Tìm hiểu hiệu năng của các phương pháp tách sóng trong hệ MC - CDMA

1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



Ngô Thị Thanh Hải






TÌM HIỂU HIỆU NĂNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP
TÁCH SÓNG TRONG HỆ MC-CDMA






LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2007




2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



Ngô Thị Thanh Hải






TÌM HIỂU HIỆU NĂNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP
TÁCH SÓNG TRONG HỆ MC-CDMA

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 70


LUẬN VĂN THẠC SĨ


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC





PGS-TS Nguyễn Viết Kính


Hà Nội - 2007



4

Mục lục
Trang
Lời cam đoan 3
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6
Danh mục các hình vẽ 9
MỞ ĐẦU 11

Chương 1 – KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ
TRỰC GIAO OFDM 13
1.1 Giới thiệu 13
1.2 Cơ sở thực hiện mô hình điều chế OFDM 14
1.3 Mô hình điều chế và giải điều chế OFDM sử dụng biến đổi IFFT/FFT
………………………………………………………………………….16
1.4 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM 19
Chương 2 – CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP PHÂN
CHIA THEO MÃ CDMA 22
2.1 Giới thiệu 22
2.2 Phân loại hệ thống CDMA 25
2.2.1 Chuỗi trực tiếp – DS 26
2.2.2 Hệ thống nhảy tần – FH 33
2.2.3 Hệ thống nhảy thời gian – TH 40
2.2.4 Trải phổ lệch tần - Chirp SS 43
2.2.5 Hệ thống ghép – Hybrid 44
2.2.5.1 Hệ thống FH/DS 44
2.2.5.2 Hệ thống TH/FH 47
2.2.5.3 Hệ thống TH/DS 47
Chương 3 – CÁC MÔ HÌNH TRẢI PHỔ ĐA SÓNG MANG MC-SS 49
3.1 Giới thiệu 49
3.2 Các mô hình trải phổ đa sóng mang 50
3.2.1 Nhóm I (Multicarrier CDMA) 50
3.2.2 Nhóm II (MC-DS-CDMA và MT-CDMA) 53
3.2.2.1 MC-DS-CDMA 53
3.2.2.2 MT-CDMA 55
3.3 Ưu điểm và hạn chế của trải phổ đa sóng mang 57
Chương 4 – BÀI TOÁN TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG MC-
CDMA 60

5

4.1 Giới thiệu 60
4.2 Các kỹ thuật tách tín hiệu của hệ thống MC-CDMA trong kênh đường
xuống 61
4.2.1 Mô hình hệ thống MC-CDMA trong môi trường đơn tế bào 63
4.2.2 Kỹ thuật tách tín hiệu nhờ bộ cân bằng trong hệ MC-CDMA 65
4.2.2.1 Tách tín hiệu đơn người dùng SUD 65
4.2.2.2 Tách tín hiệu đa người dùng MUD. 69
4.3 Một số kết quả mô phỏng 74
4.3.1 Chuỗi trải phổ 74
4.3.2 MAI - nhiễu đa truy nhập 74
4.3.3 So sánh giữa các hệ thống MC-CDMA, FDMA và FDMA tối ưu
(Optimal FDMA) 75
4.3.4 Đánh giá hiệu năng của các giải pháp tách tín hiệu 76
4.3.5 So sánh hiệu năng của giải pháp đa người dùng và đơn người dùng
các cách khác nhau 78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
PHỤ LỤC 84



6

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

A/D

Analog/Digital
Bộ biến đổi tương tự sang số
AWGN

Additive White Gaussian
Noise
Nhiễu Gauss trăng cộng tính
BER

Bit Error Rate
Tỉ lệ lỗi bit
BS

Base Station
Trạm cơ sở
CDMA

Code Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo
mã
Chirp SS

Chirp Spread Spectrum
Trải phổ lệch tần
CP

Cyclic Prefix
Tiền tố vòng
D/A

Digital/Analog
Bộ biến đổi số sang tương tự
DFT

Discrete Fourier Transform
Biến đổi Fourrier rời rạc
DS

Direct Sequence
Chuỗi trực tiếp
DS/FH

Direct Sequence/Frequency
Hoping
Hệ thống chuỗi trực tiếp lệch
tần
DS/TH

Direct Sequence/Time
Hoping
Hệ thống chuỗi trực tiếp lệch
thời gian
DS/FH/TH

Direct Sequence/Frequency
Hoping/Time Hoping
Hệ thống chuỗi trực tiếp lệch
tần lệch thời gian
DS-SS

Direct Sequence - Spread
Spectrum
Hệ thống trải phổ chuỗi trực
tiếp
DS-CDMA

Direct Sequence-CDMA
Hệ thống trải phổ chuỗi trực
tiếp CDMA
EGC

Equal Gain Combining
Tổ hợp độ lợi cân bằng
FFT

Fast Fourier Transform
Biến đổi Fourier nhanh
FDM

Frequency-Division
Multiplex
Kỹ thuật ghép kênh phân
chia theo tần số
FDMA

Frequency Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo
tần số

FH

Frequency Hoping
Hệ thống nhảy tần
F-FH

Fast- Frequency Hoping
Hệ thống FH nhanh
FSK

Frequency Shift Keying
Khóa dịch tần
HPA

High Power Amplifier
Bộ khuếch đại công suất lớn


7

IC

Interferance Cancellation
Triệt nhiễu
ICI

Inter-Carrier Interference
Nhiễu xuyên âm giữa các
sóng mang
IFFT

Inverse Fast Fourier
Transform
Biến đổi ngược FFT
ISI

Inter-Symbol Interference
Nhiễu xuyên ký hiệu
JD

Joint Dectection
Tách tín hiệu kết hợp
LMS

Least Mean Square
Bình phương trung bình tối
thiểu
LPI

Low Prabability of
Interception
Xác suất thu trộm thấp
MAI

Multiple Access Interference
Nhiễu đa người dùng
MIMO

Multi-In Multi-Out
Đa lối vào đa lối ra

MC-SS

Multi-carrier Spread
Spectrum
Hệ thống trải phổ đa sóng
mang
MCM

Multi-Carrier Modulation
Điều chế đa sóng mang
MC-DS-
CDMA

Multi-Carrier Direct
Sequence CDMA
Đa truy nhập phân chia theo
mã dãy trực tiếp đa sóng
mang
MC-CDMA


Multi-Carrier – CDMA
Đa truy nhập phân chia theo
mã đa sóng mang
MF

Matched Filter
Bộ lọc hòa hợp
ML

Maximum Likehood
Luật hợp lý cực đại
MMSE

Minimum Mean Squared
Error
Lỗi bình phương trung bình
cực tiểu
MMSE
MUD

Minimum Mean Squared
Error – MultiUser Detection
Tách sóng đa người dùng
theo phương pháp lỗi bình
phương trung bình cực tiểu
MRC

Maximum Ratio Combining
Tổ hợp tỷ số cực đại
MS

Mobile Station
Trạm di động
MT-CDMA

Multi-Tone CDMA
Đa truy nhập phân chia theo
mã đa âm
MUI

Multiple User Interference
Nhiễu đa người dùng
MUD

MultiUser Detection
Tách tín hiệu đa người dùng
M-QAM

M-Quadrature Amplitude
Bộ điều chế biên độ vuông


8

Modulation
góc M mức
OFDM

Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Kỹ thuật ghép kênh phân
chia tần số trực giao
ORC

Orthogonal Restoring
Combining
Tổ hợp khôi phục trực giao
RF

Radio Frequency
Dao động cao tần
PAR

Peak to Average Ratio
Tỉ số công suất cực đại trên
công suất trung bình
PG

Processing Gain
Độ lợi xử lý
PIC

Parallel Interference
Cancellation
Triệt nhiễu song song
PN


Tín hiệu hoa tiêu
QPSK

Quaternary Phase-Shift
Keying
Khóa dịch pha 90
0
RLS

Recursive Least Square
Bình phương tối thiểu đệ quy

S/P

Serial to Parallel
Biến đổi nối tiếp sang song
song
SIC

Successive Interference
Cancellation
Triệt nhiễu liên tiếp
SISO

Single Input Single Output
Hệ thống một anten phát một
anten thu
SNR

Signal Noise Ratio
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
SUD

SingleUser Detection
Tách đơn người dùng
TDMA

Time Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
TH

Time Hoping
Hệ thống nhảy thời gian
TDM

Time-Division Multiplex
Ghép kênh phân chia theo
thời gian
ZF

Zeros Forcing
Cưỡng ép không




9

Danh mục các hình vẽ
Trang
Hình 1.1: Mô hình điều chế OFDM tương tự…………………………… 13
Hình 1.2: Mô hình điều chế OFDM dùng IFFT/FFT…………………… 16
Hình 1.3: Kỹ thuật chèn tiền tố vòng CP……………………………… 18
Hình 1.4: So sánh sự sử dụng băng tần của hệ thống FDM và OFDM 20
Hình 2.1: Nguyên lý của kỹ thuật đa truy nhập theo trải phổ:
a) Trải phổ; b) Giải trải phổ….………………………………. 24
Hình 2.2: Loại trừ nhiễu trong hệ SSMA ……………………………… 25
Hình 2.3: Sơ đồ khối của máy phát DS-CDMA………………………… 27
Hình 2.4: Bộ phát tín hiệu SS dùng điều chế BPSK…………………… 27
Hình 2.5: Sơ đồ khối máy thu tín hiện DS-SS…………………………… 28

Hình 2.6: Sơ đồ khối của máy phát DS-SS sử dụng bộ điều chế BPSK… 29
Hình 2.7: PSD của bản tin, tín hiệu PN và tín hiệu DS/SS-BPSK………. 31
Hình 2.8: Sự chiếm giữ thời gian/tần số của các tín hiệu DS và FH……. 34
Hình 2.9: Sơ đồ khối máy thu, phát của hệ thống FH-SS……………… 35
Hình 2.10: Sơ đồ khối máy phát của hệ thống Fast FH/SS……………… 36
Hình 2.11: Sơ đồ khối máy thu của hệ thống Fast FH-SS………………… 38
Hình 2.12: Sơ đồ khối máy phát, thu của hệ thống TH-CDMA………… 40
Hình 2.13: Đồ thị tần số/thời gian của hệ thống TH-CDMA…………… 41
Hình 2.14: Điều chế trải phổ lệch tần…………………………………… 44
Hình 2.15: Phổ tần số của hệ thống tổ hợp FH/DS……………………… 45
Hình 2.16: Bộ điều chế tổ hợp FH/DS……………………………………. 45
Hình 2.17: Bộ thu tổng hợp FH/DS……………………………………… 46
Hình 2.18: Sơ đồ khối của hệ thống TH/DS……………………………… 48
Hình 3.1: Mô hình hệ thống trải phổ đa sóng mang MC-SS……………. 49
Hình 3.2: Nguyên lý trải phổ theo MC-CDMA và DS-CDMA………… 50
Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống MC-CDMA………………………………… 51
Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống MC-CDMA với N≠PG ……………………… 52
Hình 3.5: Nguyên lý điều chế MC-SS nhóm II…………………………. 53
Hình 3.6: Sơ đồ hệ thống MC-CDMA………………………………… 55
Hình 3.7: Sơ đồ hệ thống MC-CDMA………………………………… 57
Hình 4.1: Máy phát và máy thu MC-CDMA cho kênh đường xuống… 63
Hình 4.2: So sánh BER của bộ thu của hệ thống MC-CDMA dùng mã


10

Gold và Walsh, chiều dài mã Gold là 63, chiều dài mã Walsh
là 64………………………………………………………… 74
Hình 4.3: Ảnh hưởng của MAI trong hệ thống MC-CDMA……………. 75
Hình 4.4: So sánh BER của hệ thống MC-CDMA, FDMA, optimal FDMA

với K=64, L=64……………………………………………… 76
Hình 4.5: So sánh BER của hệ thống MC-CDMA theo 3 phương pháp
tổ hợp khác nhau: EGC, MRC, MMSEC: K=32, N=8, L=64… 77
Hình 4.6: So sánh BER của hệ thống MC-CDMA sử dụng phương pháp
tách sóng MMSEC với số kênh khác nhau……………………. 78
Hình 4.7: Tính BER theo phương pháp Monte-Carlo với K=L=N
C
=64… 79
Hình 4.8: Tính BER theo phương pháp Monte-Carlo với K=32,L=N
C
=64. 80



11

MỞ ĐẦU
Thế kỷ 21 được xem như kỷ nguyên của thông tin kỹ thuật số với các dòng
bit dịch chuyển toàn cầu, kết nối toàn thế giới. Và con người đã phải thừa nhận
sự lệ thuộc của mình vào thế giới đa truyền thông kỹ thuật số (Multimedia) kỳ
diệu này. Truyền thông di động cũng không nằm ngoài vòng kết nối đó với hàng
loạt công nghệ tiên tiến tham gia phục vụ con người.
Hiện có hơn 50 quốc gia trên thế giới triển khai ứng dụng công nghệ
CDMA với trên 100 mạng. Việt Nam đang sử dụng hệ thống thông tin di động
toàn cầu GSM dựa trên công nghệ TDMA. Công nghệ này đòi hỏi vốn đầu tư ban
đầu ít tốn kém hơn CDMA. Tuy nhiên, công nghệ CDMA có tính bảo mật tín
hiệu cao hơn TDMA, nhờ sử dụng tín hiệu trải phổ. Các tín hiệu băng rộng khó
bị rò ra vì nó xuất hiện ở mức nhiễu, những người có ý định nghe trộm sẽ chỉ
nghe được những tín hiệu vô nghĩa. Ngoài ra, với tốc độ truyền nhanh hơn các
công nghệ hiện có, nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai nhiều tùy chọn dịch vụ

như thoại, thoại và dữ liệu, fax, Internet, Theo các chuyên gia CNTT Việt
Nam, xét ở góc độ bảo mật thông tin, CDMA có tính năng ưu việt hơn.
Không chỉ ứng dụng trong hệ thống thông tin di động, CDMA còn thích
hợp sử dụng trong việc cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến cố định với chất
lượng ngang bằng với hệ thống hữu tuyến, nhờ áp dụng kỹ thuật mã hóa mới.
Đặc biệt các hệ thống này có thể triển khai và mở rộng nhanh và chi phí thực
hiện thấp hơn hầu hết các mạng hữu tuyến khác, vì đòi hỏi ít trạm thu phát.
Trong phạm vi của Luận văn này, tác giả sẽ trình bày về công nghệ
OFDM, công nghệ CDMA, các mô hình trải phổ đa sóng mang MC-SS và tìm
hiểu hiệu năng của các phương pháp tách tín hiệu trong hệ MC-CDMA. Nội dung
chính gồm 4 chương được trình bày như sau:
- Chương 1: Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM. Tác giả
trình bày về cơ sở để thực hiện mô hình hệ thống OFDM, phân tích mô hình
điều chế và giải điều chế hệ thống OFDM sử dụng bộ biến đổi FFT/IFFT từ đó
đi sâu vào phân tích một số ưu điểm và hạn chế chính của hệ thống này.
- Chương 2: Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Tác giả
trình bày nguyên lý chung của hệ thống CDMA, nêu lên một số đặc trưng chính
của hệ thống CDMA. Tìm hiểu về nguyên lý thu, phát; các đặc trưng, ưu nhược
điểm của một số giao thức CDMA như: hệ thống DS, hệ thống FH, hệ thống TH,
hệ thống lệch tần và một số hệ thống lai.


12

- Chương 3: Các mô hình trải phổ đa sóng mang MC-SS. Tác giả trình bày
tổng quan về nguyên lý, đặc điểm kỹ thuật của các giải pháp đa sóng mang
MC-SS (MC-CDMA, MC-DS-CDMA và MT-CDMA). Từ đó đánh giá sơ bộ
ưu điểm, hạn chế của hệ thống này.
- Chương 4: Bài toán tách tín hiệu trong hệ thống MC-CDMA. Từ những
khảo sát tổng quan về nguyên lý và đặc điểm kỹ thuật của các giải pháp đa

sóng mang, tác giả đi sâu vào tìm hiểu, tìm hiểu vấn đề nâng cao chất lượng
của các phương pháp tách tín hiệu trong hệ thống MC-CDMA trong môi
trường đơn tế bào và môi trường đa tế bào. Chương này trình bày các biểu thức
giải tích và đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật tách sóng đơn người dùng và kỹ
thuật tách sóng đa người dùng của hệ thống MC-CDMA. Tìm hiểu mối quan hệ
giữa các giải pháp tách tín hiệu tuyến tính MMSEC và MMSE MUD. Phần cuối
chương, tác giả đưa ra một số kết quả mô phỏng.
- Phụ lục: gồm một số chương trình mô phỏng bằng phần mềm Matlab, kết
quả đã đưa ra ở chương 4.
Do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo cũng như thời gian nghiên
cứu có hạn, nên Luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Rất
mong được sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các Thầy cô và bạn đọc. Thư về địa
chỉ:
Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Viết
Kính, giáo viên hướng dẫn đề tài, đã tận tình giúp đỡ định hướng đề tài, tài liệu
tham khảo cho em trong suốt quá trình hoàn thành Luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô khoa Điện tử - Viễn thông cùng các
Thầy Cô Phòng đào tạo Sau đại học trường Đại học Công nghệ - ĐHQG Hà Nội
đã giúp đỡ, đào tạo trong suốt thời gian em học tập tại trường.

Hà Nội, ngày 08 tháng 12 năm 2007
Học viên thực hiện


Ngô Thị Thanh Hải



13

Chương 1 – KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO
TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM
1.1 Giới thiệu [1,3,4]
Trong những năm gần đây, thông tin vô tuyến dựa trên kỹ thuật điều chế
đa sóng mang (MCM) được quan tâm nghiên cứu rộng rãi. Giải pháp kỹ thuật
này đã được đề xuất trong thông tin tốc độ cao từ những năm 50, hệ thống đầu
tiên sử dụng kỹ thuật MCM là hệ thống vô tuyến KINEPLEX và KATHRYN
sử dụng trong quân đội, với 20 sóng mang con, mỗi sóng mang truyền dữ liệu
150 bit/s. Sau này với sự phát triển của công nghệ xử lý tín hiệu số, việc xử lý
tín hiệu trên các sóng mang trực giao được thiết lập hiệu quả nhờ phép biến
đổi Fourrier rời rạc (DFT) và kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao (OFDM) càng được quan tâm hơn trong thông tin vô tuyến. Kỹ thuật
OFDM là trường hợp riêng của kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Như vậy,
OFDM được nhìn theo cả kỹ thuật điều chế và kỹ thuật ghép kênh.
Kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao với những ưu điểm nổi
bật như khả năng đáp ứng truyền thông tốc độ cao, ổn định, khả năng chống
nhiễu tốt đặc biệt là chống phading đa đường trên những môi trường khác
nhau: hữu tuyến cũng như vô tuyến, hiệu quả sử dụng phổ tần cao, … đã trở
thành một kỹ thuật quan trọng được nghiên cứu và triển khai trên nhiều hệ
thống với các chỉ tiêu kỹ thuật cao, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của
xã hội về loại hình truyền tin đa phương tiện trong thời gian hiện nay.
Hệ thống OFDM hoạt động trên nguyên lý phân chia luồng dữ liệu
thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc độ bit thấp hơn và sử dụng các
luồng con này để điều chế sóng mang con có tần số khác nhau. Hệ OFDM
phân chia dải tần làm việc thành các băng tần con khác nhau để điều chế, đặc
biệt tần số trung tâm của các sóng mang con này trực giao với nhau về mặt
toán học, cho phép phổ tần của các băng con chồng lên nhau mà không gây
nhiễu, điều này làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần.
Mặc dù công nghệ này đã được biết đến từ những năm 60 của thế kỷ
trước trong các hệ thống vô tuyến quân sự nhưng ít được quan tâm. Chỉ khi

các công nghệ xử lý tín hiệu phát triển, đặc biệt với việc đề xuất sử dụng các
thuật toán FFT/IFFT cho điều chế và giải điều chế sóng mang, cách chèn
khoảng bảo vệ để tối thiểu hoá nhiễu giao thoa ISI và nhiễu xuyên kênh ICI


14

mới đem đến nhiều ứng dụng khác nhau của hệ thống OFDM thì kỹ thuật này
mới giành được nhiều sự quan tâm như ngày nay.
Các sóng mang con trong hệ thống OFDM trực giao với nhau, nên ở
máy thu có thể tách chúng mà không bị nhiễu của các sóng mang khác, nhờ
vậy sẽ hạn chế suy hao do kênh truyền dẫn vô tuyến trong đó suy hao quan
trọng nhất là hiện tượng phading. Nếu kỹ thuật OFDM có nhiều tần số sóng
mang con thì phading chỉ ảnh hưởng hữu hạn lên chúng. Các sóng mang con
băng hẹp nên thông tin được điều chế trong các sóng mang con này có thể
truyền qua kênh một cách tin cậy, cho chất lượng kết nối và truyền thông qua
các kênh vô tuyến cao hơn.
Hệ thống OFDM cho phép triển khai một máy thu không cần bộ cân
bằng hoặc sử dụng bộ cân bằng đơn giản mà vẫn đảm bảo tính trực giao của
các sóng mang con khi thu qua kênh chọn lọc tần số. Mỗi sóng mang con thu
được bị suy hao khác nhau nhưng không bị phân tán theo thời gian do đó
không yêu cầu bộ cân bằng trễ đường. Đây chính là lý do khiến OFDM được
sử dụng trong các hệ thống quảng bá như DAB, DVB và ADSL của ETSI cũng
như đề xuất cho các tiêu chuẩn WLAN như Hiper LAN 2, WLAN 802.11.
1.2 Cơ sở thực hiện mô hình điều chế OFDM

Trong trường hợp tổng quát, tín hiệu sóng mang con trên những nhánh
thành phần trong sơ đồ điều chế tương tự được biểu diễn dưới dạng sóng mang
phức:

( ( ))
( ) ( )e
cc
j t t
cc
S t A t



(1.1)
Trong đó A
c
(t) và
()
c
t

là biên độ và pha của sóng mang con trên nhánh
n,
0c
c
  
  
là tần số của các sóng mang con tại các nhánh khác nhau
(chúng trực giao với nhau).
)(
0
t


)(

th


n(t)
)(
0
t


)(
0
t


r
0
r
n
)(
1
t
N


s(t)
t=T
t=T

S
0
S
N-1
Hình1.1: Mô hình điều chế OFDM tương tự
…….
…….


15

Khi đó tín hiệu OFDM thu được từ phép điều chế là tổng các sóng mang
con trên các nhánh thành phần:

1
( ( ))
0
1
( ) ( )
nn
N
j t t
OFDM n
n
S t A t e
N







(1.2)
Nếu ta xét trong khoảng thời gian kéo dài của một ký hiệu OFDM thì
A
n
(t) và
)(t
n

sẽ không thay đổi: A
n
(t)=A
n
và
)(t
n

=
n

.
Thực hiện lấy mẫu tín hiệu trên với tần số 1/T
0
ta có

00
0
1
[ ) ]

0
0
1
()
0
1
()
1

n
n
N
j n kT
OFDM n
n
N
j j n kT
n
n
S kT A e
N
A e e
N
  
  

  









(1.3)
Không mất tính tổng quát nếu ta giả sử
0
0


và T
0
=T/N, lúc đó

1
0
0
1
2
0
2
1
0
1
()
1

1

n
n
n
kT
N
jn
j
N
OFDM n
n
kT
N
jn f
j
N
n
n
nk fT
N
j
j
N
n
n
S kT A e e
N
A e e
N
A e e
N






















(1.4)
So sánh biểu thức (1.4) với phép biến đổi ngược DFT của N điểm rời rạc
S
c
(kT) ở tại N đầu ra của bộ IFFT là :

N
nk
j

N
n
c
e
NT
n
S
N
kTS

2
1
0
0IFFT
)(
1
)(




(1.5)
Ta thấy giữa chúng có sự tương đương, do đó hoàn toàn có thể thực hiện
việc điều chế tín hiệu OFDM bằng cách sử dụng bộ IFFT thay cho việc phải sử
dụng các bộ dao động tần số cao mà vẫn đảm bảo được tất cả các điều kiện mà
một hệ OFDM tương tự yêu cầu. Trong đó điều kiện quan trọng nhất là tính
trực giao giữa các sóng mang trên các nhánh con. Điều này thoả mãn khi
khoảng cách tần số giữa sóng mang con là:

0

11
2
f
T NT



   
(1.6)
Với T là chu kỳ ký hiệu OFDM. T
0
là chu kỳ lấy mẫu tín hiệu của mỗi
ký hiệu OFDM


16

1.3 Mô hình điều chế và giải điều chế OFDM sử dụng biến đổi
IFFT/FFT

Hình 1.2: Mô hình điều chế OFDM dùng IFFT/FFT
a. Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song
Tại nơi phát, luồng dữ liệu phát nối tiếp với tốc độ bit cao sẽ được
chuyển thành các nhánh dữ liệu con truyền song song. Tốc độ bit phát đi trên
mỗi nhánh con nhỏ hơn nhiều so với tốc độ luồng dữ liệu ban đầu và phụ
thuộc vào số nhánh con được sử dụng.
b. Bộ điều chế M-QAM (hoặc QPSK)
Các nhánh con tốc độ bit thấp được điều chế M-QAM (hoặc QPSK).
Đây là hệ điều chế thực hiện điều chế đơn sóng mang khi đó các nhóm n bit
(2

n
=M) trên mỗi nhánh con sẽ được tổ hợp lại với nhau để thực hiện phép điều
chế cả về pha và biên độ của một sóng mang dùng trên các nhánh. Kết quả thu
được là các tín hiệu M-QAM (hoặc QPSK). Như vậy, mỗi ký hiệu M-QAM
(hoặc QPSK) sẽ mang trên nó n bit dữ liệu ban đầu và có thể được biểu diễn
bằng các vectơ phức I-Q.
c. Bộ biến đổi IFFT
Các sóng mang được điều chế trên các nhánh con sau đó được lấy mẫu
và đưa đến các đầu vào của bộ biến đổi IFFT N đầu vào. Thông thường số
sóng mang con thực sự được sử dụng nhỏ hơn kích thước của bộ IFFT vì trong
số N đầu vào của nó thì có một số đầu vào (gọi là các đầu vào ảo) được sử
Chuyển
đổi S/P
Điều chế
M-QAM
IFFT
Chèn
CP
Chuyển
đổi P/S
D/A


Kênh
truyền
RFOSCI

RFOSCI

Chuyển

đổi P/S
Giải điều
chế
M-QAM
FFT
Loại
CP
Chuyển
đổi S/P
A/D
f
tx
f
tx
…
…

…
…
…
Data thu
Data phát
d
0
S
0
r
0
R
N-1

R
0
R
N-1
S
N-1
S
0
S
N-1
d
N-1
d
’
0
HPA
d
’
N-1
Khối phát
Khối thu



17

dụng cho mục đích khác như: tạo khoảng trống giữa các ký hiệu OFDM hoặc
chèn tiền tố lặp, …
Sau khi thực hiện biến đổi IFFT ta thu được các mẫu tín hiệu S
fi

(nT). Đó
là các mẫu tín hiệu trực giao ứng với các sóng mang con trực giao có tần số
fkff
ci







1
0
21
)(
N
n
j
nfi
N
nk
eS
N
nTS

với
1,0  Nn
(1.7)
Các bộ biến đổi IFFT/FFT đều dựa trên các thuật toán biến đổi Fourier
nhanh, do đó số lượng các phép nhân phức được giảm xuống nhiều (chỉ còn

N/2log
2
N phép nhân phức so với N phép nhân phức của bộ DFT thông
thường). Chính điều này làm nâng cao tính đơn giản và hiệu quả của việc sử
dụng các bộ IFFT/FFT trong kỹ thuật điều chế OFDM.
d. Bộ biến đổi song song - nối tiếp
Trên N lối ra của các mẫu tín hiệu thu được sau khi thực hiện biến đổi
IFFT sẽ được đưa qua bộ chuyển đổi song song - nối tiếp để truyền đi trên
đường truyền. Tín hiệu mà ta thu được sau bộ chuyển đổi này là một chuỗi
gồm nhiều ký hiệu OFDM nối tiếp nhau.
Nếu chu kỳ lấy mẫu của các tín hiệu ban đầu là T và N là kích cỡ của bộ
biến đổi IFFT/FFT thì sau bộ chuyển đổi này ta thu được các ký hiệu OFDM
với khoảng thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu là T=N.T
0
.
Mỗi ký hiệu trên tạo thành một tập gồm N mẫu tín hiệu S
fi
thu được sau
biến đổi IFFT. Các mẫu này sẽ quy định tính chất đặc trưng của mỗi ký hiệu
OFDM. Trong quá trình truyền đi, tập ký hiệu này thường được đánh dấu để
phân biệt bằng phương pháp chèn CP hoặc chèn các ký hiệu đặc biệt vào giữa
các ký hiệu OFDM. Điều này nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc giải điều
chế và đồng bộ ở nơi thu. Chính vì những đặc điểm này mà ký hiệu OFDM
được tạo bởi N mẫu trên còn được gọi là các cửa sổ “trượt” OFDM.
e. Chèn tiền tố vòng CP
Những ảnh hưởng của ISI lên hệ thống OFDM có thể được cải thiện khi
ta thêm vào các khoảng bảo vệ trước mỗi ký hiệu OFDM. Khoảng bảo vệ
được chọn sao cho nó có khoảng thời gian kéo dài lớn hơn độ trễ trải cực đại
gây ra bởi kênh truyền, đặc biệt là kênh phading đa đường.
Tuy nhiên, khi chèn khoảng trống, mặc dù tránh được hiện tượng ISI

nhưng lại không thể tránh được nhiễu xuyên âm giữa các sóng mang ICI xảy


18

ra. Bởi vì khi đó nếu tín hiệu OFDM bị tác động bởi kênh phading thì khoảng
trống này sẽ gây ra hiện tượng mất tính tuần hoàn trong một số sóng mang con
thành phần. Vì vậy tính trực giao giữa các sóng mang con trong một ký hiệu
OFDM không còn nữa, đó là nguyên nhân làm tăng nhiễu ISI sau khi ký hiệu
được giải điều chế ở nơi thu.
Như vậy để có khả năng triệt nhiễu ISI và khả năng chống lại nhiễu ICI
thì khoảng bảo vệ phải được chọn là một ký hiệu đặc biệt, và kỹ thuật sử dụng
ký hiệu đặc biệt này gọi là kỹ thuật chèn tiền tố lặp CP. Ký hiệu đặc biệt đó
chính là phiên bản sao chép của đoạn dữ liệu cuối trong mỗi ký hiệu OFDM và
bản sao này sau đó được ghép vào đầu mỗi ký hiệu OFDM.

Khi đó, nhờ tín hiệu tuần hoàn của các sóng mang con trong thời gian
một chu kỳ tín hiệu mà sự trực giao giữa các sóng mang con vẫn được duy trì
và do vậy có thể tránh được hiện tượng ICI ngay cả khi có sự chuyển đổi về
pha giữa các ký hiệu OFDM.
Việc sử dụng khoảng bảo vệ với các tiền tố lặp CP đặc biệt ngoài khả
năng chống ICI và ISI tốt còn có tác dụng lớn trong việc thực hiện đồng bộ tại
nơi thu. Tuy nhiên việc chèn thêm tiền tố lặp CP vào cuối ký hiệu OFDM
truyền đi có thể làm giảm hiệu suất. Song với những lợi ích to lớn mà kỹ thuật
này mang lại đã làm cho việc sử dụng kỹ thuật này trở nên phổ biến mà hệ
thống OFDM nào cũng phải sử dụng.
f. Bộ chuyển đổi D/A, dao động cao tần RF, bộ khuyếch đại công suất HPA.
Sau khi các ký hiệu OFDM được chèn khoảng bảo vệ, các ký hiệu này
phải qua bộ chuyển đổi D/A để thực hiện phép chuyển đổi từ số sang tương tự
và được điều chế bởi một tín hiệu có tần số cao trong dải tần vô tuyến RF, sau

đó có thể đưa tín hiệu lên kênh truyền để tới máy thu.
IFFT
GI
IFFT
Sao chép
T
FFT
IFFT
GI
T
G
T
s
Ký hiệu N
Ký hiệu (N-1)
Ký hiệu
(N+1)
Hình 1.3: Kỹ thuật chèn tiền tố vòng CP



19

Bộ khuyếch đại HPA có tác dụng khuyếch đại công suất tín hiệu trước
khí tín hiệu được phát đi. HPA cần có những thuật toán làm giảm mức công
suất đỉnh trên công suất trung bình dẫn đến giảm PAR.
1.4 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM
a. Ưu điểm
- Đáp ứng được nhu cầu truyền thông tốc độ cao với khả năng kháng
nhiễu tốt trên kênh phading chọn lọc tần số:

Một trở ngại lớn đối với hệ đơn sóng mang truyền thông tốc độ cao là
vấn đề phading chọn lọc tần số vì trong trường hợp truyền tin tốc độ cao thì
thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu đơn sóng mang nhỏ (tức phổ tần số rộng)
điều này làm cho tín hiệu trên kênh rất nhạy với hiện tượng phading chọn lọc
tần số. Còn đối với hệ đa sóng mang, nhược điểm trên được khắc phục khá tốt
bởi đặc điểm quan trọng nhất của hệ đa sóng mang là chia luồng dữ liệu tốc độ
cao ban đầu thành các luồng con song song có tốc độ nhỏ hơn n lần so với tốc
độ luồng dữ liệu ban đầu. Tín hiệu sau khi điều chế truyền trên kênh truyền là
các ký hiệu OFDM có khoảng thời gian kéo dài lớn, phổ hẹp. Do vậy tác động
của kênh phading lên tín hiệu OFDM truyền đi có thể được coi là “phẳng” và
hiện tượng ISI giảm đi rất nhiều.
- Tính phân tập tần số cao, đề kháng nhiễu băng hẹp.
Trong trường hợp một hệ đơn sóng mang truyền thông tin với tốc độ
cao, và khoảng thời gian kéo dài của các ký hiệu (chu kỳ ký hiệu) bị thu hẹp
lại thì băng tần của các tín hiệu sẽ mở rộng quanh một tần số sóng mang trung
tâm và tập trung một số lượng lớn thông tin trên một đoạn dải tần. Điều này sẽ
thực sự nguy hiểm nếu như dải tần này bị tác động của khe phading trong đáp
ứng tần số của kênh phading chọn lọc tần số vì kết quả là tỷ lệ lỗi bit BER
tăng cao. Muốn giảm được ảnh hưởng này, ta phải sử dụng phương pháp phân
tập theo thời gian, theo không gian hoặc theo tần số.
Trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang, do sử dụng nhiều sóng mang nên
tự bản thân kỹ thuật này đã tạo ra khả năng phân tập rất tốt theo tần số làm cho
OFDM có tính kháng nhiễu băng hẹp.
- Hiệu suất sử dụng phổ cao.
OFDM sử dụng nhiều sóng mang trực giao. Nghĩa là các sóng mang con
có một phần chồng lên nhau trong miền tần số mà vẫn đảm bảo được khả năng


20

chống ICI tại đầu thu. Vì vậy, hệ thống OFDM có hiệu quả sử dụng phổ tần
cao.
Nếu sử dụng N sóng mang con thì hệ thống chiếm dải tần tổng cộng là:

1
( 1)
total
s
N
BW N F
T

   
(1.8)
Khi N lớn thì
.
total
BW N F
. Trong khi dải thông để có thể truyền được
dữ liệu giống như vậy trong hệ FDMA cần là
2. .
total
BW N F

Tần số
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang ghép kênh phân chia theo tần số thông thường
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
Tiết kiệm băng tần
Tần số

Hình 1.4: So sánh sự sử dụng băng tần của hệ thống FDM và OFDM
- Tính đơn giản, hiệu quả khi thực thi hệ thống.
Sở dĩ do ta sử dụng bộ biến đổi IFFT/FFT trong điều chế và giải điều
chế OFDM nên việc thực thi hệ thống OFDM trở nên đơn giản và hiệu quả
hơn nhiều so với trước đây. Cùng với công nghệ vi mạch tích hợp, tốc độ xử lý
cao đang có những bước phát triển lớn như hiện nay thì hệ thống OFDM sẽ
hứa hẹn một khả năng đáp ứng với chất lượng tốt và ổn định trong tương lai
không xa.
b. Nhược điểm
- Tỉ số công suất cực đại trên công suất trung bình (PAR) cao.
Do tín hiệu OFDM là tổng của nhiều thành phần tín hiệu nên biên độ
của nó có đỉnh cao, dẫn đến tỉ số PAR cao. PAR cao dẫn đến điểm làm việc
của bộ khuyếch đại công suất bị đẩy lùi về vùng phi tuyến làm ảnh hưởng đến
tín hiệu phát đi. Chính vì vậy, trong thực tế luồng ký hiệu OFDM phải được
làm giảm PAR trước khi đi qua bộ khuyếch đại công suất nhờ các thuật toán
làm giảm PAR.
- Hệ thống rất nhạy với độ dịch tần do vậy đòi hỏi quá trình đồng bộ rất
chặt chẽ.
Vấn đề đồng bộ là khâu rất quan trọng không chỉ trong hệ điều chế đa
sóng mang mà còn là khâu không thể thiếu được trong các hệ thống thông tin


21

số nói chung. Song với đặc thù của hệ OFDM đã làm cho hệ thống nhạy cảm
với nhiều yếu tố tác động như: nhiễu tạp âm, lỗi định thời ký hiệu, lỗi dịch tần
số sóng mang, lỗi định thời tần số lấy mẫu, … Chính vì vậy, việc thực hiện
đồng bộ trong hệ OFDM gặp nhiều khó khăn hơn so với các hệ thống thông
thường.
Tóm lại

Chương 1 đã trình bày về:
- Cơ sở để thực hiện mô hình hệ thống OFDM.
- Tìm hiểu, phân tích mô hình điều chế và giải điều chế OFDM sử dụng
bộ biến đổi FFT/IFFT.
- Phân tích một số ưu điểm và nhược điểm chính của hệ thống OFDM.


22

Chương 2 – CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP
PHÂN CHIA THEO MÃ CDMA
2.1 Giới thiệu [6]
Kỹ thuật trải phổ CDMA, về lý thuyết bắt nguồn từ những ý tưởng của
Shannon và Pierce. Kỹ thuật này đã được sử dụng từ thế chiến thứ hai với mục
đích đảm bảo chất lượng cho các cuộc thông tin mà không bị địch phát hiện. Các
nhà nghiên cứu trong lĩnh vực quân sự tiếp tục phát triển kỹ thuật này nhằm tăng
cường khả năng chống nhiễu của tín hiệu, còn các nhà thiết kế vệ tinh sử dụng kỹ
thuật trải phổ để ngăn cản sự quá tải của các bộ phát đáp analog. Kỹ thuật trải
phổ có nguyên lý thực chất rất đơn giản: tín hiệu trước hết được điều chế, mã hóa
sao cho gần giống với tín hiệu nhiễu, sau đó được truyền đi và được khôi phục lại
tại máy thu đầu cuối. Việc biến đổi (mã hóa) tín hiệu nhằm bảo vệ tín hiệu khi nó
được truyền đi trên đường truyền dẫn. Vì vậy, chất lượng của tín hiệu sau khi
được khôi phục phụ thuộc vào kỹ thuật điều chế và mã hóa.
Mục đích của việc điều chế và mã hóa tín hiệu là biến đổi tín hiệu thành
nhiễu. Càng giống nhiễu bao nhiêu càng khó thâm nhập bấy nhiêu, vì nhiễu là
hoàn toàn ngẫu nhiên. Hơn nữa, tín hiệu càng được trải phổ tần bao nhiêu thì
càng được bảo vệ bấy nhiêu, ngay cả khi một phần phổ của tín hiệu không được
khôi phục, tín hiệu vẫn không bị mất.
Giao thức CDMA cấu thành nên một lớp các giao thức mà trong đó khả
năng đa truy cập đạt được sử dụng phương pháp mã hóa. Trong giao thức CDMA

mỗi người dùng được cung cấp một chuỗi mã duy nhất để họ mã hóa các tín hiệu
thông tin của mình. Ở nơi thu, đã biết các chuỗi mã của người dùng, sẽ giải mã
các tín hiệu thu được sau khi thu và sẽ lấy lại được dữ liệu gốc. Do dải thông của
tín hiệu mã hóa được chọn lớn hơn nhiều so với dải thông của tín hiệu thông tin,
quá trình mã hóa mở rộng phổ của tín hiệu và do đó phương pháp này cũng được
gọi là phương pháp điều chế trải phổ (SS: Spread Spectrum). Tín hiệu đã mã hóa
cũng gọi là tín hiệu SS, và kỹ thuật CDMA cũng bao hàm nghĩa là giao thức đa
truy nhập theo trải phổ (SSMA).
Việc xác định nguồn của hệ thống thông tin trải phổ cũng khá khó khăn do
thông tin trải phổ hiện nay là thành quả của nhiều thành tựu như: máy rada phân
giải cao, tìm đường, dẫn đường, tách sóng tương quan, máy lọc hòa hợp, chống
nhiễu phá, tránh tạo nhiễu, lý thuyết thông tin, …


23

Kỹ thuật điều chế trải phổ có nguồn gốc từ yêu cầu sử dụng rada trong
quân đội và trong các hệ thống liên lạc, bởi vì kỹ thuật này chống lại tín hiệu
nhiễu phá và xác suất thu trộm tín hiệu thấp. Chỉ vài năm gần đây, với sự phát
triển của tin tức, công nghệ mới rẻ, nhu cầu trong quân đội giảm nên các nhà sản
xuất và chế tạo các thiết bị trải phổ đã quan tâm hơn tới việc đưa các kỹ thuật của
họ vào các ứng dụng dân sự .
Kỹ thuật gọi là điều chế trải phổ, phải tuân theo hai tiêu chuẩn như sau:
1. Dải thông của tín hiệu phát đi lớn hơn rất nhiều so với dải thông của dữ
liệu thông tin.
2. Dải thông của tần số vô tuyến thu được là một hàm khác so với dữ liệu
thông tin được phát đi.
Điều chế trải phổ biến đổi một tín hiệu thông tin thành tín hiệu phát có dải
thông lớn. Sự biến đổi này được thực hiện nhờ việc mã hóa các tín hiệu thông tin,
trong đó tín hiệu mã hóa độc lập với chuỗi dữ liệu, và tín hiệu mã hóa có độ rộng

phổ lớn hơn rất nhiều độ rộng phổ của tín hiệu ban đầu. Việc mã hóa này sẽ trải
rộng công suất tín hiệu gốc trên vùng dải thông rộng hơn rất nhiều, kết quả cho
mật độ công suất thấp. Tỷ số của dải thông phát đi so với dải thông của thông tin
được gọi là độ lợi xử lý
p
G
của hệ thống trải phổ.

i
t
p
B
B
G 
(2.1)
Trong đó:
B
t
- dải thông phát đi
B
i
- dải thông của tín hiệu thông tin
Bộ thu sẽ tương quan tín hiệu thu được với một bản sao phát đồng bộ của
tín hiệu mã hóa được sử dụng tại nơi phát để thu lại tín hiệu thông tin ban đầu.
Điều này chỉ ra rằng, bộ thu phải biết tín hiệu mã hóa đã sử dụng trong việc điều
chế dữ liệu.
Vì thực hiện quá trình mã hóa và kết quả là mở rộng dải thông, nên tín hiệu
trải phổ có một số đặc trưng khác với các đặc trưng của tín hiệu băng hẹp. Điều
chúng ta quan tâm nhất đối với các hệ thống thông tin sẽ được thảo luận trong
phần sau. Để hiểu rõ ràng hơn, mỗi đặc trưng sẽ được giải thích ngắn gọn có

minh họa như sau:
1. Khả năng đa truy cập:
Nếu nhiều người dùng cùng truyền một tín hiệu trải phổ tại cùng một thời
điểm, ở nơi thu vẫn có thể phân biệt được những người dùng này với nhau vì mỗi