Các phương pháp tách sóng trong CDMA luận văn tốt nghiệp đại học

Trờng đại học vinh khoa điện tử viễn thông === === đồ án tốt nghiệp đại học Đề tài: các phơng pháp tách sóng trong cdma Giảng viên hớng dẫn : ks. lê văn chơng Sinh viên thực hiện : trần quang hoàng Lớp : 48K - ĐTVT Mã số sinh viên : 0751080438 nghÖ an - 01/2012 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Trần Quang Hoàng Mã sinh viên: 0751080438 Khoá học: 48 Khoa: Điện tử Viễn thông Ngành: Điện tử Viễn thông 1. Đầu đề đồ án: . . 2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: . . . . 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: . . . . 4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): . . . . Họ tên giảng viên hướng dẫn: KS. Lê Văn Chương 1. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: / /20 2. Ngày hoàn thành đồ án: / /20 Ngày tháng năm 2012 TRƯỞNG BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2012 CÁN BỘ PHẢN BIỆN 4 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU I DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ II DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT III DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ II HÌNH 1.1: SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ 1 .II HÌNH 1.2: MẠCH THANH GHI DỊCH TẠO CHUỖI M 4 II HÌNH 1.3: NGUYÊN LÝ CỦA MỘT BỘ ĐIỀU CHẾ SỐ 7 II HÌNH 1.4: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP 9 .II HÌNH 2.1. HIỆN TƯỢNG ĐA ĐƯỜNG DẪN 22 .II HÌNH 3.1: BỘ TÁCH SÓNG KINH ĐIỂN 28 II HÌNH 3.2: MÔ HÌNH BỘ TÁCH SÓNG 2 USER ĐỒNG BỘ 32 .II HÌNH 3.3: BỘ TÁCH SÓNG GIẢI TƯƠNG QUAN CHO KÊNH ĐỒNG BỘ 37 .II HÌNH 3.4: BỘ LỌC THÍCH NGHI ĐÃ ĐƯỢC BIẾN ĐỔI TRONG TÁCH SÓNG GIẢI TƯƠNG QUAN 38 .II HÌNH 3.5: BỘ THU GIẢI TƯƠNG QUAN LÊNH ĐỒNG BỘ 2 USER 39 .II HÌNH 3.6: BỘ TÁCH SÓNG GIẢI TƯƠNG QUAN BẤT ĐỒNG BỘ 43 II HÌNH 3.7: BỘ TÁCH SÓNG TUYẾN TÍNH MMSE CHO KÊNH ĐỒNG BỘ 52 .II HÌNH 3.8: BỘ TÁCH SÓNG MMSE TRONG TRƯỜNG HỢP HAI USER 53 .II HÌNH 3.9: BỘ THU TRIỆT NHIỄU NỐI TIẾP CHO HAI USER 56 II HÌNH 3.10: BỘ THU TRIỆT NHIỄU SONG SONG HAI TẦNG 59 .II HÌNH 4.1: BỘ TÁCH SÓNG KINH ĐIỂN 64 II HÌNH 4.2: BỘ TÁCH SÓNG MMSE 65 .II HÌNH 4.3: BỘ TRIỆT NHIỄU NỐI TIẾP-SIC 66 .II HÌNH 4.4: BỘ TRIỆT NHIỄU SONG SONG PIC TẦNG 1 LÀ BỘ THU KINH ĐIỂN 67 .II HÌNH 4.5: BỘ TRIỆT NHIỄU SONG SONG PIC TẦNG 1 LÀ BỘ THU GIẢI TƯƠNG QUAN 67 .II HÌNH 4.6: BỘ THU TỐI ƯU 68 II HÌNH 4.7: SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG TRONG MÔ HÌNH ĐỒNG BỘ 69 II HÌNH 4.8: BỘ TÁCH SÓNG KINH ĐIỂN TRONG MÔ HÌNH BẤT ĐỒNG BỘ 70 .II HÌNH 4.9: BỘ TÁCH SÓNG MMSE TRONG MÔ HÌNH BẤT ĐỒNG BỘ 71 .II HÌNH 4.10: BỘ TÁCH SÓNG GIẢI TƯƠNG QUAN TRONG MÔ HÌNH BẤT ĐỒNG BỘ 72 .II HÌNH 4.11: TỔNG HỢP CÁC BỘ TÁCH SÓNG TRONG MÔ HÌNH BẤT ĐỒNG BỘ 73 II HÌNH 4.12: SO SÁNH HAI MÔ HÌNH ĐỒNG BỘ VÀ BẤT ĐỒNG BỘ CỦA BỘ TÁCH SÓNG KINH ĐIỂN 74 II HÌNH 4.13: SO SÁNH MÔ HÌNH ĐỒNG BỘ VÀ KHÔNG ĐỒNG BỘ CỦA BỘ TÁCH SÓNG SIC 74 .II HÌNH 4.14: SO SÁNH MÔ HÌNH ĐỒNG BỘ VÀ BẤT ĐỒNG BỘ CỦA BỘ TÁCH SÓNG MMSE 75 II CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CÔNG NGHỆ CDMA 1 1.1. KHÁI NIỆM TRẢI PHỔ .1 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ/GIẢI ĐIỀU CHẾ TRƯỚC ĐÂY ĐƯỢC THIẾT KẾ ĐỂ TRUYỀN THÔNG TIN SỐ TỪ NƠI NÀY ĐẾN NƠI KHÁC DỰA TRÊN GIẢ THIẾT LÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN CHỈ CÓ NHIỄU GAUSS TRẮNG CỘNG TĨNH (STATIONARY AWGN). CÁC BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ ĐƯỢC THIẾT KẾ ĐỂ ĐẠT ĐƯỢC XÁC SUẤT LỖI BIT (BER) NHỎ NHẤT ĐỐI VỚI TÍN HIỆU TRUYỀN CHO TRƯỚC TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ NHIỄU AWGN. ĐỂ TỐI THIỂU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC LOẠI NHIỄU GIAO THOA NÓI TRÊN, MỘT KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ/GIẢI ĐIỀU CHẾ MỚI ĐƯỢC NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN, ĐÓ LÀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ. SỞ DĨ CÓ TÊN GỌI LÀ 6 TRẢI PHỔ BỞI VÌ BĂNG THÔNG TRUYỀN TÍN HIỆU LỚN HƠN RẤT NHIỀU SO VỚI BĂNG THÔNG TỐI THIỂU CẦN THIẾT ĐỂ TRUYỀN TÍN HIỆU SỐ. .1 HÌNH 1.1: SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ .1 1.2.2 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số ( FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum). 3 1.2.3. Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (TH – SS: Time Hopping Spread Spectrum ) .3 HÌNH 1.2: MẠCH THANH GHI DỊCH TẠO CHUỖI M .4 1.4. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 5 1.4.1. Giới thiệu 5 1.4.2. Kỹ thuật điều chế tần số (FM) 6 1.4.3. Kỹ thuật giải điều chế sóng mang điều tần (FM) 6 1.4.4. Điều chế số 7 HÌNH 1.3: NGUYÊN LÝ CỦA MỘT BỘ ĐIỀU CHẾ SỐ .7 1.4.5. Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK 7 1.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP .8 HÌNH 1.4: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP 8 1.5.1. Đa truy nhập theo phân chia tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) 9 1.6.2. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CDMA 12 1.6.2.1. Tính đa dạng phân tập 12 Phân tập là hình thức giảm fading. Fading đa đường xảy ra khi hai hay nhiều đường tín hiệu kết hợp triệt tiêu lẫn nhau. Truyền dẫn băng hẹp bi ảnh hưởng bởi hiện tượng này, trong khi truyền dẫn băng rộng thì ít bị ảnh hưởng bởi fading nhờ vào tính đa dạng trong phân tập. Có 3 hình thức phân tập chính: 12 1.6.2.3. Điều khiển công suất 13 1.6.2.4. Chuyển vùng mềm .13 1.6.2.5. Công suất phát thấp .14 1.6.2.6. Dung lượng mềm 14 1.6.2.7. Bảo mật cuộc gọi .16 1.6.2.8. Giá trị E/N thấp và bảo vệ lỗi 16 1.6.2.9. Tách tín hiệu thoại .16 1.6.3. ƯU ĐIỂM CỦA CDMA 17 1.6.3.1. Dung lượng tăng cao .17 1.6.3.2. Cải thiện chất lượng cuộc gọi 17 1.6.3.3 Đơn giản hóa quy hoạch hệ thống .18 1.6.3.4. Tăng cường bảo mật .18 7 1.6.3.5. Vùng phủ sóng 18 1.6.3.7. Cấp phát tài nguyên mềm dẻo .19 Toàn bộ băng thông của hệ thống, không gian mã chính là tài nguyên của dùng chung trong hệ thống. Tài nguyên của hệ thống có thể được cấp phát động, tùy thuộc vào yêu cầu của dịch vụ. Khi một người dùng không cần một tài nguyên nào nữa, nó được trả lại cho hệ thống dành cho các người dùng khác. Do vậy, hệ thống hỗ trợ nhiều loại dịch vụ có tốc độ khác nhau (thoại, số liệu, fax,……) 19 CHƯƠNG 2 .19 CÁC LOẠI NHIỄU TRONG CDMA .19 CHƯƠNG 2 TRÌNH BÀY CÁC LOẠI NHIỄU TRONG CDMA NHƯ: FADING, VẤN ĐỀ GẦN XA, HIỆN TƯỢNG ĐA ĐƯỜNG, NHIỄU GAUSSIAN VÀ NHIỄU ĐA TRUY NHẬP .19 2.1. Fading 19 Hiện tượng Fading là sự thay đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần gây nên bởi sự thay đổi môi trường truyền dẫn như áp suất không khí và do sự phản xạ của tín hiệu với các vật thể trên đường truyền như nước, mặt đất… Hai dạng fading được đề cập nhiều trong hệ thống CDMA và đặc biệt là MUD. Nếu một kênh vô tuyến có băng thông có độ lợi bằng hằng số, đáp ứng pha tuyến tính và băng thông này lớn hơn băng thông tín hiệu thì tín hiệu thu sẽ bị Fading phẳng, nếu băng thông này nhỏ hơn băng thông tín hiệu thì tín hiệu thu sẽ bị Fading lựa chọn tần số. .19 2.2. VẤN ĐỀ GẦN XA 20 2.3. Hiện tượng đa đường 21 HÌNH 2.1 HIỆN TƯỢNG ĐA ĐƯỜNG DẪN .21 2.4. Nhiễu Gaussian 22 Thuật ngữ nhiễu đề cập tới những tín hiệu điện không mong muốn luôn luôn tồn tại trong những hệ thống điện. Sự hiện diện của nhiễu chồng lên tín hiệu làm cho tín hiệu không rõ ràng; nó giới hạn khả năng của máy thu trong việc lấy những quyết định kí hiệu đúng, và do đó giới hạn tốc độ truyền thông tin. Nhiễu tăng từ những nguồn khác nhau, cả nhân tạo lẫn tự nhiên. Nhiễu nhân tạo gồm những nguồn như nhiễu do sự đánh lửa bụi, đóng ngắt nhanh và những tín hiệu điện từ khác. Nhiễu tự nhiên bao gồm nhiễu thành phần và mạch điện, sự nhiễu loạn khí quyển và những nguồn từ vũ trụ. 22 2.5. NHIỄU ĐA TRUY NHẬP (MULTIPLE ACCESS INTERFERENCE) .25 CHƯƠNG 3 .27 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG TRONG CDMA .27 3.1. Bộ tách sóng kinh điển 27 Trong phần này chúng ta phân tích phương pháp đơn giản nhất để giải điều chế những tín hiệu cdma đó là: bộ lọc thích nghi (matched filter) cho single–user. Đây là bộ giải điều chế đầu tiên mà tín hiệu được thông qua trong máy thu cdma. Bộ tách sóng thích nghi đơn kênh được sử dụng trong giải điều chế những tín hiệu cdma từ lúc bắt đầu của những ứng dụng đa kênh trong trải phổ trực tiếp. Trong các tài liệu về tách sóng multiuser, nó thường được gán cho là bộ tách sóng kinh điển (conventional detector) hay bộ tách sóng thông thường. Do đó, chúng ta xuất phát từ matched filter xem như là bộ 8 lọc tối ưu trong kênh đơn user. Với tín hiệu y(t) của K user là tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu, ta xét bộ thu kinh điển có sơ đồ khối như hình 3.1 27 3.1.2. Mô hình bất đồng bộ 29 3.1.3. Hiệu suất tách sóng 30 3.1.3.1. Xác xuất lỗi đối vói kênh đồng bộ .30 HÌNH 3.2: MÔ HÌNH BỘ TÁCH SÓNG 2 USER ĐỒNG BỘ 31 3.1.3.2. Xác suất lỗi đối với kênh bất đồng bộ 34 3.2. TÁCH SÓNG GIẢI TƯƠNG QUAN (DECORRELATING DETECTOR) 35 3.2.1. Kênh CDMA đồng bộ 35 HÌNH 3.3: BỘ TÁCH SÓNG GIẢI TƯƠNG QUAN CHO KÊNH ĐỒNG BỘ 36 HÌNH 3.4:BỘ LỌC THÍCH NGHI ĐÃ ĐƯỢC BIẾN ĐỔI TRONG TÁCH SÓNG GIẢI TƯƠNG QUAN .37 HÌNH 3.5: BỘ THU GIẢI TƯƠNG QUAN LÊNH ĐỒNG BỘ 2 USER 38 3.2.2. Kênh CDMA bất đồng bộ 41 3.2.3. Phân tích hiệu suất cho bộ tách sóng giải tương quan 43 3.3.1. Kênh CDMA đồng bộ .50 HÌNH 3.7: BỘ TÁCH SÓNG TUYẾN TÍNH MMSE CHO KÊNH ĐỒNG BỘ 51 HÌNH 3.8: BỘ TÁCH SÓNG MMSE TRONG TRƯỜNG HỢP HAI USER51 3.3.2. Kênh CDMA bất đồng bộ .52 3.4. BỘ TRIỆT NHIỄU NỐI TIẾP – SIC (SUCCESSIVE INTERFERENCE CANCELLATION) .53 3.4.1. Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp đồng bộ: 54 HÌNH 3.9: BỘ THU TRIỆT NHIỄU NỐI TIẾP CHO HAI USER .55 3.4.2. Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp bất đồng bộ .55 3.5. BỘ TRIỆT NHIỄU SONG SONG NHIỀU TẦNG - PIC (PARALLEL INTERFERENCE CANCELLATION) 57 Trong bộ tách sóng triệt nhiễu nối tiếp thì thứ tự các user can nhiễu được triệt ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất của việc triệt nhiễu nối tiếp cho một user riêng biệt. Trong phần này, ta phân tích một dạng đối xứng của bộ triệt nhiễu nối tiếp, làm bớt một số thiếu sót của kỹ thuật này. .57 3.6. Bộ tách sóng tối ưu (Optimum Multiuser Detector) 59 Trước tiên trường hợp kênh truyền hai user sẽ được phân tích trước. Trong mô hình kênh truyền CDMA đồng bộ hai user thì 59 CHƯƠNG 4 .63 MÔ PHỎNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63 4.1. MÔ HÌNH ĐỒNG BỘ 63 41.1. Bộ tách sóng kinh điển .63 9 HÌNH 4.1: BỘ TÁCH SÓNG KINH ĐIỂN .63 4.1.2. Bộ tách sóng MMSE 64 HÌNH 4.2: BỘ TÁCH SÓNG MMSE 64 4.1.3. Bộ triệt nhiễu nối tiếp-SIC 65 HÌNH 4.3: BỘ TRIỆT NHIỄU NỐI TIẾP-SIC 65 4.1.4. Bộ triệt nhiễu song song PIC tầng 1 là bộ thu kinh điển 66 HÌNH 4.4: BỘ TRIỆT NHIỄU SONG SONG PIC TẦNG 1 LÀ BỘ THU KINH ĐIỂN .66 4.1.5. Bộ triệt nhiễu song song PIC tầng 1 là bộ thu giải tương quan 66 HÌNH 4.5: BỘ TRIỆT NHIỄU SONG SONG PIC TẦNG 1 LÀ BỘ THU GIẢI TƯƠNG QUAN .66 4.1.6. Bộ thu tối ưu .67 HÌNH 4.6: BỘ THU TỐI ƯU .67 4.1.7. Tổng hợp các bộ tách sóng mô hình đồng bộ 68 HÌNH 4.7: SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG TRONG MÔ HÌNH ĐỒNG BỘ 69 4.2. MÔ HÌNH BẤT ĐỒNG BỘ .69 4.2.1. Bộ tách sóng kinh điển .69 HÌNH 4.8: BỘ TÁCH SÓNG KINH ĐIỂN TRONG MÔ HÌNH BẤT ĐỒNG BỘ .69 4.2.2. Bộ tách sóng MMSE 70 HÌNH 4.9: BỘ TÁCH SÓNG MMSE TRONG MÔ HÌNH BẤT ĐỒNG BỘ 70 4.2.3. Bộ tách sóng PIC giải tương quan .71 HÌNH 4.10: BỘ TÁCH SÓNG GIẢI TƯƠNG QUAN TRONG MÔ HÌNH BẤT ĐỒNG BỘ .71 4.2.4. Tổng hợp các phương pháp trong mô hình bất đồng bộ .72 HÌNH 4.11: TỔNG HỢP CÁC BỘ TÁCH SÓNG TRONG MÔ HÌNH BẤT ĐỒNG BỘ 72 4.3. SO SÁNH MÔ HÌNH ĐỒNG BỘ VÀ BẤT ĐỒNG BỘ .73 HÌNH 4.12: SO SÁNH HAI MÔ HÌNH ĐỒNG BỘ VÀ BẤT ĐỒNG BỘ CỦA BỘ TÁCH SÓNG KINH ĐIỂN 73 HÌNH 4.13: SO SÁNH MÔ HÌNH ĐỒNG BỘ VÀ KHÔNG ĐỒNG BỘ CỦA BỘ TÁCH SÓNG SIC .73 HÌNH 4.14: SO SÁNH MÔ HÌNH ĐỒNG BỘ VÀ BẤT ĐỒNG BỘ CỦA BỘ TÁCH SÓNG MMSE 74 10