Nghiên Ứu Thuật Toán Đồng Bộ Mã Pn Ho Á Bộ Thu Mc-Cdma.pdf
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.55 MB, 102 trang )
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 THƠNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
…......................................
Ngành: Kỹ thuật truyền thơng
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. NGUYỄN HỮU TRUNG
Hà Nội – Năm 2014
Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131942211000000
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, vi s phát trin mnh m ca khoa hc và công ngh ha hn s
i mt mng ngày càng hii. Ngoài vic
t Web, nghe nhc, ti xung các tp d li
bn có th c nhi rt nhiu ví d c hin các cuc gi
VoIP hay ti lên, ti xung các tp d ling ln trong nháy mt...
chính là nhi s dng trơng ch mng
ng th h mi 4G.
c các dch v và ng dng m
k thup m cung cp t d liu cao vi s phân phi di tn
linh ho c bi
u s quan tâm ca các nhà khoa hc. MC-CDMA là s
kt hp gia k thu t tri
ca c ng thi c phi mt s khuyn, ni bt là
lng b.
Xut phát t nhng v thc t trên, em n thc hin lu
Nghiên cu thung b mã PN cho các b thu MC-
Trong quá trình làm luc s ng dn
tình ca PGS.TS. Nguyễn Hữu Trung và PGS.TS. Nguyễn Thúy Anh. Em xin
chân thành c em hoàn thành lu tt nghip này.
Hà Nội, ngày 23 tháng 9 năm 2013
Hc viên thc hin
Nguyễn Quốc Huy
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
1
TĨM TẮT
Bng b tín hiu tri ph là mt v ln trong vic thit k h thng
thông tin tri ph. Bng b có th thc hin bc, th
ng hoc kt hp. c (ni tip hoc song song), tín hiu nhn
c nhân vi bn sao mã gi ngng nht vi bên phát ti ti b thu.
Kt qu c lt khong thi gian quan sát nht
c so sánh vi m c. ng,
i ta s dng mt b lc phù hp vi tín hiu tri ph. B lc phù hp này ch
(th n khi tín hiu tri ph nh c cha m nh t
to mã gi ngu nhiên ni s c khng vu kiu
ng vi gng b ngu
so vc trên.
Mc tiêu th nht ca lui thiu và trình bày chi tit v lý thuyt
h thng MC - CDMA, nhn mnh vào các thut toán bng b mã ti b thu ca
h thng. Mc tiêu th xung khơi phc tín hiu, x lý nhiu.
Da trên nhng yêu ct ra v nghiên cu thung b mã
PN cho các b thu MC- án cc c
Chương 1: Giới thiệu. Gii thiu chung mt s khái ni án, trình
bày mi dung và nhng yêu c án.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Trình bày lý thuyt v h thng MC - CDMA,
u trúc tín hiu MC - CDMA.
Chương 3: Các phương pháp bắt mã PN. Trình bày các thut tốn bng
b mã a chn thut tốn phù hp.
Chương 4: Mơ phỏng và kết luận. Gii thi ng bt
ng b mã PN ti b thu c vit bt qu mơ phng và
phân tích các kt qu c.
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
2
MỤC LỤC
........................................................................................................ 1
............................................................................................................... 2
.............................................................................................................. 3
......................................................... 6
........................................................................ 8
...................................................................................... 9
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG ........................................................................... 9
1.1.1. H ......................................................... 10
................................................................................. 10
..................................................... 12
......................................................... 19
.......................................... 23
....................... 25
...................................................................... 29
2.1. - CDMA .................... 29
2.2. - CDMA .................................................................... 31
2.2.1. Máy phát MC - CDMA ............................................................... 31
2.2.2. Máy thu MC - CMDA ................................................................. 34
................................................................................ 36
- CDMA .................................................... 37
.............................................................. 38
................................................................... 40
ong MC - CDMA ...................... 40
........................................................................ 41
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
3
.............. 43
......................................................... 45
..................................................................... 47
.................................................................. 48
............................................................... 49
............................................................. 52
............................................................. 58
............................................................................... 58
................................................................................. 59
- CDMA .................. 59
2.3. .......................................................................................... 60
.............................................. 61
3.1. ........................................ 61
3.2. ............ 63
3.3. ............................. 65
Quá trình Markov ............ 66
. 69
............ 71
h PD FA
......................................................................................... 72
3.4. ................................ 73
.......................................................... 76
................................................................. 80
3.5. ... 81
3.6. .................................................... 87
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
4
............................ 89
.......................................... 92
3.7. .......................................................................................... 94
......................................................... 96
......................... 96
..................................................................... 97
................................................................ 97
...................................................................... 99
......................................................................................................... 100
................................................................................... 101
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
5
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
Hình 1.1 .................................................................... 11
Hình 1.2- SS ......................................... 13
Hình 1.3 ............................................... 14
Hình 1.4 ............................. 15
Hình 1.5- SS ........................................................................ 15
Hình 1.6. - SS ........................................... 16
Hình 1.7 .............................. 16
Hình 1.8- SS ........................................... 18
Hình 1.9........................................................... 19
Hình 1.10 .......................................... 20
Hình 1.11 ................................................................................. 23
Hình 1.15- BPSK .................................. 24
............................................ 25
Hình 1.13 .................................... 26
Hình 1.14 ...................................... 27
CDMA và MC DS CDMA.................. 29
Hình 2.2 CMDA ........................................... 31
Hình 2.3. Máy phát MC - CDMA.......................................................................... 32
Hình 2.4. Máy thu MC - CDMA............................................................................ 36
Hình 2.5- CDMA .................................................................. 38
Hình 2.6 ...................................................... 39
Hình 2.7 ............................................................. 46
Hình 2.8- ............................................................... 48
Hình 2.9-CDMA ...................................................... 49
Hình 2.10 ........................................................................ 55
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
6
Hình 2.11 ........................................................................ 55
............................................................. 62
Hình 3.2. ................................................................... 63
Hình 3.3. ............................................................................. 65
Hình 3.4. .......... 66
Hình 3.5. ... 66
Hình 3.6. ............................................ 69
Hình 3.7. = -20dB ................................... 73
Hình 3.8. - ................................ 75
Hình 3.9. ............ 76
...... 77
............. 78
......................................... 82
.................................. 82
-ch.......... 84
......................... 86
................................... 86
................................................................... 88
......................... 89
...... 92
........................................................... 93
.................................................................................. 96
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
7
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
AWGN
Additive white gaussian noise
CP
Cyclic Prefix
CDMA
Code division multiplex access
FSK
Frequency shift keying
FFT
Fast fourier transform
ICI
Inter-carrier interference
Giao thoa liên sóng mang
ICI
Inter-channel interference
Giao thoa liên kênh
MMSE
Minimum Mean Square Error
MC
Multicarrier
MCM
Multicarrier modulation
OFDM
Othorgonal frequency division
multiplexing
PN
Pseudo noise
PSK
Phase shift keying
PG
Processing Gain
Probability density function
SS
STFT
Spread Spectrum
Short time fourier Transform
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
8
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1.
KHÁI QUÁT CHUNG
Mt gii hn ca các h thng thông tin tri ph là thng b.
Th ng b là thi gian cn thi ti ng b mã gi ngu nhiên
c to ti b thu vi tín hiu tri ph nhc.
ng b mã trong các b thu ca các h thng thông tin tri ph c chia
ng b (bng b - acq ng b tính (bám
ng b - tracking). Bng b tín hiu tri ph là mt v ln trong vic thit
k h thng thông tin tri ph. Bng b có th thc hin b
tích cc, th ng hoc kt hp. c (ni tip hoc song song),
tín hiu nh c nhân vi bn sao mã gi ng ng nht vi bên
phát ti ti b thu. Kt qu c lt khong thi
gian quan sát nh c so sánh vi m c. Nu ln
ng b mã gi ngu nhiên cịn nu khơng thì ta li thc hin
phép nhân và tích phân vi mc thc hin tng
kim tra tng pha mã.
i ta s dng mt b lc phù hp vi tín hiu
tri ph. B lng xung là phiên bn trc thi gian ca tín
hiu tri ph. B lc phù hp này ch (th n khi tín hiu tri ph nhn
c cha mnh t to mã gi ngu nhiên ni s
c khng vu king v
có thng b ngu so vc trên.
thc hi ng b i ta còn gi u ch trc tip
dòng ký hip vào thanh ghi dch ca b to mã gi ngu nhiên. K
thuc gng b nhanh bn t có tr
Trong khn kh lu xin gii thi t
ng b tín hiu MC CDMA s dng k thut lc phù hp. c ht, trong
gi xin trình bày v h thp phân chia theo mã CDMA
và các khái nin ca h thng thông tin tri ph, bao gm các cu hình ca
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
9
h thng thông tin tri phu ch tri phm ca h
thng thông tin tri ph.
1.1.1. Hệ thống thông tin trải phổ
1.1.1.1. Giới thiệu
các h th rn là v quan tâm
chính và các h thc thit k s d rn càng
tt. Tuy nhiên, các h thng thông tin tri ph rn ca tín hic
m r c khi phát. Khi ch có m i s dng
n tri ph, s dy s không hiu qu ng
nhii s dng, h có th s dn và h thng s d
tn có hiu sut mà vm ca tri ph.
a k thut tri ph là
làm cho tín hi c phát gi i vi các máy thu khơng mong
muc tách và lc b
bii bn tin thành tín hiu ta tp âm, ta s dng mã ng mã hoá bn
tin. Tuy nhiên, máy thu ch nh phi bi có th to ra bn sao mã này
mng b vc phát và ly ra bn tin. Vì vy ta phi s
du nhiên. Mã này phc thit k rn ln
u so v rn ca bn tin. Bc mã hóa sao cho tín hiu
rng ph gn b rng ph ca tín hiu gi ngu nhiên.
c gi ph máy thu thc hin q trình nén
ph tín hi tr l rng ph b rng ph u ca bn tin.
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
10
4
GS
BS
Bi
(1.6)
Hình 1.1. Hệ thống thơng tin trải phổ
Một hệ thống thông tin đƣợc xem là trải phổ khi thỏa mãn 2 điều kiện:
i ph l t nhiu so v
hiu thơng tin.
tri ph c lp vi tín hiu thơng tin.
Ƣu điểm của kỹ thuật thông tin trải phổ:
+ Khả năng đa truy cập
Cho phép nhiu user cùng hong trên mt di tn, trong cùng mt khong
thi gian mà máy thu v c tín hiu c
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
11
c cp mt mã tri ph riêng bit, khi máy thu nhc tín hiu t nhiu user,
nó tin hành gii mã và tách ra tín hiu mong mun.
+ Tính bảo mật thơng tin cao
M ph cơng sut ca tín hiu tri ph rt thp, gc nhiu nn.
n khó phát hi c s tn ti ca tin tc
c truy n nhiu. Ch máy thu bic chính xác quy lut ca
chui gi ngu nhiên mà máy phát s dng mi có th thu nhc tin tc.
+ Bảo vệ chống nhiễu đa đường
Nhing là kt qu ca s phn x, tán x, nhiu x a tín hiu
trên kênh truyn vơ tuyn. Các tín hic truyng khác nhau này
u là bn sao ca tín hi suy hao v và b tr so vi
tín hic truyn thng (Line of Sight). Vì vy tín hic
sai lch, khơng ging tín hi dng k thut tri ph có th c
nhing khi tín hiu tri ph s dng tt tính cht t a nó.
1.1.1.2. Các kỹ thuật trải phổ cơ bản
a. Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS: Direct
Sequence Spread Spectrum):
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
12
Nguyên lý cơ bản:
Máy phát
d(t)
B to mã
PN c(t)
Máy thu
B u ch
ng
B giu
ch d liu
B to
sóng mang
B to
sóng mang
dr (t)
B to mã
PN c r(t)
Hình 1.2. Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế DS - SS
H thc tri ph bng cách nhân tín hiu ngun vi tín hiu
gi ngu nhiên. h thng DS/SS nhii s dng cùng chung mn
và phát tín hiu ca h ng thi. Máy thu s dng tín hiu gi ngu nhiên chính
lu mong mun bng cách tri ph thc bin
nhiu nht trong các h thng thơng tin tri ph. Chúng có dn
vì chúng khơng yêu cu tính nh nhanh hoc t tng hp tn s cao.
Tín hiu truyc biu dii dng cc tip
vi chui gi ngu nhiên. máy thu, tín hic nhân vi chui tri ph ln
n to li tín hiu tin tc.
Tín hiu cn truyng NRZ vi d(t) = ±1, tc bit fb. Thc
hin nhân d(t) vi chui gi ngu nhiên c(t) có t bit fc vi fc >> fby:
d(t).c(t) =
c(t) , d(t) = +1
(1.7)
Vì t bit fc ca chui gi ngu nhiên lu so vi t bit fb
ca chui tín hiu truyu d(t) s b chia nh vi tn s rt cao. Tn
s c gi là t i tích s u ch BPSK
hoc QPSK. Gi s ta dùng u ch BPSK, tín hiu ch có biu thc:
VDS SS (t ) 2PS d (t ).c(t ).cosw 0 t
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
(1.8)
13
PS là cơng sut phát [W]
wo là tn s sóng mang [rad/s]
Nu so sánh (1.8) vi biu thc ca BPSK:
VBPSK (t) 2 PS d (t ).cosw 0t
(1.9)
Power
Tín hiu tri ph
Tín hii ph
Frequency
- fC
- fS
fS
fC
Hình 1.3. Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ
Ta nhn thy: Vi cùng cơng sut phát PS, chui s d(t).c(t) có t chip fc
chim di ph tn rt nhiu so vi tín hiu VBPSK có t bit fb, vì vy,
m ph cơng sut ca tín hiu tri ph tri ph VDS-SS thu so vi mt
ph cơng sut ca tín hiu khơng tri ph VBPSK. Nu f c ln, m ph này
s rt thp và xen ln vi mc nhiu nn khi ng rt
c tách và ly ra tín hiu tin tc.
Ti máy thu, tín hiu VDS-SS c nhân vi tín hiu gi ngu nhiên crc
tái to máy thu, giu ch thu li tín hiu tin tu.
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
14
Hình 1.4. Dạng sóng của tín hiệu trước trải phổ và sau trải phổ
b. Kỹ thuật trải phổ bằng cách phương pháp nhảy tần số (FH – SS: Frequency
Hopping Spread Spectrum ):
Hình 1.5. Phổ của tín hiệu FH - SS
K thut FH SS phát trin du ch BFSK. H th
là chuyi sóng mang tp hp các tn s theo mnh bng chui
mã PN (chui mã gi ngu nhiên). Chui mã có tác d nh mu
nhy tn. T nhy tn có th nhanh hoc chm s liu. n
s i liên tc theo mt quy lut gi ngu nhiên (da trên
chui mã ngu nhiên s dng), nh vy mà ph ca tín hiu FH c tri rng
trên trc tn s. ng hp th nht gi là nhy tn nng hp
th hai gi là nhy tn chm. Tht vy, ng vi mt tn s sóng mang, di tn s
ca tín hiu BFSK là B, vy vi tín hiu FH SS dùng L (L = 2N -1, vi N là chiu
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
15
dài chui mã) trng thái nhy tn, ph tn ca tín hiu FH SS s tri rn BFH
.
Máy phát
d(t)
Máy thu
u ch
c
B to mã
PN c(t)
Trn,
bii
Trn, bin
i tn
Tng hp
tn s
Tng
hp
tn s
Giu dr (t)
ch d
ng
b
B to mã
PN cr(t)
Hình 1.6. Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH - SS
Tín hiu FH c to bi mch tng hp tn s u khin bi N+1 bit,
m N bits ca t mã gi ngu nhiên và 1 bit s d(t) ca tín hiu thông
tin cn truyn.
c. Kỹ thuật trải phổ bằng cách phương pháp nhảy thời gian (TH – SS: Time
Hopping Spread Spectrum):
slot
Frequency
Time
frame
Hình 1.7. Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
16
Nhy th u ch b
phát, th b c chuy i thành dng tín hiu gi ngu
c 50% yu t ng truyn dn trung bình. S khác
nhau nh so vi h thng FH n là trong khi tn s truyn dn bi i
theo mi thi gian chip mã trong h thng FH/SS thì s nhy tn xy ra trong trng
thái dch chuyn dãy mã trong h thng TH/SS. Hì khi ca h thng
TH/SS. B u ch n và bt k du ch xung theo mã
u có th s di vi b u ch TH/SS.
TH/SS có th làm gim giao din gia các h thng trong h thng ghép
kênh theo thi gian. Vì m chính xác theo thc u cu
trong h thng nhm ti thi a các máy phát. Mã hóa cc s
dng cn thn vì s c tính nu s dng cùng m
thng thơng tin mã hóa khác. Do h thng TH/SS có th b ng
d dàng bi giao thoa nên cn s dng h thng t hp gia h thng này vi h
th loi tr giao thoa có kh suy gii vi tn s
Trc thc chia thành các khung (frame). Mi khung lc chia
thành k khe thi gian (slot). Trong mt khung, tùy theo mã ca tng user mà nó s
s dng mt trong k khe thi gian ca khung. Tín hic truyn trong mi khe
có t gp k ln so vi tín hiu truyn trong toàn b n s cn thit
truyp k ln.
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
17
Máy phát
Máy thu
Buffer
Buffer
d(t) slow in
fast
out
B to mã
PN c(t)
B u
ch d
liu
B to
sóng mang
B giu
ch d liu
fast in
B to
sóng mang
B to mã
PN c r(t)
dr (t)
slow
out
Hình 1.8. Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH - SS
d. So sánh các hệ thống trải phổ:
Các h thng DS/SS gim nhiu giao thoa bng cách tri rng nó mt ph
tn rng. Trong các h thng FH/SS mi th c, nh i s
dng phát tn s khác nhau vì th có th tránh nhiu giao thoa. Các h thng
TH/SS tránh nhiu giao thoa b nhi i s
dng phát trong cùng mt thm.
Có th thit k các h thng DS/SS vi gi u ch nht quán và không
nht quán. Tuy nhiên, do s nhy chuyn tn s phát nhanh rng b
pha các h thng FH/SS vì th i gi u ch không nht
quán. Trong thc t, các h thng DS/SS có chng t dng giu
ch nht.
Vi cùng t ng h ca b to mã PN, FH/SS có th nhn
ru so vn ca tín hiu DS/SS. Ngồi ra có th to ra tín hiu
rn r rn ca DS/SS khi b to
chui ca hai h thng này cùng t ng hi tr c các kênh
tn s gây nhiu giao thoa m ng xuyên. DS/SS nhy cm nht vi v
gn xa. Các h thng FH/SS d b thu tri h thng DS/SS.
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
18
Thi gian bt mã các h thng FH/SS ngn nht, tuy nhiên máy phát và
máy thu h tht do s phc tp ca b tng hp tn s. Các h thng
FH/SS chc fading và nhii mc bi làm
vic tha mãn trong nói trên.
1.1.1.3. Các chuỗi trải phổ cơ bản
Có sáu chui tri ph n sau: Chui gi ngu nhiên PN (Pseudo-random
Noise), chui Gold, chui Gold trc giao (Orthogonal Gold), chui Kasami, chui
Hadamarh Walsh và chui GOLAY bù.
a. Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên:
Hình 1.9. Sơ đồ mạch tạo chuỗi ngẫu nhiên
Chui tín hiu nh phân gi ngu nhiên là chui tín hiu nh phân tun hồn
lp li rt lc bic quy lut ca nó,
i quan sát khó nhn bi c quy lut. Ta g i gi ngu nhiên
(PRBS: Pseudo Random Binary Sequence). Chuc to ra t mch chui
gm ND-FlipFlop ghép liên ti
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B
19
