Tìm hiểu và mô phỏng hệ thống MC CDMA bằng công cụ MATLAB

Tìm hiểu và mô phỏng hệ thống MC CDMA bằng công cụ MATLAB

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Độc lập - Tự - Hạnh phúc Hà Nội, ngày , tháng , năm 20 BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG TÌM HIỂU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MC-CDMA BẰNG CÔNG CỤ MATLAB A – LỜI NÓI ĐẦU Trong xã hội đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin nhu cầu thiết yếu Các hệ thống thông tin di động đời tạo cho người khả thông tin lúc, nơi Nhu cầu ngày lớn nên số lượng khách hàng sử dụng thông tin di động ngày tăng, mạng thông tin di động mở rộng ngày nhanh Chính vậy, cần phải có biện pháp tăng dung lượng cho hệ thống thông tin di động có Hệ thống CDMA đời chứng tỏ khả hỗ trợ nhiều user so với hệ thống trước Hơn nữa, so với hai phương pháp đa truy nhập truyền thống phân chia theo tần số FDMA phân chia theo thời gian TDMA phương pháp truy nhập phân chia theo mã CDMA có đặc điểm trội: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền liệu với tốc độ khác Tuy nhiên, tương lai, nhu cầu dịch vụ số liệu ngày tăng, mạng thông tin di động không đáp ứng nhu cầu vừa vừa nói chuyện mà phải cung cấp cho người sử dụng dịch vụ đa dạng khác truyền liệu, hình ảnh video Chính vậy, vấn đề dung lượng tốc độ cần phải quan tâm Trong năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), kỹ thuật điều chế đa sóng mang, sử dụng rộng rãi ứng dụng vô tuyến hữu tuyến Ưu điểm OFDM khả truyền liệu tốc độ cao qua kênh truyền chọn lọc tần số, tiết kiệm băng thông, hệ thống phức tạp việc điều chế giải điều chế đa sóng mang giải thuật IFFT FFT Để đáp ứng nhu cầu ngày cao người sử dụng, ý tưởng kỹ thuật MC-CDMA đời, dựa kết hợp CDMA OFDM MC-CDMA kế thừa tất ưu điểm CDMA OFDM: tốc độ truyền 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 Chính vậy, MC-CDMA ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động tương lai B – NỘI DUNG CHƯƠNG I-TÌM HIỂU HỆTHỐNG MC-CDMA Hệ thống MC-CDMA kết hợp hệ thống CDMA OFDM, dựa nguyên lý đó, chúng em phân chia tìm hiểu sơ đồ nguyên lý hoạt động CDMA OFDM đạt kiến thức cần thiết để nắm lý thuyết MC-CDMA Hệ thống CDMA trải phổ CDMA I Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động hệ thống CDMA (xét hệ thống DSSS-BPSK Giới thiệu CDMA viết đầy đủ la Code Division Multiple Access, tức đa truy cập phân chia theo mã Trong TDMA – time division multiple access phân chia truy cập kênh truyền theo thời gian, FDMA – frequency-division multiple access phân chia truy cập thep tần số Còn hệ thống CDMA người dùng truy nhập đồng thời dại tần Các kênh thuê bao tách biệt cách sử dụng mã hóa ngẫu nhiên Các tín hiệu người khác mã hóa mã ngẫu nhiên khác nhau, sau sau trộn lẫn phát giải tần chung phục hồi thiết bị thu có mã ngẫu nhiên tương ứng Áp dụng lí thuyết truyền thông tải phổ, CDMA đưa hang loạt ưu điểm mà nhiều công nghệ khác chưa thể đạt Lý thuyết CDMA xây từ năm 1950 áp dụng thông tin quân từ năm 1960 Cùng phát triển công nghệ bán dẫn lý thuyết thông tin năm 1980, CDMA thương mại hóa vào năm 1990 thu nhiều thành tựu lớn 1.2 Kỹ thuật trải phổ Đặc điểm hệ thống thông tin trải phổ phổ tín hiệu mở rộng hang trăm lần trước phát Một hệ thống coi hệ thống thông tin trải phổ thỏa mãn hai yêu cầu sau : Tín hiệu truyền chiếm độ rộng băng truyền dẫn lớn nhiều bề rộng băng thông tần tối thiểu cần thiết để truyền thông tin • Việc trải phổ tín hiệu thực nhờ mã độc lập với số liệu • Với tín hiệu có độ rộng băng tần W (Hz) khoảng thời gian tồn T phân lượng phổ 2WT Để tăng phân lượng phổ thực hai cách tăng độ rộng băng tần tăng khoảng thời gian T Khi tăng độ rộng băng tần W có nghĩa mở rộng phổ tần tín hiệu trước phát đi, có nhiều cách thực hiên khác có hai phương pháp trải phổ dãy trực tiếp (DSSS) trải phổ nhảy tần Khi tăng khoảng thời gian, có nghĩa khối bit số liệu nén phát ngắt quãng hay nhiều khe thời gian khung chứa số lượng lớn khe thời gian Mỗi mẫu nhảy thời gian xác định khe thời gian sử dụng để truyền dẫn khung Do vậy, nói khối bit bị trải theo thời gian phương pháp gọi trải phổ theo thời gian (THSS) Trong khuôn khổ tập lớn cảu chúng em, chúng em xin sâu vào nghiên cứu hệ thống trải phổ theo phương pháp trải phổ trực tiếp trinh bày sau : Hệ thống trải phổ trực tiếp a) Giới thiệu hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct Sequence Spreading Spectrum) Tín hiệu DSSS nhận điều chế (nhân) tin tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng Tích trở thành tín hiệu băng rộng Hệ thống DS hệ thống biết đén nhiều hệ thống thông tin trải phổ Chúng có dạng tương đối đơn giản chúng không yêu cầu tính ổn định nhanh tốc độ tổng hợp tần số cao Trong hệ thống trải phổ trực tiếp nghiên cứu máy phát máy thu cho hệ thống DSSS sử dụng khóa chuyên pha số (BPSK) khóa chuyển pha vuông góc (QPSK) Trong hệ thống DSSS, tín hiệu liên tục theo thời gian đựơc gọi tín hiệu PN tạo từ chuỗi PN dùng để trải phổ Giả thiết chuỗi PN số hai, nghĩa c(i) = +1(hoặc -1), tín hiệu PN : c(t) = ∑ci PTc(t - iTc) Trong : Ci gọi la chip khoảng thời gian Tc giây giọ thời gian chip Lưu ý tín hiệu PN có chu kỳ NTc Ví dụ N = 15 ci = {1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1} Ta có tín hiệu trải phổ sau : ) Hệ thống DSSS-BPSK  Máy phát DSSS-BPSK Sơ đồ khối cảu máy phát DSSS sử dụng BPSK : Ta biểu diễn số liệu hay tin nhận giá trị hay -1 sau : Trong dk(i) = (hoặc -1) bít số liệu thứ I T b độ rộng cảu bít số liệu (tốc độ số liệu 1/Tb bit/s) Tín hiệu dk(t) trải phổ tín hiệu PN c(t) cách nhân hai tín hiệu với Tín hiệu nhận d(t)c(t) sau điều chế cho song mang sử dụng BPSK, kết cho ta tín hiệu DSSS-BPSK xác định theo công thức : Trong Eb ăng lượng bit cảu song mang, T b độ rộng bit, f=c tần số mang ø pha ban đầu cảu song mang Ví dụ N = Các tín hiệu thể hình vẽ sau  Máy thu DSSS-BPSK Sơ đồ khối máy thu DSSS – BPSK Mục đích máy thu lấy tin d k(t) từ tín hiệu thu bao gồm tin hiệu phát cộng với tạp âm Do tồn trễ truyền lan nên tín hiệu thu : Trong Ebr la lượng trung bình sóng mang bít n(t) tạp âm Giả thiết tạp âm Tín hiệu thu trải phổ để giảm băng tần rộng vào băng tần hẹp Sau giải điều chế để nhận tín hiệu băng gốc Để trải phổ tín hiệu thu nhân với tín hiệu đồng PNc(t - T) tạo máy thu Tín hiệu nhận tín hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần theo Nyquist 1/Tb Để giải điều chế ta giả thiết máy thu biết pha tân số cắt điểm khởi đầu bit Một giải điều chế BPSK bao gồm tương quan, hai lọc phối hợp sau thiết bị đánh giá ngưỡng Để tách bít số liệu thứ i : Kết qủa cho qua đánh giá ngưỡng với 0, ta đầu với số hai hay -1 Tín hiệu PN đóng vai trò mã biết trước máy phát lẫn máy thu chủ định Vì máy thu chủ định biết trước mã nên trải phổ tín hiệu SS để nhận tin Mặt khác máy thu không chủ định mã thu ma nhiễu Thông thường máy thu biết tần số mang f c nên tạo cách sử dụng dao đọng nội tần số sóng mang, tần số gần với f c theo dõi tần số xác mạch vòng nối tiếp Ta khảo sát cách ngắn gọn ảnh hưởng sai pha sóng mang sai pha sóng mã máy thu Giả thiết máy thu sử dụng thay cho cho giải điều chế sử dụng c(t – T’) làm tín hiệu PN nội, nghĩa sóng mang có sai pha у tín hiệu PN có sai pha T – T’ ta có : |Zi | cực đại y = T = T’ Nếu |T – T’| > T c hay y = П/2 thi Zi = máy thu vô dụng Ngoài truòng hợp tỉ số tín hiệu tạp âm nhỏ dẫn tới xác xuất lỗi cao Tuy nhiên hoạt động tốt có sai pha y nhỏ Kỹ thuật trải phổ dùng hệ thống Giới thiệu chung mã trải phổ Trong hệ thống thông tin trải phổ việc kết hợp tín hiệu với mã trải phổ cho tín hiệu phát có biểu giống tạp âm Như mã trải phổ đóng vai trò quan trọng hệ thống trải phổ, mã trải phổ lựa chọn cho hệ thống thông tin trải phổ phải có tính trực giao cao, giống tạp âm cho phép tạo nhiều mã cho nhiều người sử dụng khác Từ lý thuyết xác suất ta biết chuỗi ngẫu nhiên số hai độc lập chuỗi Bernoulli tài liệu kỹ thuật thường gọi chuỗi tung đồng xu với ‘0’ ‘1’ tương ứng với kết cục ‘ ngửa’ ‘xấp’ thí nghiệm tung đồng xu độc lập Ngay sử dụng chuỗi ngẫu nhiên đơn giản ta cần nhớ lớn máy phát máy thu Tuy nhiên ta bắt thuộc tính ‘ngẫu nhiên’ quan trọng chuỗi Bernoulli thao tác tuyến tính đơn giản đặc tả số lượng thông số số hai ( bit) không lớn ( hàng chục) Như biến ngẫu nhiên điểm khởi đầu chuỗi Trước nghiên cứu trình tạo chuỗi ‘giả ngẫu nhiên’ ta cần đặc tả thuộc tính ngẫu nhiên quan trọng mà chuỗi định phải đạt Theo Sol Golomb, ba tính chất quan trọng định phải đạt là: Thứ nhất: Tần suất tương đối ‘0’ ‘1’ 1/2 Thứ hai : Độ dài đoạn chạy ( không một) giống kỳ vọng thí nghiệm tung đồng xu: 1/ có độ dài 1, 1/4 có chiều dài 2, 1/8 có chiều dài 3…., 1/2n có chiều dài n với n hữu hạn Thứ ba: dịch chuỗi ngẫu nhiên số lượng khác không phần tử chuỗi nhận có số lượng phần tử giống số lượng phần tử khác giống chuỗi gốc Một chuỗi tạo theo cách tất định thoả mãn điều kiện từ đến nói với độ phân tán nhỏ gọi chuỗi giả ngẫu nhiên hay giả tạp âm ( PN: Pseudo Noise) Nhiệm vụ chuỗi giả ngẫu nhiên: Trải phổ băng rộng có tín hiệu sóng mang điều chế tới độ rộng băng truyền dẫn lớn nhiều Phân biệt tín hiệu người sử dụng khác sử dụng băng tần truyền dẫn phương thức đa truy nhập Dãy PN dãy ngẫu nhiên, xem ngẫu nhiên tất người lại trừ người phát người thu .4 Tạo mã giả ngẫu nhiên Vì -1 = 1(mod 2) Với xk thể đơn vị trễ, phương trình hồi qui xác định kết nối hồi tiếp mạch ghi dịch số hai hình 2.1 Xung hồ i Hình 2.1 Mạch 10 Với lưu ý 11 phép cộng modul 12 đóng, tương ứng lại gi 13 14 điều chế hai pha tiếp theo, 15 phải biến đổi vào 16 Thanh ghi dịch 17 hạn có m phần tử nhớ Vì 18 -1 chu kỳ cực đại 19 20 Xem xét hình vẽ 21 phần tử nhớ j 22 hồ i Trạng thái 23 véc tơ độ dài hữu hạn si= 24 xung đồng hồ i ci-m = 25 phương trình hồi qui 26 chuỗi ra: 27 28 Ci = gi ci-1 + gi-2 + 29 i > (2.3) 30 31 32 x4+ Trạng thái 11111 01111 10111 01011 00101 00010 01000 00100 10010 01001 10100 01010 10101 11010 01101 00110 00011 00001 10000 11000 11100 01110 00111 10011 11001 01100 10110 11011 11101 11110 11111 lặp lại ghi dịch cổng loại trừ ( XOR) thực Nếu gi = tương ứng mạch ≠ , khoá hở Để thực đầu mạch ghi dịch vào -1 mạch số hai trạng thái hữu số trạng thái cực đại 2m chuỗi c = (c0, c1, c2 …) 3.1, giả sử si(j) biểu thị giá trị trạng thái ghi dịch xung đồng ghi dịch xung đồng hồ i {si(1), si(2),…,si(m)} Đầu si(m) Thay ci vào (3.2) ta điều kiện hồi qui gm-1 ci-m +1+ ci-m (mod2) Xét đa thức tạo mã g(x) = x5+ x3+ x + Sử dụng (3.3) ta hồi qui ci = ci-1 ci-3 + ci-4 + ci-5 (mod 2) xây dựng ghi dịch hồi tiếp tuyến tính sau: + Hình 2.2.Sơ đồ tạo chuỗi m với g(x)= x5 + x4 + x3 + x + Vì bậc g(x) m=5 nên có đơn vị nhớ mạch Đối với trạng thái khởi đầu khác không ( s0 ≠ {0,0,0,0,0}), trạng thái ghi dịch thay đổi theo điều kiện hồi quy xác định đa thức tạo mã g(x) Trong sơ đồ 2.2 chuỗi đầu tuần hoàn ( chuỗi mã giả ngẫu nhiên) cột cuối hình 2.2 : c = 111101000100101011000011100110… tình cờ chuỗi có chu kỳ cực đại N=2m-1 Các đa thức tạo mã khác tạo chu kỳ ngắn nhiều Trong cấu hình mạch xét này, m bit chuỗi bit nạp vào ban đầu ghi dịch : s0 = 11111 Đối với nạp ban đầu khác, chẳng hạn s0 = 00001, đầu chuỗi tương ứng : c =1000011100110111110100010010101 dịch ( sang phải N-i = 31-18=13 đơn vị) chuỗi c 10 Nguyên lý làm việc: • Đầu tiên, dòng liệu vào tốc độ cao chia thành nhiều dòng liệu song song tốc dộ thấp nhờ chuyển đổi S/P(Serial/Parallel) Mỗi dòng liệu song song sau mã hóa sử dụng thuật toán FEC(Forward Error Correcting) xếp theo trình tự hỗn hợp Những ký tự hỗn hợp đưa đến đầu vào khối IFFT Khối tính toán mẫu thời gian tương ứng với kênh nhánh miền tần số • Sau đó, khoảng bảo vệ chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI truyền kênh vô tuyến di động đa đường Cuối lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục chuyển đổi lên tần số cao để truyền kênh • Trong trình truyền, kênh có nguồn nhiễu gây ảnh hưởng nhiễu Gausian trắng cộng AWGN • Ở phía thu, tín hiệu thu chuyển xuống tần số thấp tín hiệu rời rạc đạt lọc thu Khoảng bảo vệ loại bỏ mẫu chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế sử dụng, dịch chuyển biên độ pha sóng mang nhánh cân bằng cân kênh(Channel Equalization) Các ký tự hỗn hợp thu 18 xếp ngược trở lại giải mã Cuối cùng, nhận dòng liệu nối tiếp ban đầu Hình : Sơ đồ khối bên phát Hình : Sơ đồ khối bên thu Ứng dụng FFT IFFT việc ghép kênh tần số trực giao Sóng mang • Trong OFDM, liệu sóng mang chồng lên liệu sóng mang lân cận Sự chồng chập nguyên nhân làm tăng hiệu sử dụng phổ OFDM 19 Hình : kĩ thuật sóng mang không chồng xung (a) kĩ thuật sóng mang chồng xung (b) Sự phân bố sóng mang OFDM Hình : Sắp xếp tần số hệ thống OFDM 20 Hình : Symbol OFDM với subcriber • Sự trực giao song mang (Orthogonal) Orthogonal có mối quan hệ xác tần số sóng mang hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, sóng mang cách khoảng phù hợp để tín hiệu thu nhận lại cách sử dụng lọc giải điều chế thông thường Trong máy vậy, khoảng bảo vệ cần dự liệu trước sóng mang khác Việc đưa vào khoảng bảo vệ làm giảm hiệu sử dụng phổ hệ thống Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao khía cạnh khoảng cách tín hiệu không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho sóng mang định vị xác điểm gốc phổ điều chế sóng mang Tuy nhiên, xếp sóng mang OFDM cho dải biên chúng che phủ lên mà tín hiệu thu xác mà can nhiễu sóng mang Để có kết vậy, sóng mang phải trực giao mặt toán học Máy thu hoạt động gồm giải điều chế, dịch tần sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận lấy tích phân chu kỳ symbol để phục hồi liệu gốc Nếu sóng mang dịch xuống tần số tích phân sóng mang (trong chu kỳ τ, kết tính tích phân sóng mang khác zero Do đó, sóng mang độc lập tuyến tính với (trực giao) khoảng cách sóng bội số 1/τ Bất kỳ phi tuyến gây can nhiễu sóng mang ICI làm tính trực giao 21 Hình : Các sóng mang trực giao Phần đầu tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn dạng sóng, lại dễ bị ảnh hưởng nhiễu xuyên ký tư (ISI) Do đó, phần lặp lại, gọi tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix) Do tính trực giao, sóng mang không bị xuyên nhiễu sóng mang khác Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa FFT IFFT nên hệ thống OFDM đạt hiệu việc lọc dải thông mà việc xử lý băng tần gốc Dùng IFFT điều chế đa sóng mang 22 Hình : Sơ đồ cấu trúc điều chế đa sóng mang Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo tín hiệu, cách vận hành máy thu mô tả tác động không hoàn hảo kênh truyền Về mặt toán học, trực giao có nghĩa sóng mang lấy từ nhóm trực chuẩn (Orthogonal basis) Phương pháp điều chế OFDM sử dụng nhiều sóng mang, tín hiệu thể công thức: Trong đó, ω = ω0 + n.Δω N ếu tín hiệu lấy mẫu với tần số lấy mẫu 1/T (với T chu kỳ lấy mẫu), tín hiệu hợp thành thể công thức: Ở điểm khoảng thời gian tín hiệu phân thành N mẫu giới hạn để thuận lợi cho việc lấy mẫu chu kỳ symbol liệu Ta có mối quan hệ: τ = N T Khi ω0 = ta có: So sánh (1.3) với dạng tổng quát biến đổi Fourier ngược ta có: Biểu thức (1.3) (1.4) tương đương nếu: 23 Đây điều kiện yêu cầu tính trực giao Do kết việc bảo toàn tính trực giao tín hiệu OFDM xác định phép biến đổi Fourier Ưu điểm nhược điểm hệ thống OFDM Ưu điểm - OFDM tăng hiệu suất sử dụng cách cho phép chồng lấp sóng mang - Bằng cách chia kênh thông tin thành nhiều kênh fading phẳng băng hẹp, hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hệ thống sóng mang đơn - OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) xuyên nhiễu sóng mang (ICI) cách chèn thêm vào khoảng thời gian bảo vệ trước symbol - Sử dụng việc chèn kênh mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM khôi phục lại symbol bị tượng lựa chọn tần số kênh - Kỹ thuật cân kênh trở nên đơn giản kỹ thuật cân kênh thích ứng sử dụng hệ thống đơn sóng mang - Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào chức điều chế giải điều chế làm giảm chức phức tạp OFDM - Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung giám sát kênh - OFDM bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) so với hệ thống đơn sóng mang - OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với nhiễu xuyên kênh kết hợp Ngoài ưu điểm OFDM có hạn chế Nhược điểm - Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với khoảng động lớn Vì tất hệ thống thông tin thực tế bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao bất lợi nghiêm 24 trọng OFDM dùng khuếch đại công suất hoạt động miền bão hòa khuếch đại tín hiệu OFDM N ếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều tăng độ phức tạp biến đổi từ analog sang digital từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu làm xuất méo nhiễu (distortion) băng lẫn xạ băng - OFDM nhạy với tần số offset trượt sóng mang hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng tần số hệ thống OFDM phức tạp hệ thống đơn sóng mang Tần số offset sóng mang gây nhiễu cho sóng mang trực giao gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động giải điều chế cách trầm trọng Vì vậy, đồng tần số nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt thu OFDM Kết luận Nội dung chương đưa khái niệm số vấn đề liên quan OFDM Trong thực tế phải xét ảnh hưởng kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trình truyền Vì ảnh hưởng, tín hiệu thu bị suy giảm biên độ, bị thông tin số chỗ, mát công suất… III HỆ THỐNG MC-CDMA Giới thiệu Việc kết hợp hệ nguyên lý CDMA OFDM cho phép sử dụng băng hiệu mà đạt ưu điểm hệ thống CDMA Việc kết hợp OFDM-CDMA kỹ thuật hữu ích cho hệ thống 4G, hệ thống cung cấp tốc độ liệu cao đáng tin cậy Một hệ thống MC-CDMA, khuôn khổ tập lớn này, em tìm hiểu nguyên lý hoạt động hệ thống mô mức vật lý công cụ Matlab-Simulink cho hệ thống MC- CDMA Khái niệm MC-CDMA MC-CDMA (MultiCarrier Code Division Multiple Access) hệ thống đa truy nhập dựa việc kết hợp CDMA OFDM Khác với CDMA trải phổ miền thời gian MC-CDMA trải phổ miền tần số Công nghệ sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM để phát tín hiệu tập sóng mang phụ trực giao 25 .1 Sơ đồ khối Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống MC-CDMA Nguyên lý chung kỹ thuật MC-CDMA Hình 2.2: Tín hiệu MC-CDMA MS-DS-CDMA cho user 26 MC-CDMA dựa vào kết hợp chắt chẽ trải phổ chuỗi trực tiếp kỹ thuật điều chế đa sóng mang Luồng liệu trải phổ DS tốc độ cao có độ lợi xử lý điều chế đa sóng mang theo cách: chip ký hiệu liệu trải phổ truyền song song ký hiệu truyền đồng thời sóng mang Cũng DS-CDMA người sử dụng chiếm toàn dải tần để truyền dẫn liệu đơn lẻ Sự phân tách tín hiệu người sử dụng thực khối mã Mỗi ký hiệu liệu chép luồng cho trước nhân với chip mã trải phổ ấn định cho người dùng cụ thể Điều cho thấy hệ thống MC-CDMA trải phổ miền tần số có tính linh hoạt cao so với trải phổ miền thời gian (DS-CDMA) Sự xếp chip miền tần số cho phép tìm tín hiệu rễ ràng 2.2.1.Máy phát MC-CDMA Máy phát MC-CDMA trải tín hiệu băng gốc miền tần số mã trải cho trước Ngoài phần ký tự tương ứng với chip mã trải điều chế sóng mang phụ khác Đối với truyền đa sóng mang, cần đạt fading không chọn lọc tần số sóng mang Vì thế, tốc độ truyền tín hiệu gốc đủ cao để trở thành đối tượng fading chọn lọc tần số tín hiệu cần chuyển từ nối tiếp sang song song trước trải miền tần số • Quá trình tạo tín hiệu MC-CDMA Chuỗi tín hiệu ngõ vào có tốc độ bit 1/Ts, điều chế BPSK tạo ký tự phức a k Luồng thông tin ak chuyển thành P chuỗi liệu song song (ak,0(i), ak,1(i),…, ak,p-1(i)) i ký hiệu cho chuỗi ký tự thứ i (Mỗi khối gồm P ký tự) Mỗi ngõ biến đổi nối tiếp/song song nhân với mã trải phổ người dùng thứ k (dk(0), dk(1),…, dk(KMC-1)) có chiều dài KMC để tạo tất N = P KMC (tương ứng tổng số sóng mang phụ) ký tự Mỗi ký tự có dạng tương tự ký tự hệ thống OFDM Ví dụ xét nhánh song song thứ 0, ký tự OFDM Si,k = ak,0(i).dk(k) với k=0,1, , KMC-1 27 Do tương tự ký tự nhánh hệ thống MC-CDMA hệ thống OFDM nên việc điều chế sóng đa mang băng tần gốc thực phép biến đổi nghịch Fourier rời rạc (IDFT) Sau đó, tín hiệu OFDM từ P nhánh tổng hợp Khoảng cách dự phòng Δ Guard interval chèn vào dạng tiền tố vòng (CP) ký tự để tránh ISI đa đường cuối tín hiệu phát kênh truyền sau đổi tần lên RF Tín hiệu phát băng gốc có dạng phức sau: Công thức: 3.1-3.2-3.3 Trong dk(0), dk(1),…, dk(KMC-1) mã trải phổ với chiều dài KMC T’s khoảng kí hiệu sóng mang phụ Δf ’ khoảng cách tần số nhỏ hai sóng mang phụ β hệ số mở băng thông kết hợp với chèn khoảng dự phòng (0≤ β≤1) Ps(t) dạng xung vuông định nghĩa: 28 Băng thông tín hiệu phát tính sau: Nhận xét: Không có thao tác trải phổ miền thời gian Khoảng ký tự mức sóng mang phụ gấp P lần khoảng ký tự gốc việc chuyển đổi từ nối tiếp/song song Mặc dù khoảng cách sóng mang phụ tối thiểu cho 3.3 khoảng cách sóng mang phụ cho ak,p(i) lại P/(T’s-Δ) .2.2 Máy thu MC-CDMA Bộ thu OFDM thêm vào công việc kết hợp để tách liệu phát người xử dụng mong muốn Giả sử hệ thống MC-CDMA có K người dùng truy cập tín hiệu băng gốc nhận có dạng: Trong đó: hkm,p(t) đường bao phức thu sóng mang phụ thứ (mP+p) người sử dụng thứ k hk(t) đáp ứng xung kênh truyền ứng với người dùng thứ k có dạng: 29 Với t τ thời gian độ trễ, ai(t) i(t) tương ứng biên độ thực biên độ trễ thành phần đa đường thứ i thời điểm t, pha biểu diễn độ lệch pha lan truyền không gian tự thành phần đa đường thứ i cộng với độ dịch pha bắt gặp đường truyền n(t) nhiễu Gauss có giá trị trung bình mật độ phổ công suất phía N0/2 Bộ thu MC-CDMA yêu cầu việc tách sóng thực đồng để thao tác trải phổ (despreading) thành công Máy thu MC-CDMA Hình biểu diễn thu MC-CDMA cho người dùng thứ k Quá trình tách sóng máy thu diễn theo thứ tự sau: Sau đổi tần số xuống khử khoảng dự phòng sóng mang phụ thứ m (m=0,1, …,KMC – 1) tương ưng với liệu thu ak,p(i), tách đồng với DFT, ta thu giá trị nhánh yp(m) Tiếp thao nhân yp(m) với độ lợi Gk(m) để kết hợp lượng tín hiệu rời rạc miền tần số, biến định tổng thành phần băng gốc có trọng số: 30 Trong y(m) thành phần dải tín hiệu nhận sau chuyển đổi xuống nm(iTs) nhiễu Gauss phức sóng mang phụ thứ I thời điểm t = iT s 2.2 Kênh truyền  Kênh truyền fading Rayleigh Kênh truyền fading Rayleigh chọn tần số biến đổi chậm kênh truyền điển hình hệ thống MC-CDMA băng rộng Kênh truyền hệthống có băng thông rộng chia thành N kênh băng hẹp mà kênh chịu tác động fading phẳng (fading tính chọn lọc tần số), nghĩa có hệ số độ lợi kênh phụ(hình 3.4) Vì kênh truyền phụ có độ lợi khác nên xét đến kênh truyền hệ thống kênh truyền có tính chọn lọc tần số Điều kiện để tính chọn lọc tần số kênh truyền thể toàn băng thông tín hiệu phát sóng mang phụ là: Δf ≤Bc≤BW (3.11) Trong Bc : băng thông liên kết kênh truyền Δf tốc độ ký hiệu liệu phát BW băng thông tổng hệ thống Băng thông liên kết (kết hợp) Bc đơn vịthống kê đo dải tần số mà khoảng tần số kênh truyền coi “phẳng” (kênh truyền cho qua thành phần phổ có độ lợi xấp xỉ có fading tuyến tính) Nói cách khác, băng thông liên kết dải tần số mà khả tương quan biên độ hai thành phần tần số lớn Hai tín hiệu sin có khoảng phân chia tần số lớn Bc bị kênh truyền gây ảnh hưởng khác 31 Ảnh hưởng kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số lên băng tần hẹp 32 [...]... được những ưu điểm của hệ thống CDMA Việc kết hợp OFDM -CDMA là kỹ thuật rất hữu ích cho hệ thống 4G, hệ thống cung cấp tốc độ dữ liệu cao và đáng tin cậy Một trong những hệ thống này là MC- CDMA, trong khuôn khổ bài tập lớn này, em sẽ tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống và mô phỏng ở mức vật lý bằng công cụ Matlab- Simulink cho hệ thống MC- CDMA 2 Khái niệm MC- CDMA MC- CDMA (MultiCarrier Code Division... 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 hiện tín hiệu trên tập sóng mang phụ trực giao 25 .1 Sơ đồ khối Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống MC- CDMA 2 Nguyên lý chung của kỹ thuật MC- CDMA Hình 2.2: Tín hiệu MC- CDMA. .. chip của mã trải phổ được ấn định cho một người dùng cụ thể Điều này cho thấy hệ thống MC- CDMA trải phổ trên miền tần số và do đó nó có tính linh hoạt cao hơn so với trải phổ trong miền thời gian (DS -CDMA) Sự sắp xếp các chip ở miền tần số cho phép do tìm tín hiệu rễ ràng 2.2.1.Máy phát MC- CDMA Máy phát MC- CDMA trải tín hiệu băng gốc trong miền tần số bằng một mã trải cho trước Ngoài ra mỗi phần của ký... dùng thứ k (dk(0), dk(1),…, dk(KMC-1)) có chiều dài KMC để tạo ra tất cả N = P KMC (tương ứng tổng số sóng mang phụ) ký tự mới Mỗi ký tự mới này có dạng tương tự như một ký tự trong hệ thống OFDM Ví dụ xét nhánh song song thứ 0, mỗi ký tự OFDM bây giờ là Si,k = ak,0(i).dk(k) với k=0,1, , KMC-1 27 Do sự tương tự giữa các ký tự trên mỗi nhánh con của hệ thống MC- CDMA và hệ thống OFDM nên việc điều chế sóng... thiện hiệu suất băng tần của các hệ thống trải phổ Trong hệ thống thông tin di động CDMA mỗi người sử dụng một phần tử trong tập các hàm trực giao Hàm Walsh và các chuỗi Hadamard tạo nên một tập các hàm trực giao được sử dụng cho CDMA Với hệ thống CDMA, các hàm Walsh được sử dụng theo hai cách: là mã trải phổ hay để tạo ra các kí hiệu trực giao Các hàm Walsh được tạo ra bằng các ma trạn vuông đặc biệt... chuẩn cho hệ thống phát âm thanh số DAB, hệ thống phát hình số DVB và mạng LAN không dây… Ưu điểm của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số và sử dụng băng thông hiệu quả Ngoài ra, quá trình điều chế và giải điều chế đa sóng mang có thể được thực hiện dễ dàng nhờ phép biến đổi Fourier thuận và nghịch Trong chương này chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu từng... tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn - OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol - Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh - Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích... bản và một số vấn đề liên quan về OFDM Trong thực tế còn phải xét ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trong quá trình truyền đi Vì ảnh hưởng, tín hiệu thu có thể bị suy giảm biên độ, có thể bị mất thông tin ở một số chỗ, mất mát công suất… III HỆ THỐNG MC- CDMA 1 Giới thiệu Việc kết hợp hệ nguyên lý CDMA và OFDM cho phép chúng ta sử dụng băng rất hiệu quả mà vẫn đạt được những ưu điểm của hệ. .. 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 18 được sắp xếp ngược trở lại và. .. (1.3) và (1.4) là tương đương nếu: 23 Đây là điều kiện yêu cầu tính trực giao Do đó kết quả của việc bảo toàn tính trực giao là tín hiệu OFDM có thể xác định bằng phép biến đổi Fourier Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống OFDM 6 Ưu điểm - OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con - Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống