Qua quá trình nghiên cứu, thử nghiệm đã chứng tỏ được nhiều ưu điểm của hệ thống thông tin trải phổ, đó là tính chống nhiễu cao, giảm được mật độ năng lượng, tăng độ phân giải theo thời
TOÅNG QUAN VEÀ COÂNG NGHEÄ OFDM
TOÅNG QUAN VEÀ COÂNG NGHEÄ CDMA
Kỹ thuật trải phổ ban đầu được áp dụng trong lĩnh vực quân sự với hai mục đích chính: chống nhiễu và bảo mật thông tin Việc trải phổ tín hiệu giúp làm cho nó gần như không thể phân biệt với nền nhiễu Đến những năm 90, khi các kỹ thuật FDM và TDM đã đạt giới hạn băng thông, nhiều nhà sản xuất thiết bị đã nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật trải phổ Qua quá trình nghiên cứu và thử nghiệm, hệ thống thông tin trải phổ đã chứng minh nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng chống nhiễu cao, giảm mật độ năng lượng và tăng độ phân giải theo thời gian.
Các ứng dụng trải phổ được phân thành những phạm vi ứng dụng khác nhau với những ưu điểm chính như sau:
– Khả năng chịu đựng cao đối với nhiễu cố ý hoặc không cố ý, khả năng chống nhiễu tỷ lệ với hệ số trải phổ
– Sự xác định vị trí (định vị) và ước lượng vận tốc với độ chính xác tăng tỷ lệ với băng tần trải phổ
– Khả năng tín hiệu bị phát hiện bởi máy thu không chủ định thấp, khả năng này giảm khi hệ thống trải phổ tăng
Khả năng truy cập thông tin cho nhiều người dùng đồng thời trong một khu vực địa lý liên quan đến việc chia sẻ băng tần, tỷ lệ với hệ số trải phổ Để đánh giá tác động của tạp âm đến chất lượng hệ thống thông tin, hai tham số quan trọng thường được sử dụng là tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) và xác suất lỗi (PE) Tỷ số S/N là yếu tố then chốt trong các hệ thống thông tin tương tự, trong khi xác suất lỗi là chỉ số quan trọng đối với các hệ thống thông tin số Việc đo lường và cải thiện các tham số này là cần thiết để đảm bảo chất lượng tín hiệu Các nghiên cứu trong lý thuyết thông tin đã chỉ ra tầm quan trọng của những yếu tố này.
Để cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N), việc tăng công suất tín hiệu là một biện pháp hiệu quả Tuy nhiên, biện pháp này bị giới hạn bởi các quy định quốc tế nhằm bảo vệ các hệ thống khác Hơn nữa, nó còn phụ thuộc vào khả năng kỹ thuật và công nghệ chế tạo thiết bị.
Tăng độ dài tín hiệu giúp kéo dài thời gian hoạt động của hệ thống thông tin, từ đó cải thiện tỷ số S/N Tuy nhiên, biện pháp này đi kèm với việc giảm đáng kể tốc độ truyền tin.
Biện pháp trải rộng phổ tín hiệu được áp dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin nhằm giảm nhiễu và cải thiện tỷ số S/N Quá trình này bắt đầu từ việc sử dụng mã trải phổ có băng thông lớn để điều chế thông tin cần truyền, dẫn đến tín hiệu phát ra có băng thông rộng tương đương với mã trải phổ Tại đầu thu, tín hiệu này sẽ bị nhiễu, và để tách tín hiệu mang thông tin ra khỏi nhiễu, ta sử dụng bản sao của mã trải phổ để giải điều chế Quá trình giải điều chế tín hiệu mang thông tin thực chất là nén phổ, trong khi các tín hiệu không mong muốn (nhiễu) sẽ trải rộng phổ Kết quả là mật độ phổ của tín hiệu cần thu sẽ tăng lên, trong khi mật độ phổ của nhiễu giảm đi Cuối cùng, bộ lọc được sử dụng để loại bỏ nhiễu và tách tín hiệu hữu ích, giúp thu được thông tin mong muốn nhờ vào quá trình trải rộng phổ.
Hệ thống trải phổ với mã trải phổ độc lập cho từng người sử dụng cho phép truyền thông tin hiệu quả trong môi trường có tạp âm và nhiễu lớn Trong bối cảnh này, tín hiệu của các người sử dụng khác được xem như là nhiễu đối với một người dùng cụ thể.
Một hệ thống được định nghĩa là hệ thống thông tin trải phổ nếu nó thỏa
1.1 : Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang
Một số khái niệm cơ bản của hệ thống trải phổ
I.1.1 Băng thông của tín hiệu trải phổ
Dung lượng lý thuyết của mỗi một kênh thông tin được xác định bởi công thức dung lượng Shannon:
Trong đó: Bω : băng thông (Hz) C: dung lượng kênh (bít/s)
S: công suất tín hiệu N: Công suất tạp âm Công thức trên cho thấy sự liên quan giữa dung lượng lý thuyết của một kênh truyền thông tin không bị lỗi với một tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) cho
Công thức (1.1) có thể được viết lại như sau:
Với giả thiết rằng tỷ số S/N là nhỏ (ví dụ S/N ≤ 0,1) ta có thể lược bỏ các thành phần bậc cao để có thể tính gần đúng như sau:
Với một tỷ số S/N cho trước chúng ta có thể đạt được một tỷ số lỗi tin tức thấp bằng cách tăng băng thông dùng để truyền thông tin
Nếu chúng ta muốn thiết lập một hệ thống khai thác trên tuyến với tốc độ truyền tin là 10 kbps và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) là 0,01, thì băng thông cần sử dụng sẽ là: kHz.
Dữ liệu có thể được điều chế thành tín hiệu trải phổ thông qua nhiều phương pháp, trong đó phương pháp phổ biến nhất là kết hợp dữ liệu với mã trải phổ trước khi sử dụng để điều chế sóng mang.
I.1.2 Hàm tự tương qua (Autocorreclation)
Hàm tự tương quan của một tín hiệu x (t) được định nghĩa như sau:
Sự tương quan thể hiện mức độ phù hợp giữa một dãy và bản sao của nó khi được dịch một khoảng τ Đồ thị cho thấy số lượng các tương đồng trừ đi số lượng các khác biệt trong toàn bộ độ dài của hai dãy có pha dịch τ, từ đó phản ánh độ tự tương quan.
Nếu x(t) là xung tuần hoàn đại diện cho một dãy PN, mỗi xung cơ sở được coi là ký hiệu của dãy PN, tương ứng với một chip Với dãy PN có chu kỳ T0 = 2^n - 1 chip, hàm tự tương quan chuẩn hóa được biểu diễn như sau:
Trong một chu kỳ của dãy, Agreements đại diện cho số lượng các tương đồng, trong khi Disagreements thể hiện số lượng các khác biệt khi có sự dịch chuyển vị trí của dãy.
Hàm tự tương quan chuẩn hóa Rx(τ) của dạng sóng tuần hoàn x(τ) với chu kỳ T0 được tính như sau:
I.1.3 Tửụng quan cheựo (Cross – Correlation)
Hàm tương quan chéo giữa hai tín hiệu x(t) và y(t) được định nghĩa là sự tương quan giữa hai tín hiệu khác nhau x(t) và y(t) và được tính như sau:
Một bộ phát thứ j truyền một ký hiệu đơn sj (0 hoặc 1) qua môi trường chia sẻ Để thực hiện điều này, bộ phát sử dụng một khóa là hàm thời gian φj (t) có chu kỳ bằng khoảng thời gian ký hiệu Thay vì gửi sj trực tiếp, bộ phát gửi tín hiệu ej (t) = sj φj (t).
Nếu có nhiều tín hiệu như ej (t) được gửi đi từ nhiều bộ phát khác nhau thì tín hiệu tổng sẽ là:
Để chỉ nhận tín hiệu \$e_j(t)\$ và loại bỏ các tín hiệu khác, bộ thu sẽ sử dụng khóa \$\phi_j(t)\$ để tương quan với tín hiệu tổng thu được \$e(t)\$ Điều này có nghĩa là bộ thu sẽ thực hiện quá trình giải mã theo cách này.
Sau khi giải mã, nhờ tính trực giao như đã nêu trên, ta sẽ thu được tín hiệu nguyên thủy như bộ phát j phát đi (s * j = sj)
Các hàm trực giao giúp tối ưu hóa băng thông trong hệ thống trải phổ Mỗi người dùng sẽ sử dụng một phần của tập hợp các hàm trực giao, đại diện cho dãy ký hiệu dùng trong truyền dẫn Trong số nhiều dãy có thể tạo ra hàm trực giao, dãy Walsh và dãy Hadamard thường được ưa chuộng để tạo ra các tập hữu ích cho CDMA.
I.1.5 Mã trải phổ (PN – Pseudo – noise sequences) a Chức năng nhiệm vụ của dãy PN :
Trong các hệ thống CDMA, các dãy tạp âm giả ngẫu nhiên được sử dụng để thực hiện các việc sau :
Trải phổ tín hiệu giúp điều chế tín hiệu thành dạng có băng thông lớn hơn băng thông nguyên thủy, cho phép phân biệt các tín hiệu của người sử dụng khác nhau khi cùng sử dụng một băng thông truyền dẫn trong hệ thống đa truy nhập.
Các nhiệm vụ chủ yếu của dãy PN sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến trải phổ :
Trải băng tần của tín hiệu điều chế thành băng tần phát có độ rộng lớn hơn Tín hiệu qua trải phổ phải có dạng tạp âm băng rộng
Phân biệt tín hiệu của các người sử dụng khác nhau nhưng cùng sử dụng một băng tần truyền dẫn trong một hệ thống đa truy nhập
Dãy giả ngẫu nhiên (Pseudo Random) là một chuỗi số liệu có tính tuần hoàn và lặp lại với chu kỳ rất lớn Đối với các đối tác, dãy này hoàn toàn xác định, nhưng với người lạ, việc truy cập vào một điểm bất kỳ sẽ không thể dự đoán được diễn biến Để đáp ứng các yêu cầu, dãy PN cần có những đặc tính tương quan đặc biệt.
Hàm tự tương quan Ra(τ) là công cụ dùng để đánh giá mức độ tương quan giữa một tín hiệu f(t) và bản sao của nó khi dịch chuyển theo thời gian τ giây.
– Tương quan chéo : Rc (t) được định nghĩa bằng sự tương quan giữa hai tín hiệu khác nhau f (t) và g(t) :
Tự tương quan và tương quan chéo của dãy mã được xác định thông qua hiệu A-D (A: Agreegment, D: Disagreement) khi so sánh từng bit cho mọi sự dịch chuyển τ khác nhau Để đảm bảo trải phổ và chiếm giữ băng tần phát đồng nhất, công suất của dãy đơn cần tương tự như tạp âm Gaussian trắng Hình 1.2 (a) minh họa cách tạo ra một dãy nhị phân ngẫu nhiên thực với các đặc tính cơ bản.
– Tần suất tương đối của "0" và "1" là 1/2
– Độ dài chạy bằng 1 có xác suất 1/2, độ dài chạy bằng 2 có xác suất 1/4, , độ dài chạy bằng n có xác suất 1/2 n
– Nếu dãy ngẫu nhiên được dịch đi bất kỳ một số khác không số phân tử, dãy mới sẽ có giá trị tương quan với dãy gốc bằng 0
Một dãy nhị phân được gọi là dãy giả nhiễu nếu nó có các tính chất tương tự như ba tính chất cơ bản và đáp ứng yêu cầu trải phổ thông tin.
Mật độ phổ công suất của dạng sóng nhị phân ngẫu nhiên được xác định thông qua hàm tự tương quan của chuỗi nhị phân ngẫu nhiên thực Bộ tạo chuỗi nhị phân ngẫu nhiên thực đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các chuỗi này.
Flip Flop Clock Tách ngưỡng
Nguồn tạp âm FFGaussian traéng(AWGN)
Kỹ thuật trải phổ
Hệ thống thông tin trải phổ có những đặc điểm nổi bật so với các hệ thống thông tin khác, bao gồm khối trải phổ và khối giải trải phổ Ngoài ra, khối đa truy nhập đảm nhận chức năng đa truy nhập cho mạng, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Các bit nguồn vào Các bit kênh
Hình 1.2.4 : Sơ đồ khối hệ thống thông tin trải phổ I.2.1 Kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS)
Hệ thống trải phổ sử dụng dãy mã trải phổ trực tiếp để trải phổ tín hiệu, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin trải phổ Ưu điểm của loại hệ thống này là cấu trúc đơn giản, không yêu cầu tính ổn định cao hay tốc độ tổng hợp tần số nhanh.
Băng trải phổ của sóng điều chế dãy trực tiếp chỉ đạt vài trăm MHz, với năng lượng phổ chiếm 90% trong dãy chính và 99% khi bao gồm hai dãy phụ Những ứng dụng cụ thể của công nghệ này bao gồm các hệ thống thông tin di động, đo cự ly chính xác, đo khoảng cách, và đa truy nhập theo mã CDMA.
I.2.1.1 Đặc tính phổ của tín hiệu DS/SS phổ Dãy phổ phụ thứ nhất rộng bằng tốc độ nhịp Rc của mã Nghĩa là nếu dãy mã của sóng đã điều chế có tốc độ hoạt động là 5Mc/s (chíp/s) thì độ rộng băng của dải phổ trung tâm là 10 Mhz và mỗi bên có độ rộng băng là 5 Mhz f
Hình I.2.1.1.1 :Đặt tính phổ của tín hiệu
Công thức mật độ công suất:
Công suất phát (P) và tốc độ chip mã (Rc) là các yếu tố quan trọng trong việc xác định tần số sóng ngang (f0) Mật độ phổ (SSB) của tín hiệu ngẫu nhiên hóa, đặc biệt là trong hệ thống DS, đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn.
I.2.1.2 Trải phổ dãy trực tiếp BPSK (DS/BPSK)
Dạng đơn giản nhất của dãy trực tiếp là sử dụng kỹ thuật điều chế dịch pha nhị phân (BPSK) như một phương pháp điều chế giải phổ.
A= Gọi P là công suất của sóng mang, do P = Ams nên ta có: A = 2P và biểu thức sóng mang được viết lại là: S(t) = 2P Cosω0 t
Các tín hiệu điều chế dịch pha đều có dạng:
Trong đó: θ0 (t): pha của sóng mang bị điều chế bởi dữ liệu
Ts: là độ rộng một chíp (1 ký hiệu) của số liệu d(t)
Trước khi trải phổ, bề rộng phổ của tín hiệu dao động từ 0,5 đến 2 lần tốc độ dòng dữ liệu, tùy thuộc vào đặc điểm của điều chế Kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp sử dụng BPSK với mã trải phổ c(t) có dạng xung NRZ và các giá trị mức bằng ± 1 Tốc độ dòng mã gấp N lần tốc độ dữ liệu, dẫn đến tín hiệu S(t) phát đi có dạng đặc trưng.
Như vậy pha của sóng mang bây giờ gồm có hai thành phần :
+ θd(t) phụ thuộc vào dữ liệu
+ θc (t) phụ thuộc vào mã trải phổ c(t)
Sơ đồ điều chế được xây dựng trên cơ sở của phương trình (I.2.1.2.3) như sau :
Bộ điều chế mã BPSK
Bộ điều chế dữ liệu PSK
Hình I.2.1.2.1 : Sơ đồ điều chế trải phổ BPSK
Do dãy ngẫu nhiên c(t) có dạng xung NRZ có các giá trị mức ± 1 nên d(t)
Kỹ thuật điều chế BPSK thực hiện trải phổ đơn giản bằng cách nhân tín hiệu sóng mang đã được điều chế với mã trải phổ c(t) Bộ điều chế mã BPSK được thay thế bằng bộ nhân, tạo ra sơ đồ bộ điều chế mới.
Hình I.2.1.2.2 : Sơ đồ điều chế trải phổ BPSK với mạch nhân
Tín hiệu phát đi St (t) bây giờ có thể viết gọn lại như sau :
Vì c(t) có các giá trị mức là ±1, nên c 2 (t) = 1 Do đó :
Bộ giải điều cheá BPSK Bộ lọc thông d(t) dãy
Bước đầu tiên là giải điều chế tín hiệu thu được bằng mã trải phổ có sẵn tại phía thu Quá trình này được gọi là nén phổ, và sau khi thực hiện, tín hiệu đầu ra của bộ trộn nén phổ sẽ được tạo ra.
Trong đó : T ∧ d l à thời gian trễ truyền dẫn do máy thu đánh giá Nếu như Td
= T ∧ d có nghĩa là mã trải phổ ở máy thu được đồng bộ chính xác với mã trải phổ phía máy phát thì : c(t – Td).c (t - T ∧ d ) = c 2 (t – Td) = 1
Nếu không tính tới góc pha ngẫu nhiên φ thì tín hiệu lối ra bộ nén phổ sẽ là :
Ta có thể nhận xét rằng S * r (t) chính là Sr(t) nhưng bị trễ đi khoảng thời gian bằng trễ truyền dẫn Thay đổi
– Bước 2 : tín hiệu lối ra trên bộ nén phổ S * r (t) được đưa tới bộ giải điều chế pha thông thường để tách trở lại dòng dữ liệu ban đầu
Trong trường hợp này, chỉ có lần điều chế thứ hai (điều chế trải phổ) thay đổi góc pha của sóng mang đúng 180 độ, trong khi lần điều chế thứ nhất là điều chế pha số thông thường Tuy nhiên, trong thực tế, thường sử dụng cùng kiểu điều chế BPSK cho cả hai bước điều chế.
Khi áp dụng kỹ thuật điều chế BSPK, dịch pha giữa các sóng mang lân cận là π, dẫn đến các tín hiệu điều chế có dạng nhị phân với sự thay đổi pha.
Trong điều chế BPSK, ký hiệu điều chế được thay thế bằng một bít, với Ts = Tb Dãy bit dữ liệu độc lập, d(t), nhận các giá trị ±1 Do đó, biểu thức (I.2.1.2.8) có thể được viết lại dưới dạng: \( t \cos(c \cdot d(t) \cdot P) \).
Quá trình điều chế hai lần đã được thay thế bằng một quá trình điều chế duy nhất, trong đó mã phổ c(t) được nhân với dãy dữ liệu d(t) Bộ điều chế được xây dựng dựa trên phương trình (I.2.1.2.10).
Hình I.2.1.2.4 : Sơ đồ khối bộ điều chế trải phổ hai bước điều chế BPSK
Theo sơ đồ, dòng dữ liệu \$d(t)\$ được nhân với phổ \$c(t)\$ và sau đó tích hợp để điều chế sóng mang Nếu cả dòng xung dữ liệu và dòng xung mã trải phổ đều là xung RZ, ta có thể áp dụng bảng quy đổi tương ứng.
Bước đầu tiên trong quá trình điều chế dãy trực tiếp BPSK được thực hiện bằng cách cộng module-2 giữa dữ liệu d(t) và mã trải phổ c(t).
Giá trị xung NRZ Giá trị dòng xung RZ
2.2.2.1 Hệ thống trải phổ nhảy tần chậm
Giả sử xét với hệ thống trải phổ nhảy tần chậm dùng 2 FSK để điều chế dữ liệu trước khi trải phổ
Hình I.2.2.2.1.1 : Quá trình nhảy tần chậm
Trong dãy tín hiệu được trình bày, có 8 tần số nhảy xuất hiện, với giả định độ rộng băng trải phổ là Wss, chiếm toàn bộ băng trải phổ.
Bộ tạo mã trải phổ PN cần tạo ra từ tần số điều khiển của bộ tổng hợp tần số để thực hiện 8 bước nhảy trên băng WSS Các bit mã trải phổ được hiển thị ở dưới cùng của hình vẽ Thời gian chip Tc trong trường hợp này tương đương với thời gian bit dữ liệu Tb và cũng bằng thời gian một bit mã trải phổ c(t) Mỗi bước nhảy bị giới hạn trong 3 bit (3 chip), với thời gian ký hiệu tương ứng bằng thời gian chip.
H = (với n là số nguyên dương lớn)
Hệ thống này có tỷ số RH/RS cho thấy nó là một hệ thống trải phổ nhảy tần chậm, với thời gian tồn tại một bước nhảy gấp ba lần thời gian ký hiệu (TH = 3TS).
2.2.2.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh
Hệ thống BFSK kết hợp nhảy tần được minh họa trong hình I.2.2.2.2.1 Đường nét đứt biểu thị tần số trung tâm của dữ liệu, trong khi đường liền nét thể hiện các tần số nhảy đến trong quá trình nhảy tần Cụ thể, khi là tone 1, tần số sẽ cao hơn f0, và khi là tone 0, tần số sẽ thấp hơn f0.
Trong hình vẽ, trong khoảng thời gian của 1 bit dữ liệu (tone0 và tone1), có 4 bước nhảy được thực hiện Các tần số phát trong thời gian này bao gồm 4 tần số nhảy, được biểu diễn bằng đường liền nét Những tần số này được điều khiển bởi mã trải phổ PN, giúp bộ tổng hợp tần số tạo ra Thời gian chip ở đây chính là thời gian của một bước nhảy TH.
Hình I.2.2.2.2.1 : Quá trình nhảy tần nhanh
Tỷ số RH/RS cho thấy hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh, mang lại ưu điểm là tạo ra nhiều bước nhảy trong thời gian truyền một ký hiệu Mỗi bước nhảy chứa thông tin dữ liệu, giúp tín hiệu phát đi được bảo vệ vững chắc Đây là một trong những ý nghĩa quan trọng của phương pháp trải phổ sử dụng nhảy tần nhanh.
2.2.2.3 Phổ của tín hiệu trải phổ nhảy tần
Phổ FH lý tưởng trong chu kỳ nhảy có dạng vuông và phân bố đều trong các kênh tần số Trong thực tế, trong một chu kỳ nhảy tần, phổ tín hiệu nhảy tần mang đặc tính của sóng mang được điều chế bởi dữ liệu với tốc độ cao.
Rb vì thế chiếm băng tần b có độ rộng xấp xỉ tốc độ bit dữ liệu Rb
Hình ảnh phổ FH tương tự như phổ của một chu kỳ nhảy tần dịch chuyển trong toàn bộ băng trải phổ, với N là tập hợp các bước nhảy được chọn, trong đó N thuộc {2, l} Phổ FH của bước nhảy i được mô tả như sau:
Nếu gọi độ rộng băng tần của một bước nhảy tần là b thì b ≈ Wmin = Rb Với
Wmin là băng thông tối thiểu cần thiết cho dữ liệu Khi có N bước nhảy với phổ độ rộng b, phổ chung của tín hiệu FH sẽ có độ rộng B Hệ số trải phổ được tính bằng công thức Gb = B/b, phản ánh độ tăng ích xử lý của hệ thống FH so với các kênh lân cận Trong trường hợp không có kênh lân cận, ta có B = N.b, dẫn đến Gp = N.
Khi tần số B đạt vài GHz, giá trị Gp trở nên rất lớn Thực tế, số lượng tần số nhảy được sử dụng (N) có thể lên đến hàng ngàn Để tránh hiện tượng giao thoa, cần đảm bảo sự trực giao giữa các bước nhảy liền kề.
Hình I.2.2.2.3.1 : Phổ của tín hiệu trải phổ
N tone (thời gian dài) fHi fHi f fHi+1 f b
2.2.2.4 Trải phổ nhảy tần chậm tách sóng liên kết
Trong các phần trước, chúng tôi đã giải thích rằng chỉ hệ thống trải phổ nhảy tần chậm mới có thể áp dụng kiểu tách sóng liên kết để đảm bảo liên kết pha chính xác giữa dao động phát và thu, từ đó phục hồi dữ liệu hiệu quả Kiểu trải phổ này mang lại ưu điểm là tỷ lệ lỗi thấp hơn Đầu ra của bộ tổng hợp tần số là tín hiệu nhảy tần giả ngẫu nhiên ở phía phát.
Hàm xung biên độ đơn vị p(t - nTc) thể hiện độ rộng xung nhảy tần Tc, tương ứng với thời gian tồn tại của tone Tần số góc ωn của tone nhảy thứ n nằm trong khoảng từ -∞ đến +∞.
∝; ϕn là góc pha của tone nhảy thứ n (được xác định lại ở phía thu để thực hiện giải điều chế nhất quán (coherent)
Bộ tổng hợp taàn soá thu
Bộ giải điều chế dữ liệu
S d (t) Bộ lọc baêng cao d(t) Bộ điều chế dữ liệu
Bộ tổng hợp tần số phát
Hình I.2.2.2.4 :Hệ thống nhảy tần chậm – tách sóng liên kết
Từ sơ đồ thấy sóng nhảy tần phát đi là do Sd (t) và hT(t) nhân với nhau và qua bộ lọc tần số cao đưa ra anten
St (f) = Sd (f) × Sh (f) Với Sd (f) là mật độ phổ công suất sóng mang điều chế bởi dữ liệu
Sn(f) là mật độ phổ công suất của sóng mang nhảy tần hT(t)
Và phổ St(f) chính là phổ Sd(f) dịch chuyển đến các tần số ωn
Chú ý rằng phổ công suất St(f) chỉ được xác định khi hàm T(t) có chu kỳ đủ lớn và tuần hoàn như một dãy tuần hoàn ngẫu nhiên.
Sd(t) và hT(t) độc lập nhau Các tần số nhảy fn đảm bảo điều kiện trực giao
Trong quá trình giải điều chế ở phía thu, các góc pha của tần số nhảy thứ n được phát hiện và hồi phục Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc làm chuẩn cho tách sóng liên kết cũng như pha của sóng mang tín hiệu.
2.2.2.5 Trải phổ nhảy tần kiểu không liên kết
Sơ đồ khối hệ thống tương tự sơ đồ hình I.2.2.1.1, nhưng chú ý rằng giải điều chế MFSK là giải điều chế không liên kết:
Keânh truyeàn dẫn Máy thu
Bộ Giải điều d(t) cheá MFSK
Tạo mã PN ẹieàu cheỏ nhảy tần d(t) Bộ điều chế
Hình I.2.2.2.5.1 : FH/MFSK khoâng lieân keát
Phần máy thu có thể vẽ chi tiết hơn như sau: tone Lọc Tách sóng đường bao Xén N Chip Σ 1 Z 1
Tách sóng Xén đường bao tone Lọc tone Lọc Tách sóng đường bao Xén N Chip Σ 1 Z 3
Tách sóng Xén đường bao tone Lọc Bộ q uyế t đị nh tr ạn g th ỏi ( C ho ùn Ma x Z i )
Hình I.2.2.2.5.2 : Máy thu FH/MFSK không liên kết
Bộ lọc thấp: có độ rộng băng vừa đủ chỗ sóng mang được điều chế bởi dữ liệu W d qua, các thành phần khách bị gạt bỏ
Bộ cộng N chip tích lũy năng lượng cho 1 đến N chip của mỗi tone MFSK qua các tone nhảy tần mang nó
Bộ xén trong mỗi nhánh tách sóng là để cắt bỏ thành phần nhiễu cố ý hoặc loại tạp ẩm nhiễu không tiên đoán trước được
Bộ tách sóng đường bao theo sau mỗi bộ lọc tone
Các bộ lọc tone tạo ra các tone MFSK Như vậy có M bộ lọc tương ứng với
M trạng thái được điều chế của dữ liệu
Bề rộng băng thông của bộ lọc tone xác định trong điều kiện thỏa mãn sự trực giao giữa các tone điều chế, tức là: Wloc tone ≅
Số bit nhị phân trong ký hiệu điều chế MFSK được xác định bởi K = log2M Bộ quyết định trạng thái hoạt động dựa trên cơ chế chọn cực đại giữa các phần tử Zi (i = 1, … , M) Khi Zimax được chọn, ký hiệu ra St(t) sẽ là ký hiệu được phát trong khoảng thời gian đó, từ đó dữ liệu được lấy ra.
Việc tách sóng dữ liệu trong tín hiệu điều chế MFSK không cần sử dụng sóng mang khôi phục (f0) và mạch điện không có bộ khôi phục sóng mang và định thời, điều này giúp đơn giản hóa mạch Đây là một trong những ưu điểm nổi bật của sơ đồ không liên kết (non coherent) Kỹ thuật trải phổ nhảy tần của tín hiệu được thực hiện bằng cách nhảy tần theo quy luật giả ngẫu nhiên.
Phần này chủ yếu trình bày hai kiểu trải phổ DS/SS và FH/SS, bao gồm sơ đồ khối hệ thống, quá trình điều chế tín hiệu ở máy phát và giải điều chế ở máy thu Điều chế trải phổ dãy trực tiếp thường đi kèm với điều chế khóa dịch pha dữ liệu, trong khi trải phổ nhảy tần thường kết hợp với điều chế khóa dịch tần FSK Nghiên cứu về phổ cho thấy sự cần thiết phải có sự đồng bộ chính xác giữa cặp mã trải phổ và thu để đảm bảo chất lượng tín hiệu đầu ra.
2.2.2.6 Ưu và nhược điểm của FH/SS
Việc đồng bộ mã trải phổ trở nên dễ dàng hơn nhiều so với DS/SS; trong khi với FH/SS, đồng bộ được thực hiện trong từng khoảng thời gian nhảy Phổ tín hiệu được trải rộng không phải do tần số nhảy cao mà nhờ vào tổ hợp lớn các tần số, dẫn đến thời gian bước nhảy tần số lớn hơn nhiều so với thời gian chip của hệ thống DS/SS Do đó, FG/SS cho phép tỷ lệ lỗi đồng bộ cao hơn so với DS/SS.
Hệ thống FH/SS cho phép làm việc với băng tần lớn hơn nhiều so với DS/SS nhờ vào các băng tần khác nhau không phải là những băng tần lân cận và liên tục, cùng với ưu điểm dễ đồng bộ.
– Do sử dụng băng tần lớn nên khả năng loại trừ nhiễu băng hẹp ở FH/SS cao hơn nhiều so với DS/SS b Nhược điểm
Hệ thống yêu cầu bộ tổng hợp tần số phức tạp phổ truyền dẫn trải phổ WSS với bề rộng phổ số liệu Wd cho thấy sự so sánh rõ ràng giữa hệ thống sử dụng kỹ thuật trải phổ và hệ thống không sử dụng Cụ thể, xác suất lỗi của hệ thống trải phổ thấp hơn so với hệ thống không dùng kỹ thuật này Các ưu điểm nổi bật của hệ thống trải phổ bao gồm khả năng cải thiện độ tin cậy và hiệu suất truyền dẫn.
Triệt nhiễu tốt – Thể hiện chất lượng của hệ thống TTTP
Giảm mật độ năng lượng
Độ phân giải thời gian lớn
Khả năng đa truy nhập (CDMA) với hiệu suất sử dụng băng tần cao
I.3.1.1 Khả năng triệt nhiễu tốt
Nhiễu là các tín hiệu không mong muốn ảnh hưởng xấu đến tín hiệu hữu ích trong hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu Có nhiều loại nhiễu như nhiễu xung, nhiễu liên tục, nhiễu trắng, và nhiễu dải hẹp, mỗi loại có đặc điểm riêng về thời gian tồn tại và bề rộng phổ Tạp âm Gaussian có phổ năng lượng phân bố đều, nhưng chỉ ảnh hưởng đến hệ thống trong dải băng tần hoạt động Nhiễu có dải tần và thời gian tồn tại trùng với tín hiệu hữu ích sẽ gây tác động tiêu cực nhất Để giảm thiểu nhiễu, hệ thống trải phổ sử dụng một tập hợp nhỏ các tọa độ tín hiệu trực giao, cho phép kết nối thông tin hiệu quả với thời gian mà chỉ hệ thống biết, từ đó giảm thiểu sự trùng lặp và triệt nhiễu lý tưởng.
Tuy nhiên, với tạp âm Gaussian, hệ thống trải phổ không cải thiện được đặc tính như minh họa trong hình 1.30 (với kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp) Sau quá trình giải trải phổ, tạp âm Gaussian vẫn ảnh hưởng đến tín hiệu mà không bị giảm.
Nhiễu dải hẹp có thể tạo ra nhiễu băng rộng với dải tần rộng của HTTP Khi công suất của hai nguồn nhiễu tương đương, nhiễu băng hẹp sẽ có mật độ nhiễu cao hơn nhiễu băng rộng khi chúng cùng lọt vào máy thu Qua quá trình giải trải phổ tại máy thu, nhiễu dễ bị trải rộng bề rộng phổ và giảm mật độ năng lượng phổ nhiều lần nhờ hệ sống tăng ích (triệt nhiễu) GP WSS/Wd Điều này xảy ra vì nhiễu không đạt được sự tương quan như tín hiệu hữu ích với hệ thống trải phổ của nó Ngược lại, tín hiệu hữu ích được trải rộng phổ lần I tại máy phát bằng mã trải phổ phát với hệ số tăng ích.
Độ rộng phổ ban đầu của tín hiệu được khôi phục ở phía thu thông qua mã giải trải phổ thu với hệ số hoàn phổ 1/Gp Sự thay đổi bề rộng phổ tín hiệu khi qua HTTP chỉ là một, tức là Gp x 1/Gp = 1 Đây là kết quả lý tưởng của sự tương quan giữa tín hiệu và hệ thống trải phổ, trong đó mã trải phổ phát và mã giải trải phổ thu là bản sao đồng bộ của nhau.
Tín hiệu chưa trải phổ
Tín hiệu sau giải trải phổ ở phía thu
Hình I.3.1.1.1 : Kỹ thuật trải phổ với tạp âm Gausian
Trình bày ở trên về ưu điểm triệt nhiễu của HTTP có thể được minh hôa trong hình vẽ (1.31) với: p SS j d
W = là tỷ lệ phổ tần bị can nhiễu trong băng tần hoạt động (0 < p ≤ 1)
J là công suất nhiễu (băng rộng và băng hẹp tương đương nhau)
J0 là mật độ nhiễu băng rộng
W d a) Tín hiệu và nhiễu công suất ở hệ thống không có trải phổ
N 0 c) Tín hiệu đã giải trải phổ và hai dạng nhiễu ảnh hưởng
Hình I.3.1.2 : Hiệu quả triệt nhiễu của hệ thống trải phổ DS-SS
Với các nhiễu do quá trình truyền sóng và tự bản thân hệ thống sinh ra, hệ thống trải phổ loại bỏ chúng như nhau
Nhiễu từ các tua sóng đa đường bị loại bỏ vì HTTP chỉ chọn một pha đồng bộ duy nhất cho cặp mã trải phổ và giải mã phổ của dữ liệu kênh (sóng trực tiếp) Do đó, các pha đồng bộ khác không được đồng bộ với hệ thống.
Vì vậy các tín hiệu dữ liệu ở các đường truyền sóng đa đường vẫn bị trải phổ (lần
2) tại máy thu và bị triệt ảnh hưởng đến dữ liệu hữu ích
Nhiễu do hệ thống đa kênh tự sinh ra có thể ảnh hưởng đến các kênh khác, trong đó tín hiệu của một kênh trở thành nhiễu cho các kênh còn lại Đối với kênh chứa tín hiệu hữu ích đã được đồng bộ mã, tín hiệu vào máy thu từ các kênh không đồng bộ mã sẽ được coi là nhiễu đồng kênh, có thể là băng rộng hoặc băng hẹp Nhiễu này sẽ bị loại bỏ nhờ vào quá trình trải phổ lần 2 tại máy thu.
Khả năng triệt nhiễu lý tưởng của hệ thống trải phổ phụ thuộc vào sự đồng bộ chính xác giữa mã trải phổ ở phía phát và phía thu Khi đạt được sự đồng bộ này, tín hiệu hữu ích sẽ có giá trị tự tương quan cao nhất, trong khi tương quan chéo với mã khác sẽ ở mức thấp nhất Điều này dẫn đến việc đầu ra của máy thu chủ yếu chỉ chứa tín hiệu hữu ích, trong khi nhiễu được loại bỏ nhờ vào quá trình trải phổ mạnh mẽ tại máy thu.
Trong hệ thống thông tin trải phổ, tín hiệu vào được trải rộng trong một băng tần lớn hơn so với các hệ thống thông tin thông thường Điều này dẫn đến công suất trung bình của tín hiệu được phân bổ đều, tạo ra mật độ phổ rất nhỏ Độ trải rộng được xác định bằng tỷ số giữa độ rộng băng trải phổ và độ rộng băng tần tín hiệu (Gp).
Kỹ thuật trải phổ mang lại ưu điểm lớn khi so sánh với yêu cầu của các công ước Quốc tế và tình hình sử dụng băng tần Radio hiện nay.
Với mật độ phổ tín hiệu phát đi rất nhỏ, tín hiệu trải phổ trở nên khó phát hiện bởi các máy thu không thuộc cùng hệ thống, giúp giảm nhiễu cho các máy thu khác và ngăn chặn việc săn tìm của đối phương Đối với những máy thu này, tín hiệu trải phổ dường như bị chìm trong nhiễu tạp âm, chỉ có máy thu có bản sao chính xác và đồng bộ với mã trải phổ phát mới có khả năng thu được thông tin Điều này tạo cơ sở cho việc xây dựng các hệ thống thông tin có xác suất phát hiện thấp (LPD) và xác suất bị chặn nghe thấp (LPI), khiến việc tách sóng nhận biết tín hiệu trở nên vô cùng khó khăn đối với bất kỳ máy thu nào ngoài máy thu được xác định của hệ thống.
Sự giảm mật độ năng lượng trong hệ thống thông tin trải phổ cho phép nhiều người sử dụng cùng lúc trong cùng một không gian phổ tần truyền dẫn, đồng thời giảm thiểu khả năng gây nhiễu lẫn nhau Điều này có thể đạt được ngay cả khi công suất thấp, thậm chí không cần giấy phép sử dụng tần số Tăng số lượng người sử dụng băng tần đồng nghĩa với việc nâng cao hiệu suất sử dụng tần số.
I.3.1.3 Độ phân giải thời gian cao Độ phân giải thời gian chỉ ra sự chắc chắn xác định thời gian của một tín hiệu Chẳng hạn như tín hiệu xung, đó là sự xác định sườn lên của xung ấy để đánh giá sự bắt đầu tồn tại của xung