Ứng dụng các DSP khả trình trong 3G.doc

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ..................................................................................................i

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .............................................................................................. i

LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G ................................. 5

1.1 Giới thiệu ........................................................................................................... 5

1.2 Các mô hình kiến trúc của các hệ thống thông tin di động 3G ............................ 6

1.2.1 Kiến trúc chung mạng thông tin di động 3G ............................................... 6

1.2.2 Kiến trúc mạng thông tin di động 3G phát hành 3 ...................................... 7

1.2.3 Kiến trúc mạng thông tin di động 3G phát hành 5 ...................................... 9

1.3 Các DSP khả trình trong hệ thống thông tin di động 3G ................................... 11

CHƯƠNG 2: CÁC DSP KHẢ TRÌNH TRONG MÁY CẦM TAY HAI CHẾ ĐỘ

(2G và 3G) ..................................................................................................................... 12

2.1 Giới thiệu ......................................................................................................... 12

2.2 Các tiêu chuẩn vô tuyến ................................................................................... 13

2.3 Băng tần gốc số (DBB) DS FDD chung – mô tả theo chức năng ...................... 15

2.4 Mô tả chức năng một hệ thống hai chế độ ........................................................ 17

2.5 Phân tích tính phức tạp và phân chia HW/SW .................................................. 19

2.6 Các phương pháp thiết kế phần cứng ................................................................ 21

2.6.1 So sánh giữa kiến trúc phân tán với kiến trúc tập trung ............................ 21

2.6.2 Phương pháp bộ đồng xử lý ..................................................................... 22

2.6.3 Vai trò của DSP trong 2G và chế độ kép .................................................. 27

2.7 Xử lý phần mềm và giao diện với các lớp cao hơn ........................................... 29

2.8 Tổng kết ........................................................................................................... 30

CHƯƠNG 3: CÁC DSP KHẢ TRÌNH CHO CÁC MODEM TRẠM GỐC 3G . . 31

3.1 Giới thiệu ......................................................................................................... 31

3.2 Tổng quan về các trạm gốc 3G: Các yêu cầu .................................................... 32

3.2.1 Giới thiệu ................................................................................................. 32

3.2.2 Các yêu cầu chung ................................................................................... 32

3.2.3 Xử lý băng tần gốc trạm gốc CDMA cơ bản ............................................ 33

3.2.4 Xử lý tốc độ ký hiệu (SR) ........................................................................ 34

3.2.5 Xử lý tốc độ chip (CR) ............................................................................. 34

3.2.5.1 Bộ tìm kiếm: Bộ tìm kiếm truy nhập và bộ tìm kiếm lưu lượng ....... 35

3.2.5.2 Bộ giải trải phổ RAKE .................................................................... 36

3.3 Phân tích hệ thống ............................................................................................ 36

3.3.1 Phân tích xử lý SR ................................................................................... 36

3.3.2 Phân tích xử lý CR ................................................................................... 38

Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT 1

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

3.3.2.1 Phân tích bộ thu đường lên .............................................................. 38

3.3.2.2 Sử dụng một bộ đồng xử lý ............................................................. 39

3.4 Các giải pháp bộ đồng xử lý mềm dẻo .............................................................. 40

3.4.1 Bộ đồng xử lý giải mã xoắn Viterbi ......................................................... 40

3.4.2 Bộ đồng xử lý giải mã turbo ..................................................................... 42

3.4.3 Bộ đồng xử lý tương quan ........................................................................ 44

3.5 Tổng kết ........................................................................................................... 46

CHƯƠNG 4: SỬ DỤNG DSP KHẢ TRÌNH TRONG XỬ LÝ DÀN ANTEN ..... 48

4.1 Giới thiệu ......................................................................................................... 48

4.2 Mô hình tín hiệu dàn anten ............................................................................... 49

4.3 Các kỹ thuật tạo búp sóng tuyến tính ................................................................ 53

4.3.1 Đạo hàm gần đúng cực đại ....................................................................... 54

4.3.2 Sự thích ứng trung bình bình phương nhỏ nhất ........................................ 58

4.3.3 Xử lý các bình phương nhỏ nhất .............................................................. 59

4.3.4 Sự thích ứng tín hiệu mờ .......................................................................... 64

4.3.5 Các ràng buộc không gian con ................................................................. 67

4.3.6 Khai thác tuần hoàn tĩnh .......................................................................... 69

4.3.7 Các kỹ thuật bộ tạo búp sóng phát ............................................................ 71

4.4 Tách tín hiệu đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) ..................................................... 79

4.4.1 Mô hình hệ thống tuyến tính MIMO ........................................................ 79

4.4.2 Dung lượng của các kênh truyền thông MIMO ........................................ 82

4.4.3 Ước tính tuyến tính của các tín hiệu mong muốn trong các hệ thống truyền

thông MIMO. ................................................................................................... 83

4.4.3.1 Tách sóng khử về 0 (Zero-Forcing Detection) .................................. 84

4.4.3.2 Tách sóng lỗi trung bình bình phương cực tiểu tuyến tính ............... 84

4.4.3.3 Ước tính tuyến tính thích ứng mờ .................................................... 85

4.4.4 Ước tính phi tuyến của các tín hiệu mong muốn trong các hệ thống truyền

thông MIMO .................................................................................................... 87

4.4.4.1 Tách sóng gần giống cực đại ........................................................... 87

4.4.4.2 Khử nhiễu nối tiếp ........................................................................... 88

4.4.4.3 Khử nhiễu song song ....................................................................... 89

4.5 Tổng kết ........................................................................................................... 90

KẾT LUẬN ................................................................................................................... 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 93

Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT 2

Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3GPP 3G Partnership Project Dự án hợp tác 3G

A

ACS Add, Compare and Select Cộng, so sánh và lựa chọn

AFC Automatic Frequency Control Điều khiển tần số tự động

AGC Automatic Gain Control Điều khiển độ lợi tự động

API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng

ARIB Association Industry and Business Liên hiệp kinh doanh và công nghiệp

Nhật Bản

ASIC Application Specific Integrated

Circuits

Mạch tích hợp ứng dụng đặc trưng

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải không đồng bộ

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussơ trắng cộng

B

BLAST Bell-labs-LAyered-Space-Time Các thí nghiệm Bell phân lớp không

gian - thời gian

BOM Bill of Materials Chi phí vật liệu

BOPS Billions of Operations Per Second Hàng tỷ thao tác trên một giây

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế khóa chuyển pha cơ số hai

BTS Base Transcerver Station Trạm thu phát gốc

C

CCP Correlator Coprocessor Bộ đồng xử lý tương quan

CCTrCH Coded Composite Transport Channel Kênh truyền tải đa hợp được mã hóa

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CM Constant Modulus Modul không đổi

CMOE Constrained Minimum Output

Energy

Năng lượng đầu ra cực tiểu ràng buộc

CODEC Coder and Decoder Bộ mã hóa và giải mã

CR Chip-rate Tốc độ chip

CRC Cyclic Redundancy Code Mã dư vòng

CSB Combined Symbol Buffer Bộ đệm ký hiệu kết hợp

D

DBB Digital Base Band Băng tần gốc số

DCT Discrete Cosine Tranform Biến đổi cosin rời rạc

DLL Delay Lock Loop Lặp khóa trễ

DMA Direct Memory Access Truy nhập bộ nhớ trực tiếp

DMT Discrete Multitone Modulation Điều chế đa tần rời rạc

DPE Delay Profile Estimation Ước tính hiện trạng trễ

DS-CDMA Direct Sequence CDMA CDMA chuỗi trực tiếp

DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số

E

EDMA Enhance DMA DMA tăng cường

EOL Early/On Time/Late Sớm/đúng lúc/muộn

ETSI European Telecommunications

Standards Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu

F

FCC Federal Communication Comission Ủy ban thông tin liên bang

FCP Flexible Coprocessor Bộ đồng xử lý mềm dẻo

Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT i

Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần số

FDD-DS Frequency Division Duplex-Direct

Sequence

Ghép song công phân chia theo tân

số- chuỗi trực tiếp

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

FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước

FHT Fast Hadamard Transformation Biến đổi Hadamard nhanh

FM Frequency Modulation Điều chế tần số

FSK Frequency Shift Keying Điều chế khóa chuyển tần

G

GOPS

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM Global System for Mobile

Communication

Hệ thống truyền thông di động toàn

cầu

H

HW HardWare Phần cứng

I

IF Intermediate Frequency Tần số trung gian

IMT International Mobile

Telecommunications

Thông tin di động quốc tế

ITU International Telecommunication

Union

Ủy ban viễn thông quốc tế

L

LCC Loosely Coupled Coprocessor Bộ đồng xử lý ghép lỏng

LMMSE Linear Minimum Mean Squared

Error

Lỗi trung bình bình phương cực tiểu

tuyến tính

LMS Least Mean Squares

M

MAC Medium Access Layer Lớp truy nhập môi trường

MAP Maximum A Posteriori

MGSO Modified Gram-Schmidt

Orthogonalization

Trực giao hóa Gram-Schmidt thay đổi

MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra

MIPS Million Instructions Per Second Triệu lệnh trên giây

MMU Memory Management Unit Khối quản lý bộ nhớ

MRC Maximal Ratio Combining Tổ hợp tỷ số tối đa

MS Mobile Station Trạm di động

MSE Mean Square Error Lỗi trung bình bình phương

MSK Minimum Shift Keying Điều chế dịch pha cực tiểu

N

NMSE Normalized Mean Square Error Lỗi trung bình bình phương chuẩn hóa

O

OEM

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực

giao

P

PIC Parallel Interference Cancellation Khử nhiễu song song

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng

PN Pseudo Noise Giả tạp âm

Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT ii

Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt

PSK Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha

Q

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

QR

R

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAKE Bộ phân tập RAKE

RC Radio Configuration Cấu hình vô tuyến

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

RMS Recursive Least Squares Bình phương đệ quy nhỏ nhất

RRC Radio Resource Controller Bộ điều khiển tài nguyên vô tuyến

RSCC Recursive Systematic Convolution

Coder

Bộ mã hóa xoắn hệ thống đệ quy

S

SCORE Self-Coherence Restoral

SIC Successive Interference Cancellation Khử nhiễu liên tiếp

SINR Signal-to-Interference Noise Power

Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm, nhiễu

SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SOI Signal Of Interest Tín hiệu quan tâm

SR Symbol-rate Tốc độ ký hiệu

SVD Singular Value Decomposition Phân tích giá trị duy nhất

SW SoftWare Phần mềm

T

TCC Tightly Coupled Coprocessor Bộ đồng xử lý ghép chặt

TDD Time Division Duplex Bộ ghép song công phân chia theo

thời gian

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

TI Texas Instruments Dụng cụ Texas

U

UMTS Universal Mobile

Telecommunication System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

UTRA Universal Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

UMTS

V

VCP Viterbi Coprocessor Bộ đồng xử lý Viterbi

VLD Variable Length Decoding Giải mã chiều dài biến đổi

W

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng

rộng

WMSA Weighted Multi-Slot Average Trung bình đa khe theo trọng số

Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT iii

Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát

triển nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận nhất cho các nhà khai thác. Sự phát triển của thị

trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ

thống thông tin di động mới trong tương lai. Hệ thống di động thế hệ hai, với GSM và

CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị

trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng

thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế

hệ ba là một tất yếu, theo hướng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện nhằm đáp ứng

nhu cầu ngày càng tăng và đa dạng của người sử dụng.

Đồ án “Ứng dụng các DSP khả trình trong 3G” trình bày những ứng dụng của

các DSP khả trình trong việc thiết kế các thành phần căn bản của hệ thống 3G. Sự hỗ trợ

của các DSP khả trình đối với việc tăng khả năng xử lý, tốc độ xử lý, dung lượng hệ

thống, hiệu suất làm việc của hệ thống 3G. Qua đó thấy được ứng dụng và tầm quan

trọng của các DSP khả trình trong việc thiết kế hệ thống thông tin di động.

Bố cục của đồ án gồm 4 chương:

 Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G.

 Chương 2: Các DSP khả trình trong các máy cầm tay hai chế độ (2G và 3

G).

 Chương 3: Các DSP khả trình trong các modem trạm gốc 3G.

 Chương 4: Sử dụng DSP khả trình trong xử lý dàn anten.

DSP được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của khoa học, công nghệ điện

tử, tin học và đời sống. Ứng dụng của DSP trong hệ thống thông tin di động thì không

phải là mới mẻ, nhưng việc tìm hiểu về ứng dụng của các DSP khả trình trong 3G là vấn

đề khá mới ở Việt Nam, đòi hỏi phải có kiến thức sâu rộng về hệ thống 3G và xử lý tín

hiệu số. Vì vậy trong khuôn khổ đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót cũng

như còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết thoả đáng. Em rất mong nhận được sự chỉ

bảo của các thầy cô giáo, sự góp ý và phê bình của các bạn.

Trong thời gian thực tập và hoàn thành đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình

của thầy giáo TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, sự chỉ bảo ân cần của các thầy cô giáo

trong khoa Viễn thông. Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội ngày 20/10/2005

Sinh viên

Nguyễn Trung Hiếu

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

1.1 Giới thiệu

Thông tin di động bắt đầu từ những năm 1920, khi các cơ quan an ninh ở Mỹ bắt

đầu sử dụng điện thoại vô tuyến, dù chỉ là ở các căn cứ thí nghiệm. Công nghệ vào thời

điểm đó đã có những thành công nhất định trên các chuyến tàu hàng hải, nhưng nó vẫn

chưa thực sự thích hợp cho thông tin trên bộ. Các thiết bị còn khá cồng kềnh và công

nghệ vô tuyến vẫn còn gặp khó khăn trước những toà nhà lớn ở thành phố.

Vào năm 1930 đã có một bước tiến xa hơn với sự phát triển của điều chế FM,

được sử dụng ở chiến trường trong suốt thế chiến thứ hai. Sự phát triển này kéo dài đến

cả thời bình, và các dịch vụ di động bắt đầu xuất hiện vào những năm 1940 ở một số

thành phố lớn. Tuy vậy, dung lượng của các hệ thống đó rất hạn chế, và phải mất nhiều

năm thông tin di động mới trở thành một sản phẩm thương mại.

Hình 1.1 trình bày tóm tắt lộ trình phát triển các thế hệ thông tin di động từ 1G đến

3G. Để tiến tới thế hệ ba, thế hệ hai phải trải qua một giai đoạn trung gian, giai đoạn

này được gọi là 2,5G.

tacs

Nmt

(900)

amps

smr

Gsm (1800)

is-136

(1900)

gprs

Gsm (900)

Gsm (1900)

is-95 cdma

(j-std-008)

(1900)

is-136

tdma (800)

is-95 cdma

(800)

Iden (800)

gprs

edge

cdma2000

1x

W-cdma

cdma2000

Nx

1g 2g 2,5g 3g

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G

Hình 1.1: Lộ trình phát triển các thế hệ thông tin di động

Bảng 1.3: Một số nét chính của nền tảng công nghệ thông tin di động từ thế hệ

một đến thế hệ ba.

Thế hệ thông

tin di động Hệ thống Dịch vụ chung Chú thích

Thế hệ 1 (1G) AMPS,

TACS, NMT

Tiếng thoại FDMA, tương tự

Thế hệ 2 (2G) GSM, IS-136,

IS-95

Chủ yếu cho thoại

kết hợp với dịch vụ

bản tin ngắn

TDMA hoặc CDMA, số, băng

hẹp (8-13Kbit/s)

Thế hệ trung

gian (2,5G)

GPRS,

EDGE,

cdma200-1x

Trước hết là tiếng

thoại có đưa thêm

các dịch vụ số liệu

gói

TDMA (kết hợp nhiều khe hoặc

nhiều tần số), CDMA, sử dụng

chồng lên phổ tần của thế hệ hai

nếu không sử dụng phổ tần mới,

tăng cường truyền số liệu gói

cho thế hệ hai

Thế hệ 3 (3G) Cdma2000,

W-CDMA

Các dịch vụ tiếng

và số liệu gói được

thiết kế để truyền

tiếng và số liệu đa

phương tiện là nền

tảng thực sự của

thế hệ ba.

CDMA, CDMA kết hợp

TDMA, băng rộng (tới 2

Mbit/s), sử dụng chồng lấn lên

thế hệ hai hiện có nếu không sử

dụng phổ tần mới

1.2 Các mô hình kiến trúc của các hệ thống thông tin di động 3G

1.2.1 Kiến trúc chung mạng thông tin di động 3G

Mạng thông tin di động 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch

gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng.

Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM.

Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng

chuyển mạch gói. Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video) cuối

cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói. Hình 1.2

cho thấy ví dụ về một kiến trúc tổng quát của thông tin di động 3G kết hợp cả CS và PS

trong mạng lõi.

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G

M¹ng b¸o hiÖu

ThiÕt bÞ chuyÓn

m¹ch néi h¹t

ThiÕt bÞ chuyÓn

m¹ch cæng

ThiÕt bÞ cæ

n

g

ThiÕt bÞ

SMS

BS/

nót B

BTS/

RNC

PSTN/PLMN

§Çu cuèi sè liÖu

§Çu cuèi tiÕng

RAN

Chøc n¨ng

CS

Chøc n¨ng

PS

§iÒu khiÓn dÞch

vô tiªn tiÕn

Th«ng tin vÞ trÝ

Intranet Chøc n¨ng

CS

Chøc n¨ng

PS

Server

Internet

Nót kÕt hîp CS vµ PS

Hình 1.2: Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS

1.2.2 Kiến trúc mạng thông tin di động 3G phát hành 3

Hình 1.3 cho thấy cấu trúc mạng cơ sở W-CDMA trong 3GPP phát hành 1999

(Tập tiêu chuẩn đầu tiên cho UMTS ).

SGSN

RNC

Nót B

MSC/VLR

BSC

UE

HLR

Uu

Nót B

BTS

RNC

IuB

(ATM)

Nót B

IuB

(ATM)

IuB

(ATM)

GGSN

Iu-PS

(ATM)

Gb

Iu-CS

(ATM)

Giao diÖn A

Iu-PS

(ATM)

Iu-CS

(ATM)

GN

(GTP/IP) Internet GI

(IP)

PCM PSTN

SS7

M¹ng truy nhËp v« tuyÕn

(UTRAN)

M¹ng lâi

(CN)

Hình 1.3: Kiến trúc mạng trong 3GPP phát hành 1999

Mạng lõi gồm các trung tâm chuyển mạch di dộng MSC và các nút hỗ trợ chuyển

mạch gói phục vụ SGSN. Các kênh thoại và số liệu chuyển mạch gói được kết nối với

các mạng ngoài qua trung tâm chuyển mạch kênh và nút chuyển mạch gói cổng GMSC