Phân tích tín hiệu trong các hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật đa sóng mang – đa truy nhập phân chia theo mã

Bài viết trình bày việc phân tích tín hiệu theo thời gian thực của các hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật Đa sóng mang - Đa truy nhập phân chia theo mã (MC-CDMA).

CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐA SÓNG MANG – ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ THE SIGNAL ANALYSIS IN COMMUNICATION SYSTEMS USE MULTICARRIER – CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS TECHNIQUES PGS.TS LÊ QUỐC VƯỢNG Khoa Điện - Điện tử, Trường ĐHHH Việt Nam Tóm tắt Bài viết trình bày việc phân tích tín hiệu theo thời gian thực hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật Đa sóng mang - Đa truy nhập phân chia theo mã (MC-CDMA) Bằng việc phân tích dạng thức tín hiệu theo thời gian thực, viết khảo sát tất dạng thức MC-CDMA thảo luận ưu điểm nhược điểm chúng xét phương diện nguyên lý hoạt động, phương pháp xử lý tín hiệu, từ ta xác định giải pháp đa truy nhập thích hợp cho Hệ thống thơng tin vơ tuyến nước Abstract This article presents the signals analysis in real time for the communication systems use MultiCarrier - Code Division Multiple Access (MC-CDMA) techniques By the analysis of the signals forms in real time, the article reviews all the types of MC-CDMA and discusses their advantages and disadvantages in terms of operational principles, methods of signals processing, from there we are able to determine a suitable multiple access solution for Underwater Wireless Communication Systems Từ khóa: Đa sóng mang; Đa truy nhập phân chia theo mã; Thông tin vô tuyến nước; ĐẶT VẤN ĐỀ Kỹ thuật Đa sóng mang – Đa truy nhập phân chia theo mã MC-CDMA (MultiCarrier Code Division Multiple Access) kết hợp kỹ thuật điều chế đa tần trực giao đa truy nhập phân chia theo mã nên có ưu điểm bật chung phương pháp [1, 4]: Dung lượng cao; Tiết kiệm băng thông; Khả chống nhiễu đa đường, nhiễu liên ký tự (ISI), nhiễu liên kênh (ICI); Tính bảo mật cao; Hỗ trợ truyền liệu tốc độ cao Do đó, hệ thống thông tin vô tuyến mặt nước, MC-CDMA ứng viên hỗ trợ truyền thông đa phương tiện giải pháp công nghệ then chốt hệ thống thông tin vô tuyến di động hệ Hình Các dạng thức tín hiệu DS-CDMA Tin hieu du lieu dau vao d(t) -1 12 16 12 16 12 16 12 12 20 t Tin hieu ma trai 24 28 32 36 40 28 32 36 40 28 32 36 40 28 32 36 40 28 32 36 40 c(t) -1 20 24 t Tin hieu du lieu da trai truc tiep dtp(t) -1 20 t Tin hieu song mang 24 sm(t) -1 16 20 24 t Tin hieu du lieu da trai truc tiep duoc dieu che dtp-dc(t) -1 16 20 24 t Tin hieu du lieu da trai Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải dtp(t) dtp-dc4(t) dtp-dc3(t) dtp-dc2(t) dtp-dc1(t) -1 12 16 20 24 t Tin hieu du lieu trai duoc Dieu che tren luong 28 32 36 40 12 16 20 24 t Tin hieu du lieu trai duoc Dieu che tren luong 28 32 36 40 12 16 20 24 t Tin hieu du lieu trai duoc Dieu che tren luong 28 32 36 40 12 16 20 24 t Tin hieu du lieu trai duoc Dieu che tren luong 28 32 36 40 12 16 20 24 t Tin hieu du lieu trai duoc Dieu che tong hop 28 32 36 40 12 28 32 36 40 -1 -1 -1 -1 dtp-dc(t) Nhưng ứng dụng MC-CDMA cho thơng tin vô tuyến nước không? Theo số tài liệu, điển hình [2, 3], định hướng phát triển tương lai Kỹ thuật thông tin vơ tuyến nước, tác giả có Bà Milica Stojanovic – chuyên gia hàng đầu giới lĩnh vực này, nêu lên khả ứng dụng MC-CDMA cho Hệ thống thông tin vô tuyến nước Với lợi nêu phần trên, MC-CDMA đáp ứng tốt, phù hợp khắc phục vấn đề nan giải kênh thủy âm như: Băng thông hẹp; Tần số thấp; Tốc độ truyền lan chậm Nhưng thực tế, MC-CDMA bao gồm số phương thức xử lý tín hiệu khác việc phương thức sử -1 16 20 24 t Hình Quá trình điều chế MC-sfd-CDMA Số 45 – 01/2016 30 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 dụng hệ thống thông tin vô tuyến nước chưa rõ ràng Vì vậy, nội dung báo thực phân tích, đánh giá, so sánh hiệu phương thức xử lý tín hiệu MC-CDMA đề cập đến việc xác định giải pháp thích hợp MC-CDMA áp dụng hệ thống thơng tin vơ tuyến nước Có nhiều cách tiến hành phân tích, đánh giá, so sánh hiệu phương thức xử lý tín hiệu mà phương pháp ph ân tích giải tích [4] Đây phương pháp phổ dụng có tính khoa học lại phức tạp Trong báo này, xuất phát từ khái niệm, nguyên lý bản, tác giả tiến hành theo phương pháp phân tích thơng qua dạng thức tín hiệu biến thiên theo thời gian thực Phương pháp phân tích hệ thống có số ưu điểm: - Đơn giản, mang tính trực quan; Dễ dàng thấy đặc điểm, ưu khuyết hệ thống hoạt động theo phương thức xử lý tín hiệu cụ thể - Các dạng thức tín hiệu biến thiên theo thời gian thực thường sở để xây dựng mơ hình thực hay chương trình mơ q trình xử lý tín hiệu tương ứng Việc phân tích tín hiệu theo thời gian thực thể thông qua giản đồ thời gian dựa chương trình vẽ hình tính tốn máy tính tương ứng giải pháp CÁC PHƯƠNG THỨC XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG KỸ THUẬT MC-CDMA a) DS-CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã-Dãy trực tiếp – DS-CDMA (DS-Direct Sequence) kỹ thuật xử lý tín hiệu tảng MC-CDMA, dãy liệu đầu vào trực tiếp trải phổ dãy mã C  t   C1  j C2j CGj DS  - dãy mã trải phổ người sử dụng thứ j j (trong GDS độ lợi trải phổ) [1] Thực chất dãy mã trải phổ dãy giả ngẫu nhiên, mà phần tử Cnj gọi chip Hình mơ tả dạng thức tín hiệu DS-CDMA cho dãy liệu d tùy chọn [1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1] phương thức điều chế Khóa dịch pha nhị phân – BPSK (Bipolar Phase Shift Keying) Dãy liệu d phương thức điều chế cao tần sử dụng cho tất phương thức xử lý tín hiệu phần sau để dễ so sánh thấy rõ khác biệt Dựa sở DS-CDMA, phân phương thức xử lý tín hiệu MC-CDMA làm nhóm [1] Nhóm thứ 1, thực phân tập dãy mã trải phổ thực điều chế đa tần trực giao cho chip (Theo cách này, phương thức xử lý tín hiệu thực chất phân tập miền tần số) MC-sfd-CDMA (sfd – Spreading in Frequency Domain) Nhóm thứ 2, thực phân tập dãy liệu đầu vào thành luồng, sau trải phổ luồng dãy mã lại điều chế đa tần trực giao luồng tần số khác (Thực chất DS-CDMA luồng liệu phân tập nên gọi phân tập miền thời gian) có phương thức MC-DS-CDMA MT-CDMA (MT – Multi-Tone) b) Kết hợp phân tập miền tần số điều chế đa sóng mang MC-sfd-CDMA: Day du lieu dau vao phan tap dang xung luong 2: dpt2(n) Day du lieu dau vao phan tap dang xung luong 1: dpt1(n) dpt2(t) dpt1(t) -1 -1 12 16 20 24 28 t Day ma trai dang xung thu 32 36 40 cf2(t) cf1(t) 12 16 20 24 28 t Day ma trai dang xung thu 32 36 40 1 0 -1 -1 12 16 20 24 28 32 36 t Day du lieu phan tap da trai dang xung luong 1: dpt-tp1(n) 40 dpt-tp2(t) dpt-tp1(t) 0 -1 12 16 20 t 24 28 32 36 40 12 16 20 24 28 32 36 t Day du lieu phan tap da trai dang xung luong 2: dpt-tp2(n) 40 -1 12 16 20 t 24 28 32 36 40 a) b) Hình Dạng tín hiệu phân tập trải phổ thành luồng theo phương thức MC-sfd-CDMA cải tiến dpt-tp-MC2(t) dpt-tp-MC1(t) Day du lieu phan tap da trai DIEU CHE luong 1: dpt-tp1(n) -1 12 16 20 24 28 t Day du lieu phan tap da trai DIEU CHE luong 2: dpt-tp2(n) 12 16 12 16 32 36 40 28 32 36 40 28 32 36 40 -1 20 24 t Tin hieu dieu che tong hop sTH(t) Trong phương thức xử lý tín hiệu MC-sfd-CDMA [1], dãy liệu đầu vào lặp thành GMC luồng (trong GMC độ lợi trải phổ phương thức MC-sfdCDMA) luồng trải phổ chip dãy mã -2 20 t 24 Hình Quá trình điều chế MC-sfd-CDMA cải tiến Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 31 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 C j  t   C1j CGj MC  , sau điều chế sóng mang fCn (n =  NC) Như C2j trường hợp số lượng sóng mang độ lợi trải phổ (NC = GMC) Hình mơ tả dạng thức tín hiệu q trình điều chế sóng mang chip tín hiệu trải phổ (Tương ứng tín hiệu hình thứ từ xuống hình 1) Tồn phương thức trung gian phân tập miền tần số phân tập miền thời gian, gọi phương thức MC-sfd-CDMA cải tiến Trong phương thức này, dãy liệu đầu vào phân tập thành P luồng liệu song song luồng liệu lại thực trải phổ điều chế theo nguyên lý MC-sfd-CDMA Trường hợp MC-sfd-CDMA cải tiến lấy ví dụ minh họa đơn giản cho P = 2, dạng thức tín hiệu xung trình phân tập trình bày hình 3a, b điều chế trình bày hình c) Kết hợp phân tập miền thời gian điều chế đa sóng mang: Trường hợp bao gồm phương thức MC-DS-CDMA MT-CDMA [1] Đối với phương thức, xét riêng biệt luồng với sóng mang fCn (n =  NC) q trình xử lý tín hiệu hồn tồn tương tự trình trải phổ dãy trực tiếp DS-CDMA, nghĩa là: - Đối với MC-DS-CDMA, ký hiệu GMD độ lợi trải phổ, C j  t   C1j C2j CGj MD  dãy mã trải phổ tất luồng tất tần số; - Đối với MT-CDMA, ký hiệu GMT độ lợi trải phổ, C j  t   C1j C2j CGj MT  dãy mã trải phổ tất luồng tất tần số Day du lieu dau vao phan tap dang xung luong 2: dpt2(n) Day du lieu dau vao phan tap dang xung luong 1: dpt1(n) dpt2(t) dpt1(t) -1 -1 12 16 20 24 t Day ma trai dang xung 28 32 36 40 cf(t) cf(t) 8 12 16 20 24 t Day ma trai dang xung 28 32 36 40 32 36 40 32 36 40 1 0 -1 -1 12 16 20 24 28 t Day du lieu phan tap da trai dang xung luong 1: dpt-tp1(n) 32 36 40 dpt-tp2(t) dpt-tp1(t) 0 -1 12 16 20 t 24 28 32 36 12 16 20 24 28 t Day du lieu phan tap da trai dang xung luong 2: dpt-tp2(n) -1 40 12 16 20 t 24 28 a) b) Hình Dạng tín hiệu phân tập liệu trải phổ luồng theo phương thức MC-DS-CDMA/MT-CDMA Sự khác biệt nguyên lý phương thức MT-CDMA phân bố phổ theo sóng mang xếp thỏa mãn điều kiện trực giao tối thiểu [1, 4], trực giao đôi Điều thể miền tần số ta thực phân tích phổ tín hiệu Dạng thức tín hiệu theo thời gian phương thức trình bày chung hình TỔNG HỢP SO SÁNH ĐẶC TRƯNG CỦA CÁC PHƯƠNG THỨC XỬ LÝ TÍN HIỆU MC-CDMA Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải dpt-tp-MC2(t) dpt-tp-MC1(t) Day du lieu phan tap da trai DIEU CHE luong 1: dpt-tp1(n) -1 12 16 20 24 28 32 36 t Day du lieu phan tap da trai DIEU CHE luong 2: dpt-tp2(n) 40 12 16 12 -1 20 24 28 t Tin hieu dieu che tong hop 32 36 40 32 36 40 sTH(t) Với dãy liệu tùy chọn d giả thiết ví dụ minh họa đơn giản độ lợi trải phổ tất trường hợp 4, DSCDMA (Hình 1) thời gian kéo dài chip Tch đơn vị (Hình thứ từ xuống – Hình 1), thời gian kéo dài bit liệu Tb đơn vị (Hình – Hình 1) Các giá trị Tch, Tb phương thức khác thấy hình vẽ tương ứng Với đồ thị dạng thức tín hiệu biến thiên theo thời gian thực hình vẽ, ta đến Bảng tổng hợp so sánh thông số thời gian đặc trưng phương thức xử lý tín hiệu MC-CDMA Bảng Cũng Bảng 1, số liệu số lượng tần số sóng mang Nc thấy hình vẽ dạng thức tín hiệu điều chế -2 16 20 t 24 28 Hình Điều chế MC-DS-CDMA MT-CDMA Số 45 – 01/2016 32 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 Bảng Tổng hợp so sánh phương thức xử lý tín hiệu MC-CDMA DS-CDMA MC-sfd-CDMA MC-DS-CDMA MT-CDMA Số lượng sóng mang 1 NC NC NC Độ lợi trải phổ GDS GMC  GDS GMD  GDS GMT  NC GDS TS N C TS GMC NCTS NCTS N C TS GMD N C TS GMT Thời gian kéo dài sóng mang Thời gian kéo dài chip TS G DS KẾT LUẬN Một đặc điểm sóng thủy âm tần số thấp, chu kỳ lặp lớn thông số thời gian tín hiệu yêu cầu lớn tốt Theo Bảng 1, ta phân tích khả phương thức MC-CDMA đáp ứng tốt điều kiện thời gian sau: - Về Thời gian kéo dài sóng mang Gọi TS thời gian kéo dài symbol liệu giả thiết tất phương thức lấy Độ lợi trải phổ GDS DS-CDMA chuẩn rõ ràng thời gian kéo dài sóng mang MC-DS-CDMA MT-CDMA lớn có lợi Khi thời gian kéo dài sóng mang lớn cho phép tăng chu kỳ sóng mang lên hay tần số sóng mang hạ thấp thích hợp với sóng mang thủy âm - Về Thời gian kéo dài chip Tch Vì GMT   N C GDS   GMD   GDS  , nên thời gian kéo dài chip MC-DS-CDMA lớn MT-CDMA Thực chất thời gian kéo dài chip định độ rộng băng tần tín hiệu CDMA, Tch lớn có nghĩa băng tần tín hiệu CDMA co hẹp điều kiện cần thiết kênh thủy âm Như xét mặt thời gian, phương thức có lợi hệ thống thơng tin vô tuyến nước MC-DS-CDMA Mặt khác, MC-DS-CDMA phương thức MC-CDMA cho phép phát triển thành giải pháp Đa sóng mang – Đa dãy mã – Đa truy nhập phân chia theo mã (MCMulti Code-CDMA), viết tắt MC-MC-CDMA, theo nguyên lý [1]: Mỗi luồng liệu phân tập theo thời gian trải phổ dãy mã trải phổ khác (Có Độ lợi trải phổ) với sóng mang có tần số khác Giải pháp MC-MC-CDMA có tính bảo mật cao, đồng thời cho phép tăng số lượng người sử dụng lên gấp nhiều lần yếu tố quan trọng cần thiết hệ thống thông tin vô tuyến nước Tóm lại, xét nhiều phương diện, giải pháp MC-DS-CDMA thích hợp với hệ thống thông tin vô tuyến nước Chúng ta cần có quan tâm nghiên cứu sâu hơn, cụ thể tới giải pháp MC-DS-CDMA không lý thuyết mà mơ phỏng, thử nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] K Fazel, S Kaiser, (2008), Multi-Carrier and Spread Spectrum Systems – From OFDM and MCCDMA to LTE and WiMAX, A John Wiley and Sons, Ltd Publication, United Kingdom, Second Edition [2] M.Chitre, S.Shahabodeen and M.Stojanovic, (2008), “Underwater Acoustic Communications and Networking: Recent Advances and Future Challenges”, Marine Technology Society Journal, vol.42, No.1 - Spring 2008, pp.103-116 [3] M.Stojanovic, L.Freitag, (2013), “Recent Trends in Underwater Acoustic Communications”, Marine Technology Society Journal, to appear (Bài gửi chờ đăng – Đưa lên mạng tháng 2/2013) [4] Shinsuke Hara, Ramjee Prasad, (1997), “Overview of Multicarrier CDMA”, IEEE Communication Magazine, December 1997, pp 126-133 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 33 ... hình tính tốn máy tính tương ứng giải pháp CÁC PHƯƠNG THỨC XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG KỸ THUẬT MC-CDMA a) DS-CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã- Dãy trực tiếp – DS-CDMA (DS-Direct Sequence) kỹ thuật. .. giải pháp Đa sóng mang – Đa dãy mã – Đa truy nhập phân chia theo mã (MCMulti Code-CDMA), viết tắt MC-MC-CDMA, theo nguyên lý [1]: Mỗi luồng liệu phân tập theo thời gian trải phổ dãy mã trải phổ... MC-CDMA áp dụng hệ thống thông tin vô tuyến nước Có nhiều cách tiến hành phân tích, đánh giá, so sánh hiệu phương thức xử lý tín hiệu mà phương pháp ph ân tích giải tích [4] Đây phương pháp phổ dụng