Nâng cao hiệu suất hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ OFDMCDMA luận văn tốt nghiệp đại học

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NÂNG CAO HIỆU SUẤT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM/CDMA Sinh viên thực hiện: TRƯƠNG THỊ THẢO Niên khóa: 2007 - 2012 Lớp 48K ĐTVT Giảng viên hướng dẫn: ThS. Phạm Mạnh Toàn NGHỆ AN, 01-2012 MỤC LỤC MỤC LỤC .1 Direct Sequence Spread Spectrum 9 d. Tạp âm trắng Gaussian 34 3.3. Hiệu quả hoạt động của bộ thu trong kênh fading Rayleigh .78 2 LỜI NÓI ĐẦU Thông tin liên lạc là nhu cầu tối thiểu và cực kỳ quan trọng đối với bất kỳ xã hội nào. Xã hội càng phát triển, nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng tăng cả về cách thức lẫn chất lượng. Thông tin di động là một phương thức liên lạc phát triển cao đã được con người phát minh, nghiên cứu và phát triển từ rất sớm. Bắt đầu từ các thế hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên ra đời vào năm 1946, đến nay thông tin di động đang được ứng dụng rộng rãi và không ngừng phát triển một cách mạnh mẽ. Trong thế kỷ 21, thế giới đã chứng kiến sự bùng nổ của thông tin vô tuyến trong đó thông tin di động đóng vai trò rất quan trọng. Với nhu cầu thông tin ngày càng lớn, số lượng khách hàng sử dụng thông tin di động ngày càng tăng, các mạng thông tin di động vì thế được mở rộng ngày càng nhanh.Vì vậy, tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động là vấn đề hết sức cần thiết hiện nay. Xuất phát từ thực tế trên em đã chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp là “Nâng cao hiệu suất hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ OFDM/CDMA”. Cấu trúc đồ án gồm 3 chương: Chương 1: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. Chương 2: Kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia theo mã MC – CDMA. Chương 3: Hệ thống cải thiện hiệu suất cho thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA/OFDM. Để hoàn thành được đồ án này, trước hết em xin chân thành cảm ơn ThS. Phạm Mạnh Toàn đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đề tài. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô 3 giáo trong khoa cùng bạn bè đã tạo điều kiện học tập, giúp đỡ em trong suốt thời gian qua. Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự phê bình và ý kiến đóng góp của các thầy cô, bạn bè. Nghệ An, ngày .…tháng .…năm2011 Sinh viên thực hiện Trương Thị Thảo 4 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ nhiều user hơn so với các hệ thống trước đó với những đặc điểm nổi trội: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ khác nhau… Đồng thời kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) cũng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến cũng như hữu tuyến với các ưu điểm: truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền chọn lọc tần số, tiết kiệm băng thông, hệ thống ít phức tạp. Nâng cao hiệu suất hệ thống thông tin di động là một vấn đề hết sức quan trọng nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về số lượng lẫn chất lượng dịch vụ đặc biệt là dịch vụ truyền số liệu đa phương tiện của khách hàng. Vì vậy ý tưởng về kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia theo mã MC-CDMA (Multi Carrier-CDMA) đã ra đời, dựa trên sự kết hợp của CDMA và OFDM. MC-CDMA kế thừa tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM. Chính vì vậy, MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động trong tương lai. 5 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ quá trình truyền tin .14 Hình 1.2. Cấu trúc trong miền thời gian một tín hiệu OFDM 15 Hình 1.3. Phổ của một tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con 16 Hình 1.4. Sơ đồ khối thu phát OFDM 17 Hình 1.5. Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK .25 Hình 1.6. Biểu đồ tín hiệu QPSK .27 Hình 1.7. Chùm tín hiệu M – QAM .28 Hình 1.8. Giản đồ IQ của 16 – PSK khi dùng mã Gray .29 Hình 1.9. Các tín hiệu đa đường .33 Hình 1.10. Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua lọc .36 Hình 1.11. Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM sử dụng bộ lọc FIR với chiều dài cửa sổ bằng 3 36 Hình 1.12. Cấu trúc symbol sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng .39 Hình 2.1. Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS 42 Hình 2.2. Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ 43 Hình 2.3. Phổ của tín hiệu FH – SS .44 Hình 2.4. Sơ đồ khối tạo và thu tín hiệu FH – SS 45 Hình 2.5. Sơ đồ khối tạo và thu tín hiệu TH – SS 46 Hình 2.6. Mạch thanh ghi dịch để tạo chuỗi PN .47 Hình 2.7. Quá trình trải phổ và nén phổ trong kỹ thuật CDMA .50 Hình 2.8. Truyền sóng đa đường và lý lịch trễ công suất .51 Hình 2.9. Máy thu phân tập đa đường RAKE .52 Hình 2.10. Mô hình hệ thống DS – SS gồm k người sử dụng 53 Hình 2.11. Sự kết hợp giữa OFDM và CMDA .56 Hình 2.12. Sơ đồ khối máy phát MC – CDMA 57 Hình 2.13. Sơ đồ khối máy thu MC – CDMA .58 6 Hình 2.14. Sơ đồ khối hệ thống MC – CMDA .58 Hình 2.15. Sơ đồ máy phát của hệ thống MC – CDMA .59 Hình 2.16. Sơ đồ máy thu của hệ thống MC – CDMA 61 Hình 2.17. Ảnh hưởng của kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số lên từng băng tần hẹp 62 Hình 2.18. Bộ phát hiện MC – CDMA đơn user 65 Hình 2.19. Sơ đồ bộ triệt nhiễu song song nhiều tầng 70 Hình 3.1. Cấu trúc truyền sóng dựa trên công nghệ OFDM/CDMA 74 Hình 3.2. Đồ thị so sánh hai hệ thống OFDM và MC – CDMA 77 Hình 3.3. Giao diện mô phỏng hệ thống . Hình 3.4. Hiệu suất hệ thống MC – CDMA tuyến xuống với các loại kỹ thuật phát hiện đơn user . Hình 3.5. Hiệu suất hệ thống MC – CDMA tuyến xuống dựa trên các loại kỹ thuật phát hiện đa user . Hình 3.6. Hiệu suất hệ thống MC – CDMA tuyến xuống sử dụng kỹ thuật PIC 7 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các dạng điều chế trong OFDM 24 Bảng 1.2. Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong tín hiệu không gian .27 Bảng 1.3. Bảng mã Gray .30 Bảng 3.1. Các thông số mô phỏng hệ thống MC – CDMA cho hình 3.4 .78 8 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt AWGN Addictive White Gausse Noise Nhiễu trắng cộng ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số bất đối xứng ADC Analog Digital Convert Bộ chuyển đổi tương tự - số BER Bit error Rate Tỷ lệ lỗi bit CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CD Conventional Detection Tách sóng thông thường CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp CSI channel state information Thông tin về trạng thái kênh DAC Digital Analog Convert Bộ chuyển đổi số - tương tự DFT Discrete Fourier Tranforn Biến đổi Fourier rời rạc DS-SS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp EGC Equal Gain Combining Kết hợp độ lợi bằng nhau FFT Fast Fourier Tranforn Biến đổi Fourier nhanh FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số 9 HDSL High-bit-rate Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số tốc độ cao IFFT Inverce Fast Fourier Tranforn Biến đổi nhanh Fourier ngược ISI Inter-symbol Interference Nhiễu xuyên kí tự IFFT Inverce Fast Fourier Tranforn Biến đổi nhanh Fourier ngược IDFT Inverce Discrete Fourier Tranforn Biến đổi Fourier rời rạc ngược ICI Inter Carrier Interference Nhiễu xuyên sóng mang LFSR Linear Feedback Shift Register Mạch hồi tiếp tuyến tính MC - CDMA Multicarrier - Code Division Multiple Access Đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia theo mã MAI Multi Access Interference Nhiễu đa truy nhập MMSE Mininum Mean Square Error Sai số trung bình bình phương tối thiểu MAC Multiply And Accumulate Thuật toán nhân và tích lũy MLD Maximum – Likelihood Detection Tách sóng tối ưu OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã trực giao PAPR Peak to Average Power Ratio Công suất đỉnh trên công suất trung bình PSAM pilot signal assisted Modulation Điều chế tín hiệu dẫn đường PN Pseudo – random Noise Chuỗi mã giả ngẫu nhiên RF Radio Frequency Tần số vô tuyến S/P Serial/ Parallel Nối tiếp/ song song 10 . 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NÂNG CAO HIỆU SUẤT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM/CDMA. thực tế trên em đã chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp là Nâng cao hiệu suất hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ OFDM/CDMA”. Cấu trúc đồ án gồm 3 chương: