Nghiên cứu về mã trải phổ và ứng dụng của nó trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu về mã trải phổ và ứng dụng của nó
trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)” là công trình nghiên

cứu của riêng tôi. Các kết quả, số liệu nêu trong luận văn là trung thực
và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc
chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn

KS. Đặng Quyết Tiến

i


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp tôi nhận đƣợc rất
nhiều sự quan tâm, ý kiến đóng góp quý báu, giúp đỡ của thầy cô giáo và bạn bè
cùng đồng nghiệp. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo
hƣớng dẫn đồ án PGS. TS. Lê Quốc Vƣợng cùng các thầy cô trong khoa ĐiệnĐiện tử, Viện Đào tạo sau Đại học - Trƣờng Đại học Hàng Hải Việt Nam. Vì thời
gian có hạn và kiến thức còn hạn chế, nên luận văn của em không tránh khỏi những
thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc sự góp ý chân thành của các thầy cô và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn !

Ngày 10 tháng 9 năm 2015
Học viên

KS. Đặng Quyết Tiến

ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................... ii
MỤC LỤC........................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU........................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................. v
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................. vi
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................... 3
1.1. Giới thiệu.............................................................................................. 3
1.2. Các hệ thống thong tin trải phổ .............................................................. 4
1.3. Hàm tự tƣơng quan và mật độ phổ công suất. ......................................... 7
1.3.1. Hàm tự tƣơng quan và mật phổ công suất (PSD).............................. 7
CHƢƠNG 2: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ ............................... 16
2.1. Các hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DS/SS ............................................ 16
2.1.1 Tín hiệu giả tạp .............................................................................. 16
2. 1.2 Các hệ thống DS/SS-BPSK ........................................................... 19
2.1.3 Các hệ thống DS/SS-QPSK ............................................................ 25
2.1.4 Hiệu suất của các hệ thống DS/SS................................................... 30
2.1.5 Các hệ thống nhảy tần FH/SS ......................................................... 30
2.1.6 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian và các hệ thống lai ghép. ......... 30
CHƢƠNG 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG............................................... 31
3. 1 Mô phỏng sự tƣơng quan giữa các loại mã trải rộng .............................. 32
3.2 Mô phỏng hệ thống MC MC CDMA..................................................... 35
3.2.1 Mô phỏng hệ thống MC CDMA ..................................................... 35
3.2.2 Mô phỏng hệ thống MTC MC CDMA ............................................ 39
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 53

iii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt
Tạp âm Gao xơ trắng cộng
tính
Điều chế số dịch pha nhị
phân
Ða truy nhập phân chia theo
mã

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BPSK

Binary Phase Shift Keying

CDMA

Code Division Multiple Access

CNR

Carrier to Noise Ratio

Tỉ số sóng mang trên tap âm

DS

Direct Sequence

Dãy trực tiếp

FFH

Frequency Division Multiple
Access
Fast Frequency Hopping

Ða truy nhập phân chia theo
tần số
Nhảy tần nhanh

FH

Frequency Hopping

Nhảy tần

FSK

Frequency Shift Keying

Điều chế số dịch tần

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

PG

Processing Gain

Ðộ tăng ích xử lý

PN

Pseudo-Noise

Giả tạp âm

PSD

Power Spectral Density

Mật phổ công suất

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế số dịch pha cầu
phƣơng

SFH

Slow Frequency Hopping

Nhảy tần chậm

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu tạp âm

SS

Spread Spectrum

Trải phổ

SSMA

Spread Spectrum Multiple
Access

Ða truy nhập trải phổ

TDMA

Time Division Multiple Access

TH

Time Hopping

FDMA

iv

Ða truy nhập phân chia theo
thời gian
Nhảy thời gian


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

3.1

Các thông số mô phỏng

35

3.2

Các thông số mô phỏng

39

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

1.1

Sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin trải phổ điển hình

5

1.2

Một thể hiện của nhị phân ngẫu nhiên

12

1.3

Hàm tự tƣơng quan và PSD của tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên 15

X(t)

1.4

Hàm tự tƣơng quan và PSD của tín hiệu nhị phân đã điều chế 15
Y(t)

2.1

Một ví dụ tín hiệu của PN c(t), tạo nên từ dãy PN có chi kỳ 17
N=15

2.2

Hàm tự tƣơng quan của dãy PN nhận đƣợc từ dãy m

19

2.3

Sơ đồ khối của máy phát DS/SS-BPSK

21

2.4

Sơ đồ khối máy thu DS/SS – BPSK

21

2.5

PSD của tin tức, tín hiệu PN và tín hiệu DS/SS-BPSK

24

2.6

Dạng sóng của hệ thống DS/SS-QPSK

27

2.7

Sơ đồ khối máy thu hệ thống DS/SS-QPSK

27

2.8

Các ví dụ về c1 (t), c2 (t) nhận đƣợc từ cùng c(t)

29

3.1

Giao diện mô phỏng hệ thống MC CDMA

31

.2

Giao diện mô phỏng hệ thống MTC MC CDMA

31

3.3

Đặc tính tƣơng quan của chuỗi Mseq L  27  1  127

32

3.4

Đặc tính tƣơng quan của chuỗi Gold L  27  1  127

32

3.5

Đặc tính tƣơng quan của chuỗi Kasami L  28  1

33

3.6

Đặc tính tƣơng quan của chuỗi Hadamard L=128

34

3.7

BER của hệ thống MC CDMA, mã WH: tách sóng đơn USER 36
(MRC), 32 sóng mang con

3.8

BER của hệ thống MC CDMA với MRC, EGC, MMSEC; 64 37
sóng mang phụ; 32 user; WH code

3.9

Mô phỏng BER theo USER; SNR=10dB; 64 sóng mang; WH 38
code
vi


3.10

Mô phỏng BER; WH code, tách sóng đa user; PINV; 32 sóng 39
mang con

3.11

MC CDMA trong môi trƣờng AWGN

40

3.12

MC CDMA trong môi trƣờng fading Rayleigh

41

3.13

MC CDMA trong môi trƣờng fading Rayleigh với kích thƣớc 42
tập mã multi-code khác nhau

3.14

Hệ thống MC–MC-CDMA; So sánh BER theo số user; có và 43
không có điều khiển tốc độ thích nghi

3.15

MTC-MC-CDMA trong môi trƣờng AWGN

44

3.16

MTC-MC-CDMA trong môi trƣờng fading Rayleigh

45

3.17

MTC-MC-CDMA trong môi trƣờng fading Rayleigh với kích 46
thƣớc tập mã multi-code khác nhau

3.18

MTC-MC-CDMA điều khiển tốc độ thích nghi

3.19

So sánh BER theo số user ; có và không có điều khiển tốc độ 48

47

thích
3.20

MTC-MC-CDMA điều khiển tốc độ thích nghi trong môi 48
trƣờng fading rayleigh với kích thƣớc tập mã multi-code khác
nhau

vii


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong thế kỷ 21, thông tin liên lạc đóng vai trò hết sức quan trọng trên mọi
lĩnh vực đời sống xã hội từ kinh tế, chính trị, quân sự, văn hóa, giáo dục. Thông tin
liên kết các ngành, các nƣớc trên thế giới, giữa nông thôn và thành thị, giữa đất
liền với biên giới hải đảo với mọi miền của tổ quốc. Cùng với sự phát triển mạnh
mẽ của khoa học kỹ thuật trên thế giới, công nghệ viễn thông nói chung và ngành
thông tin vô tuyến của nƣớc ta nói riêng đã có những bƣớc phát triển vƣợt bậc.
Công nghệ đã thay đổi, sách báo công khai qua các trang mạng Internet về trải phổ

khá phong phú, các ứng dụng của trải phổ đã đƣợc mở rộng từ lĩnh vực quân sự
sang lĩnh vực thƣơng mại. Ví dụ nhƣ các hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng
đa truy nhập trải phổ (CDMA) ngày nay càng phổ biến trên thế giới, và ngay cả hệ
thống di động thế hệ 3 (3G) và cao hơn cũng trọn trải phổ làm phƣơng pháp đa
truy nhập. Đƣợc sự hƣớng dẫn và chỉ dạy nhiệt tình của thầy giáo PGS. Lê Quốc
Vƣợng và các thầy giáo trong Bộ môn Kỹ thuật điện tử- Khoa Điện tử Viễn thông.
Tôi đã chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu về mã trải phổ và ứng dụng của nó
trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)”. Với mục đích nhằm
vận dụng các kiến thức đã học xây dựng mô hình tổng quan về ứng dụng trong kỹ
thuật trong công nghệ CDMA.
2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu: Đƣa ra giải pháp kỹ thuật trong mô hình mạng trải phổ
và đa truy nhập phân chia theo mã trong công nghệ CDMA. Đồng thời đƣa ra cở
sở lý thuyết nền tảng các chuẩn viễn thông trên thế giới.
Trong nội dung luận văn tốt nghiệp“Nghiên cứu về mã trải phổ và ứng dụng
trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)”. em xin giới thiệu tổng
quát về công nghệ CDMA và các ứng dụng trong hệ thống thông tin trải phổ. Luận
văn gồm các nội dung chính sau:
* Chƣơng 1: Tổng Quan
* Chƣơng 2: Các hệ thống thông tin trải phổ

1


* Chƣơng 3: Một số kết quả mô phỏng
Mục đích của luận văn là nêu đƣợc nguyên lý chung, cấu trúc và các ƣu nhƣợc
điểm của công nghệ CDMA. Đồng thời nêu ra các ứng dụng trong thông tin vô
tuyến và hƣớng phát triển trong tƣơng lai.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối tƣợng nghiên cứu là. Các hệ thống thông tin trải phổ

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết các hệ thống thông tin trải phổ, mô
hình toán học cho các hệ thống.
Nghiên cứu lý thuyết về các hệ thống thông tin trải phổ trong kỹ thuật đa truy
nhập phân chia theo mã, xây dựng mô hình toán học.
Xây dựng một số kết quả mô phỏng hệ thống.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết, kết hợp với kết quả mô phỏng trên phần mềm
Matlab để kiểm chứng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài thực hiện thành công sẽ hoàn thiện thêm các kiến thức về hệ thống
trong công nghệ đa truy nhâp CDMA. Nghiên cứu mô hình toán học của toàn hệ
thống đa truy nhập CDMA, cung cấp cơ sở để nghiên cứu các mã trải phổ thực tế.
Xây dựng thành công mô hình mô phỏng cho toàn hệ thống góp phần kiểm nghiệm
lại sự cần thiết và tính ƣu việt của mã cho công nghệ CDMA, tạo cơ sở để nghiên
cứu và ứng dụng của nó trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA).

2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu
Với phổ tần vô tuyến từ lâu đã đƣợc coi là tài nguyên công cộng quý báu của
quốc gia và tự nhiên. Việc bảo vệ và tăng cƣờng tài nguyên hạn chế này đã trở
thành hoạt động quan trọng vì phổ tần vô tuyến về cơ bản là tài nguyên hữu hạn,
song dùng lại đƣợc. Nó dùng lại đƣợc theo nghĩa là khi một ngƣời ngừng dùng tần
số nào đó thì ngƣời khác có thể bắt đầu dùng tần số này. Phổ tần là hữu hạn ở chỗ
chỉ một dải tần số nhất định là dùng đƣợc cho thông tin ở trình độ công nghệ bất kì
cho trƣớc. Mặc dù những tiến độ công nghệ tiếp tục mở rộng dải tần dùng đƣợc,
các tính chất cơ bản của sóng vô tuyến làm cho một số tần số hay đƣợc dùng hơn,
do đó quý giá hơn các tần số khác. Theo nghĩa này, các tính chất truyền dẫn của

sóng vô tuyến trong dải tần 0,5-3GHz là đặc biệt quý giá đối với nhiều dịch vụ cố
định và di động.
Vấn đề là ngày càng nhiều công nghệ và dịch vụ tranh dành nhau đoạn phổ
tần quý giá đó, nhât là vì nhu cầu về trải phổ tần vô tuyến tăng nhanh đối với các
dịch vụ mới, nhƣ là dịch vụ thông tin cá nhân (Peronal Communication ServicePCS) và điện thoại tế bào. Quản lý việc sử dụng phổ tần là nhiệm vụ cực kỳ phức
tạp vì có nhiều loại dịch vụ và công nghệ. Trƣớc đây việc thực hiện này đƣợc thực
hiện bằng cách cấp các băng hoặc các blocks phổ cho các dịch vụ khác nhau nhƣ là
quảng bá, di động, nghiệp dƣ, vệ tinh, điểm điểm cố định và thông tin hàng không.
Gần đây có cách tiếp cận khác để giải quyết vấn đề này. Nó dự trên khả năng của
một số phƣơng pháp điều chế chia sẻ cùng băng tần mà không gây nên nhiễu đáng
kể. Đó là phƣơng pháp điều chế trải phổ, nhất là khi dùng dùng kết hợp với kỹ
thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Từ đó mà còn có tên goi kỹ thuật
đa truy nhập trải phổ (Spread Spectrum Multiple Access - SSMA).
SS/CDMA đã đi qua quãng đƣờng phát triển dài. Nó có từ thời trƣớc chiến
tranh thế giới II, đồng thời ở Mỹ và Đức. Vào thời gian đó nó là hoạt động tối mật.
Những cải tiến sau đó, đặc biệt là trong lĩnh vực CDMA, đều xảy ra Thế chiến II.
3