Đào Việt Hùng PHẦN I – Hệ thống thông tin di động và cơ sở công nghệ CDMA Chương I – Hệ thống thông tin di động 1.1.Giới thiệu chung Điện thoại di dộng ra đời từ những năm 1920 , mặc d
Hệ thống thông tin di động
Giới thiệu chung
Điện thoại di động ra đời từ những năm 1920, nhưng dịch vụ điện thoại di động chỉ xuất hiện vào đầu những năm 60 với các hệ thống điều vận Các hệ thống này có dung lượng thấp và ít tiện lợi so với hiện nay Vào những năm 1980, hệ thống tổ ong điều tần song công với kỹ thuật FDMA được phát triển Tuy nhiên, đến cuối những năm 1980, các hệ thống tổ ong tương tự không còn đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng do các hạn chế như phân bổ tần số hạn chế, dung lượng thấp, tiếng ồn và nhiễu khi di chuyển, cũng như không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu.
Giải pháp sử dụng công nghệ thông tin số cho thông tin di động để loại bỏ các hạn chế trên được sử dụng
Hệ thống thông tin di động số đầu tiên trên thế giới, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, được ra đời ở châu Âu với tên gọi GSM (Hệ thống thông tin di động toàn cầu) GSM được phát triển từ năm 1982 với băng tần 900MHz, ban đầu có tranh luận về việc xây dựng hệ thống số hay tương tự, và đến năm 1985, quyết định xây dựng hệ thống số băng hẹp đã được đưa ra Để giải quyết vấn đề về dung lượng, Qualcomm được thành lập vào năm 1985 và phát triển công nghệ CDMA cho thông tin di động.
IS – 95A. Ở Nhật Bản vào năm 1993 , NTT đã đưa ra tiêu chuẩn thông tin di động số đầu tiên của nước này JPD ( Japanese Personal Digital Cellular system -
Hệ thống số tổ ong của Nhật Bản đang chuyển đổi tần số từ vùng 800 – 900 MHz sang vùng 1,8 – 1,9 GHz để tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động Nhiều quốc gia đã áp dụng cả hai tần số (Dual band) trong việc phát triển mạng di động.
Cùng với sự phát triển của các hệ thống thông tin di động tổ ong, các hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số cũng đang được nghiên cứu và phát triển Hai hệ thống tiêu biểu cho loại thông tin này là DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications).
Enhanced Cordless Telecommunications (ECT) in Europe and the Personal Handyphone System (PHS) in Japan have both been introduced and commercialized.
Ngoài các hệ thống thông tin di động mặt đất, vào năm 1998, các hệ thống thông tin di động vệ tinh như Global Star và Iridium cũng đã được đưa vào thương mại.
Sự kết hợp giữa các hệ thống thông tin di động sẽ hình thành một Hệ thống Thông tin Di động Cá nhân (PCS - Personal Communication System), cho phép mỗi cá nhân truy cập thông tin mọi lúc, mọi nơi mà họ cần.
Hiện nay, để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng về dịch vụ viễn thông mới, các hệ thống thông tin di động đang tiến tới thế hệ thứ ba Thế hệ này không chỉ tích hợp thành một tiêu chuẩn duy nhất mà còn có khả năng phục vụ tốc độ bit lên đến 2Mbps Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện tại, thế hệ thứ ba được gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng.
Cấu trúc của hệ thống thông tin di động
1.2.1 Mô hình hệ thống thông tin di động
Hệ thống thông tin di động bao gồm nhiều phần tử vật lý, có thể là các bộ phận riêng lẻ hoặc kết hợp với các phần tử logic khác Để hoạt động hiệu quả, các phần tử này cần tương tác và phối hợp với nhau.
Hình 1 Mô hình hệ thống thông tin di động
MS ( Mobile Station) : Trạm di động
BTS (Base transceiver Station ) : Trạm thu phát gốc
BSC (Base Station Controller ) : Bộ điều khiển trạm gốc
MSC (Mobile Services Switching Center ) : Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động
HLR (Home Location Register) : Bộ ghi định vị thường trúVLR ( Visitor Location Register ) : Bộ ghi định vị tạm trú
OS ( Operation System ) : Hệ thống khai thác và bảo dưỡng
TA ( Terminal Adapter ) : Bộ thích ứng đầu cuối
TE ( Terminal Equipment ) : Thiết bị đầu cuối
AUC ( Authentication Center ) : Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực
The Equipment Identity Register (EIR) is essential for managing mobile devices, while the Data Message Handler (DMH) serves as the data message processing unit Additionally, the Public Switched Telephone Network (PSTN) refers to the traditional public telephone network that facilitates communication through circuit switching.
ISDN ( Intergrated Services Digital Network ) : Mạng số liên kết đa dịch vụ
PLMN ( Public Land Mobile Network ) : Mạng di động công cộng mặt đất
PSPDN ( Packet Switched Public Data Network ) : Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói
BS đến MSC ( Giao diện A)
Giao diện giữa trạm gốc và MSC đảm bảo báo hiệu và lưu lượng (cả số liệu lẫn tiếng )
BTS đến BSC ( Giao diện A- bis)
Giao diện này được định nghĩa khi trạm gốc được chia thành BTS và BSC.
MSC đến PSTN ( Giao diện Ai)
Giao diện này được định nghĩa như giao diện tương tự sử dụng hoặc báo hiệu đa tần hai tông (DTMF) hay báo hiệu đa tần (MF).
MSC với VLR ( Giao diện B)
Giao diện này được định nghĩa ở tiêu chuẩn giao thức GSM hoặc TIA IS – 41.
MSC với HLR ( Giao diện C )
Giao diện này được định nghĩa ở tiêu chuẩn giao thức GSM hoặc IS – 41
Giao diện D giữa HLR và VLR là giao diện báo hiệu được xây dựng dựa trên báo hiệu số 7 Hiện tại, giao diện này được định nghĩa trong tiêu chuẩn của giao thức GSM và TIA IS – 41.
MSC với ISDN ( Giao diện Di) Đây là giao diện số với ISDN
MSC với MSC (Giao diện E ) Đây là giao diện lưu lượng và báo hiệu giữa các tổng đài của mạng di động
MSC và EIR ( Giao diện F )
Giao diện này chưa được định nghĩa ( Do EIR chưa được định nghĩa ).
VLR với VLR ( Giao diện G)
Giao diện này được sử dụng khi cần thông tin giữa các VLR
HLR với AUC ( Giao diện H )
Giao thức cho giao diện này chỉ mới được định nghĩa cho GSM
DMH với MSC ( Giao diện I ) Đây là giao diện giữa bộ xử lý bản tin dữ liệu với MSC
MSC với IWF ( Giao diện F )
Giao diện này được định nghĩa bởi chức năng tương tác
MSC với PLMN ( Giao diện Mi) Đây là giao diện với mạng thông tin di động khác
MSC với OS ( Giao diện O ) Đây là giao diện với hệ thống khai thác ( hiện đang được định nghĩa )
MSC với PSPDN ( Giao diện Pi) Đây là giao diện giữa MSC với mạng chuyển mạch gói
TA với TE ( Giao diện R) Đây là giao diện đặc thù cho từng loại đầu cuối được kết nối với MS
ISDN với TE ( Giao diện S ) Đây là giao diện được định nghĩa ở hệ thống ISDN
BS với MS (Giao diện Um) Đây là giao diện vô tuyến
PSTN với DCE ( Giao diện W)
Giao diện này được định nghĩa ở hệ thống PSTN
MSC với AUX (Giao diện X )
Giao diện này phụ thuộc vào thiết bị bổ xung kết nối với MSC
Tổng quát hệ thống thông tin di động thường được chia thành các hệ thống con sau đây
Hệ thống con chuyển mạch SS bao gồm các khối chức năng :
MSC ,VLR , HLR , AUC , EIR , GMSC.
Hệ thống con trạm gốc BSS bao gồm các khối chức năng : BSC và BTS
Hệ thống con khai thác OS thực hiện chức năng : khai thác , bảo dưỡng và quản lý cho toàn bộ hệ thống
Trạm di động MS thực hiện hai chức năng sau :
- Thiết bị vật lý để giao tiếp giữa thuê bao di động với mạng qua đường vô tuyến
1.2.2 Các đặc tính cơ bản của hệ thống thông tin di động
Các mạng thông tin di động không chỉ cung cấp dịch vụ điện thoại cố định mà còn phải đảm bảo các dịch vụ đặc thù cho mạng di động, nhằm duy trì thông tin liên lạc mọi lúc, mọi nơi Để thực hiện được điều này, các mạng thông tin di động cần đáp ứng một số đặc tính cơ bản chung.
Sử dụng băng tần được cấp phát một cách hiệu quả là rất quan trọng để đạt được dung lượng cao trong thông tin di động, đặc biệt khi dải tần vô tuyến có hạn.
Để đảm bảo chất lượng truyền dẫn theo yêu cầu, các hệ thống thông tin di động cần phải hạn chế tối đa ảnh hưởng của nhiễu và pha đinh, do truyền dẫn vô tuyến là môi trường truyền dẫn hở.
Để đảm bảo an toàn thông tin tối ưu trong môi trường truyền dẫn vô tuyến, cần áp dụng các biện pháp đặc biệt nhằm ngăn chặn việc nghe trộm và sử dụng trái phép đường truyền Trong các hệ thống thông tin di động, mỗi người dùng được cấp một khóa nhận dạng bí mật riêng, được lưu trữ an toàn trong bộ nhớ.
Giảm tối đa rớt cuộc gọi khi thuê bao di động chuyển từ vùng phủ này sang vùng phủ khác
Cho phép phát triển các dịch vụ mới , nhất là các dịch vụ phi thoại
Để mang tính toàn cầu phải cho phép chuyển mạng quốc tế ( International Roaming )
Các thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ và tiêu thụ ít năng lượng
1.2.3 Các phương pháp truy cập trong mạng thông tin di động
Hiện nay đối với mạng thông tin di động số người ta chia thành 5 phương pháp truy cập kênh vật lý :
FDMA : Đa truy nhập theo tần số Phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau
TDMA : Đa truy nhập phân chia theo thời gian Phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau.
CDMA : Đa truy nhập phân chia theo mã Phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau
PDMA : Đa truy nhập phân chia theo cực tính Phục vụ cuộc gọi theo các sự phân cực khác nhau của sóng vô tuyến
SDMA : Đa truy nhập phân chia theo không gian Phục vụ các cuộc gọi theo các anten định hướng búp sóng hẹp.
Đặc điểm truyền dẫn ở thông tin di động
Thông tin di động sử dụng phương thức vô tuyến, do đó, quá trình truyền dẫn sẽ bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố chính: môi trường truyền dẫn hở và băng tần hạn chế.
Môi trường truyền dẫn hở dẫn đến ảnh hưởng sau với truyền dẫn di động :
- Chịu tác động lớn của môi trường truyền dẫn : khí hậu thời tiết.
- Chịu tác động lớn của địa hình : mặt đất , nhà cửa , cây cối …
- Suy hao trong môi trường lớn.
- Chịu ảnh hưởng của các nguồn nhiễu trong thiên nhiên : phóng điện trong khí quyển , phát xạ của các hành tinh khác ( trong thông tin vệ tinh )…
- Chịu ảnh hưởng của nhiễu công nghiệp từ các động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện
- Chịu ảnh hưởng nhiễu từ các thiết bị vô tuyến khác
- Dễ bị nghe trộm và sử dụng trái phép đường truyền thông tin.
Pha đinh là một hiện tượng nguy hiểm trong các đường truyền dẫn vô tuyến, gây ra sự thăng giáng thất thường của cường độ điện trường tại điểm thu Nguyên nhân của pha đinh thường liên quan đến sự thay đổi của thời tiết và địa hình, ảnh hưởng đến điều kiện truyền sóng Pha đinh đa tia, xảy ra khi máy thu nhận tín hiệu từ nhiều đường khác nhau, là loại pha đinh nguy hiểm nhất Do đó, các hệ thống truyền dẫn vô tuyến cần được trang bị các thiết bị và hệ thống chống pha đinh hiệu quả.
Suy hao đường truyền trong thông tin di động số là hiện tượng tín hiệu thu yếu dần khi khoảng cách giữa các trạm di động và trạm gốc tăng lên, đặc biệt khi không có vật cản giữa anten phát và anten thu Trong không gian tự do, mức suy hao của sóng vô tuyến tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa hai anten và tỷ lệ nghịch với độ dài bước sóng Hiện tượng này được gọi là suy hao truyền lan trong không gian tự do.
Suy hao trong không gian tự do được mô tả bởi công thức \$L_0 = 20 \log(4\pi d) [dB]\$, trong đó \$d\$ là khoảng cách truyền dẫn và \$\lambda\$ là bước sóng vô tuyến Đối với một anten nhất định, mật độ công suất thu tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách \$d\$ giữa các anten phát và thu, đồng thời công suất thu cũng tỷ lệ nghịch với bình phương tần số phát \$f\$.
Ls (dB) = 33,4(dB) + 20log (fMHz) + 20log(dKm)
33,4 là hằng số tỷ lệ
Tuy nhiên công thức đơn giản này chỉ đúng với các hệ thống di động gần trạm gốc.
Tần số cao dẫn đến suy hao tín hiệu lớn hơn Mặt đất không lý tưởng làm giảm cường độ tín hiệu trung bình theo tỷ lệ nghịch với khoảng cách lũy thừa bốn (d^{-4}), đây là một xấp xỉ chính xác hơn Trong thực tế, các mô hình thực nghiệm như Egli và Okumura thường được áp dụng.
Pha đinh là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu, xảy ra do sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển và các phản xạ từ đất và nước trong đường truyền sóng vô tuyến Có hai loại pha đinh chính: pha đinh phẳng và pha đinh lựa chọn tần số.
- Pha đinh phẳng : Làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số ( thay đổi giống nhau đối với các tần số trong dải )
- Pha đinh lựa chọn tần số : làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi cao phụ thuộc vào tần số
Hai loại pha đinh có thể xuất hiện độc lập hoặc đồng thời, gây ra sự gián đoạn thông tin Vùng giảm tín hiệu được gọi là chỗ trũng pha đinh Sự thay đổi tín hiệu tại anten thu do phản xạ nhiều tia được gọi là pha đinh nhiều tia hay pha đinh Rayleigh.
Pha đinh có tác động nghiêm trọng đến chất lượng truyền dẫn, đặc biệt khi môi trường có nhiều vật cản như tòa nhà và cây cối.
Khi tín hiệu vô tuyến di chuyển qua các khu vực có độ phản xạ cao như thành phố hoặc mặt nước, pha đinh do phản xạ từ mặt đất trở thành pha đinh chủ yếu Điều này dẫn đến sự biến đổi ngẫu nhiên của tín hiệu thu thăng giáng, ảnh hưởng đến các tham số truyền dẫn.
Khi đường truyền vô tuyến đi qua các khu vực như biển, hồ, sông, suối, vùng bằng phẳng ẩm ướt hoặc đầm lầy, mức tín hiệu phản xạ có thể giảm xuống dưới 10dB so với tín hiệu trực tiếp Ngoài ra, nếu đường truyền đi qua địa hình có sương mù, có khả năng xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.
1.3.4 Các biện pháp chống pha đinh Để chống pha đinh người ta sử dụng cácc biện pháp sau đây :
- Mã hoá kênh chống lỗi kết hợp với đan xen tín hiệu
- Sử dụng nhiều sóng mang ( MC : Multi Carrier )
- Máy thu RAKE (ở thông tin di động CDMA )
Hai dạng mã hoá kênh chống lỗi được sử dụng ở thông tin di động :
- Mã phát hiện lỗi : mã khối tuyến tính
- Mã sửa lỗi : mã xoắn hoặc mã turbo
Kỹ thuật phát nhiều sóng mang (MC) được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động CDMA thế hệ thứ ba, mang lại khả năng chống pha đinh và giảm thiểu nhiễu hiệu quả.
Kỹ thuật phân tập đã được áp dụng từ lâu trong lĩnh vực thông tin vô tuyến nhằm chống lại hiện tượng pha đinh Trong các hệ thống truyền dẫn vi ba số, có nhiều phương pháp phân tập khác nhau được sử dụng.
Phân tập không gian là dạng phân tập phổ biến nhất trong thông tin di động Trong lĩnh vực này, nhảy tần ở GSM có thể được coi là một ứng dụng quan trọng.
MC ở CDMA là một dạng của phân tập tần số , ở đây cũng có thể coi đan xen là một dạng cải tiến của phân tập thời gian
Bộ cân bằng thích ứng áp dụng cho GSM được gọi là bộ cân bằng Viterbi
Bộ cân bằng này có khả năng xử lý tín hiệu phản xạ trễ lên đến 15 µs (bốn bit) Trong khi đó, các máy thu CDMA không sử dụng bộ cân bằng này mà thay vào đó là máy thu RAKE, cho phép cân bằng pha của các tín hiệu từ các đường khác nhau và tổ hợp chúng thành một tín hiệu tối ưu Biện pháp này không chỉ chống lại pha đinh mà còn tận dụng được nó.
Cơ sở lý thuyết công nghệ CDMA
Mở đầu
Quản lý việc sử dụng phổ tần là một nhiệm vụ phức tạp do sự đa dạng của các dịch vụ và công nghệ Trước đây, vấn đề này được giải quyết bằng cách cấp phát băng tần cho các dịch vụ như thông tin quảng bá, di động, nghiệp dư, dịch vụ vệ tinh, và thông tin hàng không Gần đây, một phương pháp mới đã xuất hiện, cho phép một số phương pháp điều chế sử dụng chung tần số mà không gây nhiễu đáng kể, được gọi là điều chế trải phổ (SS - Spread Spectrum) Phương pháp này đặc biệt hiệu quả khi kết hợp với kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo mã (CDMA - Code Division Multiple Access).
Access ) còn được gọi là kỹ thuật đa thâm nhập trải phổ ( SSMA – Spread Spectrum Multiple Access ).
Tính thương phẩm của trải phổ đang thu hút sự chú ý lớn, với nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực như mạng thông tin cá nhân (PCN), mạng vùng nội hạt vô tuyến (WLAN), tổng đài nhánh tư nhân vô tuyến (WPBX), hệ thống theo dõi kiểm kê vô tuyến, hệ thống báo hiệu cho tòa nhà và hệ thống định vị toàn cầu (GPS).
Kỹ thuật trải phổ
Trong các hệ thống thông tin truyền thống, độ rộng băng tần là yếu tố quan trọng, và các hệ thống này được thiết kế để sử dụng băng tần một cách tiết kiệm Ngược lại, trong hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần của tín hiệu thường được mở rộng hàng trăm lần trước khi phát Khi chỉ có một người sử dụng trong băng tần trải phổ, việc sử dụng băng tần này không hiệu quả Tuy nhiên, trong môi trường nhiều người sử dụng, họ có thể chia sẻ cùng một băng tần trải phổ, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn mà vẫn giữ được các lợi ích của công nghệ trải phổ.
Hình 2 Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số có trải phổ
( Cấu hình hệ thống mặt đất và vệ tinh ) Điều chế trải phổ có rất nhiều tính năng hấp dẫn Các tính năng hấp dẫn nhất là :
Chống lại các nhiễu cố tình hoặc vô tình , đây là một tính năng quan trọng cho thông tin ở các vùng bị ứ nghẽn như ở các thành phố
Có khả năng loại trừ hay giảm bớt ảnh hưởng của truyền sóng nhiều tia gây trở ngại rất lớn trong thông tin đô thị
Có khả năng sử dụng chung băng tần ( chống lấn ) với người sử dụng khác nhờ các đặc trưng tín hiệu giống tạp âm của nó
Được phép hoạt động không cần giấy phép ở ba lĩnh vực : công nghiệp, khoa học và y tế với công suất đến 1W ở các băng tần sau : 902 –
928 MHz ; 2,4 – 2,4835GHz và 5,725 – 5,85 GHz (theo tiêu chuẩn của FCC ).
Có thể sử dụng cho thông tin vệ tinh được cấp phép ở chế độ CDMA.
Đảm bảo mức độ tư hữu nhất định nhờ sử dụng các mã trải phổ giả ngẫu nhiên nên khó bắt trộm tín hiệu
Tóm lại, một hệ thống được gọi là trải phổ nếu :
Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rông băng tần tối thiểu cần thiết để phát thông tin
Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu.
Có ba kiểu hệ thống thông tin trải phổ cơ bản :
- Trải phổ chuỗi trực tiếp ( DS/SS – Direct Sequence Spread Spectrum)
- Trải phổ nhảy tần ( FH/SS – Frequency Hopping Spread Spectrum)
- Trải phổ dịch thời thời gian ( TH/SS – Time Hopping Spread Spectrum )
Và các hệ thống lai ghép Hybrid
2.2.1 Hệ thống trải phổ trực tiếp (DS/SS)
Hệ thống DS/SS đạt được trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với tín hiệu giả ngẫu nhiên, cho phép nhiều người dùng chia sẻ băng tần và phát tín hiệu đồng thời Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên để tách tín hiệu mong muốn thông qua giải trải phổ Đây là một trong những hệ thống phổ biến nhất trong thông tin trải phổ, với thiết kế tương đối đơn giản, không yêu cầu tính ổn định nhanh hay tốc độ tổng hợp tần số cao.
Hệ thống DS/SS sử dụng hai loại khóa chuyển pha chính là BPSK (Binary Phase Shift Keying) và QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) cho các máy phát và máy thu Trong đó, các hệ thống DS/SS – BPSK đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin hiệu quả.
Máy phát DS/SS – BPSK
Sơ đồ khối máy phát DS/SS sử dụng BPSK cho phép biểu diễn dữ liệu dưới dạng các giá trị ±1, với công thức b(t) = ∑ bk ∏T (t – kT), trong đó bk = ±1 là bit dữ liệu thứ k và T là độ rộng của một bit Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng tín hiệu PN, c(t), thông qua phép nhân hai tín hiệu Tín hiệu nhận được b(t).c(t) sau đó được điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, tạo ra tín hiệu DS/SS – BPSK theo công thức s(t) = Ab(T) c(t) cos(πfct + θ), với A là biên độ, fc là tần số sóng mang và θ là pha của sóng mang.
Trong nhiều ứng dụng, một bit tin nhắn được truyền trong một chu kỳ của tín hiệu PN, với T = NTc Ở hình 3, khi N = 7, tích của b(t) và c(t) tạo ra một tín hiệu cơ số hai có biên độ ±1, cùng tần số với tín hiệu PN Tín hiệu DS/SS – BPSK nhận được được thể hiện ở đồ thị cuối cùng của hình 3.
Hình 3 Sơ đồ khối máy phát DS/SS – BPSK
Máy thu DS/SS – BPSK
Máy thu DS/SS – BPSK, như được mô tả trong hình 4, có chức năng trích xuất bản tin b(t) (số liệu {bi}) từ tín hiệu thu được, bao gồm tín hiệu phát và tạp âm Tín hiệu thu nhận có sự ảnh hưởng của trễ truyền lan $\tau$, dẫn đến sự biến đổi trong quá trình thu nhận.
Trong quá trình khôi phục bản tin, ta giả định rằng không có tạp âm n(t) từ kênh và đầu vào máy thu Đầu tiên, tín hiệu thu được trải phổ để giảm băng tần rộng và băng tần hẹp Sau đó, tín hiệu này được giải điều chế để lấy lại tín hiệu băng gốc Để thực hiện việc trải phổ, tín hiệu thu được được nhân với tín hiệu đồng bộ PN c(t - ) tạo ra ở máy thu, dẫn đến biểu thức: \[w(t) = Ab(t - \tau)c^2(t - \tau)\cos(2\pi f_c + \theta') = Ab(t - \tau)\cos(2\pi f_c + \theta')\]
Tín hiệu c(t) có giá trị bằng ±1, với pha được điều chỉnh là ’ = - 2fc Tín hiệu nhận được là tín hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần 2/T Để thực hiện giải điều chế, giả thiết rằng máy thu đã biết pha ’ (cùng với tần số fc) và điểm khởi đầu của từng bit Bộ giải điều chế BPSK bao gồm một bộ tương quan (Correlator) và một thiết bị đánh giá ngưỡng Để tách bit số liệu thứ i, bộ tương quan sẽ thực hiện các phép tính cần thiết.
Hình 4 Sơ đồ khối của máy thu DS/SS - BPSK zi = ti ti + T w(t) cos( 2fct + ’) = ti ti + T b(t - )cos 2 (2fc + ’)dt
Kết quả của tích phân được tính là \$z_i = \frac{AT}{2}\$ hoặc \$-\frac{AT}{2}\$ Khi đưa kết quả này qua thiết bị đánh giá ngưỡng với ngưỡng 0, ta nhận được đầu ra cơ số hai, tương ứng với 1 (logic "1") hoặc -1 (logic "0") Tuy nhiên, thành phần tín hiệu \$\pm \frac{AT}{2}\$ và đầu ra của bộ tích phân cũng chứa thành phần tạp âm, có thể dẫn đến lỗi Lưu ý rằng thứ tự giữa nhân tín hiệu và nhân sóng mang có thể hoán đổi mà không làm thay đổi kết quả.
Tín hiệu PN là mã đã được xác định trước cho cả máy phát và máy thu chủ định, cho phép máy thu chủ động trải phổ tín hiệu SS để nhận bản tin Ngược lại, máy thu không chủ định không biết mã, do đó không thể giải mã bản tin và chỉ nhận được tín hiệu ngẫu nhiên ±1 trong các điều kiện bình thường.
Giả thiết rằng máy thu đã biết trước một số thông số như $\tau$, $t_i$, $\theta'$, và $f_c$ Thông thường, máy thu có thể xác định tần số mang $f_c$ thông qua một bộ dao động nội Quá trình nhận được $\tau$ được gọi là quá trình đồng bộ, thường được thực hiện qua hai bước: bắt và bám Trong khi đó, quá trình nhận được $t_i$ được gọi là quá trình khôi phục đồng hồ (định thời).
Quá trình khôi phục sóng mang, hay còn gọi là Symbol Timing Recovery (STR), là một bước quan trọng trong việc nhận tín hiệu ở các máy thu thông tin số liệu đồng bộ Việc khôi phục sóng mang và đồng hồ là cần thiết để đảm bảo tính chính xác trong việc nhận diện ký hiệu Khi tỷ lệ T/Tc (chu kỳ của chuỗi PN) được xác định, định thời của ký hiệu có thể được nhận biết khi đã biết giá trị của .
Mật độ phổ công suất PSD
Xét mật độ phổ công xuất PSD ( Power Spectral Density ) của các tín hiệu ở các điểm khác nhau trong máy phát và máy thu
Mô hình tín hiệu PN và bản tin được xem như các tín hiệu cơ số 2 ngẫu nhiên, trong đó mỗi bit hoặc chip có thể nhận giá trị +1 hoặc -1 với xác suất đồng đều Bản tin có biên độ ±1 và tốc độ bit là 1/T bit/s, với phổ công suất (PSD) tương ứng.
b (f) = Tsinc 2 (fT) có độ rộng băng tần 1/T Hz ; còn tín hiệu PN (với biên độ ±1) có tốc độ chíp 1/Tc và PSD là :
Hàm phổ của tín hiệu b(t) kết hợp với chip c(t) được biểu diễn bởi công thức \$\Phi_{bc}(f) = T_c \text{Sinc}^2(fT_c)\$, với độ rộng băng tần là \$\frac{1}{T}\$ Hz Do \$\frac{T}{T_c}\$ là một số nguyên và sự khởi đầu của mỗi bit b(t) trùng với khởi đầu của chip c(t), điều này dẫn đến PSD của tích b(t) và c(t) như đã nêu.
Độ rộng băng tần của tín hiệu s(t) là 1/Tc Hz, tương tự như độ rộng băng tần của c(t) Quá trình trải phổ làm tăng độ rộng băng tần lên N lần, với giá trị N thường rất lớn Điều chế sóng mang chuyển đổi tín hiệu băng gốc b(t) và c(t) thành tín hiệu băng thông s(t), có mật độ phổ công suất (PSD) tương ứng.