Chương 18 Mô Phỏng Hệ Thống Cdma Và Fdm Đơn Giản Giáo Trình Mô Phỏng Hệ Thống Viễn Thông Và Ứng Dụng Matlab.pdf

Chương 18 Mô phỏng hệ thống CDMA và FDM đơn giản 451 Chương 18 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CDMA VÀ FDM ĐƠN GIẢN 18 1 Mở đầu Kết thúc phương pháp luận và kỹ thuật mô phỏng là hai mô phỏng điển hình Mô phỏng hệ t[.]

Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 451 Chương 18 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CDMA VÀ FDM ĐƠN GIẢN 18.1 Mở đầu Kết thúc phương pháp luận kỹ thuật mô hai mô điển hình: Mơ hệ thống CDMA hoạt động môi trường kênh pha đing đa đường: Nhiễu tạp âm nhiệt xét đến mơ hình mơ Mơ hình mơ cho phép khảo sát hiệu BER dạng: (i) BER hàm mức tạp âm nhiệt (khảo sát PE theo Eb/N0); (ii) BER hàm hệ số trải phổ (độ lợi xử lý trải phổ); (iii) BER hàm nhiễu Mặc dù hệ thống trình bày phức tạp chương trước đơn giản hóa để chạy chương trình Matlab với thời gian chấp nhận Mô Monte Carlo dùng cho trường hợp Mô hệ thống truyền thông vệ tinh đa kênh FDM: Giả sử có khuếch đại cơng suất phi tuyến, chương trình mơ đánh giá ảnh hưởng tính phi tuyến lên hiệu hệ thống kỹ thuật mơ bán phân tích Do mơ bán phân tích nhanh mơ Monte Carlo, nên việc đơn giản hóa mơ hình mơ không quan trọng trường hợp CDMA 18.2 Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Bộ mô đa truy nhập phân chia theo mã CDMA tạo tuyến truyền thông CDMA đơn giản Các hệ thống CDMA triển khai dùng để xây dựng khối chức cho hệ thống tiên tiến Sơ đồ khối mô hình mơ minh họa hình 8.1 Các ảnh hưởng kênh AWGN, kênh đa đường nhiễu đa truy nhập MAI xét mô Theo đó, cho phép ước tính BER hàm của: (i) tỷ số lượng bit mật độ phổ tạp âm Eb/N0; (ii) số nguồn nhiễu NoI; (iii) hệ số trải phổ SF Nó áp dụng cho kênh đa đường miễn không nhiều năm thành phần đa đường 18.2.1 Hệ thống Ở đa truy cập phân chia theo tần số FDMA đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA, việc phân tách người dùng vô tuyến cách gán băng tần số khác khe thời gian khác nhau, CDMA thực phân tách người dùng cách gán mã khác Theo đó, hệ thống CDMA có tồn quyền sử dụng tập mã gồm tập hợp chuỗi giả ngẫu nhiên Tập hợp chuỗi phải có tính tương quan chéo thấp để máy thu chấp nhận tín hiệu từ người dùng mong muốn từ chối tín hiệu từ người dùng không mong muốn (người dùng đồng kênh) Hơn nữa, chuỗi tập hợp phải Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 452 có thuộc tính tương quan tốt phép tìm ảnh hưởng đa đường kênh vô tuyến mà khai thác máy thu RAKE kỹ thuật thu không gian-thời gian Hệ thống CDMA gán người dùng chuỗi mã riêng từ tập chuỗi mã hệ thống Chuỗi mã sử dụng để tạo dạng sóng trải phổ, tốc độ ký hiệu (tốc độ chip) chúng cao nhiều tốc độ ký hiệu tín hiệu mang tin (tốc độ ký hiệu) Tỷ lệ tốc độ chip tốc độ ký hiệu mang tin gọi hệ số trải phổ hay độ lợi xử lý Các hệ số trải phổ có giá trị điển hình từ đến 512 Các hệ thống CDMA điển hình sử dụng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp Dạng sóng mang tin điều chế (được nhân) với dạng sóng trải phổ dành cho (được cấp) người dùng tạo tín hiệu trải phổ, sau phát xạ vào kênh truyền Tại đầu kênh, máy thu (giả sử máy tương quan) lấy tương quan tín hiệu thu với dạng sóng trải phổ người dùng Theo đó, cho phép tách tín hiệu mang tin người dùng mong muốn tương quan, đồng thời loại bỏ tất tín hiệu người dùng khác (nhiễu) Người dùng mong muốn Tạo chuỗi dấu Tạo ký hiệu BPSK Trải phổ ký hiệu Ứng dụng kênh đa đường Chương trình khác Kết hợp tín hiệu, tạp âm, nhiễu Tạo chuỗi dấu Tạo ký hiệu BPSK Trải phổ ký hiệu Các người dùng gây nhiễu Ứng dụng kênh đa đường Giải trải phổ tín hiệu thu Tách ký hiệu giải trải phổ So sánh ký hiệu tách với tín hiệu mong muốn Tính BER vectơ lỗi Tính HM M Tạo tạp âm Gausơ trắng cộng Hình 18.1: Phương pháp luận mô cho hệ thống CDMA Để tạo mơ tuyến truyền thơng CDMA có hiệu tính tốn cao, ta cần phải kết hợp chặt chẽ đơn giản hóa/giả định sau: Coi điều khiển cơng suất lý tưởng tín hiệu đến máy thu có cơng suất trung bình Chuỗi dấu/trải phổ cho tín hiệu mong muốn chuỗi PN đề cập chương Theo đó, hệ số trải phổ phép phải R  , R số nguyên dương Chuỗi trải phổ/dấu sử dụng cho tín hiệu MAI chuỗi PN Tuy nhiên, dịch vịng cho đạt thuộc tính tương quan mong muốn Đặc biệt lưu ý rằng, đảm bảo tính tương quan mong muốn mơi trường kênh AWGN tính tương quan mơi trường kênh đa đường mơ hình hóa (vì tín hiệu nhiễu mong muốn phân tách theo thời gian số nguyên lần chip) Cũng xẩy trường hợp trễ (dịch chuỗi mã) với trễ đa đường, dẫn đến kết không khả quan mô đồng thời nhiễu đa đường Dùng điều chế khoá dịch pha nhị phân BPSK bỏ qua định dạng xung Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 453 Kênh đa đường biểu lộ pha đing Rayleigh thành phần đa đường ngoại trừ thành phần thẳng LOS Các tín hiệu nhiễu khơng biểu lộ pha đing Trễ thành phần đa đường xét bội số nguyên lần khoảng thời gian chip Tín hiệu mong muốn tất tín hiệu nhiễu đa truy nhập MAI đồng theo chip máy thu Dùng máy thu tương quan Khơng dùng máy thu RAKE Bỏ qua tính chi tiết việc mơ hình hóa định dạng xung lọc thích hợp máy thu, chúng có ảnh hưởng lớn lên tốc độ mơ (vì dạng sóng thực mẫu chip) Có kết hợp lý thực định dạng xung ISI = hệ thống Thực tế, thường dùng kết đo kênh để xác định lý lịch trễ công suất thực mô cách sử dụng phép xấp xỉ phù hợp với lý lịch trễ công suất đo Điều đảm bảo mơ hình mơ đặc tính hóa xác mơi trường hệ thống vơ tuyến triển khai Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, phải xác định rõ lý lịch trễ lý lịch công suất cho thỏa mãn hệ số Rice K Muốn vậy, phải hiểu quan hệ hiệu hệ thống hệ số Rice K Chẳng hạn, K lớn hiệu hệ thống tương đương với hiệu môi trường kênh AWGN Khi K  0, mơi trường truyền sóng pha đing Rayleigh pha đing phẳng pha đing chọn lọc tần số tùy vào số thành phần đa đường trễ tương ứng với thành phần đa đường Trong mô này, lý lịch trễ đa đường véc-tơ số nguyên số nguyên thể cho trễ thành phần đa đường dạng chu kỳ chip (một chu kỳ chip chu kỳ ký hiệu chia cho hệ số trải phổ) Trong mô phỏng, ta coi phần tử thứ véc-tơ tương ứng với thành thẳng LOS, phần tử lại thành phần tán xạ (đa đường) Độ dài (kích thước) véc-tơ xác định tổng số thành phần thu (gồm thành phần LOS thành phần tán xạ) Một định rõ lý lịch trễ hệ số Rice K, tính lý lịch cơng suất ứng với hệ số K Lý lịch cơng suất thu với lý lịch trễ hiển thị chương trình hậu xử lý cho phép trực quan hóa chúng ảnh hưởng chúng lên tín hiệu điểm khác mơ hình mô Tại ta nghiên cứu cách xác định lý lịch công suất cho thỏa mãn hệ số K Muốn vậy, Trước hết là, tạo biên độ trung bình thành phần tán xạ tạo số ngẫu nhiên (có đầu phân bố u khong [0,1] ) t: A tán xạ 1   M 1  (18.1) Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 454 Biểu thị biên độ trung bình thành phần tán xạ Đặc biệt lưu ý M tổng số thành phần đa đường (gồm M-1 tín hiệu tán xạ thành phần LOS) Sau là, tính lượng tán xạ trung bình theo: M E tán xạ i (18.2) i 1 Năng lượng trung bình thành phần LOS tớnh nh sau: E Công suất đường dẫn trội A2 K= LOS Công suất đường tán xạ Etán xạ (18.3) ELOS K Etán xạ Trong ú K l h s Ricean Biên độ trung bình thành phần LOS là:  LOS  ELOS (18.4) Lý lịch biên độ trung bình đạt cách thêm a LOS vào véc-tơ thành phần tán xạ Ascat Cuối là, chuẩn hóa véc-tơ cho thành phần đa đường mạnh có giá trị 1,0 nghĩa là:   [ LOS 1   M 1 ] A   aLOS a1 a2 aM 1  (18.5) max{[ LOS 1   M 1 ]}   Theo tìm lý lịch cơng suất cách lấy bình phương phần tử A nghĩa là: P   aLOS a12 aM2 1  a22 (18.6) h ( , t ) t1 2 1 3 4 5  (t1 ) t1  (t2 ) t1  (t3 ) t Lý lịch trễ đa đường 1 Trung bình hóa 2 3 4 5  Hình 18.2: Minh họa đáp ứng xung kim kênh lấy trung bình thành phần tán xạ Hình 18.2 minh họa đáp ứng xung kim, thành phần tán xạ việc lấy trung bình thành phần tán xạ Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 455 Ta thấy rõ: (i) K > 1, thành phần LOS thành phần mạnh aLOS  1, ; (ii) K  tình khơng rõ ràng Khi này, lượng tán xạ trung bình vượt lượng trung bình thành phần LOS Tuy nhiên, lượng tán x trung bỡnh Etán xạ cú th tri rng vi thành phần đa đường Cũng vậy, thành phần LOS không thành phần đa đường mạnh Tất nhiên, lý lịch công suất cho phép xác định thành phần mạnh Một định rõ lý lịch trễ lý lịch biên độ (cơng suất), ta xác định mơ hình kênh Mơ hình kênh minh hoạ hình 18.3 (a) Bộ tạo trình ngẫu nhiên Rayleigh minh hoạ hình 18.3 (b), việc thực thi được mơ tả chương Theo đó, hai biến ngẫu nhiên Gausơ độc lập xd[n] xq[n] tạo lọc yd[n] yq[n] Loại lọc dùng tạo trình Rayleigh tùy ý, chọn lọc Chebyshev bậc bốn có độ gợn băng thông 0,5 dB độ rộng băng với tần số Doppler Độ lớn yd2 [n]  yq2 [n] biến ngẫu nhiên Rayleigh Tín hiệu phát (băng tần sở) Lý lịch  M 1 2 1 trễ  LOS 0 Đầu vào máy thu Thành phần LOS a1 a2 aM 1 Bộ tạo trình Rayleigh Bộ tạo trình Rayleigh Bộ tạo trình Rayleigh aLOS Lý lịch biên độ Nhiễu đồng kênh Tạp âm (a) xd [n] Bộ tạo tạp âm Gauss hai biến số yd [ n ] Bộ lọc thông thấp xq [n] () yq [ n ] Quá trình ngẫu nhiên Rayleigh (b) Hình 18.3: Minh họa (a) Mơ hình kênh CDMA; (b) Bộ tạo q trình ngẫu nhiên Rayleigh Để mô phải định rõ tham số Eb / N Tham số xác định tỉ số lượng bit trung bình thành phần đa đường mạnh (là thành phần LOS K>1) lượng tạp âm nhiệt Lưu ý rằng, công suất trung bình thành phần đa đường mạnh Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 456 chuẩn hố Do đó, mô lấy tỉ số lượng tạp âm (nhiệt) Gausơ trắng cho Eb / N trung bình thành phần đa đường mạnh tham số Eb / N 18.2.2 Chương trình mơ Mơ CDMA có cấu trúc theo chuỗi khối, xử lý khối 1000 ký hiệu Như đề cập chương 10, dùng cấu trúc chuỗi khối cho ta hiệu tính tốn Mã chương trình mơ đầy đủ cho file NVD18_cdmasim Phụ lục 18 A Khi thực lệnh      BER , Erorrs   NVD18cdmasim  N , SF , EbN 0, NoI , MPathDelay, KFactordB Các kết mô Tên hàm Các tham số đầu vào cđa hµm   (18.7) Định nghĩa đầy đủ chương trình mơ Một số chương trình (hàm con) với chương trình hậu xử lý (xử lý hiển thị) cho phụ lục 18A Cũng cần lưu ý mô thiết kể theo kiến trúc Modul Các tham số đầu vào chương trình mơ định nghĩa bảng 18.1 Nó quan trọng để quan trắc hiệu (so sánh hiệu theo tham số đầu vào) Do triển khai chương trình tiền xử lý để xử lý giải giá trị tham số đặc trưng Bảng 18.1: Các tham số đặc trưng đầu vào hệ thống CDMA Tham số N SF Kiểu Vô hướng Vô hướng Mô tả Số ký hiệu mô Hệ số trải phổ Eb/N0 NoI Vô hướng Vô hướng Tỉ số lượng bit PSD tạp âm Số nguồn nhiễu Không Lý lịch trễ đa đường Véc-tơ số nguyên không âm đơn điệu tăng Không MPathDelay KfactordB Véc-tơ Vô hướng Hệ số Rice K đơn vị dB Giới hạn Không SF  n , n  12  NoI  SF  18.2.3 Các mơ a) Xác nhận tính hợp lệ ranh giới Để đảm bảo mơ hiệu chuẩn xác, trước tiên mô CDMA chạy với hệ số K = 100 dB Hệ số K đủ lớn để đảm bảo rằng, dù có xảy mức đa đường nhỏ cơng suất tán xạ bị suy hao đủ lớn để thực lấy xấp xỉ tất công suất thu thành phần LOS Vì vậy, ảnh hưởng làm suy thoái hiệu tạp âm Gausơ kết xác xuất lỗi hệ thống là:  Eb  P E  Q  N  O   (18.8) Tại giá trị Eb / N , chương trình mơ xử lý cho N ký hiệu Chẳng hạn muốn khảo sát số lỗi (hoặc BER) theo giá trị Eb / N thay đổi đến dB với bước dB, tương ứng giá trị Eb / N xử lý cho N = 200000 ký hiệu Chương trình Matlab để Chương 18: Mơ hệ thống CDMA FDM đơn giản 457 chạy mô hiệu chuẩn NVD18cdmacal Lưu ý rằng, NVD18cdmacal chứa chương trình NVD18cdmasim >> NVD18cdmacal Nhập số ký hiệu xử lý Nhập véc-tơ Eb / N > > 200000 0:8 Kết cho bảng 18.2 hình 18.4 Số lỗi xuất với giá trị Eb / N cho bảng 18.2 Dữ liệu đặc biệt quan trọng việc chạy hiệu chuẩn để đảm bảo số lỗi đủ lớn giá trị Eb / N để có kết thống kê đủ tin cậy Kết mô khảo sát xác suất lỗi PE hàm Eb / N cho hình 18.4 Đường nét liền kết lý thuyết theo công thức (18.8), kết mơ hình vuông giá trị nguyên Eb / N Thấy rõ kết đạt xác ngoại trừ Eb / N = dB Bảng 18.2 cho thấy xác xuất lỗi Eb / N = dựa 53 lỗi, nhỏ so với số lỗi xuất giá trị Eb / N khác Mã chương trình Matlab tiền xử lý cho Phụ lục 18A Bảng 18.2: Đếm lỗi chạy hiệu chuẩn Eb/N0 (dB) Các lỗi 15773 11347 7583 4516 2416 1169 475 159 53 Hình 18.4: Kết mơ chạy hiệu chuẩn Ta thấy, số ký hiệu mô lớn (so sánh 200 20.000), kết mô xác đặc biệt giá trị Eb/N0 lớn b) Hiệu BER hàm Eb/N0 hệ số Rice K Mơ hình mơ tạo BER hàm Eb / N hệ số K Theo đó, hai biến cho bảng 18.1 phải lặp lại cho giá trị K Cụ thể, với giá trị hệ số K, Eb / N có giá trị từ dB đến 10 dB với bước thay đổi dB Ba giá trị hệ số K sử dụng -20 dB, 0dB, 20 dB Chương trình Matlab xử lý/bộ hậu xử lý NVD18cdmaK.m (trong chương trình chứa NVD18cdmasim) dùng để tạo kết Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 458 cho Phụ lục 18A Đoạn hội thoại dùng để nhập tham số đầu vào chương trình mơ >> NVD18cdmaK Nhập số ký hiệu xử lý: 100.000 Nhập véc-tơ Eb/N0: 0:10 Nhập véc-tơ hệ số K đơn vị dB: [-20 20] Kết mô để nghiên cứu ảnh hưởng hệ số K lên hiệu BER cho hình 18.5 đó: (i) Đường cong tương ứng với hệ số K = -20 dB (K = 0,01 lần) cho ta kết xấp xỉ kểt môi trường kênh pha đing Rayleigh; (ii) Đường cong tương ứng với hệ số K = 20 dB (K = 100 lần), cho ta kết xấp xỉ hiệu môi trường tạp âm Gausơ; (iii) Đường cong tương ứng với hệ số K = dB (K = lần) thường rút sử dụng mô Các kết K lớn K  nhận từ giải tích sử dụng để xác nhận mô Lưu ý rằng, đường cong (K = 1) không mịn đường cong khác chất thay đổi theo thời gian kênh, gần thể giá trị tức thời K cơng suất thành phần LOS xấp xỉ tổng công suất tán xạ Cần thực mô lâu để làm mịn ảnh hưởng thay đổi theo thời gian Hình 18.5: Xác xuất lỗi hàm Eb / N với hệ số Rice K tham số K = 100 (đường cong dưới), K = (đường cong giữa) K = 0,01 (đường cong cùng)) Có nhiều tiềm khác để nghiên cứu Khi phát triển chương trình tiền xử lý cho phép nghiên cứu ảnh hưởng hệ số trải phổ lý lịch trễ Eb / N cho trước Theo đó, Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 459 ta nên thực mô giá trị khác Eb / N ứng với số lý lịch trễ khác Nghiên cứu khảo sát theo số lượng nhiễu Mở rộng mô hình mơ CDMA cách đưa thêm tham số vào mơ hình mơ dạng véc-tơ tham số mơ Theo đó, chạy chương trình mơ phỏng, chương trình tạo nhiều liệu, tất phải phân tích trước chọn thiết kế "tốt nhất" Kết là, nghiên cứu mô phải tổ chức cẩn thận cho số liệu nhận từ mô khác “khai thác” để hỗ trợ thiết kế cách phát tham số tới hạn dải giá trị khả chấp nhận cho tham số Việc tổ chức mô khai thác số liệu tạo từ mô phạm vi sách Tuy nhiên, chủ đề quan tâm nghiên cứu mô chi tiết 18.2.4 Triển khai mơ hình Markov Ta tạo mơ hình Markov ẩn HMM cho hệ thống CDMA hình 18.1 cách sử dụng cơng cụ đề cập chương 15 Để xác định ước lượng HMM ta triển khai ba chương trình Matalab sau: (i) Thực mô CDMA xác định mơ hình bán Markov (mơ hình bán Markov sử dụng để giảm tải tính tốn); (ii) Tạo véc-tơ lỗi dựa ma trận chuyển dịch trạng thái mơ hình bán Markov Ngồi ra, BER dựa hệ thống CDMA, BER dự đốn mơ hình bán Markov, so sánh với BER dựa chuỗi lỗi tạo mơ hình bán Markov; (iii) So sánh véc-tơ lỗi tạo mô ban đầu với véc-tơ lỗi tạo mơ hình bán Markov Cả đại lượng thống kê Pr {0 m 1} hồnh đồ độ dài chạy chương trình không lỗi dùng để so sánh Dưới khảo sát chương trình Chương trình thứ 1: NVD18cdmahmm1.m Chương trình định nghĩa tham số mơ CDMA thực mô Như thấy (18.7) chương trình NVD18cdma tạo hai đầu kết từ mơ hệ thống CDMA Đó BER véc-tơ lỗi dùng để xác định mơ hình Markov (được ký hiệu ErrorRun) Ở ta tạo mơ hình bán Markov cho kênh hoạt động K = (0 dB) E b/N0 = dB Mã chương trình Matlab cho NVD18cdmahmm1.m Chạy chương trình cho ta mơ hình bán Markov dựa 50 lần lặp Kết là: 0, 0506  0, 9494 ˆA   0, 9714 0, 0286    0, 2251 0, 7419 0, 0330  (18.9) Lưu ý rằng, nhiều biến lưu vào đĩa Các biến dùng cho hai chương trình tiếp sau (NVD18cdmahmm2.m NVD18cdmahmm3.m), chúng lưu cho hai chương trình dễ dàng gọi Để tường minh, ta nên nghiên cứu lệnh chương trình chạy lệnh Sau chạy chương trình NVD18cdmahmm1.m kết lưu file liệu có tên cdmadata1 thư mục Work Chương trình thứ 2: NVD18cdmahmm2.m Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 460 Trong chương trình thứ hai tạo véc-tơ lỗi cách xử lý chuỗi ký hiệu qua kênh (được biểu diễn mơ hình bán Markov tạo chương trình NVD18cdmahmm1.m) Ngoài ra, xác xuất lỗi tạo ba kỹ thuật Thứ nhất, xác suất lỗi bit tạo mô CDMA ban đầu Thứ hai, xác xuất lỗi bit BER dự đốn mơ hình bán Markov (tăng Aˆ tới số mũ cao mô tả chương 15) Thứ ba, xác xuất lỗi bit xác định cách đếm lỗi cho số lượng lớn ký hiệu (trường hợp 25000) qua mơ hình kênh bán Markov Mã chương trình Matlab cho NVD18cdmahmm2.m Phụ lục 18A Véc-tơ lỗi dựa mơ hình Makov ẩn HMM tạo hàm NVD18errvector (là hàm NVD15errorvecto chương 15) Chương trình NVD18errorvector cho Phụ lục 18A Chạy chương trình Matlab nhận kết quả: >> NVD18cdmahmm2 NN Xác suất lỗi dự đoán cho hệ thống CDMA: = 25000 Kết từ mô ban đầu PE = 0,03185 Kết dự đoán từ mơ hình bán Markove PE = 0,032054 Kết từ véc-tơ lỗi tái tạo = 0,03204 Cho thấy, ba xác xuất lỗi gần Lưu ý xác suất lỗi phù hợp với điểm cho hình 18.5 K = (đường cong ) Eb/N0 = dB Chương trình thứ 3: NVD18cdmahmm3 Chương trình cho phép so sánh chuỗi lỗi ban đầu tạo mô CDMA chuỗi lỗi tạo mơ hình bán Markov Ta sử dụng hai so sánh dạng đồ thị Thứ nhất, so sánh Pr 0m 1 hai chuỗi lỗi thực chương 15 Thứ hai, so sánh hoành đồ hai chuỗi Mã chương trình Matlab cho file NVD18cdmahmm3.m Kết chạy chương trình NVD18cdmahmm3.m minh họa hình 18.6 hình 18.7 Trong hai hình này, kết từ mô hệ thống CDMA cho khung kết từ mơ hình bán Markov cho khung bên Lưu ý lấy tỷ lệ chiều cao hình 18.7 Sự khác lấy tỷ lệ mô CDMA thực cho 100.000 ký hiệu kiểm tra mơ hình bán Markov sử dụng 25.000 ký hiệu Vì vậy, khác tỷ lệ xích Chương 18: Mơ hệ thống CDMA FDM đơn giản 461 Hình 18.6: Pr 0m 1 véc-tơ lỗi gốc (khung trên) Pr 0m 1 véc-tơ lỗi tái tạo (khung dưới) Ba lý lý giải cho khác khung khung hình 18.6 18.7 Thứ nhất, HMM phải trình bày xác kênh ban đầu Dẫn đến chuỗi số liệu rút từ mơ hình phải đủ dài số vịng lặp đủ lớn để đạt hội tụ Thứ hai, phải dùng nhiều trạng thái thích hợp Thứ ba, mơ hình rút ra, phải kiểm tra cách xử lý số lượng ký hiệu đủ lớn nhằm đạt kết thống kê tin cậy Hình 18.7: Biểu đồ thống kê véc-tơ lỗi gốc (khung trên) véc-tơ lỗi tái tạo (khung dưới) 18.3 Hệ thống FDM với phát đáp vệ tinh phi tuyến Mục đích mô nghiên cứu mô phỏng, minh hoạ vài mơ hình quan trọng kỹ thuật mơ Các khái niệm quan trọng minh hoạ hệ thống bao Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 462 gồm việc biểu diễn thông thấp cho tín hiệu FDM, mơ hình phi tuyến AM/PM & AM/AM cho khuếch đại công suất lớn ước tính BER bán giải tích 18.3.1 Mục đích mơ mơ tả hệ thống Hệ thống mô tuyến truyền thông mạng vệ tinh bao gồm 48 trạm mặt đất gửi số liệu tốc độ cao tới trung tâm số liệu vùng Mỗi trung tâm số liệu xử lý kênh số liệu gọi nhóm FDM Loại điều chế dùng cho kênh QPSK tốc độ ký hiệu M ký hiệu/giây Tín hiệu lọc lọc SQRC với hệ số dốc (roll-off) 20%, khuếch đại khuếch đại cơng suất tuyến tính, phát lên vệ tinh (đường lên) Việc truy cập vệ tinh 48 trạm mặt đất sử dụng phương pháp FDMA trạm mặt đất ấn định tần số sóng mang khác điều khiển mạng Các sóng mang phân tách băng tần bảo vệ 400 kHz khoảng cách sóng mang 10Mz Hoạch định tần số cho phát đáp 48 kênh minh hoạ hình 18.8 Điều khiển mạng (10 MHz) Lệnh đo xa (10 MHz) f1 f6 f2 Nhóm FDM (60 MHz) Khoảng cách sóng mang=10 MHz f 43 f 48 Nhóm FDM (60 MHz) Khoảng cách sóng mang=10 MHz Hình 18.8: Hoạch định tần số cho hệ thống phát đáp 48 kênh Tồn 48 tín hiệu đường lên thu ăng ten đường lên vệ tinh Tín hiệu thu vệ tinh biểu diễn là: 48 x(t )   (t   i )cos 2 fi (t   i )  i (t   i )  (18.10) i 1 Có thể viết là:  48  x(t )  Re  (t   i )e j (t  i ) e  j 2 fi i e j 2 ( fi  f0 )t e j 2 f0t   i 1  (18.11) Trong f o tần số tham chiếu dùng để xác định toàn đường bao phức Đường bao phức thông thấp từ trạm mặt đất thứ i tín hiệu QPSK băng tần sở phức (t ).e ji (t ) Nó phát tần số sóng mang f i Máy phát đường lên cho trạm mặt đất thứ i minh hoạ hình 18.9 Thời gian trễ  i thể trễ truyền sóng kênh đường lên thứ i Từ (18.11) đường bao phức thông thấp x(t) là: 48 x(t )   (t   i )e j  (t  i ) e j 2 fi  i e j 2 ( fi  f0 )t i 1 (18.12) Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 463 exp  j 2 ( f i  f o )kTs  Nguồn nhị phân Bộ điều chế QPSK Bộ lọc SQRC Bộ khuếch đại Hình 18.9: Máy phát thứ i (đường lên) Bộ lọc nhóm FDM 48 tín hiệu FDM đường lên Bộ lọc TW TA  Bộ lọc   Bộ lọc nhóm FDM TW TA TW TA Bộ lọc  Bộ lọc nhóm FDM Các búp điểm đường xuống tới trung tâm vùng Hình 18.10: Chi tiết hóa phát đáp vệ tinh Các tín hiệu đường lên lọc lọc đầu vào vệ tinh, thấy hình 18.10, tạo thành nhóm FDM thấy hình 18.8 Mỗi nhóm khuếch đại khuếch đèn sóng chạy cơng suất lớn TWTA Sau tín hiệu lọc lần để khử phổ băng méo điều chế ký sinh IM Mỗi nhóm sóng mang sau truyền từ vệ tinh tới trung tâm số liệu vùng qua búp sóng đường xuống với búp sóng gửi tới trung tâm vùng Để cung cấp công suất tối đa đường xuống, khuếch đại TWT hoạt động gần với điểm bão hịa Tuy nhiên, TWTA khuếch đại sóng mang FDM nên méo điều chế ký sinh IM ảnh hưởng đáng kể lên hiệu BER đường xuống Nhiễu kênh lân cận ACI nhân tố ảnh hưởng hiệu tuyến Mục đích nghiên cứu mô số đường xuống (gồm nhóm sóng mang FDM) từ vệ tinh tới trung tâm số liệu vùng đánh giá ảnh hưởng tạp âm nhiệt, méo điều chế ký sinh IM, ISI lọc ACI lên hiệu đường xuống 18.3.2 Mơ hình mơ tổng thể Mơ hình mơ minh hoạ hình 18.11 Tạo tín hiệu FDM cách xếp luồng bit nhị phân ngẫu nhiên lên ký hiệu QPSK, sau điều chế chúng tần số sóng mang tương ứng Các bước khởi tạo việc tạo mơ hình mô trường hợp sau: Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 464 Chuỗi xung kim QPSK Chuỗi xung kim QPSK Chuỗi xung kim QPSK Bộ lọc SQRC Bộ lọc SQRC Bộ lọc SQRC Bộ điều chế f c  f1 Bộ điều chế fc  f2 Bộ điều chế fc  f6 Bộ lọc IMUX Bộ khuyếch đại công suất cao (Mơ hình TWT) Bộ biến đổi xung kim thành xung Bộ lọc OMUX e  j 2 kf T s Bộ lọc SQRC x Bộ ước tính pha định thời y BER ước tính Bộ ước tính BER hàm Eb/N0 bán phân tích Hình 18.11: Mơ hình mơ hệ thống truyền thơng vệ tinh Lấy tỉ lệ tần số thời gian: Tốc độ ký hiệu chia tỷ lệ xích (10 ), nghĩa tốc độ ký hiệu chuẩn hoá thành ký hiệu/giây cho tất tốc độ tần số định rõ đơn vị Hz MHz đơn vị thời gian giây (s)  s Tần số tham chiếu để biểu diễn tương đương thông thấp: Biểu diễn tương đương thơng thấp tín hiệu phần tử hệ thống dùng mơ Sáu sóng mang FDM phân cách khoảng  f = 1,25 Hz Với mục đích mơ ta sử dụng tần số tham chiếu tương ứng với tần số trung tâm nhóm sóng mang cho tần số sóng mang (dịch) biểu diễn tương đương thông thấp là: f f1  , f   f1 f (18.13) f  f  , f5   f2 f f  f  , f6   f3 Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 465 Được minh hoạ hình 18.12 f6 f5 f4 f3 f2 f1 1,87 3,12 f (Hz) -3,75 -3,12 -1,87 -0,625 0,625 3,75 Hình 18.12: Biểu diễn tương đương thơng thấp sóng mang FDM Tốc độ lấy mẫu: Tốc độ lấy mẫu chọn dựa toàn độ rộng băng tần biểu diễn tương đương thơng thấp (được cho hình18.12) 3,75 Hz Theo đó, tốc độ lấy mẫu 16  3,75 = 60 thoả đáng Vì tốc độ ký hiệu ký hiệu/giây nguồn tín hiệu QPSK nên tốc độ lấy mẫu 64 mẫu ký hiệu chọn cho tất mô Phương pháp ước tính BER: Do tạp âm đường xuống tạp âm cộng, Gausơ máy thu tuyến tính, nên ta sử dụng ước tính bán giải tích Vì ta sử dụng ước tính BER QPSK bán giải tích đề cập chương 10 Thời gian mô phỏng: Với ước tính tỉ số lỗi bán giải tích, thời gian mô xác định số lượng ký hiệu cần thiết để mô ISI nhiễu kênh lân cận ACI Vì sử dụng lọc SQRC, nên ISI chủ yếu lọc ghép kênh đầu vào IMUX đầu OMUX băng rộng với đáp ứng tần số gần lý tưởng Do đó, khơng cần thiết phải mơ chuỗi đầu vào dài Ta chọn độ dài mô 512 ký hiệu 256 ký hiệu đầu dùng để hiệu chuẩn 256 ký hiệu lại dùng để ước tính BER bán giải tích Một tồn giá trị tham số mô thiết lập, ta tiến hành lập mơ hình mơ cho máy phát, lọc, khuếch đại phi tuyến, giải điều chế ước tính bán giải tích 18.3.3 Tạo tín hiệu FDM đường lên Nhóm sóng mang FDM đường lên từ trạm mặt đất mơ hình hóa tín hiệu đến từ trạm mặt đất có pha, trễ tương ứng với sóng mang Các tín hiệu thể cho lưu lượng tạo cách xắp xếp ký hiệu số liệu từ trạm mặt đất vào chòm QPSK, qua lọc SQRC điều chế tần số sóng mang tương ứng Thực thi lọc SQRC miền thời gian lọc FIR cách dùng phiên đáp ứng xung kim cắt xén lấy mẫu, cho bởi: cos  R     t    8 t  sin  R     t  hR  t    8   R 1  8 t     1 (18.14) Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 466 Trong R =  = 0,2 Đáp ứng xung kim cắt gọn khoảng thời gian ký hiệu Vì thực thi lọc cách dùng đáp ứng xung kim, nên ta đưa vào lọc chuỗi xung kim chuỗi xung Sáu tín hiệu sau lọc tạo thành nhóm FDM điều chế, cộng để tạo tín hiệu FDM đường lên (xem hình 18.11) Để thể trễ truyền sóng ngẫu nhiên từ trạm mặt đất tới vệ tinh, ta đưa lệch pha trễ thời gian cho sóng mang Các hoạt động tóm tắt sau: Tín hiệu QPSK thứ k định nghĩa là: N n  sk [n]    Ak m  jBk m      kTs   k  m 1  fs  (18.15) Trong Ak m Bk m thành phần đồng pha vuông pha đầu vào thứ k,  k  , Ts thời gian ký hiệu,  k thời gian trễ, N tổng số ký hiệu chuỗi, f s tần số lấy mẫu Tín hiệu lọc thứ k định nghĩa là: xk [ n]  sk [ n]  p[ n] (18.16) Trong p[n] đáp ứng xung kim lọc SQRC, xác định (18.14),  phép tích chập Tín hiệu điều chế thứ k định nghĩa là: yk [n]  ak  xk [n]  e  2 n f k  j k   fs  (18.17) Trong a k f k biên độ tần số sóng mang thứ k;  k thể lệch pha ngẫu nhiên Xác định tín hiệu FDM là: z[n]   yk [n] (18.18) k 1 18.3.4 Mô hình phát đáp vệ tinh Bộ phát đáp vệ tinh bao gồm: lọc ghép kênh đầu vào IMUX để cách ly nhóm nhóm sóng mang, khuếch đại TWT cho nhóm sóng mang FDM, lọc ghép kênh đầu OMUX Cần phải dịch phổ tần vệ tinh tần số đường xuống đường lên thường khác nhau, ta coi việc dịch phổ tần lý tưởng Thực thi lọc IMUX OMUX mô cách dùng lọc Butterworth bậc bốn có độ rộng băng tần dB Hz ISI lọc tối thiểu Dùng phần tử phi tuyến không nhớ PM-AM AM- AM có độ lợi đơn vị để mơ hình hóa khuếch đại TWT đề cập chương 12 Coi đặc tính PM-AM AM-AM cho dạng bảng, "độ lùi" tham số mơ hình Chương 18: Mơ hệ thống CDMA FDM đơn giản 467 18.3.5 Mơ hình máy thu ước tính BER bán giải tích Sáu sóng mang nhóm FDM giải điều chế riêng biệt máy thu trạm mặt đất trung tâm vùng Xét ước tính BER cho số sóng mang FDM giải điều chế sóng mang sóng mang cách dịch tần số, theo sau lọc SQRC thấy hình 18.13 Cần phải chuẩn pha chuẩn định thời để giải điều chế tách tín hiệu Chúng thực thi phân hệ đồng máy thu, ta không mô tường minh khối chức mà giả thiết đồng hoàn hảo AWGN đường xuống Bộ lọc SQRC băng tần sở Tín hiệu FDM (LPE) Lấy mẫu định exp   j 2 f i kTs  Hình 8.13: Mơ hình máy thu trạm mặt đất Vì máy thu tuyến tính tạp âm đường xuống tạp âm Gausơ cộng đầu vào máy thu, nên ta dùng ước tính tỉ số lỗi bán giải tích để ước tính ảnh hưởng ISI lọc ảnh hưởng khuếch đại phi tuyến gồm méo điều chế ký sinh IM tạp âm đường xuống Cần phải hoàn tất hiệu chuẩn trước ước tính tỉ số lỗi hàm Eb / N o đường xuống Các hoạt động bao gồm: Ước tính E b đầu vào máy thu cho sóng mang Lấy tương quan chéo dạng sóng vào/ra, ước tính lệch pha định thời từ hàm tương quan chéo Ước tính độ rộng băng tần tạp âm máy thu cách đưa xung kim vào máy thu, lấy bình phương cộng giá trị đáp ứng xung kim để đạt độ rộng băng tần tạp âm tương đương thiết kế theo (10.12) Làm trễ dạng sóng đầu vào cách thích hợp trước ước tính tỉ số lỗi 18.3.6 Các kết mơ Trong phần ta trình bày kết mô nhằm minh hoạ ảnh hưởng méo phi tuyến tạp âm Gausơ cộng lên hiệu BER hệ thống FDM Chương trình mô cho file NVD18_nlsat.m phụ lục 18A Mục đích mơ minh hoạ ảnh hưởng mơ hình TWT phi tuyến, ACI tạp âm cộng Các kết mô dạng đồ thị bao gồm: đồ thị mật độ phổ công suất PSD đầu vào/đầu mơ hình TWT, chịm tín hiệu minh hoạ ảnh hưởng phi tuyến BER tạp âm méo phi tuyến (Vì dùng ước tính BER bán giải tích nên tán xạ điểm quan sát chịm tín hiệu tính phi tuyến, ACI lọc gây Các ảnh hưởng tạp âm không bao gồm chịm Chương 18: Mơ hệ thống CDMA FDM đơn giản 468 tín hiệu) Ở đây, ta nghiên cứu chi tiết hai kết mô Bằng cách thay đổi biên độ sóng mang, khoảng cách sóng mang, độ lùi đầu vào TWT, cho phép dễ dàng khảo sát số ảnh hưởng khác a) Xác nhận tính hợp lệ ranh giới Cần phải đặc biệt lưu ý “kiểm tra tính đắn” mơ đường ranh giới cho khối chức mơ hình mô phương pháp luận tổng thể hợp lệ Trong tất mô đây, mô hình phương pháp luận trước, thay đổi giá trị tham số Theo đó, mơ tính hợp lệ đường ranh giới thiết lập độ tin cậy cho tất mô Điều thực cách dễ dàng cách mô cho kênh đơn đảm bảo mơ hình TWT hoạt động vùng tuyến tính Bằng cách đặt: 1, ak   0, k 1 k  2,3,4,5,6 (18.19) Hình 18.14: PSD đầu vào đầu mơ hình TWT (độ lùi đầu vào -20dB) Ta đảm bảo không xẩy ACI Bằng cách cho hoạt động với độ lùi đầu vào -20 dB cho phép bỏ qua méo phi tuyến độ rộng băng tần tín hiệu kênh Theo đó, thể rõ có ảnh hưởng tạp âm Gausơ cộng làm suy thoái hiệu kết (Lưu ý bỏ qua ISI lọc IMUX OMUX) PSD đầu vào đầu mơ hình TWT làm việc độ lùi –20 dB, minh hoạ hình 18.14 Thực có kênh hoạt động rõ ràng Ngồi ra, bỏ qua nở phổ điều chế ký sinh, minh hoạ cho TWT làm việc vùng gần tuyến tính Chương 18: Mơ hệ thống CDMA FDM đơn giản 469 Chịm tín hiệu khơng bị ảnh hưởng tạp âm minh hoạ nửa bên trái hình 18.15 Thấy rõ, chịm tín hiệu bị tán xạ minh chứng cho ảnh hưởng phi tuyến nhỏ, thể tồn ISI nhỏ Các điểm tín hiệu chịm tín hiệu sử dụng để tạo hiệu BER minh hoạ nửa bên phải hình 18.15 Lưu ý rằng, khác kết mô kết lý tưởng (lý thuyết) khơng đáng kể Vì vậy, mơ đường ranh giới hợp lệ Hình 18.15: Chịm tín hiệu ảnh hưởng phi tuyến BER tạp âm b) Ảnh hưởng tạp âm phi tuyến - sóng mang FDM Trong mơ này, biên độ sóng mang thứ năm đặt 0, biên độ tất sóng mang khác đặt (Sóng mang thứ chọn để tạo phổ có khoảng trống, ngồi ra, để đảm bảo kênh gây ACI đáng kể lên kênh hoạt động) Độ lùi đầu vào TWT đặt -5 dB, để minh hoạ hoạt động phi tuyến tức thời mơ hình TWT Nói cách khác, ta dùng tham số:  0, ak    1, ibo = -5 k 5 k  1,2,3,4,6 (18.20) (18.21) Phổ đầu vào/ra TWT minh hoạ hình 18.16 Lưu ý rằng, khoảng trống PSD đầu vào vị trí phổ xác định f5 PSD đầu TWT cho thấy tính phi tuyến gây méo điều chế ký sinh IM dẫn đến làm lấp đầy khoảng trống phổ Hiện tượng "làm đầy" gọi gia tăng phổ nguồn gây lỗi chủ yếu hệ thống FDM làm việc có tính phi tuyến Để rõ hơn, ta nên chạy lại mô với độ lùi đầu vào TWT 20 dB, TWT hoạt động khuếch đại gần tuyến tính gia tăng phổ giảm nhẹ đáng kể Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 470 Hình 18.16: PSD đầu vào đầu mơ hình TWT (độ lùi đầu vào -5dB) Các ảnh hưởng ISI, ACI, tạp âm méo TWT minh hoạ hình 18.17 Chịm tín hiệu, minh hoạ tán xạ điểm chủ yếu ảnh hưởng phi tuyến (do dùng độ lùi mơ hình TWT nhỏ), minh hoạ nửa bên trái hình 18.17 Bộ ước tính BER bán giải tích dùng điểm tín hiệu để xác định BER toàn hệ thống, minh hoạ nửa bên trái hình 18.17 Thấy rõ ảnh hưởng thiết bị phi tuyến làm suy thối hiệu BER Hình 18.17: Chịm tín hiệu BER (độ lùi đầu vào -5dB chòm tín hiệu Eb/N0 = 8dB) ... tương ứng giá trị Eb / N xử lý cho N = 200000 ký hiệu Chương trình Matlab để Chương 18: Mơ hệ thống CDMA FDM đơn giản 457 chạy mô hiệu chuẩn NVD18cdmacal Lưu ý rằng, NVD18cdmacal chứa chương trình. .. lý NVD18cdmaK.m (trong chương trình chứa NVD18cdmasim) dùng để tạo kết Chương 18: Mô hệ thống CDMA FDM đơn giản 458 cho Phụ lục 18A Đoạn hội thoại dùng để nhập tham số đầu vào chương trình. .. Sau chạy chương trình NVD18cdmahmm1.m kết lưu file liệu có tên cdmadata1 thư mục Work Chương trình thứ 2: NVD18cdmahmm2.m Chương 18: Mơ hệ thống CDMA FDM đơn giản 460 Trong chương trình thứ