Kỹ thuật trải phổ đa sóng mang MCCDMA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

KỸ THUẬT TRẢI PHỔ ĐA SÓNG MANG
MC-CDMA

SVTH:

NGUYỄN SỸ HÀO

LỚP:

49K ĐTVT

GVHD:

TS. NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA

MSSV:

0851080313

NGHỆ AN, 01 -2013
i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: ................................... Số hiệu sinh viên: ...........................
Ngành: ....................................................... Khoá: ............................................
Giảng viên hướng dẫn:……………………………………………………………..
Cán bộ phản biện: ........................................................................................................
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Ngày

tháng
năm
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )

ii


MỤC LỤC

LỜI GIỚI THIỆU.........................................................................................................v

TÓM TẮT ĐỒ ÁN......................................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU.......................................................................................vii
DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................viii
DAH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT..............................................................................xi
CHƯƠNG I. KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN..............................................................1
1.1. Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền................................1
1.2. Các dạng kênh truyền.....................................................................................2
1.2.1. Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số......2
1.2.2. Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc
thời gian.............................................................................................................3
1.3. Nhiễu xuyên ký tự ISI và nhiễu đồng kênh ICI.............................................3
1.3.1. Nhiễu xuyên ký tự ISI.............................................................................3
1.3.2. Nhiễu đồng kênh ICI...............................................................................3
CHƯƠNG II. KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ.................5
2.1. Kỹ thuật trải phổ.............................................................................................5
2.1.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS-BPSK....................................................6
2.1.2. Chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN..................................................................9
2.2. Công nghệ CDMA........................................................................................10
2.2.1. Nguyên lý hoạt động của CDMA.........................................................10
2.2.2. Vấn đề nhiễu gần xa trong hệ thống DS-CDMA..................................11
CHƯƠNG III. GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO...........12
3.1. Giới thiệu.......................................................................................................12
3.2. Tính trực giao................................................................................................12
3.2.1. Định nghĩa.............................................................................................12
3.2.2. Nguyên lý..............................................................................................13
3.3. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM...........................................................14
3.3.1. Mô tả toán học tín hiệu OFDM.............................................................14
3.3.2. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM........................................................16
iii

CHƯƠNG IV. KỸ THUẬT TRẢI PHỔ ĐA SÓNG MANG (MC-CDMA)............22
4.1. Nguyên lý chung của MC-CDMA...............................................................22
4.2. MC-CDMA...................................................................................................23
4.2.1. Cấu trúc tín hiệu....................................................................................23
4.2.2. Tín hiệu hướng xuống...........................................................................24
4.2.3. Tín hiệu hướng lên................................................................................25
4.2.4. Các kỹ thuật điều chế trải phổ trong MC-CDMA................................26
4.2.5 Kỹ thuật tách tín hiệu.............................................................................32
4.2.6 Tiền cân bằng..........................................................................................38
4.2.7 Phân tích tính năng.................................................................................43
4.3 MC-DS-CDMA..............................................................................................54
4.3.1 Cấu trúc tín hiệu.....................................................................................54
4.3.2 Tín hiệu đường xuống............................................................................56
4.3.3 Tín hiệu đường lên.................................................................................57
4.3.4 Trải phổ...................................................................................................57
4.3.5 Các kỹ thuật tách....................................................................................58
4.3.6 Phân tích đặc tính...................................................................................58
4.4 So sánh MC-CDMA và MC-DS-CDMA......................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................63
KẾT LUẬN.................................................................................................................64

iv


LỜI GIỚI THIỆU

Cụm từ trải phổ đa truy nhập MC-CDMA ngày càng được biết tới nhiều hơn
hiện nay. Được ra mắt từ những năm 1993 với ý tưởng kết hợp CDMA và OFDM
để tạo ra một kỹ thuật mới với nhiều khả năng vượt trội hơn so với nhiều kỹ thuật

khác trên thế giới. Hiện nay do số lượng thiết bị số phát triển một cách nhanh
chóng, đòi hỏi phải có một kỹ thuật mới thay thế các kỹ thuật cũ không còn đáp ứng
được nhu cầu, MC-CDMA đã được biết tới nhiều hơn. Là một kỹ sư Điện tử viễn
thông, xuất phát từ vấn đề trên em đã quyết định lựa chọn đề tài “Kỹ thuật trải phổ
đa sóng mang MC-CDMA” để nắm bắt và hiểu rõ hơn những tính năng ưu việt của
MC-CDMA. Nhằm tạo cho mọi người một định hướng tốt hơn và có thể ứng dụng
và thực tiễn. Nội dung đồ án bao gồm 4 chương: Chương 1 Giới thiệu sơ qua về mô
hình kênh vô tuyến, chương 2 Đánh giá công nghệ CDMA, chương 3 Nêu rõ các
đặc điểm của OFDM, chương 4 Phân tích rõ các đặc tính của MC-CDMA, phân
loại, so sánh các loại MC-CDMA và MC-CDMA với các kỹ thuật khác.
Do tầm hiểu biết còn hạn chế cũng như thời gian nghiên cứu còn nhiều hạn
chế, đề tài sẽ không tránh khỏi nhưng sai sót. Em rất mong nhận được sự góp ý từ
quý thầy cô và bạn bè về nội dung đề tài này.
Em xin cám ơn cô giáo Nguyễn Thị Quỳnh Hoa người đã trực tiếp hướng dẫn
tận tình, giúp em thực hiện và hoàn thành cuốn đồ án này một cách suôn sẻ nhất!
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử viễn thông trường
Đại học Vinh đã giảng dạy em trong suốt những năm học qua, cung cấp cho em một
lượng kiến thức không nhỏ để hoàn thành cuốn đồ án này!
Vinh, ngày 3 tháng 01 năm 2013

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Sỹ Hào
v


TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này trình bày về kỹ thuật trải phổ đa sóng mang (MC-CDMA) đây là
một kỹ thuật kết hợp được các ưu điểm của hai kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực
giao OFDM và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Kỹ thuật MC-CDMA có

khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao, tính bền vững với fading chọn lọc tần số, sử
dụng băng thông hiệu quả, tính bảo mật cao và giảm độ phức tạp của hệ
thống.Những vấn đề được trình bày trong đồ án bao gồm kênh truyền vô tuyến,
OFDM và CDMA để làm tiền để phân tích, so sánh và đánh giá ưu nhược điểm so
với kỹ thuật MC-CDMA. Ngoài ra hai kỹ thuật trong MC-CDMA đó là MC-CDMA
và MC-DS-CDMA cũng được trình bày và so sánh một cách chi tiết.

ABSTRACT
This project presents a spread spectrum technique multi-carrier (MC-CDMA)
is a technique combining the advantages of the two techniques by multiplexing
orthogonal frequency division multiple access OFDM and CDMA code. MCCDMA technique capable of high-speed data transmission, sustainability with
frequency selective fading, efficient bandwidth utilization, high security and reduce
the complexity of the system thong.Nhung matters set shown in the scheme include
radio channels, OFDM and CDMA to make money for the analysis, comparison and
evaluation of the technical advantages and disadvantages compared with MCCDMA. There are two techniques in MC-CDMA is MC-CDMA and MC-DSCDMA is also presented and compared in detail.

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Các giới hạn PAPR của các tín hiệu MC-CDMA đường lên.....................29
Bảng 4.2 Các thông số hệ thống MC-CDMA............................................................44
Bảng 4.3 Các thông số của hệ thống MC-CDMA TDD đường lên với tiền
cân bằng......................................................................................................................52
Bảng 4.4 So sánh những đặc trưng chính của MC-CDMA và MC-DS-CDMA.......62

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hiệu ứng đa đường........................................................................................3
vii

Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số..........................................................................2
Hình 1.3 Kênh truyền không chọn lọc tần số...............................................................2
Hình 2.1 Trải phổ DS/SS - BPSK................................................................................6
Hình 2.2 Dạng sóng tín hiệu DS/SS.............................................................................7
Hình 2.3 Quá trình giải trải phổ DS/SS – BPSK.........................................................7
Hình 2.4 Phổ của sóng mang khi điều chế trải phổ và không trải phổ trong hệ.......10
Hình 2.5 Hàm tương quan của chuỗi PN...................................................................12
Hình 2.6 Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã với 10 thuê bao di động...........11
Hình 3.1 Hình dạn phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở năm sóng mang,
hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM..................................................................14
Hình 3.2 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với năm sóng
mang con.....................................................................................................................14
Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM......................................................16
Hình 3.4 Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hóa Gray, và tín hiệu 16-QAM
truyền qua kênh vô tuyến, SNR=18dB......................................................................18
Hình 3.5 Tầng IFFT tạo tín hiệu OFDM....................................................................18
Hình 3.6 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở sử dụng kỹ thuật
tương tự.......................................................................................................................19
Hình 3.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở sử dụng kỹ thuật số.......19
Hình 3.8 Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian........................................20
Hình 3.9 Tín hiệu OFDM dịch DC............................................................................21
Hình 4.1: Sơ đồ khối mô hình hệ thống MC-CDMA................................................22
Hình 4.2 Tạo ra tín hiệu MC-CDMA.........................................................................24
Hình 4.3 Bộ phát MC-CDMA hướng xuống.............................................................25
Hình 4.4 Trải phổ một chiều và hai chiều..................................................................31
Hình 4.5 Biểu đồ quay pha của dãy trải phổ Hadamard............................................32
Hình 4.6 Bộ thu MC-CDMA ở thuê bao....................................................................33
Hình 4.7 Tách đơn người dùng ở MC-CDMA..........................................................34

Hình 4.8 Bộ phát OFDM hoặc MC-CDMA có tiền cân bằng...................................38
Hình 4.9 Mã hóa và giải mã kênh trong các hệ thống MC-CDMA..........................42

viii


Hình 4.10 Quan hệ giữa BER và SNR của hệ thống MC-CDMA với cáckỹ thuật
tách đa người dùng khác nhau; không mã hóa FEC, QPSK, fading Rayleigh..........45
Hình 4.11 Quan hệ giữa BER và SNR của hệ thống MC-CDMA với các kỹ thuật
tách đơn người dùng khác nhau; không mã hóa FEC, QPSK, fading Rayleigh.......46
Hình 4.12 Quan hệ giữa BER và SNR của hệ thống MC-CDMA với các kỹ thuật
tách đơn người dùng khác nhau; mã hóa kênh R= #, QPSK, fading Rayleigh.........47
Hình 4.13 Quan hệ BER và SNR của hệ thống MC-CDMA với các kỹ thuật tách đa
người dùng khác nhau; hệ thống đủ tải, mã hóa kênh tốc độ R= 1/2, QPSK, fading
Rayleigh......................................................................................................................48
Hình 4.14 Quan hệ giữa BER và SNR của hệ thống MC-CDMA với các kỹ thuật
ánh xạ khác nhau; hệ thống đủ tải, mã hóa kênh tốc độ R= 2/3, fading Rayleigh....49
Hình 4.15 Quan hệ giữa hiệu quả sử dụng phổ của MC-CDMA OFDM; hệ thống đủ
tải, fading Rayleigh, BER = 10-4................................................................................50
Hình 4.16 Quan hệ của BER với SNR cho hệ thống MC-CDMA trong đường lên;
MRC, không mã hóa FEC, QPSK, L=8, fading Rayleigh.........................................51
Hình 4.17 Quan hệ của BER với SNR cho hệ thống MC-CDMA với các kỹ thuật
tiền cân bằng khác nhau trong đường lên; đủ tải, không mã FEC.............................52
Hình 4.18 Quan hệ của BER với SNR cho hệ thống MC-CDMA với các kỹ thuật
tiền cân bằng có điều khiển và độ dài khung khác nhau trong đường lên; đủ tải,
không mã FEC............................................................................................................53
Hình 4.19 Quan hệ của BER với SNR cho hệ thống MC-CDMA với các kỹ thuật
tiền cân bằng có điều khiển và tải hệ thống khác nhau trong đường lên; độ dài
khung bằng 200 ký hiệu OFDM, không mã FEC......................................................54
Hình 4.20 Bộ phát MC-DS-CDMA...........................................................................55

Hình 4.21 Bộ tách tương quan MC-DS-CDMA........................................................59
Hình 4.22 Quan hệ BER với SNR của hệ thống MC-DS-CDMA với các mã trải phổ
khác nhau và các kỹ thuật tách khác nhau; đường lên đồng bộ, K= 8 người dùng,
QPSK, fading COST 207 RA.....................................................................................60
Hình 4.23 Quan hệ BER với SNR cho hệ thống MC-DS-CDMA với các tải khác
nhau; đường lên đồng bộ, mã Walsh-Hadamard, MRC, QPSK, fading COST 207
RA...............................................................................................................................61
ix


Hình 4.24 Quan hệ BER với SNR cho hệ thống MC-DS-CDMA với các tải và mã
trải phổ khác nhau trong đường lên không đồng bộ, MRC, QPSK, fading COST 207
RA...............................................................................................................................62

DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

x


AWGN

Additive White Gaussian Noise

xi

Nhiễu cộng Gaussian


BER
BPSK

BSC
BSM
BS
BTS
CDMA
DS-

Bit Error Rate
Binary Phase Shift Keying
Base Station Controller
Base Station Manager
Base Station
Base Transceiver Subsystem
Code Division Multiple Access
Direct Spectrum - Code Division

Tỷ số sai số lỗi bit
Dịch pha nhị phân
Bộ điều khiển trạm gốc
Bộ quản lý trạm gốc
Trạm gốc
Trạm thu phát
Đa truy cập phân chia theo mã
Đa truy cập phân chia theo mã-

CDMA
DS-SS

Multiple Access
Direct Sequence – Spectrum Spread

FDMA

Frequency Division Multiple Access

trải phổ trực tiếp
Trải phổ chuỗi trực tiếp
Đa truy cập phân chia theo tần

TDMA

Time Division Multiple Access

FEC

Forward Error Correction
Fast Fourier Transform/Inverse Fast

gian
Mã hóa sửa sai tiền lỗi
Phép biến đổi Fourier nhanh

ICI
ISI
LPF
MAI
MC-

Fourier Transform
Intercarrier Interference

Intersymbol Interference
LowPass Filter
Multiple Access Interference
Multicarrier - Code Division

(ngược)
Nhiễu liên sóng mang
Nhiễu liên ký tự
Bộ lọc thông thấp
Nhiễu đa truy cập
Đa truy cập phân chia theo mã-

CDMA
EGC
MRC

Multiple Access
Equal Gain Combining
Maximum Ratio Combining

MMSE

Minimum Mean Square Error

đa sóng mang
Kết hợp độ lợi cân bằng
Kết hợp tỷ số cực đại
Sai số bình phương trung bình

FFT/IFFT

TORC
ORC
OFDM

số
Đa truy nhập phân chia theo thời

Threshold Orthogonality Restore

tối thiểu
Kết hợp phục hồi tính trực giao

Combining

theo ngưỡng.

Orthogonality Restore Combining

Kết hợp phục hồi tính trực giao

Orthogonal Frequency Division

Hợp kênh phân chia tần số trực

Multiplex

giao
Tỷ số công suất đỉnh trên công

PAPR

Peak to Average Power Rate

PDF
PN

Power Density Function
Pseudo Noise

suất trung bình
Hàm mật độ công suất
Giả ngẫu nhiên

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều biên vuông pha

RMS

Root Mean Square

Trị hiệu dụng
xii


SNR
MC-DS-

Signal To Noise Rate
Multicarrier -Direct Spectrum -

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Đa truy cập phân chia theo mã-

CDMA

Code Division Multiple Access

đa sóng mang- trải phổ trực tiếp

MS

Mobile Station

Trạm di động

CHƯƠNG I KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
1.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền
Trong thông tin di động, việc truyền dẫn tín hiệu gặp nhiều hiệu ứng nhiễu
khác nhau.

xiii


Hiệu ứng đa đường xảy ra do các hiệu ứng của phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ của
sóng điện từ truyền đi dưới các dạng tự nhiên và nhân tạo. Như vậy, tại anten thu sẽ
nhận được vô số các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau, chúng có độ trễ, suy hao

và pha khác nhau. Ghép các tín hiệu này cùng với biên độ và pha của tín hiệu chúng
ta sẽ nhận được tín hiệu tổng hợp.
Hình 1.1 Hiệu ứng đa đường
Hiệu ứng doppler là khi bộ phát và bộ thu chuyển động tương đối với nhau thì
tần số của tín hiệu tại bộ thu không giống với tần số tín hiệu tại bộ phát. Cụ thể là :
khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ
lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần

số thu được sẽ giảm đi.
Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường
truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín
hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn,
nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm [1].
Suy hao trên đường truyềnlà sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi
truyền từ máy phát đến máy thu.Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy
hao có thể khác phục bằng các phương pháp điều khiển công suất.
1.2 Các dạng kênh truyền
1.2.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số

xiv


Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng
tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số, khoảng tần số này được gọi
là băng tần kết hợp và được ký hiều trên hình 1.1 là f0

Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số
Trên hình 1.1 ta nhận thấy kênh truyền có f 0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông
của tín hiệu phát. Do đó, tại một tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín
hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu

sự suy giảm và dịch pha khác nhau. Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh
truyền chọn lọc tần số.
Ngược lại trên hình 1.2, kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông của
tín hiệu phát, mọi thành phần tần số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy
giảm và dich pha gần như nhau. Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh
truyền không chọn lọc tần số.

Hình 1.3 Kênh truyền không chọn lọc tần số
1.2.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời
gian

xv


Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất
trênđường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới
xuấthiện và những vật thể cũ mất đi… Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền
phảnxạ, tán xạ … qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn
thay đổitheo thời gian.
Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là coherent
time. Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay
đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian).
Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với
coherent time thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian. Ngược
lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với
coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời
gian hay phẳng về thời gian.
1.3 Nhiễu xuyên ký tự ISI và nhiễu đồng kênh ICI
1.3.1 Nhiễu xuyên ký tự ISI
Trong môi trường truyền dẫn vô tuyến, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín

hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là
điều không thể tránh khỏi. Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu
khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu.
Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ
bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian
của một ký tự.
OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời
gian truyền một ký tự lên nhiều lần. Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng
bảo vệ (guard interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền,
giữa hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn
1.3.2 Nhiễu đồng kênh ICI
Nhiễu xuyên kênh gây ra do các thiết bị phát trên các kênh liền nhau Nhiễu
liên kênh thường xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bị dịch tần gây can
nhiễu sang các kênh kề nó. Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người ta phải có khoảng
bảo vệ (guard band) giữa các dải tần
xvi


CHƯƠNG II KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO
MÃ
2.1 Kỹ thuật trải phổ
xvii


Kỹ thuật trải phổ là một kỹ thuật truyền dẫn trong đó một mã giả nhiễu ngẫu
nhiên (Pseudo-Noise) được điều chế (spreading) thành một dạng sóng có mức năng
lượng trải ra trên băng thông lớn hơn nhiều so với băng thông của thông tin. Thông
thường, độ rộng dãi tần là vài MHz cho tín hiệu thoại vài Khz. Tại bộ thu, tín hiệu
sẽ được giải điều chế (despreading) bằng khả năng sử dụng một mẫu đồng bộ của
mã giả tạp âm (PN).

Kỹ thuật CDMA là một kỹ thuật mang rất nhiều ưu điểm:khả năng đa truy
nhập, cho phép nhiều người dùng cùng hoạt động trên cùng một dải tần, trong cùng
một khoảng thời gian mà máy thu vẫn tách được tín hiệu cần thu. Đó là do mỗi
người dùng đã được cấp một mã trải phổ riêng biệt, khi máy thu nhận được tín hiệu
từ nhiều người dùng, nó tiến hành giải mã và tách tín hiệu mong muốn, tính bảo mật
thông tin cao, mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ rất thấp. Do đó, các máy
thu không mong muốn khó phát hiện được sự tồn tại của tin tức đang được truyền đi
trên nền nhiễu. Chỉ máy thu biết được chính xác quy luật của chuỗi giả ngẫu nhiên
mà máy phát sử dụng mới có thể thu nhận được tin tức, bảo vệ chống nhiễu đa
đường, nhiễu đa đường gây ra sai lệch, không giống tín hiệu phát đi. Sử dụng kỹ
thuật trải phổ có thể tránh được nhiễu đa đường khi tín hiệu trải phổ sử dụng tốt tính
chất của nó.
Một số kỹ thuật trải phổ thông dụng như là trải phổ chuỗi trực tiếp (DS), trải
phổ nhảy tần số (FH), trải phổ nhảy thời gian (TH), trải phổ dùng kỹ thuật lai
(FH/DS, TH/FH, TH/DS).
Trong CDMA kỹ thuật trải phổ được sử dụng là kỹ thuật trải phổ chuỗi trực
tiếp (DS/SS). Mỗi người được cấp một mã để phân biệt với người khác. Mã được sử
dụng thường là chuỗi giả ngẫu nhiên (PN), có tốc độ rất lớn với tốc độ symbol dữ
liệu. Hệ thống DS/SS được trải phổ bằng cách cộng module 2 của dữ liệu gốc với
mã giả ngẫu nhiên. Tín hiệu sau khi trộn sẽ điều chế một sóng mang theo BPSK,
QPSK…trước khi truyền đi. Đây cũng là hệ thống được biết đến nhiều nhất trong
các hệ thống thông tin trải phổ. Là hệ thống tương đối đơn giản vì nó không yêu cầu
tốc độ tổng hợp tần số cao.
2.1.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS-BPSK
Quá trình trải phổ tín hiệu tin được minh hoạ như hình 2.1.
xviii


Hình 2.1 Trải phổ DS/SS - BPSK
Bản tin nhị phân cần phát có tốc độ bit Rb = 1 / Tb được mã hoá theo NZR sao

cho b(t)= ±1. Ta có thể biểu diễn b(t) như sau:
b(t ) = ∑ b ∞ k ΠT (t − kT )

(2.1)

k =∞

Trong đó, bk = ±1 là bit số liệu thứ k và T là độ rộng xung của một bit số liệu.
Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng cách nhân với tín hiệu p(t), p(t) = ±1 là tín hiệu giả
ngẫu nhiên có tốc độ Rc = 1 / Tc lớn hơn nhiều lần so với Rb . Phần tử nhị phân của
chuỗi p(t) được gọi là một chip để phân biệt nó với phần tử nhị phân (bit) của bản
tin. Tín hiệu b(t)p(t) nhận được sẽ được điều chế một sóng mang theo phương pháp
điều chế BPSK. Tín hiệu phát DS/SS - BPSK là:
s (t ) = Ab(t ) p (t ) cos(2π fct + θ (t ))

(2.2)

Trong đó: A là biên độ sóng mang
fc là tần số sóng mang
θ(t) là pha của sóng mang được điều chế
Tín hiệu b(t)p(t) có tốc độ bằng tốc độ chip, nghĩa là T = NTc . Dạng sóng của
các tín hiệu khi N = 7 được thể hiện tại hình 2.2.

xix


Hình 2.2 Dạng sóng tín hiệu DS/SS
Sơ đồ khối quá trình giải trải phổ như hình 2.3.

Hình 2.3 Quá trình giải trải phổ DS/SS – BPSK

Tại máy thu, tín hiệu thu được m(t) bao gồm tín hiệu phát bị trễ một khoảng
thời gian τ là s(t- τ) và tạp âm trên đường truyền n(t). Do đó tín hiệu thu được là:
m ( t ) = s (t − τ ) + n ( t ) = Ab(t − τ ) p (t − τ ) cos{2π fc (t − τ ) + θ ( t ) )} + n ( t ) (2.3)

Để đơn giản quá trình giải trải phổ ta bỏ qua tạp âm. Tín hiệu r(t) tại đầu vào
bộ lọc thông dải (BPF) là:
xx


r ( t ) = Ab(t − τ ) p(t − τ )cos{2π fc(t − τ ) + θ ( t ) )}2cos{2π fc(t − τ ) + θ ( t ) )}
= Ab(t − τ ) p (t − τ ) + Ab(t − τ ) p (t − τ ) cos{2π fc (t − τ ) + θ ( t ) )}

(2.4)

Bộ lọc thông dải của bộ tách sóng loại bỏ các thành phần tần số cao và chỉ giữ
lại thành phần tần số thấp u(t) = b(t)p(t). Sau đó, thành phần này được nhân với mã
nội tại p(t- τ) được tạo ra ở máy thu đã được đồng bộ.
Do p(t- τ) = ±1 nên p2(t- τ) =1.Tại đầu ra của bộ nhân sẽ có:
x ( t ) = b(t − τ ) p (t − τ ) p (t − τ ) = b(t − τ ) p 2(t − τ ) = b (t − τ )

(2.5)

Sau đó, tín hiệu này được tích hợp trên một chu kỳ bit để lọc tạp âm. Bản tin
phát được khôi phục tại đầu ra bộ tích hợp, giống như tín hiệu băng gốc nhưng trễ
về mặt thời gian là τ.
Thực tế quá trình nén phổ, bên thu sẽ nhận đồng thời tín hiệu s(t) xếp chồng
cùng với các tín hiệu sóng mang s i(t) (i=1,2 ... N-1) không mong muốn của (N-1)
người dùng khác ở cùng một tần số. Do đó tín hiệu thu được sẽ là:
r (t ) = s (t ) + ∑ S i (t )

Trong đó

∑ S (t ) = b (t ). p (t ). cos ω
i

i

i

(2.6)
c

(t )

Khi giải trải phổ, đầu ra của tín hiệu nhân là:

x(t ) = b(t ). p 2 (t ) + ∑ bi pi (t ) p (t ) = b(t ) + ∑ bi (t ) pi (t ) p (t )

(2.7)

Do đã chọn p(t ) , pi (t ) là các hàm trực giao nên tương quan giữa chúng là rất
nhỏ. Việc nhân

∑ b (t ) p (t )
i

i

với p(t) tương đương với việc trải rộng phổ một lần

nữa cho bản tin bi (t ) đã bị trải phổ trước đây. Do đó mật độ của tạp âm

∑ b (t ) p (t ) p(t ) rất thấp.
i

i

Như vậy, ứng với mỗi một kênh sẽ có một mã trải phổ tương ứng. Tại máy
thu, phổ của sóng mang thông tin hữu ích sẽ co hẹp lại còn phổ của các sóng mang
không mong muốn bị trải ra sẽ hạn chế công suất can nhiễu. Sử dụng các mã trải
phổ này như khóa để thực hiện đa truy nhập CDMA, chống nhiễu và bảo mật cuộc
gọi cao.

xxi


Hình 2.4 Phổ của sóng mang khi điều chế trải phổ và không trải phổ trong hệ
2.1.2 Chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN
Mã dùng để trải phổ là một chuỗi tín hiệu giả ngẫu nhiên. Tín hiệu ngẫu nhiên
là tín hiệu mà ta không thể dự đoán trước sự thay đổi của nó theo thời gian và để
biểu diễn tín hiệu người ta dựa vào lý thuyết xác suất thống kê. Với tín hiệu giả
ngẫu nhiên thì không hoàn toàn ngẫu nhiên. Có nghĩa, với thuê bao này nó không
ngẫu nhiên, là tín hiệu có thể dự đoán trước cả phía phát và phía thu nhưng với các
thuê bao khác thì nó là ngẫu nhiên. Nó hoàn toàn độc lập với tín hiệu, không phải là
tín hiệu và có tính chất thống kê của một tín hiệu nhiễu trắng. Các mã trải phổ có
thể là các mã giả tạp âm PN hoặc các mã được tạo ra từ các hàm trực giao.
Chuỗi PN là một chuỗi nhị phân có hàm tương quan giống như hàm tương
quan của một chuỗi nhị phân ngẫu nhiên qua một chu kỳ. Mặc dù quy luật biến đổi
của các chuỗi này là hoàn toàn xác định nhưng chuỗi PN có nhiều đặc tính giống
với chuỗi nhị phân ngẫu nhiên, chẳng hạn: số bit 0 và bit 1 gần bằng nhau, tương

quan chéo giữa mã PN và phiên bản bị dịch theo theo thời gian của nó là rất nhỏ.
Chuỗi PN được tạo ra bằng cách sử dụng các mạch logic tuần tự. Loại quan trọng
nhất trong số các chuỗi PN là chuỗi thanh ghi dịch cơ số 2 có chiều dài cự đại hay
còn gọi là chuỗi m. Một chuỗi m trong một chu kỳ là ‘-1/N’ đối với tương quan
chéo và ‘1’ đối với tự tương quan [3].
Hàm tự tương quan được định nghĩa như sau :
R(τ ) =

1
N

∑ pn(k ) pn(k − τ )
xxii

(2.8)


Hình 2.5 Hàm tương quan của chuỗi PN
(Trong đó pn(k) là chuỗi m và pn(k- τ) là phiên bản trễ theo thời gian của mã
pn(k) một khoảng τ )
2.2 Công nghệ CDMA
2.2.1 Nguyên lý hoạt động của CDMA
Các hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA được mở rộng từ các hệ
thống DS-SS cho phép thực hiện thông tin đa truy nhập. Trong hệ thống CDMA
mỗi người dùng sử dụng được cung cấp một mã người dùng là dãy giả ngẫu nhiên
riêng biệt. Nếu những mã này không tương quan với nhau, thì trong mỗi cell có U
người sử dụng độc lập có thể truyền tin trong cùng một khoảng thời gian và trên
cùng một băng tần vô tuyến. Bộ thu giải tương quan tin tức và tái tạo lại chỉ duy
nhất với dãy mã dữ liệu mong muốn di(t), i=1,2,3,..,U. Hình 2.6 minh họa hệ thống
CDMA với U=10.

Giả thuyết rằng U=10 là số đợn vị thuê bao có trong cell được truyền đi trong
cùng một khoảng thời gian. Nếu năng lượng của tất cả các tín hiệu nhận được là
bằng nhau và cùng bằng PS, một trong các tín hiệu mong muốn sẽ bị chín tín hiệu
còn lại tác động trong hệ thống CDMA.
Cửa sổ của bộ thu tần số vô tuyến (RF- Radio Frequency) có tỷ số sóng mang
mong muốn trên nhiễu (C/l) là 1/9 hay C/l= -9,54 dB.
Trong cùng một khoảng thời gian U người sử dụng cùng truyền dữ liệu DS-SS
trên cùng một băng tần RF với tần số trung tâm f 0 và với pha bất kỳ φ i độc lập với
nhau. Mỗi thuê bao di động có một dãy mã trải phổ giả ngẫu nhiên g i(t). Giả thiết
rằng điều khiển công suất thích nghi được sử dụng, trạm cơ sở nhận được U tín hiệu
radio có công suất bằng nhau, tốc độ dữ liệu là f b và tốc độ chip là fc của tất cả
người sử dụng là xấp xỉ như nhau. Mỗi người sử dụng có một bản tin khác nhau
xxiii


hoặc tin tức khác nhau, có nghĩa là di(t) khác nhaucho tất cả các thue bao di động
truyền tin đi. Trạm cơ sở RF nhận được r(t), tín hiệu RF được định nghĩa bằng công
thức sau:
k

r (t ) = ∑ 2 PS g i (t )d i (t ) cos( ω 0 t + θ i )
i =1

(2.9)

Hình 2.6 Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã với 10 thuê bao di động
2.2.2 Vấn đề nhiễu gần xa trong hệ thống DS-CDMA
Trong hệ thống DS-CDMA, lưu lượng kênh trong một cell được chia sẻ đồng
thời cho tất cả băng tần RF, gọi là kênh vô tuyến. Những cell lân cận có thể được
coi như cùng tần số hay là những kênh lân cận. Một vài thuê bao di động được coi

là gần đối với trạm cơ sở, số còn lại là xa so với trạm cơ sở. Một tín hiệu khỏe nhận
được từ đơn vị thuê bao di động gần che tín hiệu yếu đến đơn vị thuê bao di động
xa. Ví dụ cả 10 thuê bao di động minh họa trên hình 2.6 truyền tin trên cùng một
kênh RF với cùng công suất là PS= +30dBm và sự mất mát lan truyền từ đơn vị thuê
bao xa (thuê bao 10) là 95dBm, trong khi đó sự mất mát lan truyền từ đơn vị thuê
bao gần (thuê bao 4) là 35dBm. Trong trường hợp này công suất nhận được tại trạm
cơ sở từ đơn vị thuê bao 4 là P R4= +30dBm – 35dBm= -5dBm, trong khi đó công
suất nhận được tại trạm cơ sở từ thuê bao 10 là P R10= +30dBm – 95dBm= -65dBm.
Như vậy, ta có công suất nhiễu trên băng tần gây ra bởi đơn vị thuê bao gần nhiều
hơn so với đơn vị thuê bao xa là 60dBm. Đây chính là nhiễu gần-xa trong hệ thống
CDMA [4].
xxiv


CHƯƠNG III GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO
TẦN SỐ TRỰC GIAO

3.1 Giới thiệu
Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) là một phương pháp điều chế cho phép giảm thiểu méo phi tuyến do
tính phân tán của kênh truyền vô tuyến gây ra. Nguyên lý của OFDM là phân chia
theo toàn bộ băng thông cần truyền vào nhiều sóng mang con và truyền đồng thời
trên các sóng mang này. Theo đó, luồng số tốc độ cao được chia thành nhiều luồng
tốc độ thấp hơn. Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển đổi kênh
fading chọn lọc thành kênh fading phẳng. Việc chia tổng băng thông thành nhiều
băng con với các sóng mang con dẫn đến giảm độ rộng băng con trong miền tần số
đồng nghĩa với tăng độ dài ký hiệu. Số sóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệu
càng lớn. Điều đó có nghĩa là độ dài ký hiệu lớn hơn so với thời gian trải rộng trễ
của kênh fading phân tán theo thời gian, hay độ rộng băng tần tín hiệu nhỏ hơn độ
rộng băng tần nhất quán của kênh.

Một số ưu điểm của kỹ thuật OFDM đó là khả năng sử dụng băng tần hiệu
quả, hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu xuyên ký tự nếu độ dài khoảng
bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh, phù hợp với các hệ thống truyền
dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của phân tập về tần số đối với chất lượng hệ thống
được giảm nhiều, hệ thống có cấu trúc thu đơn giản. Bên cạnh đó kỹ thuật vẫn tồn
tại những nhược điểm như là đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng
phẳng. Điều này gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất phía phát và
thu, sử dụng khoảng bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng lại giảm đi
một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân khoảng bảo vệ không mang thông tin,
do yêu cầu về trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với
hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần và dịch thời gian do sai số đồng bộ.
3.2. Tính trực giao
3.2.1. Định nghĩa

xxv