thuật điều chế OFDM thích hợp ứng dụng CDMA băng rộng CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN OFDM-DS-CDMA CÓ SỬ DỤNG BỘ GHÉP KÊNH TUẦN TỰ 3.1 DẪN NHẬP Mơ hình kênh truyền OFDM-DS-CDMA(MUX) có sử dụng ghép kênh luồng tín hiệu trải phổ trực tiếp kênh thành phần, cho phép tín hiệu trải phổ người dùng trải toàn băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ cân kênh tín hiệu người dùng tịan băng thơng 3.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG OFDM-DS-CDMA Hình 3.22: Đồ thị biểu diễn tỉ số lỗi bit BER thay đổi theo số kênh người dùng, kênh Fading đa đường L=4,SNR=10dB, 4PSK, trải trể 4.10-6s, 256 carriers, 512FFT, GP=1.10-6s Hình 3.23: Đồ thị biểu diễn tỉ số lỗi bit BER thay đổi theo tỉ số SNR, 12 Users, kênh AWGN, 4PSK, trải trể 4.10-6s, 256 carriers, 512FFT, GP=1.10-6s Bảng 3.3 Hiệu dung lượng hệ thống DSCDMA, OFDM-DS-CDMA OFDM-DS-CDMA(MUX) d i (M ) X i (N ) d i (N ) Tham số Hiệu Eb/N0(dB, 10-4, BPSK, 12 người dùng) Dung lượng kênh (10-3, QPSK, 12dB) d i (N ) d i (M ) X i (N ) Hình 3.2.a- Sơ đồ khối kênh truyền OFDM-DS-CDMA 3.3 PHÂN TÍCH MƠ HÌNH HỆ THỐNG KHỐI PHÁT Sơ đồ hệ thống phát kênh OFDM-DS-CDMA(MUX) hình 3.2b c1 d1 (1) S P d1 (2) d1 ( M ) b2 (1) d (2) i bK (2) dk (M ) bK ( N ) 13 15 3.9 KẾT LUẬN Khi xét đặc kênh truyền mơ hình kênh OFDM-DS-CDMA(MUX) có sử dụng ghép kênh hệ số trải phổ tăng; tỉ số lỗi bit BER giảm, tỉ số Eb/No giảm, dung lượng kênh tăng so với mơ hình OFDM-DS-CDMA S P NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ THÍCH ỨNG ĐỂ XÂY DỰNG MƠ HÌNH KÊNH ADAPTIVE-OFDM-DS-CDMA bK (1) ∑ c2 cN OFDM-DSCDMA(MUX) CHƯƠNG c2 d k (2) OFDM-DSCDMA S P ∑ b2 ( N ) c2 cN S P i b2 (2) d2 (M ) ∑ i=1 b1 ( N ) d (1) N ∑b (1)c c1 b1 (2) d k (1) S P c1 b1 (1) DSCDMA cN xk(2) xk ( N ) S P Hình 3.2b - Sơ đồ khối phần phát kênh truyền OFDM-DS-CDMA Tín hiệu S(t) truyền dẫn kênh truyền viết công thức sau : 4.1 DẪN NHẬP Fading đa đường làm thăng giáng mức tỷ số SNR, tỉ số lỗi bit BER thay đổi chất lượng kênh truyền Trong điều kiện môi trường truyền sóng tốt MS u cầu chế độ phát với mức điều chế cao hơn, môi trường xấu MS yêu cầu chế độ phát với mức điều chế thấp hơn, để ổn định chất lượng truyền dẫn 4.2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ THÍCH ỨNG Bộ phân chia tín hiệu K người dùng d1 (t ) Bộ khơi phục tín hiệu K người dùng d K (t ) d1 (t ) d K (t ) S/P S/P d1 (1) BER d1 ( N ) d K (1) Bộ tạo mã PN phân biệt kênh Turbo DS(1) b1 (l ) bK (l ) Bộ tạo mã trải phổ ngẫu nhiên PN DS(2) C1 (l ) d K (1) Turbo Turbo decode Bộ tạo mã PN phân biệt kênh b1 (l ) DS(2) DS(1) bK (l ) C1 (l ) CK (l ) DS(2) Bộ tạo mã trải phổ ngẫu nhiên PN MUX X1 (t ) DEM X K (t ) ……… X1 (t ) Điều chế tín hiệu OFDM-DSCDMA biến đổi IFFT S1 (t) S2 (t) Turbo decode DS(1) CK (l ) MUX K (N ) d d K (1) DS(1) DS(2) DEM X K (t ) Biến đổi FFT giải điều chế tín hiệu OFDM-DS-CDMA SN (t) R1 (p) R2 (p) Khối xử lý tín hiệu phát S(t) Kênh truyền vô tuyến r(t) +∞ L N K ∑∑∑∑ X (i, k , l ).e j 2πZ ( Δf ) e j 2πf C t P ( x) (3.11) i = −∞ l =1 n =1 k =1 P/S P/S d K (N ) S n , K (t ) = RN (p) P ( x) = P (t − lLTC − i ′Tb ) K số kênh người dùng, L: chiều dài mã trải phổ N số đường song song 3.4 ĐẶC TÍNH MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN Đáp ứng tần số kênh tần số sóng mang phụ H ′( j ′) = NL −1 ∑ h(i′)e i =0 −j 2π j ′ NL (3.12) h(i’): đáp ứng xung lấy mẫu kênh 3.5 PHÂN TÍCH MƠ HÌNH HỆ THỐNG XỬ LÝ TÍN HIỆU THU TRONG KÊNH TRUYỀN OFDM-DS-CDMA Mơ hình khối thu hình vẽ 3.8 Khối xử lý tín hiệu thu Y1 (t ) Hình 3.22- Sơ đồ mơ hình kênh truyền OFDM-DS-CDMA đa người dùng có sử dụng ghép kênh 3.8.4 Kết mô hệ thống OFDM-DS-CDMA DSCDMA Y2 (t ) YN (t ) Hình 3.19- Đồ thị BER theo Hình 3.18- Đồ thị biểu diễn số người dùng kênh tỉ số lỗi bit BER, theo fading 5-đường, Signal SNR(dB), QPSK, AWGN + Period = 5µs, Delayspread = Fading đường, 12 (user) 40µs, QPSK, SNR = 10dB) 3.8.5 Kết mô hệ thống DS-CDMA, OFDM-DSCDMA OFDM-DS-CDMA (MUX) Hình 3.8 - Sơ đồ khối thu OFDM – DS- CDMA có sử dụng phân kênh luồng tín hiệu trải phổ thành phần 3.6 PHÂN TÍCH THEO MƠ HÌNH TỐN MA TRẬN Các cơng thức tín hiệu mơ hình kênh truyền biểu diễn theo dạng ma trận phù hợp với hệ thống thơng tin số đa người dùng 3.7 MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN OFDM-DS-CDMA TRONG MÔI TRƯỜNG AWGN VÀ FADING ĐA ĐƯỜNG 3.7.1 Giới thiệu Trong kênh truyền vô tuyến di động MS di chuyển, tín hiệu đến máy thu theo nhiều đường khác nhau, gây nhiễu fading đa đường 3.7.2 Kênh Fading Rayleigh Rice Đường bao r(t) tương ứng hàm p.d.f phân bố Ricean, K “hệ số Ricean” K=A 2/2δ2 p(ξ ) = 2π ∫ p(ξ ,θ )dθ = ξ ξA − I ( )e σ r2 σ r ξ + A2 2σ r , (ξ > 0) a Tín hiệu băng tần gốc b Tín hiệu phát c Phổ tín hiệu phát d Phổ tín hiệu thu (3.42f) I0(x) hàm Bessel bậc Hàm phân bố Rayleigh sau: ξ2 ξ − p (ξ ) = e 2σ , (ξ > 0) σr r (3.42h) 3.8 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 3.8.1 Sơ đồ khối mơ hình mơ kênh truyền OFDM- CDMA Mơ hình mơ kênh OFDM- CDMA hình vẽ 3.12 Hình 3.15-Dạng tín hiệu tổng hợp kênh truyền OFDM-DS-CDMA 3.8.3 Sơ đồ khối mơ hình mơ kênh truyền OFDM-DSCDMA đa người dùng Bộ chia tín hiệu K người dùng Bộ tạo mã OVSF Turbo DS(1) Bộ khơi phục tín hiệu K người dùng BER dK ( N ) d1 ( N ) b (l ) Turbo decode bK (l ) DS(1) b (l ) DS(2) DS(2) C1 (l ) CK (l ) P/S 3.8.2 Kết mô với hệ thống OFDM-DS-CDMA có người dùng Dạng tín hiệu số người dùng khối S1 (t) S2 (t) DS(2) ……… X1 (t ) Điều chế tín hiệu OFDM- CDMA IFFT Hình 3.12 - Sơ đồ mơ hình mơ kênh truyền OFDM – CDMA CK (l ) C (l ) S/P XK (t ) DS(1) bK (l ) Bộ tạo mã ngẫu nhiên PN P/S X1 (t ) Turbo decode Bộ tạo mã OVSF DS(1) Bộ tạo mã ngẫu nhiên PN DS(2) K ( N) d dK (1) Turbo S/P XK (t ) Biến đổi FFT Giải Điều - chế tín hiệu OFDM-CDMA SN (t) R1 (p) R2 (p) Khối xử lý tín hiệu phát S(t) Kênh truyền r(t) RN (p) Khối xử lý tín hiệu thu Hình 3.16- Sơ đồ mơ hình kênh OFDM-DS-CDMA đa người dùng ... tơi chọn đề tài "Lựa chọn giải pháp điều chế tín hiệu số hệ thống truyền dẫn số có hiệu suất sử dụng băng tần cao" để nghiên cứu cho luận án tiến sĩ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA THẾ GIỚI VÀ TRONG. .. 207, mức tỉ số lỗi bit BER hiệu sử dụng phổ hệ thống Adaptive OFDM-DS-CDMA sử dụng điều chế MQAM cao hệ thống OFDM-DS-CDMA 1.0 dB, sử dụng điều chế pha MPSK cao 0.1dB Xét đường truyền có tốc độ... tăng hiệu truyền dẫn Kết nghiên cứu đề tài phù hợp với xu hướng giới nước tìm giải pháp điều chế mã hóa có hiệu suất sử dụng băng tần cao, để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho hệ thống thông tin số