Nghiên cứu thuật toán đồng bộ mã PN cho các bộ thu MC CDMA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Quốc Huy NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ MÃ PN CHO CÁC BỘ THU MC-CDMA Chuyên ngành : KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC … Ngành: Kỹ thuật truyền thông Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Hà Nội – Năm 2014 LUẬN VĂN CAO HỌC LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ hứa hẹn đem đến cho ngƣời mạng thông tin di động ngày đại Ngoài việc lƣớt Web, nghe nhạc, tải xuống tệp liệu nhƣ tƣơng lai bạn làm đƣợc nhiều nhƣ nhiều ví dụ nhƣ thực gọi VoIP hay tải lên, tải xuống tệp liệu có dung lƣợng lớn nháy mắt Đó mà nhà khai thác nhƣ ngƣời sử dụng trông chờ mạng di động hệ 4G Để đáp ứng đƣợc dịch vụ ứng dụng ngƣời ta đƣa vào kỹ thuật đa truy nhập để cung cấp tốc độ liệu cao với phân phối dải tần linh hoạt, công nghệ CDMA băng rộng đặc biệt CDMA đa sóng mang thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học MC-CDMA kết hợp kỹ thuật OFDM CDMA, mang nhiều ƣu điểm vƣợt trội hai nhƣng đồng thời mắc phải số khuyết điểm bản, bật lỗi đồng Xuất phát từ vấn đề thực tế trên, em chọn thực luận văn “Nghiên cứu thuật toán đồng mã PN cho thu MC-CDMA” Trong trình làm luận văn, em nhận đƣợc hƣớng dẫn chu đáo tận tình PGS.TS Nguyễn Hữu Trung PGS.TS Nguyễn Thúy Anh Em xin chân thành cảm ơn thầy giúp đỡ em hồn thành luận văn tốt nghiệp Hà Nội, ngày 23 tháng năm 2013 Học viên thực Nguyễn Quốc Huy Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B LUẬN VĂN CAO HỌC TÓM TẮT Bắt đồng tín hiệu trải phổ vấn đề lớn việc thiết kế hệ thống thông tin trải phổ Bắt đồng thực phƣơng pháp tích cực, thụ động kết hợp Ở phƣơng pháp tích cực (nối tiếp song song), tín hiệu nhận đƣợc đƣợc nhân với mã giả ngẫu nhiên đồng với bên phát tại thu Kết đƣợc lấy tích phân (tƣơng quan) khoảng thời gian quan sát định, sau đƣợc so sánh với ngƣỡng đặt trƣớc Ở phƣơng pháp thụ động, ngƣời ta sử dụng lọc phù hợp với tín hiệu trải phổ Bộ lọc phù hợp chờ (thụ động) tín hiệu trải phổ nhận đƣợc chứa pha mã xác định từ trƣớc Khi tạo mã giả ngẫu nhiên nội đƣợc khởi động với điều kiện ban đầu tƣơng ứng với pha mã Phƣơng pháp có thời gian đồng ngắn nhiều so với phƣơng pháp tích cực Mục tiêu thứ luận văn giới thiệu trình bày chi tiết lý thuyết hệ thống MC - CDMA, nhấn mạnh vào thuật toán bắt đồng mã thu hệ thống Mục tiêu thứ hai đề xuất ý tƣởng khơi phục tín hiệu, xử lý nhiễu Dựa yêu cầu đặt với đề tài “nghiên cứu thuật toán đồng mã PN cho thu MC-CDMA”, đồ án em đƣợc cấu trúc nhƣ sau: Chương 1: Giới thiệu Giới thiệu chung số khái niệm đồ án, trình bày mục đích, nội dung yêu cầu đặt đồ án Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày lý thuyết 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: Mô kết luận Giới thiệu chƣơng trình mơ bắt đồng mã PN thu đƣợc viết Matlab, đƣa kết mơ phân tích kết thu đƣợc Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B LUẬN VĂN CAO HỌC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 KHÁI QUÁT CHUNG 1.1.1 Hệ thống thông tin trải phổ 10 1.1.1.1 Giới thiệu 10 1.1.1.2 Các kỹ thuật trải phổ 12 1.1.1.3 Các chuỗi trải phổ 19 1.1.1.4 Hiệu hệ thống DS/SS 23 1.1.2 Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 25 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 29 2.1 NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA KỸ THUẬT MC - CDMA 29 2.2 HỆ THỐNG MC - CDMA 31 2.2.1 Máy phát MC - CDMA 31 2.2.2 Máy thu MC - CMDA 34 2.2.3 Kênh truyền 36 2.2.4 Cấu trúc tín hiệu MC - CDMA 37 2.2.4.1 Tín hiệu hƣớng xuống 38 2.2.4.2 Tín hiệu hƣớng lên 40 2.2.5 Các kỹ thuật điều chế trải phổ MC - CDMA 40 2.2.5.1 Các mã trải phổ 41 Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B LUẬN VĂN CAO HỌC 2.2.5.2 Tỷ số công suất đỉnh cơng suất trung bình PAPR 43 2.2.5.3 Trải phổ hai chiều 45 2.2.5.4 Quay biểu đồ pha 47 2.2.6 Kỹ thuật tách tín hiệu 48 2.2.6.1 Tách đơn ngƣời dùng 49 2.2.6.2 Tách đa ngƣời sử dụng 52 2.2.7 Nhiễu MAI nhiễu ICI 58 2.2.7.1 Nhiễu MAI 58 2.2.7.2 Nhiễu ICI 59 2.2.8 Ƣu điểm khuyết điểm hệ thống MC - CDMA 59 2.3 KẾT LUẬN 60 CHƢƠNG 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP BẮT MÃ PN 61 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TỐI ƢU HÓA BỘ THU 61 3.2 HƢỚNG TIẾP CẬN THEO THAM SỐ QUY NẠP CỰC ĐẠI 63 3.3 HỆ THỐNG BẮT MÃ PN NỐI TIẾP ĐƠN BƢỚC 65 3.3.1 Mô hình chuỗi bắt đồng Markov – Quá trình Markov 66 3.3.2 Đặc tính thời gian bắt hệ thống khơng có Code Doppler 69 3.3.3 Đặc tính thời gian bắt hệ thống có Code Doppler 71 3.3.4 Tính xác suất tách PD xác suất cảnh báo lỗi PFA (các tham số hệ thống) 72 3.4 HỆ THỐNG BẮT MÃ PN NỐI TIẾP ĐA BƢỚC 73 3.4.1 Mơ hình bắt chuỗi Markov 76 3.4.2 Thời gian bắt đồng 80 3.5 BẮT ĐỒNG BỘ NHANH SỬ DỤNG KỸ THUẬT LỌC PHÙ HỢP 81 3.6 CHIẾN THUẬT TÌM KIẾM/KHĨA 87 Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B LUẬN VĂN CAO HỌC 3.6.1 Trị trung bình phƣơng sai thời gian bắt 89 3.6.2 Một chiến thuật tìm kiếm/khóa khác: 92 3.7 KẾT LUẬN 94 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 96 4.1 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG BẮT ĐỒNG BỘ MÃ PN 96 4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 97 4.2.1 Nguyên tắc mô phỏng: 97 4.2.2 Kết mô phỏng: 99 KẾT LUẬN 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B LUẬN VĂN CAO HỌC DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1.1 Hệ thống thơng tin trải phổ 11 Hình 1.2 Sơ đồ khối điều chế giải điều chế DS - SS 13 Hình 1.3 Phổ tín hiệu trƣớc sau trải phổ 14 Hình 1.4 Dạng sóng tín hiệu trƣớc trải phổ sau trải phổ 15 Hình 1.5 Phổ tín hiệu FH - SS 15 Hình 1.6 Sơ đồ khối tạo khối thu tín hiệu FH - SS 16 Hình 1.7 Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian 16 Hình 1.8 Sơ đồ khối tạo khối thu tín hiệu TH - SS 18 Hình 1.9 Sơ đồ mạch tạo chuỗi ngẫu nhiên 19 Hình 1.10 Đồ thị hàm tự tƣơng quan chuỗi PRBS 20 Hình 1.11 Bộ tạo mã GOLD 23 Hình 1.15 Sơ đồ khối máy phát máy thu DS/SS - BPSK 24 Hình 1.12 Hệ thống CDMA với 10 thuê bao di động 25 Hình 1.13 Trải phổ (tƣơng quan) trƣớc điều chế băng hẹp 26 Hình 1.14 Trải phổ (tƣơng quan) sau điều chế băng rộng 27 Hình 2.1 Nguyên tắc chung MC – CDMA MC – DS – CDMA 29 Hình 2.2 Sơ đồ khối mơ hình hệ thống MC – CMDA 31 Hình 2.3 Máy phát MC - CDMA 32 Hình 2.4 Máy thu MC - CDMA 36 Hình 2.5 Tạo tín hiệu MC - CDMA 38 Hình 2.6 Bộ phát MC – CDMA hƣớng xuống 39 Hình 2.7 Trải phổ chiều hai chiều 46 Hình 2.8 Bộ thu MC-CDMA thuê bao 48 Hình 2.9 Tách đơn ngƣời dùng MC-CDMA 49 Hình 2.10 Loại trừ giao thoa cứng 55 Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B LUẬN VĂN CAO HỌC Hình 2.11 Loại trừ giao thoa mềm 55 Hình 3.1 Hệ thống đánh giá pha sai số 62 Hình 3.2 Vùng bất định pha tần số 63 Hình 3.3 Các cấu hình bám mã 65 Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống bắt mã đơn bƣớc với tách không kết hợp 66 Hình 3.5 Biểu diễn tƣơng đƣơng thơng thấp hệ thống bắt mã PN đơn bƣớc 66 Hình 3.6 Lƣu đồ hàm sinh cho thời gian bắt đồng 69 Hình 3.7 Xác suất lỗi cảnh báo phát với  = -20dB 73 Hình 3.8 Hệ thống đồng nối tiếp N-bƣớc dị tìm 1/2 chip 75 Hình 3.9 Sơ đồ khối hệ thống bắt mã PN N bƣớc với tách kết hợp 76 Hình 3.10 Lƣu đồ hàm sinh cho thời gian bắt đồng trình đa bƣớc 77 Hình 3.11 Các lƣu đồ cho tác động cell trình N bƣớc 78 Hình 3.12 Hệ thống bắt đồng lọc phù hợp thông dải 82 Hình 3.13 Hệ thống bắt đồng lọc phù hợp lọc thông thấp 82 Hình 3.14 Bộ lọc phù hợp cho chuỗi PN M-chip thực đƣờng trễ 84 Hình 3.15(a) Thực tƣơng quan tƣơng tự lọc phùhợp 86 Hình 3.15(b) Thực tƣơng quan số lọc phù hợp 86 Hình 3.16 Chiến thuật tìm kiếm/khóa 88 Hình 3.17 Mơ hình chuỗi Markov chiến thuật tìm kiếm/khóa 89 Hình 3.18 Thời gian kiểm tra trung bình theo xác suất phát cảnh báo lỗi 92 Hình 3.19 Chiến thuật tìm kiếm/khóa khác 93 Hình 4.1 Kiến trúc hệ thống 96 Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B LUẬN VĂN CAO HỌC DANH SÁCH 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 phƣơng 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: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B LUẬN VĂN CAO HỌC CHƢƠNG 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 đƣợc tạo thu với tín hiệu trải phổ nhận đƣợc Đồng mã thu hệ thống thông tin trải phổ đƣợc chia thành hai bƣớc: 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 phƣơng pháp tích cực, thụ động kết hợp Ở phƣơng pháp tích cực (nối tiếp song song), tín hiệu nhận đƣợc đƣợc nhân với mã giả ngẫu nhiên đồng với bên phát tại thu Kết đƣợc lấy tích phân (tƣơng quan) khoảng thời gian quan sát định, sau đƣợc so sánh với ngƣỡng đặt trƣớc Nếu lớn đạt đƣợc đồng mã giả ngẫu nhiên khơng ta lại thực phép nhân tích phân với pha mã khác Phép tƣơng quan đƣợc thực bƣớc để kiểm tra pha mã Ở phƣơng pháp thụ động, ngƣời ta sử dụng lọc phù hợp với tín hiệu trải phổ Bộ lọc có đáp ứng xung phiên trễ, đảo ngƣợc thời gian tín hiệu trải phổ Bộ lọc phù hợp chờ (thụ động) tín hiệu trải phổ nhận đƣợc chứa pha mã xác định từ trƣớc Khi tạo mã giả ngẫu nhiên nội đƣợc khởi động với điều kiện ban đầu tƣơng ứng với pha mã Phƣơng pháp có thời gian đồng ngắn nhiều so với phƣơng pháp tích cực Ngồi để thực đồng nhanh ngƣời ta giải điều chế trực tiếp dịng ký hiệu mã sau nạp vào ghi dịch tạo mã giả ngẫu nhiên Kỹ thuật đƣợc gọi “Bắt đồng nhanh cách đánh giá có trợ giúp đệ quy” (RASE) Trong khuôn khổ luận văn, tác giả xin giới thiệu phƣơng pháp bắt đồng tín hiệu MC – CDMA sử dụng kỹ thuật lọc phù hợp Trƣớc hết, chƣơng 1, tác giả xin trình bày hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA khái niệm hệ thống thơng tin trải phổ, bao gồm cấu hình Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B LUẬN VĂN CAO HỌC quan bƣớc kiểm tra Trong NM - mẫu tín hiệu thu đƣợc trƣớc đƣợc ghi lại dãy trễ hay ghi 3.6 CHIẾN THUẬT TÌM KIẾM/KHĨA Trong phần trƣớc trình bày phƣơng pháp khác để thực việc bắt đồng mã giả ngẫu nhiên cho hệ thống trải phổ dãy trực tiếp, với phƣơng pháp nhƣ: Bắt đồng theo phƣơng pháp kiểm tra đơn bƣớc, kiểm tra đa bƣớc hay dùng phƣơng pháp tìm kiếm nhanh dùng lọc phù hợp Khi hệ thống bắt đƣợc mã đồng giả ngẫu nhiên hệ thống chuyển sang trạng thái bám đồng khâu thứ hai trình đồng mã trải phổ Phần trình bày quy trình hoạt động chiến thuật tìm kiếm/khoá (SLS, Search Lock Strategies) thu mã trải phổ mà nhiệm vụ điều khiển trình chuyển đổi từ trạng thái tìm kiếm mã giả ngẫu nhiên (đồng thô) sang trạng thái khoá (bám đồng bộ) Nhƣ chiến thuật tiếp nhận xử lý thơng tin "tác động" có ý ngh a trình tìm đồng trƣớc định hệ thống bắt đƣợc đồng chuyển sang bám đồng Một nhiệm vụ khác chiến thuật tìm kiếm/khố liên tục theo dõi q trình thu nhận tín hiệu q trình bám đồng hoạt động phát có lỗi đồng xảy thực khởi tạo lại trình bắt đồng Trong trình thiết kế chiến thuật SLS xuất khó khăn việc chọn lựa thời gian lấy tích phân d cho bƣớc kiểm tra vị trí pha mã giả ngẫu nhiên Để có đƣợc hệ thống bắt đồng nhanh thời gian d cần phải nhỏ tốt, nhƣng để đảm bảo tính xác cao đồng thời gian lớn lại tốt Việc địi hỏi tính xác cao trình bắt đồng để giúp cho trình bắt đồng sau không sớm bị dừng thay vào khởi tạo lại q trình tìm kiếm Nhƣng trái lại, xác suất để chuyển sang trạng thái khoá phụ thuộc vào cảnh báo lỗi khác khơng, thời gian cần thiết để phát lỗi đồng trạng thái khóa tăng lên ta tăng khoảng thời gian lấy tích phân Tuy xác suất cảnh báo lỗi nhỏ xác suất phát lỗi đồng trạng thái khoá nhỏ theo, nhƣ thời gian bắt đồng trung bình khơng tăng lên đáng kể Nhƣ vậy, dƣới tác động SLS tham số tách cần đƣợc thay đổi trình chuyển đổi từ trạng thái bắt sang bám Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B 87 LUẬN VĂN CAO HỌC đồng ngƣợc lại Hơn trạng thái, chiến thuật phù hợp cần đƣợc áp dụng để xử lý với kết đƣa từ so sỏnh l "t kt qu" hay "khụng t" Loại ô, ®iỊu chØnh pha m· MÊt T×m kiÕm (d1) cã Mất Tìm kiếm (d1) có có khoá vào chế độ tìm kiếm, thiết lập tham số chế độ tìm kiếm Vào chế độ khoá Thiết lập tham số chế độ khoá (d2) có Mất khoá (d2) cã MÊt kho¸ (d2) MÊt Hình 3.16 Chiến thuật tìm kiếm/khóa Để hiểu rõ xét trƣờng hợp chiến thuật tìm kiếm/khố cho hệ thống trải phổ sử dụng phƣơng pháp bắt đồng mã giả ngẫu nhiên đơn bƣớc kiểm tra nhƣ hình 3.16 Quá trình hoạt động chiến thuật nhƣ sau: Tại vị trí kiểm tra (trạng thái 1), kết "không đạt" (khi đầu Z không đạt đƣợc giá trị ngƣỡng) vị trí bị bỏ qua chuyển sang vị trí Ngƣợc lại kết "đạt kết quả" (đầu Z thoả mãn mức ngƣỡng) vị trí kiểm tra vị trí kiểm tra thứ hai (trạng thái hai) phát "không đạt" vị Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B 88 LUẬN VĂN CAO HỌC trí mã vị trí mã lại đƣợc kiểm tra lại từ đầu Nếu ta thu đƣợc "đạt kết quả" hai vị trí, chiến thuật chuyển trạng thái thu sang trạng thái khoá (bám đồng bộ) Tƣơng tự nhƣ vậy, ta có q trình chuyển đổi trạng thái SLS Khi trạng thái khố kết " khơng đạt" khơng đƣa 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 d1, trạng thái khoá d2, với d2> d1 3.6.1 Trị trung bình phƣơng sai thời gian bắt Để tính tốn hàm mơ-men xác suất xác định đặc trƣng thời gian bắt SLS ta biểu diễn trình dƣới dạng chuỗi Markov hữu hạn Chuỗi Markov chiến thuật SLS mơ tả hình 3.16 đƣợc biểu diễn hình 3.17 q1 p1 p1 q1 Loại q2 Tìm kiếm Tìm kiÕm p2 Kho¸ q2 p2 q2 Khoá Loại p2 Khoá p0 = P(có|chế độ tìm kiếm) p1 = P(có|chế độ khoá) Hình 3.17 Mơ hình chuỗi Markov chiến thuật tìm kiếm/khóa Lƣu ý hình 3.17 tƣơng tự nhƣ lƣu đồ hàm sinh hệ thống bắt đồng đơn bƣớc ngoại trừ, để thích hợp ta bỏ qua tham số nhánh z mà trƣớc đƣợc sử dụng để biểu diễn thời gian qua lƣu đồ Mỗi nhánh 3.17 đƣợc gán nhãn xác suất chuyển đổi thích hợp để từ trạng thái sang trạng thái khác Trị trung bình phƣơng sai thời gian bắt kết hợp hệ thống bắt đồng đơn bƣớc SLS nhƣ sau: TACQ  2  PL q d 2PL (3.41) và: 1 1     PL   12 PL  ACQ   d2 q  Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B (3.42) 89 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 bƣớc 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 d thời gian trung bình để đạt tới trạng thái từ trạng thái với p1 = 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 dị 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 Nhƣ vậy:  d   d (1  PFA )  ( d  K d )PFA   d (1  KPFA ) (3.43) Tính xác suất khoá: Các kiện dẫn tới chế độ khoá bắt đầu chế độ nhƣ 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 khoá tổng xác xuất kiện độc lập PL  p12  p1q1 p12   p1q1  p12    p1q1  p12   n  n  p12   p1q1   n 0 p12 p12   p1q1  p1  p12 (3.44) Với p1 = PD1, ta có: PL  Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B PD21  PD1  PD21 90 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 khơng vào chế độ khố 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:  d(1)   d1 1  PFA1   3 d1 PFA1 1  PFA1    2n  1 d1 P n FA1 1  PFA1  n 1    d1 1  PFA1  2n  1PFA1 1  PFA1  n n 0 Biến đổi ta thu đƣợc :  d(1)   d1 1  PFA1   PFA1 1  PFA1  1  PFA! 1  PFA1 2 (3.45) Trƣờng hợp thứ hai phát trạng thái mã sai sau chuyển sang trạng thái khoá Trong trƣờng hợp để nhận đƣợc vị trí mã sai trạng thái khoá cần tốn khoảng thời gian phạt Tp có giá trị ự kiện gắn với trình nhƣ 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 nhƣ trên, thời gian trung bình đƣợc tính nhƣ sau:  d( 2)  2 d1  Tp PFA2  4 d1  Tp PFA3 1  PFA1    2n  2 d1  Tp P n  FA1 1  PFA1   n Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B 91 LUẬN VĂN CAO HỌC     d1 PFA2  2n  2PFA1 1  PFA1   Tp PFA2  PFA1 1  PFA1  n n 0 n (3.46) n 0 Thời gian kiểm tra trung bình tổng cộng là: d  1  PFA1  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:   4PFA  2PFA2  Tp    d  1  PFA   (3.48) d2 = 5d1 PFA1=0.5 30 d  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 đƣợc 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 khoá 3.6.2 Một chiến thuật tìm kiếm/khóa khác: Một chiến thuật tìm kiếm/khố khác có lƣu đồ chuyển đổi nhƣ biểu diễn hình 3.19 Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 2011B 92 LUN VN CAO HC Loại ô, điều chØnh pha m· MÊt MÊt T×m kiÕm (d1) cã Tìm kiếm (d1) có có khoá vào chế độ tìm kiếm, thiết lập tham số chế độ tìm kiếm Vào chế độ khoá Thiết lập tham số chế độ khoá (d2) có Mất khoá (d2) cã MÊt kho¸ (d2) 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 nhƣ chiến thuật trƣớc, hai trạng thái tìm kiếm có khoảng thời gian tìm kiếm (tích phân) khác Khi nhận đƣợc kết "khơng 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 trƣng thuật toán khoảng kiểm tra trạng thái (d1) đƣợc chọn nhỏ để nhanh chóng phát tính chất đồng vị trí pha mã Trong thời gian kiểm tra trạng thái (d2) đƣợc chọn lớn để thu đƣợc tính xác cao định vị trí mã đặt đồng Cuối q trình khố, chiến thuật SLS sử Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B 93 LUẬN VĂN CAO HỌC dụng trạng thái kiểm tra với khoảng thời gian kiểm tra d3 (và thƣờng đƣợc chọn d2) với chiến thuật giống nhƣ chiến thuật trƣớc Một điều ý chiến thuật SLS bắt đồng thực theo phƣơng pháp giống nhƣ hệ thống bắt đồng đa bƣớc kiểm tra (ở bƣớc kiểm tra) Tuy nhiên hai bƣớc kiểm tra chiến thuật độc lập với (các khoảng tích phân độc lập) không trùng phần đầu lên Chiến thuật SLS hình 3.18 đƣợc chuyển đổi sang dạng chuỗi Markov, thời gian bắt đồng trung bình phƣơng sai đƣợc tính nhƣ hai công thức (4.26 4.27) nhiên cơng thức tính cho PL  d khơng áp dụng giống nhƣ đƣợc Rõ xét tới kiện để thực việc chuyển sang trạng thái khóa cần phải có hai "kết đạt" đƣa (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 đƣợc thời gian kiểm tra trung bình ta chia làm hai trƣờng hợp Trƣờng hợp phát vị trí mã sai khơng chuyển sang trạng thái khố (nhận đƣợc M H - M) Với trƣờng hợp này:  d(1)   d1 1  PFA1   ( d1   d ) PFA1 1  PFA2  (3.50) Với PFA1 PFA2 xác suất nhận cảnh báo lỗi cho hai trạng thái tìm kiếm Trƣờng hợp thứ hai chuyển sang trạng thái khoá với mã vị trí mã giả ngẫu nhiên sai đƣợc phát sau khoảng "thời gian phạt" Tp Trong trƣờng hợp này:  d(2)  ( d1   d  Tp ) PFA1PFA2 (3.51) Kết hợp hai trƣờng hợp ta có :    d1   d PFA1  Tp PFA1PFA2 (3.52) Trong trƣờng hợp "thời gian phạt" Tp = Kd2 Sử dụng cơng thức ta tính đƣợc thời gian bắt đồng trung bình phƣơng 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 thƣờng bị giới hạn Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B 94 LUẬN VĂN CAO HỌC đặc tính mạch đồng Đồng sơ sử dụng kỹ thuật lọc phù hợp phƣơng pháp đồng cho thời gian bắt đồng nhỏ so với phƣơng 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 hƣớng tiếp cận cực đại tối thiểu hoá xác suất bắt đồng sai lệch Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B 95 LUẬN VĂN CAO HỌC CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 4.1 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG BẮT ĐỒNG BỘ MÃ PN r(t) S&H System Clock ~ r(k) r(k) A/D Bộ tƣơng quan Data Bộ tạo mã PN c(k) CLOCK Load Shift Demux x 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 đƣợc nạp vào ghi dịch MF Mạch S7H làm việc với totocs độ gấp NNS lần tốc độ chip Giá trị NNS thay đổi đƣợc chƣơng trình Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên tạo chuỗi m đƣa đến MF (tín hiệu c t nh) Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên sử dụng ghi dịch hồi tiếp tuyến tính cấu hình thay đổi đƣợc nhờ tín hiệu điều khiển đƣợc 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 Ngồi xung nhịp cịn có xung đếm xác định khung chuỗi giả ngẫu nhiên Khi mạch đƣợc khởi động (vào trạng thái dị tìm đồng bộ) đếm Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B 96 LUẬN VĂN CAO HỌC đứng yên Khi bắt đƣợc đồng bộ, đếm bắt đầu đếm với giá trị ban đầu đƣợc nạp tƣơng ứng với T^ mạch chuyển sang trạng thái xấc nhận đồng Khối tạo d tín hiệu nhịp hoạt động dƣới điều khiển CPU Kết phép tƣơng quan (8 bit) biến đổi với tốc độ cao (NNSRC) Vì CPU khơng có khả đọc xử lý trực tiếp liệu này, liệu đƣợc chốt vào cổng theo tín hiệu nhịp theo địa lấy từ khối CLOCK sau CPU đọc liệu theo tốc độ có Bình phƣơng kết tƣơng quan đƣợc thực CPU Thuật toán bắt đồng nêu đƣợc thực CPU Khi nhận đƣợc tín hiệu khởi động (reset), CPU khởi tạo giá trị ban đầu cho hệ thống thực vịng lặp dị tìm đồng Khi bắt đƣợc đồng xác nhận đồng bộ, mạch thiết lập tín hiệu Sig_pre (có tín hiệu) mức tích cực cho phép thu thông 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 lƣợng hệ thống ta phải lập mơ hình hệ thống bao gồm: - Mơ hình mã; - Mơ hình kênh nhƣ trình bày dƣới đây: Mã Walsh-Hadamard: Mã trực giao Walsh-Hadamard đƣợc tạo cách đơn giản đệ quy ma trận sinh Hadamard: C CL   L / C L / CL /  , L  2m , m  1, C1  CL /  Số cực đại mã tạo L xác định số cực đại thuê bao K Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B 97 LUẬN VĂN CAO HỌC Ma trận Hadamard mô tả đƣợc sử dụng để thực điều chế Walsh-Hadamard L-mức kết hợp với trải phổ PN ứng dụng đƣờng 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 )   (t ) Về mặt vật lý, q trình xuất từ thành phần mạch thu, phát đƣờng truyền Nếu nhiễu chủ yếu xuất từ mạch điện tử thu xem nhƣ nhiễu nhiệt tuân theo trình thống kê chuẩn (Gaussian noise process) Kênh đƣợc gọi kênh AWGN Mơ hình kênh Rayleigh: Tín hiệu nhận đƣợc là: r  hd   Với d ký hiệu có lƣợng Es  nhiễu trắng với PSD bên N0 Đáp ứng kênh pha-đinh h  e j  x  jy q trình Gaussian phức trị trung bình khơng, tức x y độc lập phân bố Gassian thực, đồng có phƣơng sai / SNR ký hiệu là:   a c  a   Es / N0   a( x  y ) tổng bình phƣơng hai q trình Gaussian thực có phân bố Chi-bình phƣơng hai bậc tự Pdf biên độ: f ( )  2  e 2             E  Pdf SNR:   a    / a SNR trung bình   a Bằng cách sử dụng tính chất Pdf hai r.v.s f ( )  Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B   f (   / a với 98 LUẬN VĂN CAO HỌC    2a  a ta có: f ( )  1a  /a  exp(  / a )  Các hàm mô-men SNR: E  k   (s) s k k  a exp(  / a )  1 exp(  ),    k   ( s) s k s 0  (1) ( k )(  ) k (1  s ) ( k 1)  k! k (1  s ) ( k 1) Hệ số pha-đinh AF: AF    E   E   2    1 E   2 Để mô nhiễu AWGN tín hiệu phát đƣợc cộng với thể nguồn ngẫu nhiên tuân theo phân bố Gauss (để có đƣợc thể biến ngẫu nhiên có phân bố biết ta dùng phƣơng pháp Monte Carlo) Mơ phađinh đa hƣớng 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 mô phỏng: Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B 99 LUẬN VĂN CAO HỌC KẾT LUẬN Đồ án tốt nghiệp hoàn thành giải yêu cầu đặt trƣớc Về lý thuyết, bắt đồng thực phƣơng pháp tích cực, thụ động kết hợp Trên thực tế, đặc tính tồn hệ thống thƣờng bị giới hạn đặc tính mạch đồng Đồng sơ sử dụng kỹ thuật lọc phù hợp phƣơng pháp đồng cho thời gian bắt đồng nhỏ so với phƣơng pháp bắt đồng nối tiếp, nhiên phần cứng phức tạp Mạch đồng cịn phải thực chiến thuật khóa đồng để hoàn thiện chức bắt đồng theo hƣớng tiếp cận cực đại tối thiểu hoá xác suất bắt đồng sai lệch Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả thực đƣợc mục tiêu sau: (1) Nghiên cứu hệ thống MC – CDMA phƣơng pháp bắt đồng mã PN cho tín hiệu hệ thống Nghiên cứu tầm quan trọng việc lựa chọn phƣơng pháp bắt đồng mã PN phù hợp để tìm tín hiệu gốc ban đầu; (2) Thực mô hệ thống MC – CDMA với hai ngƣời dùng, so sánh BER ngƣời dùng Hƣớng phát triển đề tài: Tiếp tục nghiên cứu hệ thống MC – CDMA, mở rộng hƣớng 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 nhƣ kiến thức, em mong nhận đƣợc góp ý thầy cơ, anh, chị bạn Có đƣợc kết nghiên cứu nhƣ trên, nỗ lực thân, em xin đƣợc gửi lời cám ơn tới thầy giáo PGS TS Nguyễn Hữu Trung cô giáo PGS.TS Nguyễn Thúy Anh tận tình, giúp đỡ, bảo hƣớng dẫn em suốt thời gian thực đề tài Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B 100 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] Tạp chí Công http://www.tapchibcvt.gov.vn/ nghệ thông tin & Truyền thông, [3] K.Fazel, S.Kaiser, "Multi-Carrier and Spread Spectrum Systems", John Wiley & Son, 2003 [4] 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 [5] Ziemer, R and Peterson, R (1985) Digital Communications and Spread Spectrum Systems New York: MacMillan Publishing [6] Glisic, G S (1988) Automatic decision threshold level control (ADTLC) in direct-sequence spread-spectrum systems based on matching filtering IEEE Trans Communication [7] 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 Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy Lớp: KTTT2 – 2011B 101 ... 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày lý thuyết hệ thống MC - CDMA, nêu rõ cấu trúc tín hiệu MC - CDMA Chương 3: Các phương pháp bắt mã PN Trình bày thu? ??t tốn bắt đồng mã PN, qua lựa chọn thu? ??t tốn phù... (2.26) 2.2.5 Các kỹ thu? ??t điều chế trải phổ MC - CDMA Các kỹ thu? ??t điều chế trải phổ MC- CDMA khác cách chọn mã trải phổ Vì có nhiều loại mã trải phổ nên có nhiều cách để ánh xạ mã trải phổ theo... OFDM CDMA, mang nhiều ƣu điểm vƣợt trội hai nhƣng đồng thời mắc phải số khuyết điểm bản, bật lỗi đồng Xuất phát từ vấn đề thực tế trên, em chọn thực luận văn ? ?Nghiên cứu thu? ??t toán đồng mã PN cho