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

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


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



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

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

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



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


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

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

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

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

( ( ))
( ) ( )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



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





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
  
  

  




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

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

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

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

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

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:

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


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

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