KỸ THUẬT TRẢI PHÔ đa SÓNG MANG MC CDMA

TRUỒNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ẤN TÓT NGHIỆP Họ tên sinh viên: số hiệu sinh viên: Nhận xét cản hộ phản hiện: ĐỒ ÁN TÓT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đe tài: KỸ THUẬT TRẢI PHÔ ĐA SÓNG MANG MC-CDMA SVTH: NGUYỄN SỲ HÀO LỚP: 49KĐTVT NGHỆ AN, 01 -2013 11 MỤC L ỤC LỜI GIỚI THIỆU V TÓM TẮT ĐỒ ÁN vi DANH MỤC BẢNG BIÊU vii DANH MỤC HÌNH VẼ .viii DAH MỤC CHỪ CÁI VIẾT TẮT xi CHƯƠNG I KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN .1 1.1 Các tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền .1 1.2 C ác dạng kênh truyền 1.2.1 Kênh truyền chọn lọc tần số kênh truyền không chọn lọc tần số 1.2.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian kênh truyền không chọn lọc thời gian 1.3 Nhiễu xuyên ký tự ISI nhiễu đồng kênh ICI 1.3.1 Nhiễu xuyên ký tự 1S1 1.3.2 Nhiễu đồng kênh ICI CHƯƠNG II KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHĨA THEO MẢ 2.1 Kỹ thuật trải phô 2.1.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS-BPSK 2.1.2 Chuồi mã giả ngẫu nhiên PN .9 2.2 Công nghệ CDMA 10 2.2.1 Nguyên lý hoạt động CDMA .10 2.2.2 Vấn đề nhiễu gần xa hệ thống DS-CDMA 11 CHƯƠNG III GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRựC GIAO 12 3.1 Giới thiệu 12 3.2 Tính trực giao 12 3.2.1 Định nghĩa 12 3.2.2 Nguyên lý 13 3.3 Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM 14 3.3.1 Mô tả toán học tín hiệu OFDM 14 3.3.2 So đồ hệ thống truyền dẫn OFDM .16 iii CHƯƠNG IV KỸ THUẬT TRẢI PHỔ ĐA SÓNG MANG (MCCDMA) 22 4.1 Nguyên lý chung MC-CDMA .22 4.2 MC-CDMA .23 4.2.1 Cấu trúc tín hiệu 23 4.2.2 Tín hiệu hướng xuống 24 4.2.3 Tín hiệu hướng lên .25 4.2.4 Các kỹ thuật điều chế trải phổ MC-CDMA 26 4.2.5 Kỹ thuật tách tín hiệu 32 4.2.6 Tiền cân .38 4.2.7 Phân tích tính .43 4.3 MC-DS-CDMA 54 4.3.1 Cấu trúc tín hiệu 54 4.3.2 Tín hiệu đường xuống 56 4.3.3 Tín hiệu đường lên 57 4.3.4 Trải phổ 57 4.3.5 Các kỹ thuật tách 58 4.3.6 Phân tích đặc tính .58 4.4 So sánh MC-CDMA MC-DS-CDMA 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 KÉT LUẬN 64 IV Cụm từ trải phô đa truy nhập MC-CDMA ngày biết tới nhiều Được mắt từ năm 1993 với ý tưởng kết hợp CDMA OFDM đế tạo kỹ thuật với nhiều khả vượt trội so với nhiều kỹ thuật khác giới Hiện số lượng thiết bị số phát triển cách nhanh chóng, đòi hỏi phải có kỹ thuật thay kỹ thuật cũ không đáp ứng nhu cầu, MC-CDMA biết tới nhiều Là kỳ sư Điện tử viễn thông, xuất phát từ vấn đề em định lựa chọn đề tài “Kỳ thuật trải phố đa sóng mang MC-CDMA” đế nắm bắt hiếu rõ tính ưu việt MCCDMA Nhằm tạo cho người định hướng tốt ứng dụng thực tiễn Nội dung đồ án bao gồm chương: Chương Giới thiệu sơ qua mô hình kênh vô tuyến, chương Đánh giá công nghệ CDMA, chương Nêu rõ đặc diêm OFDM, chương Phân tích rõ đặc tính MC-CDMA, phân loại, so sánh loại MC-CDMA MC-CDMA với kỹ thuật khác Do tầm hiếu biết hạn chế thời gian nghiên cứu nhiều hạn chế, đề tài không tránh khỏi sai sót Em mong nhận góp ý từ quý thầy cô bạn bè nội dung đề tài Em xin cám ơn cô giáo Nguyễn Thị Quỳnh Hoa người trực tiếp hướng dẫn tận tình, giúp em thực hoàn thành đồ án cách suôn sẻ nhất! Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Điện tử viễn thông trường V TÓM TẮT ĐÓ ẨN Đồ án trình bày kỳ thuật trải phô đa sóng mang (MC-CDMA) kỹ thuật kết hợp ưu điếm hai kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Kỳ thuật MC-CDMA có khả truyền liệu tốc độ cao, tính bền vững với fading chọn lọc tần số, sử dụng băng thông hiệu quả, tính bảo mật cao giảm độ phức tạp hệ thống.Những vấn đề trình bày đồ án bao gồm kênh truyền vô tuyến, OFDM CDMA để làm tiền để phân tích, so sánh đánh giá ưu nhược điểm so ABSTRACT This project presents a spread spectrum technique multi-carrier (MC-CDMA) is a technique combining the advantages of the two techniques by multiplexing orthogonal frequency division multiple access OFDM and CDMA code MCCDMA technique capable of high-speed data transmission, sustainability with írequency selective fading, efficient bandwidth utilization, high security and reduce the complexity of the System thong.Nhung matters set shown in the scheme include radio channels, OFDM and CDMA to make money for the analysis, comparison and evaluation of the technical advantages and disadvantages compared with MC- VI DANH MỤC BẢNG BIÊU Bảng 4.1 Các giới hạn PAPR tín hiệu MC-CDMA đường lên 29 Bảng 4.2 Các thông số hệ thống MC-CDMA .44 Bảng 4.3 Các thông số hệ thống MC-CDMA TDD đường lên với tiền cân .52 Bảng 4.4 So sánh đặc trưng MC-CDMA MCDS-CDMA 62 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hiệu ứng đa đường Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số Hình 1.3 Kênh truyền không chọn lọc tần số Hình 2.1 Trải phổ DS/SS - BPSK Hình 2.2 Dạng sóng tín hiệu DS/SS Hình 2.3 Quá trình giải trải phổ DS/SS - BPSK Hình 2.4 Phổ sóng mang điều chế trải phổ không trải phố hệ 10 Hình 2.5 Hàm tương quan chuồi PN 12 Hình 2.6 Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã với 10 thuê bao di động 11 Hình 3.1 Hình dạn phố tín hiệu OFDM băng tần sở năm sóng mang, hiệu phổ tần OFDM so với FDM 14 Hình 3.2 Phố tống họp tín hiệu OFDM băng tần sở với năm sóng mang 14 Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM .16 Hình 3.4 Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hóa Gray, tín hiệu 16-ỌAM truyền qua kênh vô tuyến, SNR=18dB .18 Hình 3.5 Tầng IFFT tạo tín hiệu OFDM 18 Hình 3.6 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần sở sử dụng kỳ thuật tương tự 19 Hình 3.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần sở sử dụng kỳ thuật số 19 Hình 3.8 Dạng sóng tín hiệu OFDM miền thời gian 20 Hình 3.9 Tín hiệu OFDM dịch DC .21 Hình 4.1: Sơ đồ khối mô hình hệ thống MC-CDMA 22 Hình 4.2 Tạo tín hiệu MC-CDMA 24 Hình 4.3 Bộ phát MC-CDMA hướng xuống .25 Hình 4.4 Trải phố chiều hai chiều 31 Hình 4.5 Biểu đồ quay pha dãy trải phổ Hadamard 32 Hình 4.6 Bộ thu MC-CDMA thuê bao .33 viii Hình 4.7 Tách đơn người dùng MC-CDMA 34 Hình 4.8 Bộ phát OFDM MC-CDMA có tiền cân 38 Hình 4.9 Mã hóa giải mã kênh hệ thống MC-CDMA .42 Hình 4.10 Quan hệ BER SNR hệ thống MC-CDMA với cáckỹ thuật tách đa người dùng khác nhau; không mã hóa FEC, QPSK, fading Rayleigh .45 Hình 4.11 Quan hệ BER SNR hệ thống MC-CDMA với kỳ thuật tách đơn người dùng khác nhau; không mã hóa FEC, QPSK, fading Rayleigh .46 Hình 4.12 Quan hệ BER SNR hệ thống MC-CDMA với kỳ thuật tách đơn người dùng khác nhau; mã hóa kênh R= #, QPSK, fading Rayleigh .47 Hình 4.13 Quan hệ BER SNR hệ thống MC-CDMA với kỹ thuật tách đa người dùng khác nhau; hệ thống đủ tải, mã hóa kênh tốc độ R= 1/2, QPSK, fading Rayleigh .48 Hình 4.14 Quan hệ BER SNR hệ thống MC-CDMA với kỹ thuật ánh xạ khác nhau; hệ thống đủ tải, mã hóa kênh tốc độ R= 2/3, fading Rayleigh 49 Hình 4.15 Quan hệ hiệu sử dụng phố MC-CDMA OFDM; hệ thống đủ tải, fading Rayleigh, BER = 10"4 50 Hình 4.16 Quan hệ BER với SNR cho hệ thống MC-CDMA đường lên; MRC, không mã hóa FEC, QPSK, L=8, fading Rayleigh 51 Hình 4.17 Quan hệ BER với SNR cho hệ thống MC-CDMA với kỳ thuật tiền cân khác đường lên; đủ tải, không mã FEC 52 Hình 4.18 Quan hệ BER với SNR cho hệ thống MC-CDMA với kỳ thuật tiền cân có điều khiển độ dài khung khác đường lên; đủ tải, không mã FEC 53 Hình 4.19 Quan hệ BER với SNR cho hệ thống MC-CDMA với kỹ thuật tiền cân có điều khiển tải hệ thống khác đường lên; độ dài khung 200 ký hiệu OFDM, không mã FEC .54 Hình 4.20 Bộ phát MC-DS-CDMA 55 Hình 4.21 Bộ tách tương quan MC-DS-CDMA 59 Hình 4.22 Quan hệ BER với SNR hệ thống MC-DS-CDMA với mã trải phổ khác kỹ thuật tách khác nhau; đường lên đồng bộ, K= IX Hình 4.23 Quan hệ BER với SNR cho hệ thống MC-DS-CDMA với tải khác nhau; đường lên đồng bộ, mã Walsh-Hadamard, MRC, ỌPSK, íading COST 207 XI X xii B E R Hình 4.13 Quan hệ BER SNR hệ thống MC-CDMA với kỹ thuật tách đa 48 Hình 4.14 Quan hệ BER SNR hệ thống MC-CDMA với kỳ thuật ánh xạ khác nhau; hệ thống đủ tải, mã hóa kênh tốc độ R= 2/3, fading Rayleigh Cuối cùng, quan hệ hiệu sử dụng phổ MC-CDMA với IC mềm OFDM (OFDMA, MC-TDMA) với SNR biểu diễn hình 4.14 Các kết nhận cho mã hoá tốc độ 1/3, 1/2, 2/3 4/5 biếu diễn với BER 10-4 đường cong hình 4.15 cho thấy hệ thống MC-CDMA với IC mềm cho đặc tính vượt trội so với OFDM (OFDMA,MC-TDMA): Từ ta 49 Hình 4.15 Quan hệ hiệu sử dụng phổ MC-CDMA OFDM; hệ thống đủ tải, fading Rayleigh, BER = 10‘4 4.2.7.3 Đường lên đồng Các thông số dùng đường lên đồng giống đường xuống 50 Bảng 4.3 Các thông số hệ thống MC-CDMA TDD đường lên với tiền cân khác nghiên cứu công trình liệt kê phần tham khảo Ớ đường lên, đặc tính MLSE MLSSE xấp xỉ gần với giới hạn đon người dùng (đường cong người dùng hình 4.17) mã Walsh-E[adamard không xếp chồng trực giao tận dụng tối đa phân tập Suy giảm đặc tính hệ thống MC-CDMA đủ tải với MLSEIMLSSE so với giới hạn đon người dùng khoảng dB SNR Thêm vào đó, kỹ thuật tách đơn người dùng cận tối un MR C □—□ EGC 0—Đ ZF HT4 r 0—0 CE, ath = 0.175 A—A Quasi MMSE 10 12 E h ỈN () in dB Hình 4.16 Quan hệ BER với SNR cho hệ thống MC-CDMA đường lên; Hình 4.17 Quan BER hệ thống với kỳ thuật M R Chệ, không mãvới hóaSNR FEC,cho ỌPSK, L=8,MC-CDMA fading Rayleigh tiền cân khác đường lên; đủ tải, không mã FEC 51 52 cân có điều khiển với ngưỡng ath = 0,175 vượt trội so với kỹ thuật tiền cân khác Khi giả thiết thông tin kênh hướng lên tiền cân không xuất phần đầu khung truyền dẫn, đặc tính hệ thống suy giảm tăng chu kỳ khung thay đối mặt thời gian kênh Thông thường, phần Hình 4.18 Quan hệ BER với SNR cho hệ thống MC-CDMA với kỹ thuật 53 Trong hình 4.19, đặc tính hệ thống MC-CDMA với tiền cân có điều Hình 4.19 Quan hệ BER với SNR cho hệ thống MC-CDMA với kỹ thuật tiền cân có điều khiến tải hệ thống khác đường lên; độ dài khung 200 ký hiệu OFDM, không mã FEC 4.3 MC-DS-CDMA 4.3.1 cấu trúc tín hiệu Tín hiệu MC-DS-CDMA tạo biến đối ký hiệu liệu từ nối tiếp sang song song thành Nc dòng ký hiệu áp dụng DS-CDMA dòng ký hiệu Như vậy, với MC-DS-CDMA, 54 ký hiệu liệu trải băng tần hẹp fading kênh xuất phắng hệ thống với kênh băng rộng fading chọn lọc tần số kênh Fading toàn băng tần truyền dẫn có thê chọn lọc tần số hai trường hợp Độ phức tạp thu với íading phang kênh so sánh với thu hệ thống MC-CDMA, OFDM áp dụng cho điều chế đa sóng mang Khi fading kênh chọn lọc tần số ISI xảy ra, áp dụng nhiều tách phức tạp MC-DS-CDMA đặc biệt quan tâm cho đường lên hệ thống thông tin di động, có quan hệ gần với hệ thống DS-CDMA đon sóng mang không đồng Mặt khác, đồng người dùng tránh được, thế, hiệu sử dụng phố bị giảm tính không đồng Hình 4.20 biểu diễn trình hình thành tín hiệu MC-DS-CDMA Tốc độ ký Hình 4.20 Bộ phát MC-DS-CDMA 55 Dạng xung chip cho P T (t) Đế mô tả tín hiệu MC-DS-CDMA, ta dùng cách biểu diễn thời gian liên tục, MC-DS-CDMA quan tâm cho đường lên không đồng Ớ đây, kỹ thuật OFDM không thiết phải lựa chọn thực phưong thức điều chế đa sóng mang Chu kỳ chip dòng liệu là: NT T ( L = T = ) — Với MC-DS-CDMA, chu kỳ ký hiệu trải L ký hiệu đa sóng mang, mồi ký hiệu có chu kỳ Ts Dãy giá trị phức nhận sau trải phố Nc-I x[...]... tin hiệu ban đầu [5] 4.2 MC- CDMA 4.2.1 cấutrải trúcphổ tín hiệu Tín hiệu đa sóng mang nhận được sau khi điều chế các thành phần s,(k), 1=0, , L-l, song song trên L sóng mang phụ Với trải phố đa sóng mang, mỗi ký hiệu dữ liệu được trải trên L sóng mang phụ Trong các trường họp khi số sóng mang phụ bằng chiều dài mã trải phô L, chu kỳ ký hiệu OFDM với trải phố đa sóng Tín hiệu MC- CDMA về cơ bản là sự kết... dụng cao của OFDM Vecto r 4.2.4 Các kỹ thuật điểu chế trải phổ trong MC- CDMA Bao gôm K vecto người sử dụng: (4.13) (4.14) Các kỹ thuật trải phố trong hệ thống MC- CDMA phân biệt với nhau bởi mã trải phố và kiểu trải phổ Bên cạnh nhiều mã trải phố khác nhau, người ta còn sử dụng nhiều cách khác nhau đê ánh xạ mã trải pho theo hướng thời gian hoặc tần số vào tín hiệu MC- CDMA Ngoài ra, còn có phương pháp... tín hiệu DS -CDMA với mang với trải phô đa sóng mang bao gồm cả khoảng bảo vệ bằng: OFDM Mồi chip của dãy giả ngẫu nhiên PN được ánh xạ trên một sóng mang con Ts=Tg+LTc Như vậy, không giống với tín hiệu DS -CDMA truyền thống, với MS -CDMA các K-l chip của một ký hiệu dữ liệu được phát song song trên các sóng mang con số lượng các User tích cực đồng thời trong hệ thống thông tin di động MC- CDMA là K C(k)ìT... mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu 3 4 CHƯƠNG II KỸ THUẬT ĐA TR UY NHẬP PHÀN CHIA THEO MẪ 2.1 Kỹ thuật trải phô Kỹ thuật trải phổ là một kỹ thuật truyền dẫn trong đó một mã giả nhiễu ngẫu nhiên (Pseudo-Noise) được điều chế (spreading) thành một dạng sóng có mức năng lượng trải ra trên băng thông lớn hơn nhiều so với băng thông của thông tin Thông thường, độ rộng... tối đa ( giá tối đa của K chính là L) £(k) - e-j2/rtk/L (4.16) Do đó, nếu phương pháp trải phổ Fourier được áp dụng vào hệ thống MCCDMA, biến đổi FFT dùng cho bộ trải phổ và biền đổi IFFT của khối OFDM sẽ trung hòa lẫn nhau nếu kích thước của FFT va IFFT là bằng nhau, nghĩa là quá trình trải phố được thực hiện trên tất cả các sóng mang phụ Ket quả là hệ thống trên trở thành các hệ thống đơn sóng mang, ... phân phối mỗi tín hiệu thông tin riêng biệt vào các sóng mang con khác nhau Các tín hiệu OFDM được tạo ra từ tống của các hàm sin tương ứng với mỗi sóng mang Tần số băng tần cơ sở của mỗi sóng mang con được chọn là một số nguyên lần của tốc độ ký hiệu, kết quả là toàn bộ các sóng mang con sẽ có tần số là số nguyên lần của tốc độ ký hiệu Do đó các sóng mang con là trục giao với nhau 13 Phổ ỉín hiệu FDM... (đầu vào của IFFT) Hầu hết các sóng mang con đều mang dữ liệu Các sóng mang con vùng ngoài không mang dữ liệu được đặt bằng 0 3.3.2.4 Tầng điều chế sóng mang RF Hình 3.6 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở sử dụng kỹ thuật tương tự 19 Hình 3.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở sử dụng kỳ thuật số Hình 3.8 mô tả dạng sóng Tút trong miền thời gian thời củagiun một tín hiệu OFDM số... sự kết hợp giũa CDMA và OFDM dẫn đến việc ra đời của ba mô hình đa truy nhập mới bao gồm: mô hình MC- CDMA, mô hình MC- DS- Hình 4.1 Sơ đồ khối mô hình hệ thống MC- CDMÀ 22 C L-1 / Theo sơ đồ trên hình 4.1 Luồng dữ liệu vào có tốc độ cao đuợc chia thành p luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp hơn Mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phô với các chuỗi mã ngẫu nhiên PN Tín hiệu sau khi trải pho được... điều chế được dùng và số lượng sóng mang con Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của 16-QAM thì mối sóng 1617 Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệu người dùng lên các sóng mang con, bằng cách sử dụng một so đồ điều chế biên độ và pha Việc sắp xếp điều mang con đối với 16-QAM được hình 3.4, mỗi Biểu chế đồ ỈQsóng cho 16-QAM Biêu đó IQ cho cho như 16-QAM •1 0 Phần thụr a) Hình... suất phía phát và 12 Neu ký hiệu của sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là Sj(t) và Sj(t) Đe đảm bảo trục giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thỏa mãn điều kiện sau: 2 { Si(t)Sj(t)dt *í Sk(t) = r M=j |o,i * j e'J2'“lt),k = l,2, ,N 0,^ (3.1) Trong đó (3.2) Af = — là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian, N là số các sóng mang con và N Af là băng thông truyền ... L sóng mang phụ Với trải phố đa sóng mang, ký hiệu liệu trải L sóng mang phụ Trong trường họp số sóng mang phụ chiều dài mã trải phô L, chu kỳ ký hiệu OFDM với trải phố đa sóng Tín hiệu MC- CDMA. .. án trình bày kỳ thuật trải phô đa sóng mang (MC- CDMA) kỹ thuật kết hợp ưu điếm hai kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Kỳ thuật MC- CDMA có khả truyền... KỸ THUẬT ĐA TR UY NHẬP PHÀN CHIA THEO MẪ 2.1 Kỹ thuật trải phô Kỹ thuật trải phổ kỹ thuật truyền dẫn mã giả nhiễu ngẫu nhiên (Pseudo-Noise) điều chế (spreading) thành dạng sóng có mức lượng trải