Xây dựng bộ tách sóng DS CDMA dùng mạng noron trên KIS DE2

Có thể kể ra một vài lý do của điều này như sau:  Thuận lợi cho nén số liệu  Có khả năng mã hóa kênh để giảm ảnh hưởng của nhiễu và giao thoa  Gia tăng việc sử dụng các mạch tích hợp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Trang iii

T

T ứ

N

- g

Trang iv



QUYẾ Ị G AO Ề À

H MSSV: 06117066

T - V T

T - A

1) ở u:

2) N n thuy

1 T

2 S-CDMA 3 S-

4 X S-

5

3) n v :

4) G ng d n:

5) nhi m vụ: 27/9/2010 6) m vụ: 10/1/2011 BỘ GIÁO Ụ VÀ ÀO TẠO TRƯỜ G ẠI HỌ SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ HÍ I H CỘ G HÒ XÃ HỘI CHỦ GHĨ VIỆT NAM c l p – T do – H

G ng d n … 0…

Chủ nhi m b

Trang v

A G O G

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP.HCM, N … … 0

G

Trang vi

A G O

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP.HCM, … … 0

G

Trang vii

ở V

V ở

ụ ụ … ủ

ủ

ụ ủ

ứ ứ

G

H G ở V ủ W

ủ GS

T

ứ

V ủ

ở ụ

I (Multi access Interference) ở T ụ

Walsh-hardamard

ở ủ ủ

MAI ủ

ủ ụ can ủ ụ MAI

U U

ụ

ủ

thu I

Matched filter

ủ

ủ ụ ứ

Trang viii

S R BER

ủ I

ủ

(Optimum Multiuser Detector

ụ ứ ủ

ủ user ở neuron

ứ ,

neuron

(Sub-Optimum) Y ủ ứ

R ủ neuron K ụ l

G ủ ứ ụ

PG

P …

Trang ix

1 T

G

… G

DS-CDMA S-CDMA G DS-CDMA: Matched filter

MMSE(Minimun Mean Square Error) …

Simulink 3: S-

G

ủ

S ủ

Ch X S-CD DE2 G PG

5

T ứ ủ

ứ R ủ

Simulink, v

Trang x

MỤC LỤC



PH N A: GI I THI U

trang

T ii

iii

Q iv

ủ v

ủ vi

vii

ụ ụ x

xiii

xvii

PH N B: NỘI DUNG 1

ư 1: G A G G 2

1.1 T 2

1.2 PS 4

PS 4

QPS 9

1.3 K 14

WG 14

1.3 16

16

1.4 20

21

T MA 21

ruy 22

1.5 H DS-CDMA 23

1.5.1 24

1.5.2 P 25

1.5.3 28

1.5.4 ủ S-CDMA 34

Trang xi

ư : Ộ G -CDMA 37

2.1 B Matched filter 37

2.2 40

40

44

2.3 48

thu t 48

50

2.4 52

2.5 R 58

S 61

ư 3: Ộ G - A G G O 68

3.1 G 68

3.2 70

H 71

3.2 74

76

3.3 79

3.3.1 80

T 80

81

3.4 82

82

-Forward 83

3.5 G 88

5 G G 89

5 G -Marquardt 90

3.6 Ứ ụ 91

3.7 S- 93

3.7 93

3.7.2 96

97

3.8 Simulink 99

ư 4: G Ộ G - A G G 104

Trang xii

O 104

4.1 G PG 104

4.1.1 S ủ 104

4.1 PG ủ 109

4.2 G ủ 116

4.3 S- 121

c PG 121

PG 123

S-C 124

4.4 H 139

4.4 141

ư 5: Ế À G 144

5 144

5 H 145

PH N C : PHỤ LỤ & À U THAM KH O 146

PHỤ LỤC A 147

PHỤ LỤC B 146

TÀI IỆU THAM KHẢO 183

Trang xiii

LI T Ì



ư 1:

H 1.1: S kh i chứ ủa m t h th 2

H 1.2: S kh i chứ ủa h th 3

H 1.3: D u ch BPSK 5

H 1.4: Gi vector pha củ n của vBPSK(t) 6

H 1.5: Ph t n s củ u VBPSK(t) 7

H 1.6: M u ch BPSK 8

H 1.7: M ch gi u ch BPSK 8

H 1.8: C .8

H 1.9: M 9

H 1.10: D u u ch QPSK 10

H 1.11: Gi vector của QPSK 12

H 1.12: S kh i m u ch QPSK 13

H 1.13: S kh i m ch gi u ch QPSK 14

H 4: V ụ v m ng 17

H 5 R R 19

H n s 21

H i gian 22

H 23

H D ủ 24

H 0 S thu- i ph của DS 25

H : M ng b S 26

H M ch tinh ch ng b DS 26

H V O 27

H H ủa chu i ng 29

H 5 H ủa chu i gi ng 29

H M ph su t của chu i gi ng 30

H B t o chu i ghi d ch tuy 31

H ức sinh ng tra 31

H O P 36

Trang xiv

H 0 u khi t CLPC 36

ư :

H B Matched filter 38

H B ng b 42

H Matched filter 43

H B S 46

H 5 B S ng h p hai user 47

H B thu tri t nhi u n i ti p cho hai user 49

H S kh i của b thu tri t nhi u song song hai t ng 50

H nh của b t h p .53

H B i m t can nhi ng b 54

H 0 Gi 55

H B thu Rake 60

H B thu Rake v i Ls 60

H t 60

H Matched filter 61

H 5 62

H 62

H SI 63

H PI 63

H 64

H 0 R 64

H T .65

H S R ủ 65

H S R 66

H S R Matched filter R 67

ư 3:

H 3.1: neuron 68

H 3.2: ủ 69

H 3.3: Q ủ 69

H 3.4: 70

H 3.5: 70

H 3.6: H 71

H 3.7: H 72

Trang xv

H 3.8: H .72

H 3.9: H 73

H 3.10: H 73

H 3.11: 74

H 3.12: 75

H 3.13: 76

H 3.14: 77

H 3.15: 77

H 3.16: 78

H 3.17: 78

H 3.18: 79

H 3.19: V n 79

H 3.20: 80

H 3.21: ủ .82

H 3.22: 83

H nh 3.23: 84

H 3.24: 84

H 3.25: ủ 87

H 3.26: 89

H 3.27: 89

H 3.28: Nh u thu CDMA 94

H 3.29: m d li 94

H 3.30: nh củ i SNR = 7dB 95

H Mahalanobis 96

H 97

H ụ 97

H Q ứ ụ 99

H 5 S- 5 100

H PI 100

H R S- CDMA 5 user 101

H S R ủ b

101

H S R ủ PI neuron

102

Trang xvi

H 0 S R ủ R R

103

ư ng 4: H C ủa PAL 104

H C ủa GAL 105

H S kh i của CPLD t 106

H C n của FPGA 107

H 5 i CLB của FPGA 108

H S kh n của m t module logic trong FPGA 108

H C ủa Cyclone 110

H u khi n LAB-r ng 110

H LE của Cyclone 111

H 0 K t n R 113

H t n UT 114

H t n i C4 115

H C IO ủa Cyclone 116

H Board DE2 117

H 5 S kh i của board DE2 117

H M t m ng t nhi u ph n t m

t p) 122

H 123

H S PG 124

H S S- PG 124

H 0 S S-

DE2 125

H ủ 32 bit 127

H T P 129

H OR I 132

H 136

H h 4.25: ứ ủ 139

H S R ủ

142

H R ủ

143

ư 3:

3.1: ủ r 75 3.2: ụ 88

Trong cuộc sống từ xa xưa, con người luôn có nhu cầu trao đổi với nhau những tâm

tư, tình cảm, những kinh nghiệm trong cuộc sống,… Để đáp ứng nhu cầu này thì con người đã và đang phát triển nhiều hệ thống thông tin Những hệ thống thông tin cụ thể

mà con người đã sử dụng và khai thác rất đa dạng Các hệ thống này có sơ đồ khối chức năng tổng quát như sau

Hình 1.1: Sơ đ kh i chức năng của một h th ng th ng tin t ng qu t

Nguồn tin là nơi sản sinh ra hay chứa các tin cần truyền đi Số lượng các tin trong nguồn có thể hữu hạn hay vô hạn tương ứng với nguồn tin rời rạc hay liên tục

Kênh tin là môi trường truyền thông tin Để có thể truyền trong một môi trường vật

lý cụ thể, thông tin phải được chuyển thành dạng tín hiệu thích hợp với môi trường truyền Kênh tin cũng là nơi sản sinh ra các nhiễu phá hủy thông tin Trong thực tế kênh tin có rất nhiều dạng khác nhau

Nhận tin: là cơ cấu khôi phục lại thông tin ban đầu từ tín hiệu lấy ở đầu ra của kênh tin

Căn cứ vào đặc điểm của tín hiệu đưa vào kênh thì có thể phân hệ thống thông tin thành hai loại chính

Mã hóa kênh

Điều chế

Mã hóa nguồn

Ghép kênh

ách kênh

Gi i

định

dạng

Gi i mật mã

Gi i

mã kênh

Gi i

mã nguồn

Kênh thông tin Bên phát

Bên thu

Đa truy cập

Gi i

đa t uy cập

Hình 1.2: Sơ đ kh i chức năng của h th ng th ng tin tr i ph

 Khối định dạng: hầu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số (tiếng nói, hình ảnh, âm thanh…) là tín hiệu tương tự nên ta cần có khối định dạng để chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang dãy từ mã dạng số Các từ mã này được biểu diễn bằng các bit nhị phân, rồi tùy ứng dụng cụ thể mà biễu diễn các bit hay nhóm bit ở dạng thức thích hợp Việc chuyển đổi tương tự sang số trong hệ thống thống tin số thường theo phương pháp điều chế xung mã PCM (Pulse Code Modulation) Khối giải định dạng thực hiện công việc ngược lại là chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự

 Khối mã hóa nguồn: làm giảm số bit nhị phân yêu cầu để truyền bản tin Việc này có thể xem như là loại bỏ các bit dư không cần thiết, giúp cho băng thông đường truyền được sử dụng hiệu quả hơn

 Khối mật mã hóa: làm nhiệm vụ mật mã hóa bản tin gốc nhằm mục đích an ninh Nó bao gồm cả sự riêng tư (đảm bảo chỉ người phát có quyền với tin đang truyền) và xác thực (đảm bảo chỉ người thu nào mà người phát yêu cầu thì mới được nhận tin)

 Khối mã hóa kênh: làm nhiệm vụ đưa thêm các bit dư vào tín hiệu số theo một quy luật nào đấy, nhằm giúp cho bên thu có thể phát hiện và thậm chí sửa được

cả lỗi xảy ra trên kênh truyền

 Giải mã nguồn, giải mật mã và giải mã hóa kênh được thực hiện ở bộ thu, các quá trình này ngược với các quá trình mã hóa bên bộ phát

 Khối ghép kênh: giúp cho nhiều tuyến thông tin có thể cùng chia sẻ một đường truyền vật lý chung như là cáp, đường truyền vô tuyến…

n t t nghi p Trang 4

Chương 1: T ng qu n h th ng th ng tin tr i ph

 Khối điều chế: giúp cho dòng tín hiệu số có thể truyền đi qua một phương tiện vật lý cụ thể theo một tốc độ cho trước, với mức độ méo chấp nhận được, yêu cầu một băng thông tần số cho phép Khối điều chế có thể thay đổi dạng xung, dịch chuyển phổ tần số của tín hiệu đến một băng thông khác phù hợp Đầu vào của bộ điều chế là tín hiệu băng gốc trong khi đầu ra của bộ điều chế là tín hiệu thông dải

 Khối trải phổ: tạo ra tín hiệu ít bị tổn hao do nhiễu (cả tự nhiên và nhân tạo),

và có thể được sử dụng làm tăng tính riêng biệt của thông tin

 Khối đa truy cập: liên quan đến các kỹ thuật hoặc nguyên tắc nào đó Cho phép nhiều cặp thu phát cùng chia sẽ một phương tiện vật lý chung (như là một sợi quang, một bộ phát đáp của vệ tinh…) Đây là biện pháp hữu hiệu và hợp lý để chia sẻ tài nguyên thông tin hạn chế của các phương tiện truyền dẫn Có một số kiểu đa truy cập, mỗi kiểu có những ưu điểm và khuyết điểm riêng

Thông tin số ngày càng được ưa chuộng hơn trong các hệ thống thông tin hiện đại

và tương lai sẽ thay thế dần các hệ thống thông tin tương tự hiện đang tồn tại Có thể

kể ra một vài lý do của điều này như sau:

 Thuận lợi cho nén số liệu

 Có khả năng mã hóa kênh để giảm ảnh hưởng của nhiễu và giao thoa

 Gia tăng việc sử dụng các mạch tích hợp

 Giúp cho chuẩn hóa tín hiệu bất kể kiểu, nguồn gốc, dịch vụ…

1.2 thu t iều chế dịch pha PSK

Trong điều chế số dịch pha PSK, pha của sóng mang hình sin tần số cao sẽ biến thiên theo mức logic 0 và 1 của chuỗi số Với phương thức truyền từng bit nhị phân một, người ta thường chọn hai trạng thái ngược pha nhau (dịch pha 1800) của sóng sin tương ứng với 0 và 1, kiểu điều chế này được gọi là kiểu điều chế số 2-PSK hoặc BPSK (binary phase shift keying) Ngược lại, nếu phương thức truyền là từng tổ hợp hai bit một (được gọi là các ký hiệu hai bit), người ta phải dùng bốn trạng thái pha cách đều nhau 900

(dịch pha 900) tương ứng với bốn trường hợp của hai bit nhị phân, kiểu điều chế này được gọi là kiểu điều chế 4-PSK hoặc QPSK (quarternary phase shift keying)

1.2.1 Điều chế PSK

Pha của sóng mang hình sin được thay đổi dịch chuyển lần lượt 1800 tùy theo mức luận lý 0 hoặc 1 của chuỗi số như được vẽ minh họa ở hình 1.3

và d(t) = -1 nếu bit có mức luận lý 0

Thông thường để đơn giản hóa biểu thức thì chọn Ф=0 Mối quan hệ giữa biên độ

A của sóng mang với công suất phát của sóng mang PS là:

n t t nghi p Trang 6

Chương 1: T ng qu n h th ng th ng tin tr i ph

Để có thể biểu diễn tín hiệu vBPSK(t) thành giản đồ vector, trước tiên ta phải xét vector đơn vị trực chuẩn của hệ thống Tín hiệu vBPSK(t) có thể được xem như gồm hai tín hiệu riêng biệt

Hình 1.4: gi n đ vector pha củ h i thành phần của v BPSK (t)

Lúc này khoảng cách giữa hai trạng thái này là:

 Phổ tần số của BPSK

n t t nghi p Trang 7

Chương 1: T ng qu n h th ng th ng tin tr i ph

Từ biểu thức (1.11) thì tín hiệu vBPSK(t) có thể được xem là tích số của tín hiệu xung

√ ( ) với sóng mang √ Do đó khi gọi G(f) là hàm mật độ phổ công suất của √ ( )

Do phổ của vBPSK(t) trải rộng về hai phía đến vô tận chung quanh tần số sóng mang

±fo nhưng trong thực tế, hơn 90% công suất tín hiệu tập trung trong búp phổ chính (từ

f0-fb đến f0+fb) do đó có thể xem dải tần phổ của BPSK là B = 2 fb

 Mạch điều chế và giải điều chế BPSK

Mạch điều chế BPSK dựa trên nguyên tắc mạch nhân giữa một sóng mang Acosωot với chuỗi số d(t) đặc trưng cho tín hiệu nhị phân (d(t) = ±1)

Chuỗi số d(t)

v (t)2cosw tBPSK o

Hình 1.7: Mạch gi i điều chế BPSK

Để có thể tái tạo sóng mang tần số ω0 tại nơi thu, một phương pháp thông dụng là bình phương tín hiệu Tín hiệu vBPSK(t) sẽ được bình phương do đó sẽ không còn bị đảo pha theo d(t) và tần số cơ bản trở thành 2f0 Sau khi qua bộ lọc tần số 2f0 để triệt các hài tần khác, tín hiệu này được đưa qua một bộ chia đôi tần số và bộ lọc tần số f0, nhờ vậy mà sóng mang cosω0 được tái tạo từ tín hiệu vBPSK(t) thu được

Mạch bình phương

tín hiệu (Chỉnh lưu

hai bán kỳ)

Lọc thông dải BPF Chia 2 Lọc thông dải BPF

sẽ chịu tác động hiệu chỉnh của điện áp Vm=-A2/4sin2θ để đạt đến trạng thái góc lệnh pha θ giữa sóng mang tái tạo với sóng mang gốc bằng 0 Tuy nhiên, mạch vòng Costas

(Loop Filter)

Lọc thông thấp (LPF)

 Biểu thức của QPSK

Trong điều chế số QPSK, luồng số liệu d(t) sẽ được truyền đi lần lượt từng bộ gồm

2 bit liên tiếp, mỗi bộ được gọi là một ký hiệu (symbol) vì nó tương ứng với một trạng thái pha của sóng mang Do từng ký hiệu có hai bit nhị phân nên sẽ có bốn trạng thái pha khác nhau của sóng mang, được gọi lần lượt là s1(t), s2(t), s3(t) và s4(t) Gọi be(t) và

bo(t) lần lượt là bit ch n và bit lẻ trong mỗi ký hiệu hai bit thì biểu thức của tín hiệu QPSK có thể được viết dưới dạng

trong đó góc pha φ(t) của sóng mang có giá trị được định nghĩa như trong bảng sau

Bảng1.1: Gi trị góc ph φ(t) củ sóng m ng tương ứng với mỗi ký hi u 2 bit

Hình 1.10: Dạng sóng tín hi u điều chế QPSK

 Giản đồ vector của QPSK

Dựa vào bảng trạng thái pha của tín hiệu QPSK, nếu hai trục tọa độ được xem lần lượt là trục I (có góc pha cosω0t, trùng với pha sóng mang chuẩn) và trục Q (có góc pha sin (ω0t+π), vuông pha với sóng mang chuẩn), thì biểu thức của tín hiệu QPSK có thể được viết lại dưới dạng

trong đó be(t) và bo(t) là bit ch n và bit lẻ của chuỗi số

Gọi PS là công suất phát của sóng mang thì PS liên quan đến biên độ sóng là PS=A2 (do từng nhóm 2 bit được phát), do đó

trong đó TS=2Tb là chu kỳ mỗi ký hiệu (symbol) gồm hai chu kỳ bit Từng trường hợp

ký hiệu của tín hiệu QPSK sẽ được biểu diễn thông qua cơ sở trực chuẩn như sau

Hình 1.11: Gi n đ vector của QPSK

do đó, xác suất thu sai sẽ tăng lên

 Phổ của tín hiệu QPSK

Vì tín hiệu QPSK có thể xem là tổ hợp tuyến tính của hai tín hiệu điều chế BPSK, nên phổ mật độ công suất của vQPSK(t) là tổ hợp của phổ mật độ công suất của hai tín hiệu thành phần BPSK

Trong đó hệ số 2 ban đầu tương trưng cho tổng của hai phổ thành phần và Tb=TS/2

Từ biểu thức này có thể thấy rằng phổ của QPSK có dạng tương tự phổ của BPSK nhưng do fS = fb/2 nên dải phổ tần của QPSK hẹp hơn gấp hai lần dải phổ tần của BPSK tương ứng với cùng một tốc độ bit truyền

 Mạch giải điều chế và giải điều chế QPSK

Mạch điều chế QPSK được trình bày như hình bên dưới Chuỗi số liệu đầu vào d(t)

có 2 mức luận lý d(t) = được đặt vào bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song (S/P)

để tạo thành hai luồng bit ch n be(t) và bit lẻ bo(t) Một dao động sóng mang được đặt vào khối dịch pha 900

tạo thành hai sóng mang Acosω0t và Asin(ω0t+π) Bộ nhân và

bộ cộng cho phép tạo tín hiệu vQPSK(t) Bộ lọc thông thấp ở ngõ ra có chức năng loại

n t t nghi p Trang 13

Chương 1: T ng qu n h th ng th ng tin tr i ph

Điều chế cân bằng (nhân)

Dao động sóng mang Cộng

song song (S/P)

Chuỗi số

d(t)

(tốc độ bit )

Điều chế cân bằng (nhân)

Lọc thông thấp (tốc độ ký hiệu )

( ) cos cos

bỏ các hài cao tần của sóng mang

Trong sơ đồ khối của mạch giải điều chế QPSK, tín hiệu ngõ vào vQPSK (t) được lọc thông thấp để hạn chế dải tần và triệt bỏ các hài tần bậc cao, sau đó được đặt vào mạch chia đôi công suất để tạo hai tín hiệu có biên độ cân bằng để đưa đến hai mạch tách sóng vuông pha Khối tái tạo sóng mang, gồm phần tăng bậc lũy thừa bậc 4 của tín hiệu nhận được, sau đó lọc thông thấp và chia 4 lần tần số

Nhân

Lọc thông thấp

Lấy mẫu lượng tử Lũy

thừa 4

Lọc thông thấp công suấtChia đôi

0 (4f ) (f0/ 4)

Nhân thông Lọc

thấp

Lấy mẫu lượng tử

Đồng

bộ clock

Ghép luồng chuyển đ i song song/

nối tiếp (P/S)

1.3.1 nh nhiễu trắng Gauss cộng (Additive White Gaussian Noise

Channel-AWGN channel)

Kênh AWGN là một mô hình phổ biến trong các hệ thống thông tin Trong mô hình này, kênh không làm việc gì ngoài cộng thêm một nhiễu Gauss trắng vào tín hiệu đi qua nó Điều này nhấn mạnh rằng đáp ứng tần số biên độ của kênh là phẳng (dù với băng thông giới hạn hay không giới hạn) và đáp ứng tần số pha của kênh là tuyến tính cho mọi tần số sao cho các tín hiệu đã điều chế khi đi qua nó mà không mất biên độ và méo pha hay các thành phần tần số Tín hiệu ở đầu thu trong kênh truyền nhiễu trắng Gauss cộng :

Với n(t) là nhiễu AWGN

Tính “trắng” của n(t) nhấn mạnh rằng có một quá trình ngẫu nhiên tĩnh với mật độ phổ công suất phẳng (PSD) cho tất cả các tần số Có một quy ước giả thiết rằng PSD của nó bằng

n t t nghi p Trang 15

Chương 1: T ng qu n h th ng th ng tin tr i ph

2 2 2

1

22





Trong đó được dùng để biểu diễn các giá trị của quá trình ngẫu nhiên n(t) và 2

là độ lệch của quá trình ngẫu nhiên Có một điểm thú vị cần lưu ý là 2  , với quá trình AWGN do 2 là công suất của nhiễu, là bất định do tính “trắng” của nó

Tuy nhiên, khi r(t) được lấy tương quan với hàm trực giao(t), thì nhiễu trong đầu

( ) ( ) ( ) ( )

{ ( ) ( )} ( ) ( )

( ) ( ) ( ) 2

1

p n

N N



Nói một cách khác, kênh AWGN không hề tồn tại do không hề có kênh truyền nào

có thể có băng thông là vô định Tuy nhiên, khi băng thông tín hiệu là nhỏ hơn so với băng thông kênh, một số kênh thực tế có thể xấp xỉ với kênh AWGN Chẳng hạn, các kênh vô tuyến thẳng tuyến LOS (line of sight), bao gồm các kết nối sóng cực ngắn mặt

n t t nghi p Trang 16

Chương 1: T ng qu n h th ng th ng tin tr i ph

đất cố định và các kết nối vệ tinh cố định, xấp xỉ với các kênh AWGN khi thời tiết tốt Các cáp đồng trục băng rộng cũng xấp xỉ kênh AWGN do đó không tồn tại nhiễu nào khác ngoài nhiễu Gauss

1.3.2 nh iới hạn băn thôn

Khi băng thông kênh nhỏ hơn băng thông tín hiệu, kênh gọi là có băng thông hạn chế Sự giới hạn băng thông phục vụ gây nên nhiễu liên kí hiệu ISI (chẳng hạn, các xung số sẽ mở rộng thời gian truyền (chu kỳ kí hiệu T S)) và gây nhiễu lên kí hiệu tiếp theo, hay thậm chí là cả kí hiệu tiếp theo nữa ISI gây tăng xác suất lỗi bit (P b) hay tỉ lệ lỗi bit BER, như nó vẫn được gọi Khi việc tăng băng thông kênh truyền là điều không thể hoặc không hiệu quả kinh tế, các kĩ thuật cân bằng kênh được sử dụng để chống lại ISI

1.3.3 nh ph inh

Fading đa đường là do sự phản xạ đa đường của sóng được phát bởi các vật tán xạ cục bộ như tòa nhà, các cấu trúc nhân tạo hoặc các đối tượng tự nhiên chẳng hạn như cây cối bao quanh thiết bị di động Khi đó hàm mật độ xác suất của tín hiệu thu được

sẽ tuân theo phân bố Rayleigh hoặc Ricean

Hình 1.14 cho thấy một kênh fading đa đường điển hình thường gặp trong hệ thống thông tin vô tuyến, trong đó có L đường Giả sử tín hiệu được phát có dạng như sau

l l

t Path loss

t Time delay





Hình 1.14: Ví dụ về một kênh truyền f ding đ đường

Khi đó, dạng băng tần gốc tương đương của y(t) được viết như sau

2 1

Trong đó h(τ;t) là đáp ứng xung băng tần gốc tương đương của kênh truyền fading

ở thời điểm t, đáp ứng được viết như sau

Trong đó βl(t) là quá trình ngẫu nhiên giá trị phức

Biểu thức (1.39) cho chúng ta thấy rằng tín hiệu được thu là tổng của các quá trình ngẫu nhiên, vì thế khi có nhiều đường truyền thì định lý giới hạn trung tâm có thể áp dụng Điều đó có nghĩa là r(t) có thể được mô hình hóa như quá trình ngẫu nhiên Gaussian giá trị phức với trị trung bình và variance của nó được cho như sau

n t t nghi p Trang 18

Chương 1: T ng qu n h th ng th ng tin tr i ph

Vì thế, hàm mật độ xác suất của r = r(t) là như sau

* 2

2 2

1 ( ) 2

r

r av r av r

1

2 2

2 0

0

1( )2

2 r

A K



được gọi là thừa số Ricean

Khi r(t) có thể được mô hình hóa như một quá trình ngẫu nhiên Gaussian giá trị phức có trị trung bình bằng không, có nghĩa là A=0 trong công thức (1.47), thì hàm mật độ xác suất của ξ được viết như sau

n t t nghi p Trang 19

Chương 1: T ng qu n h th ng th ng tin tr i ph

2 2

2 2

Hình 1.15: C c phân b R yleigh và Rice n

Khi hình bao của đáp ứng xung của kênh truyền có phân bố Rayleigh thì kênh truyền được gọi là kênh truyền fading Rayleigh và tương tự ta cũng có kênh truyền fading Ricean

Hàm truyền dạng băng tần gốc tương đương của kênh truyền tại thời điểm t là biến đổi fourier của đáp ứng xung của kênh truyền h(τ;t)

n t t nghi p Trang 20

Chương 1: T ng qu n h th ng th ng tin tr i ph

Khi đó, khi cho Δt = 0 thì biểu thức (1.53) sẽ trở thành hàm tự tương quan của kênh truyền theo tần số H(Δf) = H(Δf;0) Tương tự khi cho Δf = 0 thì sẽ có được hàm tự tương quan của kênh truyền theo thời thời gian H(Δt) = H(0;Δt)

Kênh truyền đa đường có băng thông mà trong đó sự biến thiên của kênh truyền có tính tương quan cao, H(Δf)/ H(0) gần bằng 1 Băng thông được gọi là băng thông kết hợp Khi một tín hiệu được phát qua một kênh truyền, nếu băng thông kết hợp của kênh truyền là nhỏ so với băng thông của tín hiệu, thì kênh truyền đó được gọi là có tính chọn lọc tần số Trong trường hợp này thì tín hiệu sẽ bị méo dạng đáng kể bởi kênh truyền Nếu băng thông kết hợp của kênh truyền lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu được phát thì kênh truyền được gọi là không có tính chọn lọc tần số hay là phẳng

Kênh đa đường có khoảng thời gian mà trong đó sự biến thiên của kênh truyền có tính tương quan cao, nghĩa là H(Δt)/ H(0) gần bằng 1 Khoảng thời gian đó được là thời gian kết hợp Khi một tín hiệu được phát qua một kênh truyền, mà thời gian kết hợp của kênh truyền là nhỏ hơn chu kỳ symbol của tín hiệu được phát thì kênh truyền được gọi là có tính chọn lọc thời gian hay là nhanh Nếu thời gian kết hợp mà lớn hơn nhiều so với chu kỳ symbol của tín hiệu được phát thì kênh truyền được gọi là không

có tính chọn lọc thời gian hay là chậm

1.4 Các loại tru nh p

Mục tiêu chính của truyền thông dữ liệu là khả năng chia sẻ nguồn tài nguyên trên kênh thông tin chung cho nhiều người dùng tại cùng một thời điểm Tài nguyên dùng chung ở đây có thể là các tuyến truyền dẫn tốc độ cao bằng sợi quang ở khoảng cách

xa, phổ tần sử dụng như đối với hệ thống điện thoại tế bào, hay thông tin trên một đường cáp xoắn ở trong công sở

Để nhiều người dùng có thể chia sẻ tài nguyên chung một cách hiệu quả và có quản

lý, cần phải có một số dạng giao thức truy nhập để định nghĩa việc thực hiện chia sẻ như thế nào và biện pháp để các thông điệp từ các người sử dụng riêng biệt có thể được nhận dạng ở phía thu Quá trình chia sẻ này được gọi là ghép kênh trong các hệ thống truyền thông bằng cáp và đa truy nhập trong truyền thông vô tuyến số

Có ba hình thức đa truy nhập cơ bản là đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA,

đa truy nhập theo thời gian TDMA, đa truy nhập theo mã CDMA

n t t nghi p Trang 21

Chương 1: T ng qu n h th ng th ng tin tr i ph

1.4.1 Đ tru nh p phân chi theo tần số FDMA

Trong hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật FDMA toàn bộ dải thông của băng tần được chia thành 2N dải con, mỗi dải con gọi là một kênh vô tuyến Như vậy sẽ có N kênh kế tiếp dành cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N kênh kế tiếp dành cho liên lạc hướng xuống Mỗi thuê bao sẽ được cấp phát một cặp kênh trong suốt quá trình liên lạc.Với kiểu truy nhập này các kênh sẽ phát đi liên tục đồng thời một số sóng mang Do vậy nhất thiết phải cung cấp các khoảng bảo vệ giữa mỗi dải mà một sóng mang chiếm, để tính đến sự không hoàn hảo của các bộ tạo dao động và các bộ lọc Kỹ thuật FDMA có khả năng sử dụng được với cả hệ thống truyền dẫn số và truyền dẫn tương tự

 Thiếu linh hoạt trong trường hợp tái cấu hình

 Tổn thất dung lượng khi số các truy nhập tăng lên

 Cần phải điều khiển công suất phát của các trạm

1.4.2 Đ tru nh p phân chi theo thời gian TDMA

Trong hệ thống TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời gian Năng lượng của tín hiệu được hạn chế ở một trong các khe thời gian Nhiễu của các kênh kề nhau được giới hạn bởi việc sử dụng khoảng thời gian giữa các kênh Từng cuộc đàm thoại được biến đổi thành tín hiệu số, sau đó được gán cho một trong các khe thời gian này Số lượng các khe thời gian trong một kênh vô tuyến có thể thay đổi tuỳ thuộc vào cách thiết kế hệ thống Có ít nhất là hai khe thời gian cho một kênh, và thường thì

n t t nghi p Trang 22

Chương 1: T ng qu n h th ng th ng tin tr i ph

hời gian

ần số

Hình 1.17: truy cập phân chi theo thời gian

nhiều hơn Điều đó có nghĩa là TDMA có khả năng phục vụ số lượng khách hàng nhiều hơn vài lần so với kỹ thuật FDMA với cùng một dải thông như vậy

Ưu điểm:

 Không có các sản phẩm xuyên điều chế do tại một thời điểm chỉ khuyếch đại một sóng mang duy nhất

 Hiệu suất truyền cao dù số lượng truy nhập là rất lớn

 Không cần phải khống chế công suất phát của các trạm

 Đơn giản hoá việc điều hưởng do phát và thu trên cùng một tần số

 Việc xử lý tín hiệu số dẫn đến sự đơn giản hoá trong vận hành

Nhược điểm:

 Cần phải đồng bộ hoá

 Cần phải mở rộng kích thước của trạm để phát với hiệu suất cao

 Giá thành đắt do trang thiết bị phức tạp

1.4.3 Đ tru nh p phân chi theo mã CDM

Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA hoạt động theo nguyên lý trải phổ Nó không tìm cách phân bố các tiềm năng tần số và thời gian rời rạc cho mỗi thuê bao Ngược lại, giải pháp này cung cấp tất cả các tiềm năng đồng thời cho mọi thuê bao, khống chế mức công suất phát từ mỗi thuê bao ở mức tối thiểu đủ để duy trì một tỷ số tín hiệu/tạp âm theo mức chất lượng yêu cầu Mỗi thuê bao sử dụng một tín hiệu băng rộng như tạp âm chiếm toàn bộ dải tần phân bố Theo cách như vậy mỗi thuê bao tham gia vào tạp âm nền tác động tới tất cả các thuê bao khác, nhưng ở phạm vi ít nhất có thể Can nhiễu bổ sung này làm hạn chế dung lượng, nhưng vì phân bố tiềm năng thời

Hình 1.18: truy cập phân chi theo mã

Trong hệ thống thông tin CDMA nhiều thuê bao có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi (phát liên tục) Những thuê bao này được phân biệt do mỗi thuê bao dùng một dãy mã giả ngẫu nhiên riêng không trùng với bất kỳ một thuê bao nào khác

Ưu điểm:

 Dung lượng cao hơn đáng để,

 Khả năng chống nhiễu tốt,

 Bảo mật cao,

 Giảm fađinh đường truyền,

 Bảo đảm truyền dẫn chất lượng cao

 Cho phép chuyển vùng mềm giữa các trạm gốc

n t t nghi p Trang 24

Chương 1: T ng qu n h th ng th ng tin tr i ph

bày hệ thống DS-CDMA Trong hệ thống DS-CDMA thì kỹ thuật trải phổ chuỗi trực

tiếp được sử dụng

1.5.1 K thu t trải ph chuỗi trực tiếp

Một tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp là một tín hiệu mà biên độ của tín hiệu đã được điều chế trước đó được điều chế lại một lần nữa bằng một chuỗi nhị phân NRZ có tốc

là tốc độ bit (bit rate)

Băng thông của tín hiệu v(t) là 2fb và băng thông tín hiệu trải phổ là 2fc nên phổ của tín hiệu được trải ra theo tỷ số fc/fb Vì công suất phát của hai tín hiệu v(t) và s(t) bằng nhau nên mật độ phổ công suất Gs(f) sẽ giảm theo một tỷ số là fb/fc

-2

-2 2

Hình 1.19: Dạng sóng củ d(t), g(t) và d(t)g(t)

Quá trình trải phổ, thu và phát

Đồng bộ tín hiệu trải phổ ở đầu thu cần yêu cầu ba loại đồng bộ:

 Đồng bộ sóng mang và pha (khôi phục sóng mang)

 Đồng bộ bit (khôi phục định thời bit)

 Đồng bộ chuỗi giả ngẫu nhiên

Quá trình đồng bộ được tiến hành qua hai giai đoạn:

 Đồng bộ thô (coarse synchronization)

 Tinh chỉnh đồng bộ (fine synchronization)

 Đồng bộ thô

Đồng bộ thô là quá trình tìm kiếm tất cả các pha của tín hiệu đến khi pha của chuỗi tín hiệu nhận được có cùng pha với chuỗi giả ngẫu nhiên tạo ra ở máy thu Kỹ thuật đồng bộ thô thường sử dụng là tìm nối tiếp từng bước (stepped serial search) Kỹ thuật này có thể thực hiện như sau:

VCO

1

2

Hình 1.21: Mạch đ ng bộ th DS