Nghiên cứu phương pháp bắt đồng bộ mã cho tín hiệu MC CDMA

LUẬN VĂN CAO HỌC  LỜI NÓI ĐẦU Bắt đồng tín hiệu trải phổ vấn đề lớn việc thiết kế hệ thống thông tin trải phổ Bắt đồng thực phương pháp tích cực, thụ động kết hợp Ở phương pháp tích cực (nối tiếp song song), tín hiệu nhận được nhân với mã giả ngẫu nhiên đồng với bên phát tại thu Kết lấy tích phân (tương quan) khoảng thời gian quan sát định, sau so sánh với ngưỡng đặt trước Ở phương pháp thụ động, người ta sử dụng lọc phù hợp với tín hiệu trải phổ Bộ lọc phù hợp chờ (thụ động) tín hiệu trải phổ nhận chứa pha mã xác định từ trước Khi tạo mã giả ngẫu nhiên nội khởi động với điều kiện ban đầu tương ứng với pha mã Phương pháp có thời gian đồng ngắn nhiều so với phương pháp tích cực Trong khn khổ luận văn này, em xin phép giới thiệu vấn đề hệ thống MC – CDMA phương pháp bắt đồng mã PN cho tín hiệu hệ thống Nghiên cứu tầm quan trọng việc lựa chọn phương pháp bắt đồng mã PN phù hợp để tìm tín hiệu gốc ban đầu Trong q trình thực hiện, luận văn khơng thể tránh khỏi nhiều sai sót, em mong nhận nhiều ý kiến đóng góp thầy giáo bạn để luận văn hồn thiện mang tính thực tế Qua đây, em xin bày tỏ lời cám ơn sâu sắc trước hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS TS Nguyễn Hữu Trung cô giáo TS Nguyễn Thúy Anh suốt thời gian thực đề tài luận văn cao học Hà Nội tháng 04 năm 2012 Học viên thực Hoàng Minh Khang Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010     LUẬN VĂN CAO HỌC  MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1  MỤC LỤC 2  DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .4  CÁC TỪ VIẾT TẮT 6  CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 7  1.1.  KHÁI QUÁT CHUNG 7  1.1.1 Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 8  1.1.2 Hệ thống thông tin trải phổ 11  1.2.  TỔ CHỨC LUẬN VĂN 26  CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27  2.1.  NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA KỸ THUẬT MC - CDMA 27  2.2.  HỆ THỐNG MC - CDMA 29  2.2.1 Máy phát MC - CDMA 29  2.2.2 Máy thu MC - CMDA 32  2.2.3 Kênh truyền 34  2.2.4 Cấu trúc tín hiệu MC - CDMA 35  2.2.5 Các kỹ thuật điều chế trải phổ MC - CDMA 38  2.2.6 Kỹ thuật tách tín hiệu 46  2.2.7 Nhiễu MAI nhiễu ICI 56  2.2.8 Ưu điểm khuyết điểm hệ thống MC - CDMA 57  2.3.  KẾT LUẬN 58  CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP BẮT Mà PN 59  3.1.  ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TỐI ƯU HÓA BỘ THU 59  3.2.  HƯỚNG TIẾP CẬN THEO THAM SỐ QUY NẠP CỰC ĐẠI 61  Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010     LUẬN VĂN CAO HỌC  3.3.  HỆ THỐNG BẮT Mà PN NỐI TIẾP ĐƠN BƯỚC 63  3.3.1 Mơ hình chuỗi bắt đồng Markov – Q trình Markov 64  3.3.2 Đặc tính thời gian bắt hệ thống khơng có Code Doppler 67  3.3.3 Đặc tính thời gian bắt hệ thống có Code Doppler 69  3.3.4 Tính xác suất tách PD xác suất cảnh báo lỗi PFA (các tham số hệ thống) 70  3.4.  HỆ THỐNG BẮT Mà PN NỐI TIẾP ĐA BƯỚC 71  3.4.1 Mơ hình bắt chuỗi Markov 74  3.4.2 Thời gian bắt đồng 78  3.5.  BẮT ĐỒNG BỘ NHANH SỬ DỤNG KỸ THUẬT LỌC PHÙ HỢP 79  3.6.  CHIẾN THUẬT TÌM KIẾM/KHĨA 85  3.6.1 Trị trung bình phương sai thời gian bắt 87  3.6.2 Một chiến thuật tìm kiếm/khóa khác: 90  3.7.  KẾT LUẬN 92  CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 94  4.1 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG BẮT ĐỒNG BỘ Mà PN 94  4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 95  4.2.1 Nguyên tắc mô phỏng: 95  4.2.2 Kết mô phỏng: 97  KẾT LUẬN .98  TÀI LIỆU THAM KHẢO .100  Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010     LUẬN VĂN CAO HỌC  DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hệ thống CDMA với 10 thuê bao di động 8  Hình 1.2 Trải phổ (tương quan) trước điều chế băng hẹp 9  Hình 1.3 Trải phổ (tương quan) sau điều chế băng rộng 10  Hình 1.4 Hệ thống thông tin trải phổ .12  Hình 1.5 Sơ đồ khối điều chế giải điều chế DS - SS 14  Hình 1.6 Phổ tín hiệu trước sau trải phổ 15  Hình 1.7 Dạng sóng tín hiệu trước trải phổ sau trải phổ 16  Hình 1.8 Phổ tín hiệu FH - SS 16  Hình 1.9 Sơ đồ khối tạo khối thu tín hiệu FH - SS 17  Hình 1.10 Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian 17  Hình 1.11 Sơ đồ khối tạo khối thu tín hiệu TH - SS 19  Hình 1.12 Sơ đồ mạch tạo chuỗi ngẫu nhiên 20  Hình 1.13 Đồ thị hàm tự tương quan chuỗi PRBS 21  Hình 1.14 Bộ tạo mã GOLD 24  Hình 1.15 Sơ đồ khối máy phát máy thu DS/SS - BPSK 25 Hình 2.1 Nguyên tắc chung MC – CDMA MC – DS – CDMA 27  Hình 2.2 Sơ đồ khối mơ hình hệ thống MC – CMDA .29  Hình 2.3 Máy phát MC - CDMA .30  Hình 2.4 Máy thu MC - CDMA .34  Hình 2.5 Tạo tín hiệu MC - CDMA .36  Hình 2.6 Bộ phát MC – CDMA hướng xuống .37  Hình 2.7 Trải phổ chiều hai chiều 44  Hình 2.8 Bộ thu MC-CDMA thuê bao 46  Hình 2.9 Tách đơn người dùng MC-CDMA 47  Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010     LUẬN VĂN CAO HỌC  Hình 2.10 Loại trừ giao thoa cứng 53  Hình 2.11 Loại trừ giao thoa mềm 53 Hình 3.1 Hệ thống đánh giá pha sai số 60  Hình 3.2 Vùng bất định pha tần số 61  Hình 3.3 Các cấu hình bám mã 63  Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống bắt mã đơn bước với tách không kết hợp 64  Hình 3.5 Biểu diễn tương đương thơng thấp hệ thống bắt mã PN đơn bước .64  Hình 3.6 Lưu đồ hàm sinh cho thời gian bắt đồng 67  Hình 3.7 Xác suất lỗi cảnh báo phát với γ = -20dB 71  Hình 3.8 Hệ thống đồng nối tiếp N-bước dị tìm 1/2 chip .73  Hình 3.9 Sơ đồ khối hệ thống bắt mã PN N bước với tách kết hợp .74  Hình 3.10 Lưu đồ hàm sinh cho thời gian bắt đồng trình đa bước 75  Hình 3.11 Các lưu đồ cho tác động cell trình N bước 76  Hình 3.12 Hệ thống bắt đồng lọc phù hợp thơng dải 80  Hình 3.13 Hệ thống bắt đồng lọc phù hợp lọc thông thấp 80  Hình 3.14 Bộ lọc phù hợp cho chuỗi PN M-chip thực đường trễ 82  Hình 3.15(a) Thực tương quan tương tự lọc phùhợp 84  Hình 3.15(b) Thực tương quan số lọc phù hợp 84  Hình 3.16 Chiến thuật tìm kiếm/khóa 86  Hình 3.17 Mơ hình chuỗi Markov chiến thuật tìm kiếm/khóa 87  Hình 3.18 Thời gian kiểm tra trung bình theo xác suất phát cảnh báo lỗi .90  Hình 3.19 Chiến thuật tìm kiếm/khóa khác .91 Hình 4.1 Kiến trúc hệ thống .94  Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010     LUẬN VĂN CAO HỌC  CÁC TỪ VIẾT TẮT AWGN Additive white gaussian noise Nhiễu cộng chuẩn trắng CP Cyclic Prefix Tiếp đầu khung theo chu kỳ CDMA Code division multiplex access Đa truy nhập theo mã FSK Frequency shift keying Khoá dịch tần số FFT Fast fourier transform Biến đổi fourier nhanh ICI Inter-carrier interference Giao thoa liên sóng mang ICI Inter-channel interference Giao thoa liên kênh MMSE Minimum Mean Square Error Sai lệch trung bình bình phương tối thiểu MC Multicarrier Đa sóng mang MCM Multicarrier modulation Điều chế đa sóng mang OFDM Othorgonal frequency division Ghép kênh theo tần số trực giao multiplexing PN Pseudo noise Giả ngẫu nhiên PSK Phase shift keying Khoá dịch pha (điều pha tín hiệu số) PG Processing Gain Tăng ích xử lý pdf Probability density function Hàm mật độ xác suất SS Spread Spectrum Trải phổ STFT Short time fourier Transform Biến đổi fourier thời gian ngắn Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010     LUẬN VĂN CAO HỌC  CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 KHÁI QUÁT CHUNG Một giới hạn hệ thống thông tin trải phổ thời gian đồng Thời gian đồng thời gian cần thiết để tiến hành đồng mã giả ngẫu nhiên tạo thu với tín hiệu trải phổ nhận Đồng mã thu hệ thống thông tin trải phổ chia thành hai bước: Đồng sơ (bắt đồng - acquisition) đồng tính (bám đồng - tracking) Bắt đồng tín hiệu trải phổ vấn đề lớn việc thiết kế hệ thống thông tin trải phổ Bắt đồng thực phương pháp tích cực, thụ động kết hợp Ở phương pháp tích cực (nối tiếp song song), tín hiệu nhận được nhân với mã giả ngẫu nhiên đồng với bên phát tại thu Kết lấy tích phân (tương quan) khoảng thời gian quan sát định, sau so sánh với ngưỡng đặt trước Nếu lớn đạt đồng mã giả ngẫu nhiên cịn khơng ta lại thực phép nhân tích phân với pha mã khác Phép tương quan thực bước để kiểm tra pha mã Ở phương pháp thụ động, người ta sử dụng lọc phù hợp với tín hiệu trải phổ Bộ lọc có đáp ứng xung phiên trễ, đảo ngược thời gian tín hiệu trải phổ Bộ lọc phù hợp chờ (thụ động) tín hiệu trải phổ nhận chứa pha mã xác định từ trước Khi tạo mã giả ngẫu nhiên nội khởi động với điều kiện ban đầu tương ứng với pha mã Phương pháp có thời gian đồng ngắn nhiều so với phương pháp tích cực Ngoài để thực đồng nhanh người ta giải điều chế trực tiếp dòng ký hiệu mã sau nạp vào ghi dịch tạo mã giả ngẫu nhiên Kỹ thuật gọi “Bắt đồng nhanh cách đánh giá có trợ giúp đệ quy” (RASE) Trong khn khổ luận văn, tác giả xin giới thiệu phương pháp bắt đồng tín hiệu MC – CDMA sử dụng kỹ thuật lọc phù hợp Trước hết, chương 1, tác giả xin trình bày hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA khái niệm hệ thống thông tin trải phổ, bao gồm cấu hình Học viên thực hiện: Hồng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010     LUẬN VĂN CAO HỌC  hệ thống thông tin trải phổ, phương thức điều chế trải phổ, ưu điểm hệ thống thông tin trải phổ 1.1.1 Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Các hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA mở rộng từ hệ thống SS-DS SS-FH, cho phép thực thông tin đa truy nhập Trong hệ thống CDMA người sử dụng cung cấp mã người dùng (User Code) dãy giả ngẫu nhiên riêng biệt Nếu mã không tương quan với nhau, cell có U người sử dụng độc lập truyền tin khoảng thời gian băng tần vô tuyến Bộ thu giải tương quan (giải trải-despread) tin tức tái tạo lại với dãy liệu mong muốn di(t), i = 1, 2, 3, U Hình 1.1 minh họa hệ thống CDMA với U = 10 BASE RECEIVER MU MU d1(t), g1(t) MU d10(t), g10(t) MU d2(t), g2(t) MU d3(t), g3(t) d7(t), g7(t) Hình 1.1 Hệ thống CDMA với 10 thuê bao di động Giả thiết U = 10 số đơn vị thuê bao có cell truyền tin đơn vị thời gian Trạm sở nhận 10 tín hiệu có phổ chồng lên khoảng thời gian Nếu lượng tất tín hiệu nhận PS, tín hiệu mong muốn bị chín tín hiệu cịn lại tác động hệ thống CDMA Cửa sổ thu tần số vơ tuyến (RF - Radio Frequency) có tỷ số sóng mang mong muốn nhiễu (C/I) 1/9 hay C/I = -9,54dB Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010     LUẬN VĂN CAO HỌC  Trong khoảng thời gian U người sử dụng truyền liệu truyền liệu DS-SS băng tần RF với tần số trung tâm f0 với pha φi độc lập - gọi pha người sử dụng Mỗi thuê bao di động có dãy mã trải phổ giả ngẫu nhiên gi(t) Giả thiết điều khiển cơng suất thích nghi sử dụng, trạm sở nhận U tín hiệu radio có cơng suất nhau, tốc độ liệu fb tốc độ chip fc tất người sử dụng xấp xỉ Mỗi người sử dụng có tin khác tin tức khác nhau, có nghĩa di(t) khác cho tất thuê bao di động truyền tin Trạm sở RF nhận r(t), tín hiệu RF định nghĩa công thức sau: k r (t ) = ∑ 2PSgi (t )di (t ) cos(ϖ 0t + θi ) (1.1) i =1 Trạm sở phải tiến hành giải trải phổ giải điều chế tin độc lập Tập U tin minh hoạ hình 1.1 DC LNA BPF Bộ tổng hợp tần số Bộ tương quan PSK integr r02 PSK r03 BW=2fB BPF Bộ tương quan r01 BW=2fB BPF Bộ tương quan PSK demod BW=2fB Hình 1.2 Trải phổ (tương quan) trước điều chế băng hẹp DC LNA Học LPF viên thực Hoàng CR Minh Bộhiện: tổng hợp PSKKhang tần số - 2010 Lớp: 10B CH ĐTVT1 wide mod BPF Bộ tương quan BW=2fB BPF V01     LUẬN VĂN CAO HỌC  Hình 1.3 Trải phổ (tương quan) sau điều chế băng rộng Tín hiệu RF chuyển đổi thành trung tần, ví dụ 70MHz giải điều chế cách bình thường nhờ giải điều chế băng rộng kết hợp Bộ lọc thông thấp giải điều chế cho độ rộng vừa đủ với tốc độ tín hiệu chip fc qua U tin chia thành băng đầu Cả hai kiến trúc ứng dụng minh hoạ hình 1.2, 1.3 Đầu giải điều chế hình 1.2 theo lọc thơng thấp đến giải điều chế PSK Ta được: k r1 = ∑ PS g1 (t )g i (t )d i (t ) cos(θ i − θ1 ) i =1 k = PS d1 (t ) + ∑ PS g1 (t )g i (t )d i (t ) cos(θ i − θ1 ) (1.2) i =2 Toán tử CDMA tương tự đầu băng DS-SS Tổng mật độ phổ công suất (k-1) nhiễu là: G J ( f ) ≅ ( k − 1) PS 4fc | f | ≤ fb (1.3) Tổng công suất nhiễu định nghĩa: PJ = (k-1)PS Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 (1.4) 10     LUẬN VĂN CAO HỌC  đồng ngược lại Hơn trạng thái, chiến thuật phù hợp cần áp dụng để xử lý với kết đưa từ so sánh "đạt kết quả" hay "không đạt" Loại ô, điều chỉnh pha mà Mất Tìm kiếm (d1) có Mất Tìm kiếm (d1) có có Vào chế độ khoá Thiết lập tham số chế độ khoá khoá vào chế độ tìm kiếm, thiết lập tham số chế độ tìm kiếm (d2) có Mất kho¸ (τd2) cã MÊt kho¸ (τd2) MÊt Hình 3.16 Chiến thuật tìm kiếm/khóa Để hiểu rõ xét trường hợp chiến thuật tìm kiếm/khố cho hệ thống trải phổ sử dụng phương pháp bắt đồng mã giả ngẫu nhiên đơn bước kiểm tra hình 3.16 Quá trình hoạt động chiến thuật sau: Tại vị trí kiểm tra (trạng thái 1), kết "không đạt" (khi đầu Z không đạt giá trị ngưỡng) vị trí bị bỏ qua chuyển sang vị trí Ngược lại kết "đạt kết quả" (đầu Z thoả mãn mức ngưỡng) vị trí kiểm tra vị trí kiểm tra thứ hai (trạng thái hai) phát "không đạt" vị Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 86     LUẬN VĂN CAO HỌC  trí mã vị trí mã lại kiểm tra lại từ đầu Nếu ta thu "đạt kết quả" hai vị trí, chiến thuật chuyển trạng thái thu sang trạng thái khố (bám đồng bộ) Tương tự vậy, ta có trình chuyển đổi trạng thái SLS Khi trạng thái khố kết " không đạt" không đưa trạng thái thu bắt đồng mà cần có ba kết "khơng đạt" buộc q trình bắt đồng hoạt động Một ý khoảng thời gian kiểm tra trạng thái và τd1, trạng thái khoá τd2, với τd2> τd1 3.6.1 Trị trung bình phương sai thời gian bắt Để tính tốn hàm mô-men xác suất xác định đặc trưng thời gian bắt SLS ta biểu diễn trình dạng chuỗi Markov hữu hạn Chuỗi Markov chiến thuật SLS mơ tả hình 3.16 biểu diễn hình 3.17 q1 p1 p1 q1 q2 p2 p2 Tìm Tìm Khoá kiếm kiếm p0 = P(có|chế độ tìm kiếm) p1 = P(có|chế độ khoá) Loại q2 Khoá q2 Khoá Loại p2 Hỡnh 3.17 Mụ hỡnh chuỗi Markov chiến thuật tìm kiếm/khóa Lưu ý hình 3.17 tương tự lưu đồ hàm sinh hệ thống bắt đồng đơn bước ngoại trừ, để thích hợp ta bỏ qua tham số nhánh z mà trước sử dụng để biểu diễn thời gian qua lưu đồ Mỗi nhánh 3.17 gán nhãn xác suất chuyển đổi thích hợp để từ trạng thái sang trạng thái khác Trị trung bình phương sai thời gian bắt kết hợp hệ thống bắt đồng đơn bước SLS sau: TACQ = (2 − PL )qτ d 2PL (3.41) và: ⎛ 1 ⎞ ⎟ + − PL ⎟⎠ ⎝ 12 PL = τ d2 q ⎜⎜ σ ACQ Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 (3.42) 87     LUẬN VĂN CAO HỌC  Trong PL xác suất khoá, xác suất nhập vào chế độ khố với giả thiết dị tìm đạt đến cell thời gian bước trung bình cho sai Trong mơ hình chuỗi Markov hình 3.17 PL xác suất chuyển từ trạng thái tới trạng thái với p1 = PD1 q1 = - PD1 PD1 xác suất phát trạng thái tìm kiếm τ thời gian trung bình để đạt tới trạng thái từ trạng thái với p1 d = PFA1, q1 = - PFA1, p2 = PFA2 q2 = - PFA2 với PFA1 PFA2 xác suất cảnh báo lỗi trạng thái tìm kiếm khố Rõ ràng rằng, khơng có xác nhận đạt xác suất khố với xác suất tách tách chế độ dò tìm PL = PD Hơn nữa, thời gian kiểm tra trung bình cho sai khơng có chiến thuật SLS trung bình thời gian kiểm tra cho kiện (miss) (xảy với xác suất - PFA) thời gian kiểm tra cho kiện đạt (xảy với xác suất PFA) bao gồm phạt K đơn vị thời gian để phát cảnh báo lỗi Như vậy: τ d =τ d (1 − PFA) + (τ d + Kτ d )PFA =τ d (1 + KPFA) (3.43) Tính xác suất khố: Các kiện dẫn tới chế độ khoá bắt đầu chế độ sau: C-C C-M-C-C C-M-C-M-C-C C-M-C-M- -C-M-C-C (n giá trị C, n giá trị M) C: có (đạt); M: Mất Các kiện hồn tồn độc lập, xác suất khố tổng xác xuất kiện độc lập PL = p12 + p1q1 p12 + ( p1q1 ) p12 + + ( p1q1 ) p12 + = ∞ n = p12 ∑ ( p1 q1 ) = n= n p12 p12 = − p1 q1 − p1 + p12 (3.44) Với p1 = PD1, ta có: PL = Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 PD21 − PD1 + PD21 88     LUẬN VĂN CAO HỌC  Tính thời gian kiểm tra trung bình: Để tính thời gian kiểm tra trung bình, ta xác định kiện bỏ qua ô sai bắt đầu chế độ dị, sau gắn thời gian xác suất xảy tới kiện xét kiện bỏ qua ô sai mà không vào chế độ khoá M C-M-M C-M-C-M-M C - M - C - M - .- C - M- M (n giá trị C, n giá trị M) Thời gian trung bình cho kiện là: τ d(1) = τ d1 (1 − PFA1 ) + 3τ d1PFA1 (1 − PFA1 ) + + (2n + 1)τ d1Pn FA1 (1 − PFA1 ) n+1 ∞ = τ d1 (1 − PFA1 )∑ (2n + 1)[PFA1 (1 − PFA1 )] n n=0 Biến đổi ta thu : τ d(1) = τ d1 (1 − PFA1 ) + PFA1 (1 − PFA1 ) [1 − PFA! (1 − PFA1 )]2 (3.45) Trường hợp thứ hai phát trạng thái mã sai sau chuyển sang trạng thái khoá Trong trường hợp để nhận vị trí mã sai trạng thái khoá cần tốn khoảng thời gian phạt Tp có giá trị K d Các kiện gắn với trình sau: C - C - Khoá C - M - C - C - Khoá C - M- C - M - - C - M - C - C - Khoá (n giá trị C, n giá trị M) Với kiện trên, thời gian trung bình tính sau: τ d( ) = (2τ d1 + Tp )PFA + (4τ d1 + Tp )PFA1 (1 − PFA1 ) + + ((2n + )τ d1 + Tp )P n+ FA1 (1 − PFA1 ) + n Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 89     LUẬN VĂN CAO HỌC  ∞ ∞ 2 = τ d1 PFA ∑ (2n + 2)[PFA1 (1 − PFA1 )] + Tp PFA1 ∑ [PFA1 (1 − PFA1 )] n n=0 n (3.46) n=0 Thời gian kiểm tra trung bình tổng cộng là: τd = (1 + PFA1 )τ d1 + PFA2 Tp (3.47) − PFA1 + PFA Trong khoảng thời gian phạt Tp bao gồm xác suất thời gian cần thiết để thực chuyển đổi trạng thái đến trạng thái sơ đồ chuỗi Markov Do đó: ⎡ − 4PFA2 + 2PFA ⎤ Tp = ⎢ ⎥τ d2 ⎢⎣ (1 − PFA2 ) ⎥⎦ (3.48) τd2 = 5τd1 PFA1=0.5 30 τd τ d1 20 0.25 10 0.10 0.01 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1.0 PFA1 Hình 3.18 Thời gian kiểm tra trung bình theo xác suất phát cảnh báo lỗi Áp dụng hai công thức ta thu kết cuối thời gian kiểm tra trung bình Hình 3.18 biểu diễn mối quan hệ thời gian kiểm tra trung bình theo xác suất phát cảnh báo lỗi trạng thái tìm kiếm với tham số xác suất phát cảnh báo lỗi trạng thái khoá Với giả sử thời gian kiểm tra trạng thái tìm kiếm nhỏ lần trạng thái khố 3.6.2 Một chiến thuật tìm kiếm/khóa khác: Một chiến thuật tìm kiếm/khố khác có lưu đồ chuyển đổi biểu diễn hình 3.19 Học viên thực hiện: Hồng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 90     LUN VN CAO HC Loại ô, điều chỉnh pha mà MÊt T×m kiÕm (τd1) MÊt cã T×m kiÕm (d1) có có Vào chế độ khoá Thiết lập tham số chế độ khoá khoá vào chế độ tìm kiếm, thiết lập tham số chế độ tìm kiếm (τd2) cã MÊt kho¸ (τd2) cã MÊt kho¸ (τd2) MÊt Hình 3.19 Chiến thuật tìm kiếm/khóa khác Trong sơ đồ q trình tìm kiếm có hai trạng thái Tuy nhiên không giống chiến thuật trước, hai trạng thái tìm kiếm có khoảng thời gian tìm kiếm (tích phân) khác Khi nhận kết "không đạt" trạng thái tìm kiếm quy trình tìm kiếm khơng quay trạng thái mà quay điều chỉnh pha mã chuyển sang vị trí pha mã Điểm đặc trưng thuật toán khoảng kiểm tra trạng thái (τd1) chọn nhỏ để nhanh chóng phát tính chất đồng vị trí pha mã Trong thời gian kiểm tra trạng thái (τd2) chọn lớn để thu tính xác cao định vị trí mã đặt đồng Cuối q trình khố, chiến thuật SLS sử dụng trạng thái kiểm tra với khoảng thời gian kiểm tra τd3 (và thường chọn τd2) với chiến thuật giống chiến thuật trước Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 91     LUẬN VĂN CAO HỌC  Một điều ý chiến thuật SLS bắt đồng thực theo phương pháp giống hệ thống bắt đồng đa bước kiểm tra (ở bước kiểm tra) Tuy nhiên hai bước kiểm tra chiến thuật độc lập với (các khoảng tích phân độc lập) không trùng phần đầu lên Chiến thuật SLS hình 3.18 chuyển đổi sang dạng chuỗi Markov, thời gian bắt đồng trung bình phương sai tính hai công thức (4.26 4.27) nhiên cơng thức tính cho PL τ d khơng áp dụng giống Rõ xét tới kiện để thực việc chuyển sang trạng thái khóa cần phải có hai "kết đạt" đưa (H H) Vì xác suất để chuyển tới trạng thái khoá là: PL = PD1.PD2 (3.49) Trong PD1 PD2 xác suất phát đồng hai trạng thái tìm kiếm Để xác định thời gian kiểm tra trung bình ta chia làm hai trường hợp Trường hợp phát vị trí mã sai khơng chuyển sang trạng thái khố (nhận M H - M) Với trường hợp này: τ d(1) = τ d1 (1− PFA1 ) + (τ d1 +τ d )PFA1 (1− PFA2 ) (3.50) Với PFA1 PFA2 xác suất nhận cảnh báo lỗi cho hai trạng thái tìm kiếm Trường hợp thứ hai chuyển sang trạng thái khoá với mã vị trí mã giả ngẫu nhiên sai phát sau khoảng "thời gian phạt" Tp Trong trường hợp này: τ d(2) = (τ d1 +τ d + Tp )PFA1PFA2 (3.51) Kết hợp hai trường hợp ta có : τ = τd1 +τd PFA1 + Tp PFA1PFA2 (3.52) Trong trường hợp "thời gian phạt" Tp = Kτd2 Sử dụng cơng thức ta tính thời gian bắt đồng trung bình phương sai theo hai cơng thức 3.26 3.27 phần 3.7 KẾT LUẬN Đồng sơ vấn đề quan trọng việc thiết kế hệ thống thông tin trải phổ Trên thực tế, đặc tính tồn hệ thống thường bị giới hạn đặc tính mạch đồng Đồng sơ sử dụng kỹ thuật lọc phù hợp phương pháp đồng cho thời gian bắt đồng nhỏ so với phương pháp bắt đồng nối tiếp, nhiên phần cứng phức tạp Mạch đồng phải thực chiến Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 92     LUẬN VĂN CAO HỌC  thuật khóa đồng để hoàn thiện chức bắt đồng theo hướng tiếp cận cực đại tối thiểu hoá xác suất bắt đồng sai lệch Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 93     LUẬN VĂN CAO HỌC  CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 4.1 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG BẮT ĐỒNG BỘ Mà PN r(t) S&H System Clock ~ r(k) r(k) A/D Bộ tương quan Data Bộ tạo mã PN c(k) CLOCK Load Shift Demux I/O Module CPU Sig_Pre System Bus Hình 4.1 Kiến trúc hệ thống Tín hiệu r(t) ~ qua mạch S&H biến đổi AD bit nạp vào ghi dịch MF Mạch S7H làm việc với totocs độ gấp NNS lần tốc độ chip Giá trị NNS thay đổi chương trình Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên tạo chuỗi m đưa đến MF (tín hiệu c tĩnh) Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên sử dụng ghi dịch hồi tiếp tuyến tính cấu hình thay đổi nhờ tín hiệu điều khiển từ bên (thay đổi bậc đa thức đặc tính, nạp đa thức điều kiện ban đầu) Để tiết kiệm phần cứng, ta sử dụng Demux Toàn mạch hoạt động đồng với nhờ khối tạo tín hiệu nhịp CLOCK Khối tạo tín hiệu nhịp tạo xung nhịp có tốc độ RC, NNSRC RB Ngoài xung nhịp cịn có xung đếm xác định khung chuỗi giả ngẫu nhiên Khi mạch khởi động (vào trạng thái dị tìm đồng bộ) đếm Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 94     LUẬN VĂN CAO HỌC  đứng yên Khi bắt đồng bộ, đếm bắt đầu đếm với giá trị ban đầu nạp tương ứng với T^d mạch chuyển sang trạng thái xấc nhận đồng Khối tạo tín hiệu nhịp hoạt động điều khiển CPU Kết phép tương quan (8 bit) biến đổi với tốc độ cao (NNSRC) Vì CPU khơng có khả đọc xử lý trực tiếp liệu này, liệu chốt vào cổng theo tín hiệu nhịp theo địa lấy từ khối CLOCK sau CPU đọc liệu theo tốc độ có Bình phương kết tương quan thực CPU Thuật toán bắt đồng nêu thực CPU Khi nhận tín hiệu khởi động (reset), CPU khởi tạo giá trị ban đầu cho hệ thống thực vịng lặp dị tìm đồng Khi bắt đồng xác nhận đồng bộ, mạch thiết lập tín hiệu Sig_pre (có tín hiệu) mức tích cực cho phép thu thơng tin 4.2 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 4.2.1 Ngun tắc mơ phỏng: Để khảo sát tính hệ thống bao gồm xác suất lỗi bit theo dung lượng hệ thống ta phải lập mô hình hệ thống bao gồm: - Mơ hình mã; - Mơ hình kênh trình bày đây: Mã Walsh-Hadamard: Mã trực giao Walsh-Hadamard tạo cách đơn giản đệ quy ma trận sinh Hadamard: ⎡C CL = ⎢ L / ⎣C L / CL / ⎤ , ∀ L = m , m ≥ 1, C1 = − C L / ⎥⎦ Số cực đại mã tạo L xác định số cực đại thuê bao K Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 95     LUẬN VĂN CAO HỌC  Ma trận Hadamard mơ tả sử dụng để thực điều chế Walsh-Hadamard L-mức kết hợp với trải phổ PN ứng dụng đường lên hệ MC-CDMA Kênh AWGN (Additive White Gaussian Noise): Mơ hình đơn giản kênh nhiễu cộng chuẩn trắng, mơ hình tín hiệu phát bị trình nhiễu cộng ngẫu nhiên tác động: r (t ) = s(t ) + η (t ) Về mặt vật lý, q trình xuất từ thành phần mạch thu, phát đường truyền Nếu nhiễu chủ yếu xuất từ mạch điện tử thu xem nhiễu nhiệt tuân theo trình thống kê chuẩn (Gaussian noise process) Kênh gọi kênh AWGN Mơ hình kênh Rayleigh: Tín hiệu nhận là: r = hd + η Với d ký hiệu có lượng Es η nhiễu trắng với PSD bên N0 Đáp ứng kênh pha-đinh h = αej β = x + jy q trình Gaussian phức trị trung bình khơng, tức x y độc lập phân bố Gassian thực, đồng có phương sai Ω/ SNR ký hiệu là: γ = a c = aα = α Es / N γ = a( x + y ) tổng bình phương hai trình Gaussian thực có phân bố Chi-bình phương hai bậc tự Pdf biên độ: fα (α ) = 2α Ω ⎛α2 −⎜ ⎜ Ω ⎝ e ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ α ≥ Ω = E{α } Pdf SNR: γ = aα α = γ / a SNR trung bình γ = aΩ Bằng cách sử dụng tính chất Pdf hai r.v.s f (γ ) = Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 γ α′ fα (α = γ / a với 96     LUẬN VĂN CAO HỌC  γ α′ = 2aα = aγ ta có: f (γ ) = γ /a Ω aγ exp(− γ Ω/ a ) = Các hàm mô-men SNR: E{γ ∂ k Φ γ ( s) ∂s k k }= aΩ exp(− γ Ω/ a ) = γ1 exp(− γγ ), γ ≥ ∂ k Φ γ (s) ∂sk s= = (−1) (− k )(−γ ) k (1 − sγ ) −( k +1) = k!γ k (1 − sγ ) −( k +1) Hệ số pha-đinh AF: AF = { } E γ − E {γ } 2γ − γ = =1 E {γ } γ2 Để mơ nhiễu AWGN tín hiệu phát cộng với thể nguồn ngẫu nhiên tuân theo phân bố Gauss (để có thể biến ngẫu nhiên có phân bố biết ta dùng phương pháp Monte Carlo) Mô phađinh đa hướng có phân bố Rayleigh thực cách cộng tín hiệu nguồn với bị suy hao, trễ tín hiệu phát theo mơ hình Jakes 4.2.2 Kết mơ phỏng: Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 97     LUẬN VĂN CAO HỌC  KẾT LUẬN Bắt đồng tín hiệu trải phổ vấn đề lớn việc thiết kế hệ thống thông tin trải phổ Bắt đồng thực phương pháp tích cực, thụ động kết hợp Đồng sơ vấn đề quan trọng việc thiết kế hệ thống thông tin trải phổ Trên thực tế, đặc tính tồn hệ thống thường bị giới hạn đặc tính mạch đồng Đồng sơ sử dụng kỹ thuật lọc phù hợp phương pháp đồng cho thời gian bắt đồng nhỏ so với phương pháp bắt đồng nối tiếp, nhiên phần cứng phức tạp Mạch đồng phải thực chiến thuật khóa đồng để hồn thiện chức bắt đồng theo hướng tiếp cận cực đại tối thiểu hố xác suất bắt đồng sai lệch Trong khn khổ luận văn này, tác giả thực mục tiêu sau: (1) Nghiên cứu hệ thống MC – CDMA phương pháp bắt đồng mã PN cho tín hiệu hệ thống Nghiên cứu tầm quan trọng việc lựa chọn phương pháp bắt đồng mã PN phù hợp để tìm tín hiệu gốc ban đầu; (2) Thực mô hệ thống MC – CDMA với hai người dùng, so sánh BER người dùng Hướng phát triển đề tài: Tiếp tục nghiên cứu hệ thống MC – CDMA, mở rộng hướng nghiên cứu sang vấn đề bám đồng mã giả ngẫu nhiên (mã PN) thu trải phổ; mô thuật toán bắt đồng bám đồng mã giả ngẫu nhiên cho tín hiệu MC – CDMA Do hạn chế mặt thời gian nên trình hồn thành luận văn hẳn khơng thể tránh khỏi thiếu sót mặt thực tế kiến thức, em mong nhận góp ý thầy cơ, anh, chị bạn Có kết nghiên cứu trên, nỗ lực thân, em xin gửi lời cám ơn tới thầy giáo PGS TS Nguyễn Hữu Trung cô giáo TS Nguyễn Thúy Anh tận tình, giúp đỡ, bảo hướng dẫn em suốt thời gian thực đề tài Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 98     LUẬN VĂN CAO HỌC  Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 99     LUẬN VĂN CAO HỌC  TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Trung, “Kỹ thuật trải phổ truyền dẫn đa song mang”, Hà Nội, 2009 [2] Akther M.S., Asenstorfer J., Alexander P.D and Reed M.C., “Performance of multi-carrier CDMA with iterative detection,” in Proc IEEE International Conference on Universal Personal Communications (ICUPC98), Florence, Italy, Oct 1998 [3] Al-Susa E and Cruickshank D., “An adaptive orthogonal multicarrier multiuser CDMA technique for a broadband mobile communication system,” in Proc International Workshop on Multi-Carrier Spread- Spectrum & Related Topics (MC-SS 2001), Oberpfaffenhofen, Germany, Sept 2001 [4] Ziemer, R and Peterson, R (1985) Digital Communications and Spread Spectrum Systems New York: MacMillan Publishing [5] Glisic, G S (1988) Automatic decision threshold level control (ADTLC) in direct-sequence spread-spectrum systems based on matching filtering IEEE Trans Communication Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 100     ... trúc tín hiệu MC - CDMA Tín hiệu MC- CDMA kết hợp tín hiệu DS -CDMA với OFDM Mỗi chip dãy giả ngẫu nhiên PN ánh xạ sóng mang Như vậy, khơng giống với tín hiệu DS -CDMA truyền thơng, với MC- CDMA, ... hệ thống MC - CDMA, nêu rõ cấu trúc tín hiệu MC - CDMA Chương 3: Các phương pháp bắt mã PN Trình bày thuật tốn bắt đồng mã PN, qua lựa chọn thuật tốn phù hợp Chương 4: Mơ kết luận Giới thiệu chương... ∑ Chèn CP k SMC (t ) ak,p-1(i) dk(KMC-1) cos ⎡⎣2π ( KMC −1) ∆ft ⎤⎦ Hình 2.3 Máy phát MC - CDMA Sơ đồ máy phát MC- CDMA cho người dùng thứ k vẽ hình 2.3 Quá trình tạo tín hiệu MC- CDMA theo thứ