Luận văn viễn thông Khảo sát một số đặc tính của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DSSS sử dụng MATLAB

Tín hiệu trải phổ đợc sử dụng trong việc truyền phát thông tin số và đợc đặc trng bởi đặc tính độ rộng băng thông W lớn hơn rất nhiều so với tốc độthông tin R tính theo bits/s.. Giả sử t

MụC lục

Lời nói đầu 3

1.1 Tổng quan kỹ thuật trải phổ 4

1.1.1 Khái niệm hệ thống trải phổ 4

1.1.2 Các đặc điểm cơ bản của tín hiệu trải phổ 7

1.2 Các hệ thống trải phổ 11

1.2.1 Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp 12

1.2.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần 22

1.2.3 Một số hệ thống trải phổ kết hợp khác 25

1.3 Mã giả tạp âm PN 26

1.3.1 Tạo chuỗi giả tạp âm 26

1.3.2 Các thuộc tính của chuỗi -m 30

1.3.3 Hàm tự tơng quan của chuỗi -m 30

1.3.4 Chuỗi Gold 33

1.4 Một số ứng dụng của kĩ thuật trải phổ 35

1.4.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS 35

1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo mã 36

Chơng 2 41

2.1 Giới thiệu chung 41

2.1.1 Không gian làm việc của MATLAB 42

2.1.2 Làm việc với matrận 43

2.1.3 Chức năng đồ hoạ 44

2.1.4 Lập trình với MATLAB 46

2.2 Các Toolbox của MATLAB 49

2.3 Một số Blockset sử dụng cho mô phỏng hệ thống thông tin .53

2.3.1 CDMA reference Blockset 53

2.3.2 Communications Blockset 54

2.3.3 DSP Blockset 54

Chơng 3 55

3.1 Phơng pháp mô phỏng Monte-Carlo 55

3.2 Tính chống nhiễu của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp 58

3.2.1 ảnh hởng của nhiễu xung đối với hệ thống DS/BPSK 58

3.2.2 Bài thực hiện mô phỏng 61

1

3.3 M« pháng Monte-Carlo cho mét hÖ thèng tr¶i phæ DS thùc hiÖn truyÒn th«ng tin b»ng ®iÒu chÕ BPSK qua kªnh

AWGN 65

3.4 T¹o chuçi Gold 68

Ch¬ng 4 72

Phô lôc 74

Tµi liÖu tham kh¶o 82

Lời nói đầu

Kĩ thuật trải phổ là một kĩ thuật điều chế và giải điều chế đợc áp dụng chocác hệ thống thông tin số nhằm đảm bảo cho quá trình truyền phát thông tin

đạt chất lợng cao với các u điểm nổi bật về khả năng chống lại ảnh hởng mạnhcủa nhiễu cố ý, yếu tố bảo mật thông tin, khả năng đa truy nhập trải phổ

đều có thể đạt đợc bằng kĩ thuật này Vậy làm thế nào có thể phân tích đánhgiá chất lợng thông tin của một hệ thống thông tin ?, thực tế có ba phơng phápchủ yếu đó là: phơng pháp giải tích, dựa trên các công thức toán học; phơngpháp chế thử mẫu và đo lờng, dựa trên cơ sở chế tạo mẫu thử và tiến hành đokiểm tra các chỉ tiêu chất lợng; và cuỗi cùng, là phơng pháp mô phỏng đợc

đánh giá là một công cụ hết sức mềm dẻo, hiệu quả và khá kinh tế trong phântích và đánh giá các hệ thống thông tin

Với sự trợ giúp của phần mềm MATLAB, một công cụ tính toán, lập trình

và mô phỏng rất mạnh cùng với việc sử dụng phơng pháp mô phỏng hệ thốngMonte- Carlo, đề tài tiến hành khảo sát và đánh giá chất lợng của một số trong

số các u điểm trên của hệ thống trải phổ với độ tin cậy gần với hệ thống thựcnhất

Nội dung của bản luận văn này tiến hành "Khảo sát một số đặc tính của hệthống trải phổ dãy trực tiếp DS-SS sử dụng MALAB" Luận văn bao gồm bốnchơng:

văn còn gặp nhiều thiếu sót, cha đáp ứng đợc hết các yêu cầu đặt ra Rất mongnhận đợc ý kiến đóng góp của các thầy giáo và các bạn

1.1.1 Khái niệm hệ thống trải phổ

Kỹ thuật trải phổ đầu tiên đợc phát triển và ứng dụng trong thông tin quân

sự từ những năm 1960 với mục đích chống lại việc gây nhiễu của địch và tạokhả năng phát hiện thấp đối với những đối tợng thu không mong muốn Tuy

3

nhiên, ngày nay các tín hiệu trải phổ đã đợc sử dụng nhằm cho phép truyền tintin cậy trong một loạt các ứng dụng thơng mại, bao gồm cả thông tin trên xe

di động và thông tin vô tuyến liên sở

Tín hiệu trải phổ đợc sử dụng trong việc truyền phát thông tin số và đợc

đặc trng bởi đặc tính độ rộng băng thông W lớn hơn rất nhiều so với tốc độthông tin R tính theo bits/s Điều đó có nghĩa là yếu tố mở rộng băng thông

Bc=W/R đối với một tín hiệu trải phổ lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băngthông tối thiểu cần thiết để truyền đi tín hiệu số

Nh vậy để đợc coi là một hệ thống trải phổ thì hệ thống phải có các đặc

điểm sau:

1 Tín hiệu sau trải phổ chiếm một độ rộng băng truyền dẫn lớn hơn gấpnhiều lần bề rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền đi thông tin Sự trải phổnày độc lập với dữ liệu

2 Tại phía thu việc nén phổ (nhằm khôi phục lại thông tin ban đầu) đợcthực hiện bởi sự tơng quan giữa tín hiệu thu đợc với bản sao đợc đồng bộcủa mã trải phổ đã đợc sử dụng ở phía phát

Một số công nghệ điều chế sử dụng băng tần truyền dẫn lớn hơn rất nhiều

bề rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền dẫn thông tin, song những phơngpháp điều chế này không đợc gọi là điều chế trải phổ Ví dụ, mã hoá tốc độthấp cũng làm tăng độ rộng băng truyền nhng lại không thoả mãn các điềukiện nêu trên nên cũng không đợc gọi là trải phổ; điều chế tần số băng rộngcũng dẫn đến độ rộng băng truyền lớn nhng cũng không đợc gọi là kỹ thuậttrải phổ

Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số trải phổ nh sau:

Mô hình trên cho ta thấy các thành phần cơ bản của một hệ thống thôngtin số trải phổ gồm có: dãy dữ liệu (nhị phân) ở đầu vào với đầu cuối phát vàdãy dữ liệu lối ra ở đầu cuối thu, khối mã hoá và giải mã kênh, khối điều chế

và giải điều chế là các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin sốtruyền thống, bên cạnh đó còn có hai bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên giống nhautrong đó một bộ kết nối với bộ điều chế ở đầu cuối phát và bộ còn lại kết nốivới bộ giải điều chế ở đầu cuối thu Hai bộ tạo mẫu giả này tạo ra chuỗi nhịphân giả ngẫu nhiên hay chuỗi giả tạp âm PN đợc sử dụng tại bộ điều chế đểtrải tín hiệu đợc phát đi về phổ và giải trải tín hiệu thu đợc (nén phổ) tại bộgiải điều chế

Chuỗi PN đợc tạo ra ở phía thu phải đồng bộ với chuỗi PN đợc tách ra từtín hiệu thu đợc để giải trải chính xác tín hiệu thu đã đợc trải phổ Trên thực

tế, việc đồng bộ đợc thiết lập trớc khi truyền phát thông tin bằng cách truyềnmột mẫu bit PN xác định mà phía thu sẽ có thể tách đợc nó với một xác suấtcao ngay cả khi có nhiễu Sau khi việc đồng bộ thời gian của bộ tạo chuỗi PN

đợc thực hiện xong, quá trình truyền tin bắt đầu

Việc trải rộng phổ của tín hiệu sẽ có tác dụng khắc phục đợc các tác nhângây nhiễu mạnh bắt gặp trong quá trình truyền phát tin tức qua sóng vô tuyếncũng nh qua các kênh thông tin vệ tinh Yếu tố quan trọng thứ hai đợc sử dụngtrong việc tạo tín hiệu trải phổ là quá trình giả ngẫu nhiên, quá trình này sẽlàm cho tín hiệu có dạng nh tạp âm ngẫu nhiên và sẽ gây khó khăn lớn choquá trình giải điều chế đối với những đối tợng thu không phải là những ngờithu đã định Yếu tố này liên quan mật thiết tới mục đích ứng dụng của tínhiệu trải phổ này

Tín hiệu trải phổ đợc đặc biệt sử dụng cho:

- Triệt khử những tác động của nhiễu gây ra từ những ngời sử dụng cùngkênh khác, và nhiễu gây ra do fadinh nhiều tia

- Dấu tín hiệu bằng cách phát ở mức công suất thấp và do đó làm chonhững đối tợng thu không mong muốn không thể phát hiện đợc tín hiệutrong nền tạp âm thấp

- Đảm bảo tính bảo mật trong sự hiện diện của những đối tợng nghe khác.Thứ nhất, trong vấn đề chống những tác nhân gây nhiễu không mongmuốn, đối với một hệ thống, điều quan trọng là tác nhân gây nhiễu làm gián

đoạn thông tin phải không có hiểu biết gì về đặc tính của tín hiệu ngoại trừ độ

rộng băng kênh và phơng pháp điều chế đã đợc sử dụng Để phá vỡ khả năngnày, đài phát sử dụng dạng sóng của tín hiệu mã hoá đợc phát đi với đặc tínhkhông thể dự đoán trớc và tính ngẫu nhiên mà chỉ có đài thu đã định mới biết

đợc những đặc điểm này Kết quả là đài gây nhiễu phải tổng hợp và phát tínhiệu gây nhiễu mà không biết gì về mẫu giả ngẫu nhiên

Đối với nhiễu gây ra do nhiều ngời sử dụng dùng chung một kênh truyềntrong hệ thống đa truy nhập, trong đó ở cùng một thời điểm có thể có nhiềungời cùng phát thông tin qua một kênh truyền chung tới những đối tợng thu t-

ơng ứng Giả sử tất cả ngời sử dụng đều dùng chung một bộ mã để mã hoá vàgiải mã cho chuỗi thông tin của họ thì tín hiệu phát ở trong phổ chung có thể

đợc phân biệt với những tín hiệu khác bằng cách thêm vào một thành phần giảngẫu nhiên, mà nó cũng đợc gọi là một loại mã trong mỗi tín hiệu đợc phát.Nhờ đó, từng ngời thu riêng biệt có thể khôi phục lại thông tin khi biết đợcthành phần giả ngẫu nhiên

Vấn đề đa đờng truyền gây ra do quá trình truyền giãn cách thời gian quamột kênh thông tin có thể đợc cho nh là một dạng tự gây nhiễu Loại nhiễunày cũng có thể bị triệt khử bằng cách đa vào một thành phần giả ngẫu nhiêntrong chuỗi tín hiệu phát

Thứ hai, tin tức có thể đợc dấu đi trong nền tạp âm bằng cách trải độ rộngbăng tần kết hợp mã hoá và phát tín hiệu tổng hợp với mức công suất trungbình rất thấp Bởi vì với mức công suất phát thấp, tín hiệu phát đi sẽ có xácsuất bị chặn (phát hiện) thấp và do đó tín hiệu trải phổ cũng đợc gọi là có đặctính LPI

Và cuối cùng, tính riêng t của thông tin có thể đạt đợc bằng cách thêm vàotín hiệu đợc phát thành phần giả ngẫu nhiên Bất kì một đài thu nào không biếtthành phần giả ngẫu nhiên này thì không thể thu đợc thông tin ngoại trừ đàithu hợp lệ

1.1.2 Các đặc điểm cơ bản của tín hiệu trải phổ

1.1.2.1 Khả năng chống nhiễu

Máy thu có thể khắc phục đợc các ảnh hởng của các loại nhiễu đợc gây ra

cố ý nh thế nào, đặc biệt trong trờng hợp công suất nhiễu lớn hơn rất nhiều sovới công suất tín hiệu đã phát đi? Các nghiên cứu lý thuyết thông tin cổ điển

về kênh tap âm trắng cộng Gauss đã gợi ý để trả lời cho câu hỏi này Tạp âmtrắng Gauss là một mô hình toán học, theo định nghĩa có phổ năng lợng phân

bố đều vô hạn trên tất cả các tần số Việc thông tin có hiệu quả vẫn có thể đạt

đợc vì tạp âm trắng cộng có phổ năng lợng phân bố đều trên tất cả các tần số,song chỉ có các thành phần tạp âm trong không gian tín hiệu mới gây ra các

ảnh hởng có hại Lấy ví dụ nh với một tín hiệu băng hẹp, thì điều đó có nghĩa

là chỉ có các thành phần tạp âm trong bề rộng phổ tín hiệu mới có khả nănggây ra ảnh hởng giảm đặc tính của hệ thống Ta có thể hiểu ý tởng của hệthống trải phổ chống nhiễu nh sau: nhận xét rằng sẵn có nhiều toạ độ tín hiệutrực giao hay các phân lợng phổ để thiết lập liên kết thông tin và chỉ có mộttập con của các toạ độ tín hiệu này đợc sử dụng tại bất cứ lúc nào Ta giả thiết

rằng phía gây nhiễu không xác định đợc tập con tín hiệu hiện đang đợc sửdụng Với các tín hiệu có bề rộng phổ bằng W và thời gian tồn tại là T, sốphân lợng phổ xấp xỉ là 2WT Nếu xét riêng với một loại tín hiệu cho trớc, đặctính lỗi của hệ thống là một hàm của tỷ số năng lợng bit trên tạp âm- ký hiệu

là Eb/N0 Để chống lại tạp âm trắng Gauss với năng lợng vô hạn, sử dụng trảiphổ không cho phép cải thiện đặc tính của hệ thống Tuy nhiên khi tạp âm cócông suất cố định và phía gây nhiễu lại không biết chắc chắn tập con tín hiệunào hiện liên kết thông tin đang sử dụng, rõ ràng rằng trong trờng hợp nàyphía gây nhiễu sẽ phải chọn một trong hai cách: thứ nhất, phía gây nhiễu gâynhiễu tất cả các toạ độ tín hiệu của hệ thống, với năng lợng nhiễu gây ra nhnhau tại mỗi toạ độ tín hiệu Lựa chọn cách này sẽ dẫn tới kết quả là mỗi mộttoạ độ tín hiệu chỉ bị nhiễu với công suất nhiễu nhỏ; cách thứ hai, gây nhiễumột số ít các toạ độ với công suất nhiễu đợc tăng lên đối với mỗi toạ độ bịnhiễu

7

So sánh hiệu quả của việc trải phổ trong trờng hợp chỉ có mặt tạp âm trắngvới việc trải phổ trong trờng hợp có nhiễu cố ý (Hình 1.2) Mật độ phổ năng l-ợng của tín hiệu trớc khi trải phổ đợc biểu thị là G(f) và sau khi trải phổ là

Gss(f) Để đơn giản, hình vẽ chỉ mô tả theo không gian tần số Theo Hình 1.2

a, mật độ phổ công suất một biên của tạp âm trắng là N0 không thay đổi khi tathực hiện trải phổ của tín hiệu từ W thành Wss Công suất trung bình của tạp

âm trắng (vùng phía dới đờng cong mật độ phổ) là vô hạn Do đó, trong trờnghợp này trải phổ không cho phép cải thiện đặc tính của hệ thống Hình 1.2 btrình bày trờng hợp công suất nhiễu thu đợc là J, nh thế mật độ phổ công suấtnhiễu sẽ là J0=J/W Nh vậy, để chống lại nhiễu cố ý ta phải lựa chọn sự phân

bố tín hiệu sao cho phía gây nhiễu khó có thể thiết lập đợc tỷ số công suất tạp

âm nhiễu trên tín hiệu có giá trị lớn trong phân bố tín hiệu này

1.1.2.2 Khả năng phát hiện thấp

Do việc truyền phát thông tin giữa các đài theo kiểu quảng bá nên có thể

có những đối tợng thu không mong muốn Để đảm bảo tính bảo mật trong việctruyền phát thông tin thì một hệ thống nên đợc thiết kế sao cho khả năng táchsóng là thấp nhất để việc tách sóng là khó có thể thực hiện đợc ngoại trừ đối t-ợng thu đã định Hệ thống có đặc điểm này đợc gọi là hệ thống có xác suấttách sóng thấp (Low Probability of Detection_LPD) hay xác suất bị chặn thấp(Low Probability of being Intercepted)

G(f)

Tr ớc khi trải phổ W

W J

Đối với hệ thống trải phổ, tín hiệu đợc phát chủ ý với mức công suất rấtthấp gần với tạp âm nền của kênh và tạp âm nhiệt phát sinh trong máy thu đầucuối Nếu tín hiệu trải phổ DS chiếm độ rộng băng thông là W và mật độ phổcông suất của tạp âm cộng là N0(W/Hz) thì công suất tạp âm trung bình trong

độ rộng băng W là PN=WNo Công suất tín hiệu thu đợc trung bình tại máy thu

là PR Nếu muốn đảm bảo thông tin không bị phát hiện bởi những đối tợng thukhông mong muốn đang có mặt trong vùng lân cận với máy thu đã định thì tínhiệu phải đợc phát ở mức công suất thấp sao cho: PR/PN1

Máy thu đã định có thể khôi phục lại tín hiệu mang tin yếu trên nền tạp

âm với sự trợ giúp của tăng ích sử lí và tăng ích mã, nh vậy bất kì máy thukhông biết chuỗi PN cũng nh tăng ích sử lí và tăng ích mã thì không thể thu vàtách đợc tín hiệu mang tin Do đó ta có thể nói tín hiệu đã có xác suất bị chặnthu thấp LPI (Low Probability of being Intercepted) và nó đợc gọi là tín hiệuLPI, đây chính là u điểm thứ hai của tín hiệu trải phổ

1.1.2.3 Đa truy nhập phân chia theo mã

Sự cải thiện về chất lợng đã đạt đợc thông qua tăng ích xử lí và tăng íchmã tín hiệu trải phổ DS dẫn đến nhiều tín hiệu trải phổ có thể chiếm dụngchung một độ rộng băng kênh, miễn là mỗi tín hiệu có một chuỗi PN riêngbiệt Do đó có thể có nhiều ngời sử dụng đồng thời truyền tin trên cùng một

độ rộng băng kênh Phơng thức thông tin này trong đó mỗi ngời sử dụng (mộtcặp phát –thu) có một mã PN riêng truyền tin trên cùng một độ rộng băngkênh đợc gọi là đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) hoặc đa truy nhậptrải phổ (SSMA)

Trong quá trình giải điều chế mỗi tín hiệu PN, tín hiệu từ những ngời sửdụng đồng thời trên cùng kênh truyền xuất hiện nh là nhiễu cộng Các mứcnhiễu khác nhau thay đổi phụ thuộc vào số lợng ngời sử dụng tại từng thời

điểm Một thuận lợi chính của hệ thống CDMA là một số lợng lớn ngời sửdụng có thể đợc xem xét tham gia hoà mạng nếu mỗi ngời sử dụng chỉ phátthông tin đi trong một thời gian ngắn Đối với một hệ thống đa truy nhập nhvậy thì có thể dễ dàng kết nối thêm hoặc cắt giảm bớt số lợng ngời sử dụng

mà không làm gián đoạn hệ thống

Trong thông tin tế bào số, một trạm gốc truyền các tín hiệu tới Nu máy thu

di động bằng cách sử dụng Nu chuỗi PN trực giao, mỗi một mã dành cho mộtmáy thu đã định Nu tín hiệu này đợc truyền hoàn toàn đồng bộ sao cho chúngtới từng máy thu di động một cách đồng bộ Hệ quả là, do tính trực giao của

Nu chuỗi PN, mỗi một máy thu đã định có thể giải điều chế tín hiệu của riêngmình mà không bị nhiễu từ các tín hiệu đã phát khác đang cùng chia sẻ độrộng băng Tuy nhiên, loại đồng bộ nh vậy không thể duy trì đợc đối với cáctín hiệu đợc phát đi từ các máy phát di động tới trạm gốc (đờng lên hay đờngvề) Khi giải điều chế từng tín hiệu trải phổ DS tại trạm gốc, các tín hiệu từnhững ngời sử dụng đồng thời khác nhau xuất hiện nh nhiễu cộng

Ta hãy xác định số các tín hiệu đồng thời có thể hoà đợc trong một hệthống CDMA Giả sử rằng tất cả các tín hiệu đều có công suất trung bình nhnhau tại trạm gốc Trong nhiều hệ thống thực tế, mức công suất tín hiệu thu đ-

9

ợc từ từng ngời sử dụng đợc giám sát tại trạm gốc và điều khiển công suất đợcthực hiện đối với mọi ngời sử dụng đồng thời bằng cách sử dụng một kênh

điều khiển nhằm chỉ dẫn cho các ngời sử dụng để tăng hay giảm mức công

suất của họ Với điều khiển công suất nh thế, nếu có N u ngời sử dụng đồngthời thì tỉ số công suất tín hiệu trên tạp nhiễu tại một máy thu dã cho là:

S N

S

N P N

P P

P

(1.1)

Từ mối quan hệ này, chúng ta có thể xác định đợc số ngời sử dụng có thểhoà mạng động thời

Khi xác định số ngòi sử dụng cực đại của kênh, chúng ta đã giả thiết cho

đơn giản rằng các chuỗi mã PN đợc sử dụng bởi những ngời sử dụng khác

nhau thì trực giao với nhau còn nhiễu từ các ngời sử dụng khác thì đợc cộnglại chỉ dựa trên cơ sở công suất Tuy nhiên tính trực giao của các chuỗi giả

ngẫu nhiên giữa N u ngời sử dụng thì rất khó đạt đợc, đặc biệt khi N u lớn

1.1.2.4 Khả năng phân giải theo thời gian lớn

Trải phổ các tín hiệu có thể đợc sử dụng cho việc xác định cự ly hoặc vị trívới độ chính xác cao Việc xác định khoảng cách đợc thực hiện bằng cách đothời gian xung thăm dò truyền từ nơi phát, qua kênh truyền dẫn, tới mục tiêu

và quay trở về Sai số của phép đo thời gian trễ tỷ lệ nghịch với độ rộng củabăng tín hiệu, sai số của phép đo thời gian t tỷ lệ nghịch với bề rộng phổ củaxung nghĩa là:

Rõ ràng với độ rộng băng càng lớn thì phép đo càng chính xác Nếu sửdụng kỹ thụât trải phổ để đo lờng cự ly: thay cho việc phát đi xung thăm dòduy nhất ta sử dụng một dãy xung Trớc khi phát đi chùm xung này đợc điềuchế trải phổ ở phía thu, nhờ việc tơng quan giữa tín hiệu thu đợc với bản saomã trải phổ mà dãy xung thăm dò đợc phục hồi Bằng việc đo chênh lệch giữathời điểm phát và thời điểm thu nhận chùm xung thăm dò ta sẽ xác định đợcthời gian trễ truyền dẫn của chùm xung Do:

- Tín hiệu sau trải phổ (tín hiệu phát đi) có bề rộng phổ rất lớn dovậy sẽ giảm đợc sai số t

- Bằng việc sử dụng một dãy xung thăm dò, cùng một lúc ta thựchiện đợc nhiều phép đo liên tiếp, vừa giảm đợc thời gian đo, vừa giảm sai

số giữa các lần đo, nên phép đo càng chính xác hơn

1.2 Các hệ thống trải phổ

Để tăng chất lợng thông tin của hệ thống, ngời ta thờng tìm cách nâng cao

tỉ số tín hiệu trên tạp âm và giảm thiểu xác suất lỗi Dựa trên các kết quảnghiên cứu về lý thuyết thông tin, ngời ta đã chỉ rõ rằng với một mức tạp âm

đã cho, việc nâng cao tỉ số tín hiệu trên tạp âm chỉ đợc thực hiện theo mộttrong ba cách: tăng công suất của nguồn tín hiệu, hoặc tăng độ dài của tín hiệu(kéo dài thời gian làm việc của hệ thống thông tin), hoặc trải rộng phổ của tínhiệu Thực tế cho thấy việc áp dụng phơng pháp thứ ba là có tính khả thi và

hiệu quả nhất Với tín hiệu có bề rộng phổ là W(Hz) và thời gian tồn tại là Tthì sẽ có phân lợng phổ xấp xỉ 2WT Để tăng số phân lợng phổ ta có thể hoặctăng bề rộng phổ tín hiệu nhờ sử dụng kỹ thuật trải phổ, hoặc tăng thời gian Tnhờ kỹ thuật nhảy thời gian

Tín hiệu trải phổ băng rộng đợc tạo ra bằng cách điều chế dữ liệu vào sóngmang sử dụng tín hiệu đợc trải ra với độ rộng băng thông rất lớn Quá trình

điều chế trải phổ có thể đợc thực hiện bằng phơng pháp điều chế pha hoặccũng có thể thay đổi tần số sóng mang với tốc độ lớn hoặc kết hợp các phơngpháp này và một số phơng pháp khác nữa

Khi trải phổ đợc thực hiện bằng điều chế pha thì tín hiệu đợc gọi là tínhiệu trải phổ dãy trực tiếp (DS) Khi trải phổ đợc thực hiện bằng cách thay đổitần số sóng mang thì ta có tín hiệu trải phổ nhảy tần (FH) Với kỹ thuật nhảythời gian (Time Hopping), ta có hệ thống trải phổ nhảy thời gian TH-SS Khi kết hợp các phơng pháp trải phổ trên thì ta đợc phơng pháp trải phổkết hợp ví dụ:DS/FH, FH/TH, DS/FH/TH Tuy nhiên, các phơng kỹ thuật này

đợc xem nh sự mở rộng đơn giản của hai kỹ thuật DS và FH nên thực tế ta chỉquan tâm tới hai kỹ thuật trải phổ cơ bản:

1 Trải phổ dãy trực tiếp (Direct Sequence-DS)

2 Trải phổ nhảy tần số (Frequency Hop-FH)

1.2.1 Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp

Một trong các phơng pháp trải phổ tín hiệu đã đợc điều chế bởi dữ liệu là

điều chế lần thứ hai sử dụng mã trải phổ băng thông rất rộng Thông thờng lần

điều chế thứ hai có dạng điều chế pha số Mã trải phổ đợc lựa chọn sao cho có

đặc tính: với máy thu hợp lệ thì việc giải điều chế đợc thực hiện một cách dễdàng còn đối với máy thu không hợp lệ thì càng khó càng tốt Các đặc tính nhvậy của mã trải phổ cũng sẽ tạo thuận lợi cho phía máy thu hợp lệ dễ dàngphân biệt đợc tín hiệu hữu ích và nhiễu Nếu phổ tần của tín hiệu trải phổ là t-

ơng đối lớn so với phổ tần của dữ liệu thì độ rộng băng thông yêu cầu đểtruyền dẫn tín hiệu sau trải phổ sẽ lớn hơn gấp nhiều lần so với trớc khi trảiphổ và hoàn toàn độc lập với tín hiệu dữ liệu

Xét việc truyền dẫn một dãy thông tin nhị phân bằng điều chế PSK Tốc

độ thông tin là R bit trong một giây, độ rộng một bit là Tb=1/R giây Độ rộngbăng kênh có sẵn là Bc(Hz), trong đó Bc>>R Tại bộ điều chế, độ rộng băngcủa tín hiệu thông tin đợc trải rộng ra thành W=Bc(Hz) nhờ dịch pha của sóngmang đi một cách giả ngẫu nhiên với một tốc độ W lần trong một giây theomẫu tín hiệu ra của bộ tạo chuỗi PN Tín hiệu đã điều chế có đợc đợc gọi là tínhiệu trải phổ chuỗi trực tiếp (DS)

Tín hiệu băng gốc mang thông tin đợc ký hiệu là v(t) và biểu diễn đợctheo:

a t

Trong đó {an=1,- < n < } còn gT(t) là một xung chữ nhật có độ dài

Tb Tín hiệu này đợc nhân với tín hiệu đến từ bộ tạo chuỗi PN mà nó có thểbiểu diễn đợc theo:

11

Trong đó cn biểu thị chuỗi mã PN nhị phân gồm các dấu mã 1, còn p(t)

là một xung chữ nhật có độ dài Tc nh đợc minh hoạ trên Hình1.5 Thuật toánnhân này thực hiện việc trải rộng băng tín hiệu mang thông tin (mà độ rộngbăng của nó vốn xấp xỉ R(Hz) trở thành độ rộng băng rộng hơn chiếm bởi tínhiệu của bộ tạo chuỗi PN (mà độ rộng băng của nó vốn xấp xỉ 1/Tc) Việc trảirộng phổ đợc minh hoạ trên hình hình vẽ này cho thấy tích chập của hai phổ:phổ hẹp tơng ứng với tín hiệu mang thông tin và phổ rộng tơng ứng với tínhiệu từ lối ra bộ tạo PN

Tín hiệu tích v(t)c(t) cũng đã đợc minh hoạ trên Hình 1.4 đợc sử dụng để

điều chế biên độ sóng mang Accos2fc và do vậy tạo nên tín hiệu điều chế haibiên có sóng mang đợc nén có dạng:

Hình 1.3: Sự tạo thành một tín hiệu trải phổ DS(a) tín hiệu PN; (b) tín hiệu dữ liệu; (c) tín hiệu tích

Do v(t)c(t)=1 với mọi t nên dẫn đến tín hiệu phát đợc điều chế sóngmang cũng còn có thể biểu diễn đợc theo:

Trong đó (t)=0 khi v(t)c(t)=1 và (t)= khi v(t)c(t)=-1 Do vậy tín hiệuphát là một tín hiệu PSK nhị phân với pha của nó thay đổi với tốc độ 1/Tc.Xung chữ nhật p(t) thờng đợc gọi là một chip và độ dài thời gian của nó,

Tc đợc gọi là khoảng chip Đại lợng nghịch đảo 1/Tc đợc gọi là tốc độ chip vàtơng ứng (gần đúng) với độ rộng băng W của tín hiệu phát đi Tỷ lệ giữakhoảng bit Tb với khoảng chip Tc thờng đợc chọn là một số nguyên trong các

hệ thống trải phổ thực tế Ta định nghĩa tỉ lệ này là:

Sau đây sẽ xét đến hệ thống trải phổ áp dụng điều chế PSK nhị phân

Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp BPSK

Kỹ thuật điều chế sử dụng trong hệ thống trải phổ dãy trực tiếp thờng là kỹthuật điều chế dịch pha nhị phân BPSK, tức là ở lần điều chế thứ hai ngời ta sửdụng mã trải phổ điều chế tín hiệu sóng mang đã đợc điều chế bởi dữ liệu theokiểu BPSK Giả sử sóng mang đã đợc điều chế dữ liệu đờng bao không đổi có

công suất P, biên độ đỉnh sóng mang A, tần số góc của sóng mang theo radian

0:

Nếu gọi A rms là giá trị hiệu dụng của điện áp, ta có:

2 2

f

) (

* ) (f V f C

) / 1 / 1

( T  c T b

Hình 1.4 Tích chập các phổ của a) tín hiệu dữ liệu và b) tín hiệu mã PN

Do vậy biểu thức của sóng mang lúc này là:

t A

P t

Các tín hiệu đợc dịch pha PSK đều có dạng nh sau:

 t  2Pcos 0   t  0  t  Ts

Trong đó: d(t) biểu diễn pha của sóng mang đợc điều chế bởi dữ liệu

Ts: thời gian tồn tại của một symbol điều chế

Trớc khi trải phổ, bề rộng phổ tín hiệu này bằng 0.52 lần tốc độ dòng dữliệu, tuỳ thuộc vào đặc điểm điều chế Trải phổ dãy trực tiếp sử dụng kỹ thuậtBPSK bằng mã trải phổ c(t) có dạng xung NRZ có các mức giá trị bằng 1,

có tốc độ dòng mã gấp N lần tốc độ dòng dữ liệu Khi ấy tín hiệu phát đi sẽ códạng:

 t  2Pcos 0   t  0  t  Ts

Tín hiệu phát đi st(t) bây giờ có thể viết gọn lại nh sau:

st(t)c(t) = c(t)sd(t) (1.11)Sơ đồ bộ điều chế đợc xây dựng trên cơ sở của phơng trình (1.8) nh sau:

Vì c(t) có các giá trị là  1, nên c2(t) = 1 Do đó:

st(t)c(t) = c2(t)sd(t) = sd(t) (1.12)Tín hiệu này đợc phát đi qua kênh không có méo và có trễ đờng truyền là

T d Tín hiệu thu đợc cùng với một vài loại nhiễu và tạp âm trắng Gauss, để đơngiản ta bỏ qua các nhiễu và tạp âm này Quá trình giải trải phổ ở phía thu đợcthực hiện ngợc lại so với ở phía phátđiều chế đợc thực hiện Tín hiệu đầu ra bộnén phổ:



d d d

đợc giải điều chế sử dụng điều chế pha liên kết

14

Bộ giải điều chế pha

c(t)

] ) (

cos[

) (

2 P c t  Td 0t  d t  Td  

+ nhiễu

Dữ liệu mong muốn Lọc thông dải

)]

( cos[

2 P 0t  d t

c(t)

st(t)

Bộ điều chế pha

Rõ ràng là quá trình điều chế dữ liệu ở trên cũng không nhất thiết phải là

điều chế BPSK vì không có sự bó buộc nào về dạng của d (t) Tuy nhiên, dạng

điều chế này thờng đợc áp dụng cho cả điều chế pha số dữ liệu và điều chế mãtrải phổ Khi BPSK đợc sử dụng cho cả hai loại điều chế, thì một pha điều chế(bộ trộn) có thể đợc bỏ đi Qúa trình điều chế đúp có thể đợc thay thế bởi mộtloại điều chế cộng modul 2 dữ liệu và mã trải phổ

Trong trờng hợp này, việc điều chế dữ liệu thực hiện bằng cách nhân sóng

mang với d(t), trong đó d(t) nhận các giá trị 1 Do đó tín hiệu dịch pha nhị

phân có dạng:

 t P d t  t

Tín hiệu phát đi: s t t  2P d(t)c(t) cos( 0t) (1.15)

Bộ điều chế xây dựng trên cơ sở của phơng trình (1.15) nh sau:

Theo sơ đồ này, dòng dữ liệu d(t) và mã trải phổ c(t) đợc nhân với nhau,sau đó tích d(t)c(t) đợc dùng để điều chế sóng mang

Hình 1.8 minh hoạ quá trình trải phổ và giải trải phổ dãy trực tiếp khi điềuchế dữ liệu và điều chế trải phổ là BPSK Dạng sóng trải phổ và dữ liệu đợc

minh hoạ trong Hình 1.8.a và b, và s d (t) và s t (t) minh hoạ trong Hình 1.8.c và

d Hình 1.8.e minh hoạ pha đầu vào bộ giải trải phổ máy thu với giả thiết trễ

đờng truyền là 1/2 T c, và Hình 1.8.f minh hoạ tín hiệu ra bộ giải trải phổ trongtrờng hợp này Rõ ràng ta thấy dạng xung của Hình 1.8.f không tơng ứng với

dạng tín hiệu s d (t) tức là máy thu cha đợc đồng bộ với máy phát Cuối cùng

Hình 1.8.g cho biết dạng tín hiệu ra của bộ giải trải phổ khi mã giải trải phổ

Xét mật độ phổ công suất của các tín hiệu trong Hình 1.8 Mật độ phổcông suất song biên theo W/Hz của sóng mang điều chế khoá dịch pha nhịphân đợc cho bởi:

và đợc vẽ trong Hình 1.9 Ta thấy tín hiệu s t (t) trong Hình 1.8.d cũng là tín

hiệu sóng mang điều chế khoá dịch pha nhị phân và vì thế có mật độ phổ công

suất cũng đợc xác định theo công thức trên với T đợc thay thế bằng T c , là chu

kỳ của một symbol mã trải phổ hay T c thờng đợc cho là chu kỳ của một chíp

mã trải phổ Hình 1.10 mô tả mật độ phổ công suất của s t (t) trong trờng hợp

T c =T/3 Rõ ràng là tác động của quá trình điều chế mã trải phổ là trải rộng

phổ tần của tín hiệu bị điều chế lên 3 lần, điều đó còn có ý nghĩa là hoạt độngtrải phổ còn làm giảm biên độ phổ công suất tín hiệu bị điều chế đi 3 lần.Trong các hệ thống trải phổ thực tế, hệ số trải phổ còn lớn hơn gấp nhiều lần

so với ví dụ này

Phơng trình (1.16) chỉ áp dụng khi cả hai quá trình điều chế dữ liệu và

điều chế trải phổ đều là khóa dịch pha nhị phân và khi điều chế dữ liệu và điềuchế trải phổ đồng bộ về pha Trong trờng hợp này vì việc giải điều chế dữ liệu

là hoàn toàn ngẫu nhiên, tín hiệu s t (t) là tín hiệu đã đợc điều chế hai pha ngẫu

nhiên, và (1.16) đợc áp dụng Xem lại trờng hợp qúa trình điều chế dữ liệu là

điều chế pha đờng bao không đổi tuỳ ý Dữ liệu đã đợc điều chế vào

sóng mang đợc cho trong biểu thức (1.9) và tín hiệu phát cho trong biểu thức1.10 Trong trờng hợp này, ta có thể sử dụng định luật Wiener-Khintchine đểtính toán phổ công suất của tín hiệu phát đi, định luật này nh sau: Phổ côngsuất và hàm tự tơng quan của một tín hiệu là một cặp biến đổi Fourie

Tín hiệu sóng mang đã đợc điều chế dữ liệu là một quá trình ngẫu nhiênergodic, mã trải phổ là xác định và tuần hoàn nên hàm st(t) cũng là một quátrình ngẫu nhiên ergodic Tín hiệu sd(t) độc lập đối với c(t) nên hàm tự tơngquan Rt() của c(t)sd(t) là tích các hàm tự tơng quan của chúng:

Sử dụng định lý tích chập trong miền tần số của phép biến đổi Furie, mật

độ phổ công suất của st(t) với hàm tự tơng quan biến đổi Furie Rt() là:

17

T

1

Hình 1.9 Mật độ phổ công suất của sóng mang

đ ợc điều chế bởi dữ liệu

PT

2 1

c T

1

tần số 0.5

(f S f S f f df

ở trên ta đã nói đến một u điểm của tín hiệu trải phổ là có thể làm chomáy thu loại bỏ đợc nhiễu cố ý Việc loại bỏ nhiễu đợc thực hiện tại bộ giảitrải phổ ở phía thu, trong đó việc trải phổ của nhiễu cũng đợc tiến hành đồngthời với việc trải phổ tín hiệu hữu ích (quá trình giải trải phổ) Nếu năng lợngcủa nhiễu trải trên độ rộng băng lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng tần củadữ liệu, thì hầu hết năng lợng của nó sẽ bị loại bỏ khi đi qua bộ lọc kết hợp dữliệu

Giả sử điều chế BPSK đều đợc sử dụng cho điều chế dữ liệu và điều chế

trải phổ và nhiễu là nhiễu đơn tone có công suất J Chiến lợc tốt nhất của đối

tợng gây nhiễu là đa thẳng tone nhiễu vào trung tâm dải băng tần truyền tin.Nếu không sử dụng trải phổ thì tỉ số công suất nhiễu trên công suất tín hiệu là

J/P Phổ công suất của tín hiệu thu đợc xấp xỉ:

và tín hiệu thu đợc là:

) cos(

2 ) cos(

) (

) ( 2 )

t T

t c T t d P t

Giả sử mã trải phổ ở máy thu có dạng pha đúng thì tín hiệu ra bộ giải trảiphổ là:

) cos(

) (

2 ) cos(

) ( 2 )

t c J t

T t d P t

Phổ công suất của tín hiệu đợc trình bày ở trên đã đợc minh hoạ trongHình 1.11 Hình 1.11 a-Phổ công suất tín hiệu thu, và phổ sau giải trải phổcho trong Hình 1.11 b Quá trình giải trải phổ trong máy thu trải phổ đợc thựchiện sau khi đa tín hiệu qua bộ lọc với giới hạn băng thông bằng giới hạn băngthông ở đầu vào bộ giải điều chế Hàm truyền của bộ lọc lý tởng đợc chotrong Hình 1.11 c và đầu ra của bộ lọc cho trong Hình 1.11 d

2 1

Bộ lọc lý tởng này có độ rộng băng tần tơng đơng với độ rộng băng tầncủa nhiễu trong bộ lọc trung tần thực tế có độ rộng băng độ rộng băng của dữliệu Hầu hết công suất của tín hiệu đều đợc đi qua bộ lọc trung tần, còn phầnlớn công suất nhiễu bị loại bỏ bởi bộ lọc này Lợng công suất nhiễu bị loại bỏkhi đi qua bộ lọc là:

sin 2

1

) [(

sin 2

1

) ( )

(

2 / 1

2 / 1

0 2

2 / 1

2 / 1

0 2

2 / 1

2 / 1

2 / 1

2 / 1 0

T f

c c

T f

T f

c c

T f

T f J

T f

T f J

df T f f c JT

df T f f c JT

df f S df

f S J

(1.24)

Nếu tỉ số độ rộng băng thông dữ liệu trên độ rộng băng thông trải phổ lớn

tức T c <<T thì hàm sinc tiến gần tới hằng số trong khoảng lấy tích phân và

T

T J

c p

1.2.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần

Trong hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần (FH) độ rộng băng thông kênh

có sẵn đợc chia nhỏ thành nhiều khe tần số kề nhau Trong mỗi chu kì của tínhiệu, tín hiệu phát có thể chiếm dụng một khe tần số hoặc nhiều hơn Việc lựachọn (các) khe tần số trong mỗi chu kỳ của tín hiệu đợc thực hiện một cáchngẫu nhiên theo tín hiệu lấy ra từ bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên PN Đó là hệthống trải phổ nhảy tần

Có nhiều cách để phân loại các hệ thống trải phổ nhảy tần:

- Phân loại theo tơng quan giữa tốc độ nhảy tần và tốc độ symbol điềuchế

- Phân loại theo phơng pháp điều chế

Nếu phân loại theo tơng quan giữa tốc độ nhảy tần R h và tốc độ symbol

điều chế R s ta có nhảy tần nhanh và nhảy tần chậm, mặc dù sự phân loại nàychỉ có tính chất tơng đối vì kỹ thuật chế tạo các bộ tổng hợp tần số có tốc độ

nhảy tần cao đang tiếp tục đợc nghiên cứu và phát triển Tuy nhiên ta vẫn có

thể định nghĩa: hệ thống nhảy tần nhanh là hệ thống có tốc độ nhảy tần R h là

bội nguyên lần tốc độ symbol điều chế R s, còn hệ thống nhảy tần nhảy tầnchậm thì đợc định nghĩa ngợc lại

Nếu phân loại theo phơng pháp điều chế ta có hệ thống trải phổ nhảy tầnliên kết (Coherent Frequency Hop Spread Spectrum) và hệ thống trải phổ nhảytần không liên kết (Noncoherent Frequency Hop Spread Spectrum)

Hình 1.12 mô tả sơ đồ khối của một hệ thống trải phổ nhảy tần

Trong các hệ thống thông tin kiểu trải phổ nhảy tần số, mã trải phổ giả tạp

âm không trực tiếp điều chế tín hiệu sóng mang, nhng nó đợc sử dụng để điềukhiển bộ tổng hợp tần số Tại mỗi thời điểm nhảy tần, bộ tạo mã giả tạp âm đa

ra một đoạn k chip mã để điều khiển bộ tổng hợp tần số, dới sự điều khiển của

đoạn k chip mã này bộ tổng hợp tần số sẽ nhảy sang làm việc tại tần số tơng

ứng thuộc tập 2k tần số Mỗi đoạn gồm k chip mã đợc gọi là một từ tần số

(frequency of word), bởi vậy sẽ có 2k từ tần số Do các từ tần số xuất hiệnngẫu nhiên nên tần số dao động do bộ tổng hợp tần số tạo ra nhận một giá trịthuộc tập 2k tần số cũng mang tính ngẫu nhiên Phổ của tín hiệu nhảy tần có

bề rộng giống nh bề rộng phổ sóng mang đã đợc điều chế chỉ khác là nó bịdịch tần đi một khoảng bằng tần số dao động do bộ tổng hợp tần số tạo ra (t-

ơng ứng với bớc nhaỷ cho trớc đang xét) và nhỏ hơn rất nhiều so với độ rộngbăng trải phổ Wss Tuy nhiên tính trung bình trên nhiều bớc nhảy thì phổ củatín hiệu nhảy tần lại chiếm toàn bộ bề rộng băng trải phổ Wss này

Các kỹ thuật hiện nay cho phép các hệ thống trải phổ loại này đạt đợc bềrộng băng trải phổ cỡ vài GHz, đó là các giá trị lớn gấp nhiều lần so với bềrộng băng tần của các hệ thống trải phổ dãy trực tiếp Do hoạt động trên cácbăng tần rộng nh vậy nên với các kỹ thuật hiện tại, khó có thể chế tạo đợc các

bộ tổng hợp tần số có khả năng duy trì liên kết pha của dao động khi nó nhảy

từ tần số này sang tần số khác, vì vậy ở hệ thống nhảy tần thờng sử dụng kỹthuật giải điều chế không kết hợp (non-coherent detection)

Bộ điều chế dữ liệu

Dữ liệu

vào d(t)

) cos(

Tạo mã PN

1 2 3 - k

Xung

đồng hồ FH

Dữ liệu ra

Bộ lọc ảnh

Bộ tổng hợp tần số

Tạo mã PN

1 2 3 - k

đồng hồ FH

)

(t

h R

Hình 1.12 Sơ đồ khối hệ thống trải phổ nhảy tần

Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên

Bộ điều chế thờng là điều chế FSK nhị phân hoặc điều chế FSK _M mức.Giả sử bộ điều chế này là bộ điều chế FSK nhị phân, khối điều chế sẽ làmnhiệm vụ lựa chọn một hoặc hai tần số tuỳ theo tín hiệu đợc phát ở mức 1 hay

0 Tín hiệu FSK sẽ đợc dịch tần số tuỳ thuộc vào sự điều khiển của chuỗi tínhiệu ra từ bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên PN mà bộ PN này đợc luân phiên sửdụng để chọn ra tần số đã đợc tổng hợp từ bộ tổng hợp tần số Tần số này đợctrộn với tín hiệu ra từ bộ điều chế và tín hiệu đã đợc dịch tần và đợc phát quakênh truyền Ví dụ với m bit đợc tạo ra từ bộ tạo chuỗi PN thì có thể đợc phân

ra 2m-1 mức dịch tần

ở phía đài thu, chuỗi PN từ bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên sẽ đồng bộ với tínhiệu thu đợc, và đợc sử dụng để điều khiển bộ tổng hợp tần số Do đó, tínhiệu giả ngẫu nhiên ở trong tín hiệu thu đợc sẽ đợc tách ra ở máy thu bằngcách trộn tín hiệu tổng hợp với tín hiệu thu đợc Tín hiệu tổng hợp đợc giải

điều chế theo phơng pháp giải điều chế FSK Tín hiệu dùng để duy trì việc

đồng bộ cho bộ tạo dãy giả ngẫu nhiên với tín hiệu thu đã đợc dịch tần thờng

đợc tách ra khỏi tín hiệu mang tin

Mặc dù việc áp dụng điều chế PSK có thể cho kết quả tốt hơn điều chếFSK trong kênh AWGN nhng lại gây khó khăn hơn khi duy trì việc kết hợppha trong việc tổng các hợp tần số đã đợc sử dụng trong các mẫu nhảy tần, vàcũng gây khó khăn khi trong quá trình truyền tín hiệu nh là các tín hiệu nhảytần từ một tần số này sang tần số khác qua độ rộng băng thông Kết quả là

điều chế FSK với tách sóng không liên kết thờng đợc sử dụng cho tín hiệu trảiphổ FH nhiều hơn

Tín hiệu trải phổ nhảy tần đợc sử dụng cơ bản tín hiệu hệ thống thông tin

số và trong CDMA, trong đó nhiều ngời sử dụng cùng chia sẻ một băng tầnchung Trong hầu hết các trờng hợp, tín hiệu trải phổ FH đợc sử dụng nhiềuhơn so với tín hiệu trải phổ trực tiếp DS bởi vì yêu cầu đồng bộ khắt khe vốn

là thuộc tính cố hữu của trải phổ dãy trực tiếp Đặc biệt trong hệ thống trải phổdãy trực tiếp DS, vấn đề thời gian và tính đồng bộ phải đợc thiết lập trong

khoảng chu kì chip T c 1/W Nói cách khác, trong một hệ thống FH, chu kì

chip là khoảng thời gian dùng để phát một tín hiệu trong một khe tần số riêng

biệt của băng tần B<<W Nhng chu kì này thì xấp xỉ 1/B lớn hơn rất nhiều so

với 1/W, vì thế việc đồng bộ (timing) đối với hệ thống FH không cần chặt chẽ

nh đối với một hệ thống PN

1.2.3 Một số hệ thống trải phổ kết hợp khác

Hệ thống trải phổ trực tiếp DS và hệ thống trải phổ nhảy tần FH là hai hệthống cơ bản nhất ứng dụng kỹ thuật trải phổ thờng đợc sử dụng trong thực tế.Tuy nhiên một số phơng pháp khác cũng đợc sử dụng bởi vì những u điểmriêng biệt của chúng Một trong những hệ thống đó là hệ thống trải phổ nhảythời gian TH- SS Trong hệ thống trải phổ nhảy thời gian, một chu kỳ đợc lựachọn sao cho lớn hơn nghịch đảo của tốc độ thông tin, và đợc chia nhỏ rathành một số lợng lớn các khe thời gian Các Symbol thông tin đã mã hoá đợcphát đi trong các khe thời gian đợc lựa chọn một cách ngẫu nhiên dới dạngcác khối gồm một hay nhiều từ mã Với hệ thống loại này thì thờng áp dụng

điều chế PSK để phát các bit tin đã đợc mã hoá

Ngoài các phơng pháp trải phổ đơn thuần, ngời ta còn kết hợp các phơngpháp trải phổ DS, FH và TH với mục đích có đợc các u điểm của từng phơngpháp trải phổ cơ bản kết hợp trong cùng một hệ thống Tuy nhiên, cái giá phảitrả đó là tính phức tạp của hệ thống sẽ tăng lên và yêu cầu đồng bộ về thờigian cũng khắt khe hơn

1 Chúng dễ dàng đợc tạo ra với cấu trúc của thanh ghi dịch

2 Chúng có hàm tự tơng quan với giá trị tơng quan đỉnh cao khi trễ làkhông và gần bằng không khi trễ là khác không Về khía cạnh này, tanói chuỗi PN có tính chất nh của tạp âm trắng

3 Chúng có tính chất ngẫu nhiên nh tính ngẫu nhiên của phép gieo đồng

xu trong đó số lợng con số 1 và số 0 chỉ khác nhau một

1.3.1 Tạo chuỗi giả tạp âm

Các tín hiệu trải phổ băng rộng tựa tạp âm đợc tạo ra bằng cách sử dụngcác chuỗi mã giả tạp âm (pseudo noise) hay giả ngẫu nhiên Trong các hệthống trải phổ chuỗi trực tiếp, dạng sóng của trải phổ giả tạp âm là một hàmthời gian của một chuỗi PN Trong các hệ thống trải phổ nhảy tần, các mẫunhảy tần có thể đợc tạo ra từ một mã PN Lu ý là các chuỗi PN phải đợc tạo ramột cách xác định, nếu không sẽ không thể trao đổi thông tin hữu ích ở đ ờng

23

thông tin trải phổ Tuy nhiên các chuỗi này đợc thiết kế để biểu hiện rất giốngcác chuỗi ngẫu nhiên đối với máy thu không mong muốn.

Hầu hết các chuỗi mã PN nhị phân đã đợc biết đều là các chuỗi ghi dịch

có độ dài cực đại Một chuỗi ghi dịch độ dài cực đại, hay ngắn gọn là chuỗi –

m , có độ dài L = 2m-1 bit và đợc tạo ra bằng cách sử dụng thanh ghi dịch cómạch hồi tiếp tuyến tính LFSR (Linear Feedback Shift Register) nh đợc minh

hoạ trên Hình 1.13 Chuỗi này tuần hoàn với chu kỳ L Mỗi một chu kỳ của

một chuỗi gồm 2m-1 số 1 và 2m-1-1 số 0 Bảng 1.1 liệt kê các kết nối bộ ghi dịch

để tạo ra các chuỗi có độ dài cực đại

Bảng 1.1 Các kết nối bộ ghi dịch tạo các chuỗi độ dài cực đại

Trong các ứng dụng trải phổ DS, chuỗi nhị phân với các phần tử [0,1] đợc

ánh xạ thành một chuỗi xung dơng và âm tơng ứng theo quan hệ:

  t b  p t iT

Với p i (t) là xung tơng ứng với bit b i trong chuỗi số gồm các thành phần{0,1} Tơng tự, ta có thể nói chuỗi nhị phân gồm các số {0,1} đợc ánh xạthành chuỗi nhị phân tơng ứng với các thành phần {-1,1}và có thể gọi chuỗi t-

ơng đơng (cn) với các phần tử {-1,1} là một chuỗi lỡng cực

Một đặc tính quan trọng của chuỗi PN tuần hoàn là hàm tự tơng quan tuần

hoàn, thờng đợc định nghĩa theo chuỗi lỡng cực (c n ) nh sau:

j i i

R

1

) 1 2

)(

1 2

Trong đó L là chu kì của chuỗi Do tính chất của {c n } tuần hoàn với chu kỳ

L, chuỗi tự tơng quan {R c (m)} cũng tuần hoàn với chu kỳ L.

Một cách lý tởng, một chuỗi PN cần phải có một hàm tự tơng quan có tínhchất tơng quan tơng tự nh của tạp âm trắng Nghĩa là chuỗi tự tơng quan lý t-ởng đối với {cn} là R c (0) = L và R c (m) = 0 đối với 0  m  L-1 Trong trờng hợp các chuỗi –m, chuỗi tự tơng quan là:

1 -

0 )

(

L m m L m

Đối với các chuỗi –m dài, L có giá trị lớn, mức giá trị không phải đỉnh của R c (m) so với giá trị R c (m) / R c (0) =-1/L là nhỏ, nếu theo quan điểm thực tế thì cha phải đã thoả mãn Do vậy, các chuỗi –m thì rất gần với các chuỗi PN

lý tởng khi xét theo hàm tự tơng quan của chúng

Đối với các ứng dụng chống nhiễu của chuỗi PN, chu kỳ của chuỗi phảilớn hơn để ngăn cản đối tợng gây nhiễu có thể nghe đợc sự liên kết phản hồicủa bộ tạo chuỗi PN Tuy nhiên, yêu cầu này là không thực tế trong hầu hếtcác trờng hợp vì đối tợng gây nhiễu có thể xác định đợc sự liên kết phản hồi

bằng cách quan sát chỉ 2m chip từ chuỗi PN Điểm yếu này của chuỗi PN là

do đặc tính tuyến tính của bộ tạo chuỗi

Để giảm yếu điểm này, chuỗi tín hiệu ra từ thanh ghi dịch hoặc tín hiệu ra

từ các chuỗi m riêng biệt đợc kết hợp một cách không tuyến tính để đa ra

chuỗi không tuyến tính và do đó gây nhiều khó khăn hơn cho đối tợng gâynhiễu có thể nghe trộm Ngoài ra yếu điểm trên cũng có thể giảm bằng cáchthay đổi thờng xuyên cách kết nối phản hồi và / hoặc thay đổi thờng xuyên sốtrạng thái trong thanh ghi dịch theo một số kế hoạch đã sắp xếp trớc đã đợcthống nhất trớc giữa phía phát và phía thu

Trong một số ứng dụng, các tính chất tơng quan chéo của các chuỗi PNcũng quan trọng nh các tính chất tự tơng quan, ví dụ trong hệ thống CDMA,mỗi một ngời sử dụng đợc gán cho một chuỗi PN riêng Nếu xét một cách lý t-ởng, các chuỗi PN giữa các ngời sử dụng phải trực giao với nhau để quá trìnhtruyền tin của ngời sử dụng này không gây nhiễu cho ngời sử dụng khác trêncùng kênh truyền (mức nhiễu mà một ngời sử dụng phải chịu từ việc truyền tincủa các ngời sử dụng khác bằng không) Tuy nhiên, trong thực tế các chuỗi

PN giữa những ngời sử dụng vẫn có tính tơng quan đôi chút

Để cụ thể hơn, xét lớp các chuỗi –m Nh đã biết các hàm tơng quan chéo tuần hoàn giữa bất kì một cặp chuỗi –m trong cùng chu kỳ có thể có các đỉnh

khá lớn Bảng 1.2 liệt kê các độ lớn đỉnh Rmax của mức tơng quan chéo tuần

hoàn giữa các cặp chuỗi -m đối với 3  m 12 Số các chuỗi –m có độ dài L=2 m -1 đối với 3  m 12 cũng đợc liệt kê trong bảng 1.2

Nhìn vào bảng ta thấy rằng số lợng các chuỗi –m có độ dài L tăng theo m khá

nhanh và ta cũng thấy đối với hầu hết các chuỗi, độ lớn đỉnh Rmax của hàm

t-ơng quan chéo chiếm phần lớn giá trị đỉnh của hàm tự tt-ơng quan Những giátrị đỉnh cao của hàm tơng quan là không mong muốn đối với hệ thống CDMA

25

Mặc dù có thể lựa chọn một tập nhỏ các chuỗi –m có các giá trị đỉnh hàm

t-ơng quan chéo tt-ơng đối nhỏ hơn, nhng số lợng chuỗi trong tập thờng quá nhỏ

đối với các ứng dụng của các hệ thống CDMA, hệ quả là các chuỗi –m thì

không thích hợp đối với các hệ thống thông tin CDMA

Bảng 1.2 Giá trị đỉnh hàm tơng quan chéo của chuỗi m và chuỗi Gold

2 2 6 6 18 16 48 60 176 141

5 9 11 23 41 95 113 383 287 1407

0.71 0.60 0.35 0.36 0.32 0.37 0.22 0.37 0.44 0.34

5 9 9 17 17 33 33 65 65 129

0.71 0.60 0.29 0.27 0.13 0.13 0.06 0.06 0.03 0.03

1.3.2 Các thuộc tính của chuỗi -m

Chuỗi có độ dài cực đại có một số đặc tính cơ bản nh sau:

- Tính cân đối: để cân đối tốt yêu cầu trong mỗi chu kỳ của dãy, sốcon số nhị phân 1 bằng số con số nhị phân 0 và khác nhau nhiều nhấtmột đơn vị

- Tính dịch và cộng: tổng modul 2 của một chuỗi –m và bất kì dịch vòng của chính nó thì sẽ đợc cùng một chuỗi –m nhng đợc dịch

pha đi

- Tính chạy: một bớc chạy đợc định nghĩa là dãy các bit cùng loại

Sự xuất hiện của các bit khác loại chỉ ra một bớc chạy mới Độ dài củamột bớc chạy là số bit trong mỗi bớc chạy Trong số các bớc chạy củamột chu kỳ mã, nếu có 1/2 bớc chạy mỗi loại là độ dài 1; 1/4 là độ dài2; 1/8 là độ dài 3 ;1/2n là độ dài n

- Tính tơng quan: nếu một chu kỳ của dãy đợc so sánh theo kiểu sốhạng với bất kỳ dãy nào là chính nó nhng lại dịch đi ít nhất một bit thìtính tơng quan của dãy đợc thoả mãn khi số số hạng giống nhau khác

số hạng không giống nhau không quá một chỉ số đếm

1.3.3 Hàm tự tơng quan của chuỗi -m.

Hàm tự tơng quan của tín hiệu x(t) đợc định nghĩa là:

Hàm tự tơng quan cho ta biết mức độ tơng quan giữa một dãy và bản sao

bị dịch pha của nó Một đồ thị tơng quan chỉ ra số lợng giữa số phù hợp trừ đi

số lợng không phù hợp trên tổng số chiều dài của hai dãy khi so sánh vớinhau, trong đó 1 dãy là dịch pha của dãy kia Hàm tự tơng quan Rx() của dao

động x(t) tuần hoàn có chu kỳ T 0 đợc xác định nh sau:

2 / 0

0

0

) ( ) ( 1

1 ) (

T

T

T K

2 /

T

dt t x T K

Khi x(t) là dạng tín hiệu xung tuần hoàn biểu diễn dãy giả tạp âm, ta xemmỗi xung cơ bản nh một ký hiệu hay chip mã giả tạp âm Với tín hiệu dạnggiả tạp âm mà thời gian tồn tại của chip bằng đơn vị và một chu kỳ có p chip,hàm tự tơng quan của dãy mã giả tạp âm có thể biểu diễn dới dạng sau:

1 là số bit không giống nhauThờng ngời ta sử dụng tơng quan chuẩn hoá theo quy tắc:

1 0

1 0

) (

Hàm tự tơng quan thông thờng đối với dãy mã có độ dài tối đa Rx() códạng nh sau:

Nh vậy với  = 0 khi x(t) và bản sao của nó trùng nhau hoàn toàn và

Rx() = 1 Tuy nhiên, khi dịch một chu kỳ giữa x(t) và x(t+) với 1    p,

hàm tự tơng quan R x(  )   1p

Hình 1.14 Hàm tự t ơng quan của chuỗi -có độ dài

cực đại với chu kỳ chip T

-1

0

Xét ví dụ tạo dãy PN

Xét bộ ghi dịch có phản hồi nh sau:

Bộ ghi dịch gồm có 4 phần tử nhớ mắc nỗi tiếp, bộ cộng modul 2 và ờng hồi tiếp từ đầu ra bộ ghi dịch trở về đầu vào bộ ghi dịch Bộ ghi dịch đợc

đ-điều khiển hoạt động nhờ xung nhịp, mỗi khi có một xung nhịp tác động thìnội dung của thanh ghi dịch đợc dịch sang phần tử nhớ kế tiếp ở bên phải.Trong ví dụ này, chuỗi ghi dịch đợc định nghĩa là chuỗi thu đợc tại lỗi ra củaphần tử nhớ X4

Số tầng là 4 nên p = 24 - 1 =15 Xét trạng thái đầu của thanh ghi dịch là

0001 Nội dung của bộ ghi sau 15 chu kỳ và đầu ra của nó nh sau:

000010011010111Tiếp theo ta kiểm tra xem dãy thu đợc ở trên có thoả mãn các chỉ tiêungẫu nhiên đã trình bày hay không?

- Tính cân đối: trong dãy có 8 số 1 và 7 số 0, nên dãy có thoả mãntính chất cân đối

- Tính chạy: ta thấy dãy có:

d a a a d d a d a d d d d a aCác số giống nhau đợc gán nhãn là a, ngợc lại là d Ta thấy số cặp các sốgiống nhau của hai dãy sau khi dịch là 7, số cặp khác nhau là 8, theo (1.34) ta

có giá trị của hàm tơng quan cho việc dịch một chip duy nhất là:

p

1 15

1 ) 8 7 ( 15

1 ) 0

Vậy tính tơng quan của chuỗi đã đợc chứng minh, và do vậy dãy do bộ ghidịch ở trên tạo ra là một dãy giả ngẫu nhiên

1.3.4 Chuỗi Gold

Các chuỗi-m là các chuỗi có giá trị của các hàm tơng quan chéo tơng đối

lớn, điều này là không có lợi đối với một số ứng dụng trong hệ thống đa truynhập do tính gây nhiễu lẫn nhau giữa các ngời sử dụng Do đó, các chuỗi PN

có các đặc tính tơng quan chéo tuần hoàn tốt hơn chuỗi –m đã đợc Gold và Kasami phát triển Các chuỗi này cũng có nguồn gốc là các chuỗi –m.

Gold và Kasami đã chứng minh đợc rằng các cặp chuỗi –m xác định có

độ dài L sẽ có 3 giá trị của hàm tơng quan chéo {-1,-t(m), t(m)-2}với:

1 2

) ( ( 2)/2

2 / ) 1 (

m m

chuỗi u tiên này, các chuỗi Gold đợc xây dựng bằng cách lấy tập hai chuỗi a

= [a1a2 an] và b = [b1b2 bn], ta tạo ra tập chuỗi có độ dài L bằng cách cộng modul 2 a với L chu kỳ dịch vòng của b Từ đó ta có đợc chuỗi có chu kỳ mới với L=2m-1 Ta cũng có thể xét đến chuỗi gốc a và b và, vì thế, ta có tổng sốchuỗi là n+2 n+2 chuỗi đợc tạo ra theo cách thức trên đợc gọi là chuỗi Gold.Với trờng hợp ngoại lệ của các chuỗi a và b, bộ chuỗi Gold khộng bao

gồm các chuỗi thanh ghi dịch có độ dài cực đại L Vì thế, hàm tự tơng quan

của chúng không phải có hai giá trị Gold đã chỉ ra rằng hàm tơng quan chéo

cho mỗi cặp chuỗi từ tập n+2 chuỗi Gold có ba giá trị là {-1,-t(m), t(m)-2}

T-ơng tự, hàm tự tT-ơng quan với giá trị đỉnh cũng lấy các giá trị từ tập {-1,-t(m), t(m)-2} Vì thế các giá trị đỉnh của hàm tín hiệu tơng quan đợc giới hạn biên trên bởi t(m).

Dùng một cặp chuỗi –m đợc chọn lựa đặc biệt này tạo tổng modul 2 của hai chuỗi này đối với mỗi một trong L phiên bản dịch chu kì của một chuỗi với chuỗi kia Đối vói L lớn và m là số lẻ thì giá trị cực đại của hàm tơng quan

chéo giữa một cặp chuỗi Gold bất kì là Rmax  2L Đối với m chẵn, Rmax  L

Kasami đã mô tả một phơng pháp xây dựng các chuỗi PN bằng cách chiếtmột chuỗi –m Trong phơng pháp của Kasami, mọi bit thứ (2m/2+1) của mộtchuỗi –m đợc chọn lấy Phơng pháp xây dựng này thu đợc một tập nhỏ hơncác chuỗi PN so với các chuỗi Gold song giá trị tơng quan chéo cực đại củachúng là Rmax  L

Việc so sánh giá trị đỉnh của hàm tơng quan chéo đối với các chuỗi Gold

và các chuỗi Kasami là đáng quan tâm, bằng cách sử dụng một giới hạn chặndới đã biết đối với giá trị tơng quan chéo cực đại giữa một cặp chuỗi nhị phânbất kì có độ dài L Với một tập đã cho gồm N chuỗi có chu kì L, một giới hạnchặn dới đối với giá trị tơng quan chéo cực đại của chúng là:

1

1 max

Trong đó đối với các giá trị L, N lớn, xấp xỉ theo Rmax  L Do đó, chúng

ta thấy đợc rằng các chuỗi Kasami thoả mãn giới hạn chặn dới, và vậy chúng

là tối u Trong khi đó các chuỗi Gold với m lẻ thì có Rmax  L Do vậy, chúng

là kém tối u đôi chút

Chuỗi Kasami: chuỗi Kasami cũng đợc tạo ra từ các chuỗi -m bằng cách

lấy n = 2m - 1 bit của hai chuỗi a và b, tạo nên một bộ chuỗi bằng cách lấy tổng modul 2 các bit từ chuỗi a và các bit từ chuỗi b với 2m/2 - 2 lần dịch vòng

chuỗi b Nếu kể đến cả chuỗi a thì ta có một tập 2m/2 chuỗi có độ dài n = 2m

-1 Các chuỗi này có giá trị hàm tơng quan chéo cực đại đối với bất kì cặpchuỗi nào trong tập chuỗi là:

31

khoảng cách của họ tới 4 hoặc 6 vệ tinh GPS mà các vị trí của chúng là đãbiết Có 24 vệ tinh GPS trên quỹ đạo với khoảng cách là 12.211 dặm từ trái

đất Chu kỳ của mỗi vệ tinh là 12 giờ Một ngời sử dụng có thể nhận đợc tínhiệu từ ít nhất 4 vệ tinh một lúc

Từ mỗi vệ tinh, hai tín hiệu DSSS, L1 và L 2 đợc phát tới mặt đất L1 vàL2 là hai tần số sóng mang 1575.42 và 1227.60 MHz Xét tín hiệu L1 trớc.Quá trình điều chế mã trải phổ ở đây sử dụng điều chế QPSK không cân bằng

Và mã trải phổ kênh I là mã Gold với độ dài 1023 chip Tốc độ chip là 1.023MHz và chu kì của mã là 1ms Một loại mã Gold khác cũng đợc sử dụng chomỗi vệ tinh để trạm thu mặt đất để có thể phân biệt các vệ tinh Mã trải phổngắn này đợc gọi là mã C/A (clear/ aquisition) Mã trải phổ kênh Q là loại mãkhông tuyến tính rất dài có tốc độ xung đồng hồ là 10.320MHz, chiều dài mã6,025.1012 bit Mã này đợc gọi là mã chính xác (precise code) hay mã P và chu

kì của nó tính theo ngày (Mỹ đa ra chu kì 267 ngày) Mỗi một vệ tinh sử dụngmột pha khác nhau (một đoạn mã) trong mã dài này Điều chế trải phổ chobăng L 2 sử dụng điều chế BPSK, tín hiệu băng L2 đợc sử dụng cho thông tinquân sự nhiều hơn

Chuỗi mã C/A có độ dài nhỏ đợc thiết lập để máy thu có thể thu nhận tínhiệu từ vệ tinh một cách nhanh chóng đồng thời giúp cho máy thu có thểchuyển tiếp đến mã P Việc đo khoảng cách đòi hỏi máy thu phải có bản saomã tín hiệu từ vệ tinh thu đợc và tiến hành so sánh với bản sao gốc Máy thu

sẽ dịch chuyển bản sao mã của nó để so sánh với mã của vệ tinh từ đó tínhtoán để hiệu chỉnh thời gian giữa hai đỉêm dấu mã của vệ tinh và máy thu

Để tìm ra khoảng thời gian chênh lệch (), chuỗi tín hiệu phát từ bộ ghidịch đợc dịch pha dần theo xung đồng hồ Khi các chuỗi xung đồng pha thì bộtơng quan tự động sinh ra điện áp làm dừng quá trình dịch chuyển thông quacác mạch mã và cung cấp thời gian đồng hồ cho máy tính Hiệu thời gian sẽ

có hai thành phần, thành phần sai số thời gian đo đợc giữa đồng hồ vệ tinh và

đồng hồ máy thu và thời gian lan truyền của tín hiệu từ vệ tinh phát tới máythu

1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo mã

ứng dụng thứ hai muốn đợc đề cập đến của ứng dụng trải phổ là ứngdụng đa truy nhập ứng dụng đa truy nhập cho vô tuyến tế bào đã đợc nghiêncứu từ những năm 1970, nhng phải đến nhiều năm sau, viện nghiên cứu

Hình 1.15 Minh hoạ mối quan hệ giữa thời gian

hệ thống và thời gian máy thu

Qualcomm mới khảo sát lại ứng dụng của trải phổ cho vô tuyến tế bào và pháttriển lên nền tảng cho công nghệ CDMA bây giờ Sau đó tiêu chuẩn IS-95 ra

đời và đợc sử dụng đầu tiên ở bắc Mĩ Dới đây sẽ xem xét những ứng dụng cụthể của kĩ thuật trải phổ trong hệ thống CDMA theo chuẩn IS-95

Bỏ qua việc sử dụng lại tần số trong một thời điểm và xem xét khả năngchia sẻ phổ trong nội bộ một tế bào đơn Phổ của một tế bào có thể chia sẻgiữa những ngời sử dụng theo ba cách, và tất cả đều dựa trên khái niệm tạokhả năng phát của một ngời sử dụng trực giao với quá trình phát của ngời sửdụng khác sao cho những ngời sử dụng chung một tế bào gây nhiễu cho nhau

là ít nhất Tính trực giao giữa các tín hiệu đợc phát có thể đợc hiểu đơn giản là

sự không chồng lấn lên nhau giữa các băng tần hoặc giữa các khe thời gian,dạng sóng có thể trực giao với nhau nhờ thế có thể chia sẻ chung băng tần tạicùng thời điểm Đa truy nhập phân chia theo mã dựa trên quy tắc này

Bây giờ giả sử bốn dạng sóng wi(t) đợc sử dụng nh là sóng mang của các

symbol nhị phân d i, do đó dạng sóng đợc phát là:

s i (t) = d i w i (t) 0  t  4T c (1.38)Vì tính trực giao của các sóng mang wi(t), tất cả các tín hiệu s 0 (t), s 1 (t),

s 2 (t) và s 3 (t) có thể đồng thời phát cùng thời điểm mà không gây nhiễu cho

nhau Tín hiệu băng cơ sở thu đợc trong trờng hợp này là:

s(t) = s0(t) + s 1 (t) + s 2 (t) + s 3 (t)

= d 0 w 0 (t) + d 1 w 1 (t) + d 2 w 2 (t) + d 3 w 3 (t) (1.39)

và giả sử tín hiệu thu mong muốn của ngời sử dụng 0 thu đợc do tơng quan tín

hiệu thu này với sóng mang trực giao w 0 (t) qua chu kì 0  t  4T c Do đó,

d dt t w d t w d t w d t w d t w T dt t s t w

4

0

3 3 2

2 1

1 0

0 0

4

1 )

( ) (

4

1

(1.40)Các symbol dữ liệu khác có thể khôi phục lại theo cùng cách thức này

Ví dụ đơn giản này minh hoạ cho nguyên lí cơ bản của CDMA, theo đó cácsymbol mang tin đợc mã hoá theo cách riêng biệt nhờ đó những ngời sử dụngkhác nhau có thể đồng thời phát tín hiệu trên cùng một băng tần mà khônggây nhiễu cho nhau Mã hoá bằng cách nhân dữ liệu với dạng sóng trực giao

wi(t) là một ví dụ điển hình của ứng dụng mã trải phổ trực tiếp Việc sử dụngtrải phổ nh là một phơng thức đa truy nhập đã đợc biết đến và sử dụng trongnhiều năm và ứng dụng của nó cho hệ thống tế bào chỉ với yêu cầu sự pháttriển phù hợp của các kĩ thuật phần cứng

33

Mô tả kênh đ ờng xuống

1 -> -1

Ghép kênh

Mã walsh kênh

đồng bộ

Mã walsh kênh pilot

Mã walsh của

ng ời sử dụng m

Lọc Lọc

PN kênh Q pilot

Hình 1.16 Cấu trúc kênh đờng xuống

Số lợng ngời sử dụng dịch vụ có thể giới hạn bởi số lợng các mã trải phổtrực giao có sẵn (số lợng cặp mã Walsh trực giao)

Tốc độ mã hoá tiếng nói trong CDMA là 8600 bps Tiếng nói sau khi đợc

đa vào khối mã hoá thực hiện các nhiệm vụ mã hoá tiếng nói, mã hoá pháthiện lỗi, mã xoắn, và sau khi chèn, dữ liệu đợc đa vào bộ trộn thực hiện cộngmodul 2 với mã nhị phân của từng ngời sử dụng có độ dài 242-1 Mã dài này đ-

ợc tạo ra từ các chuỗi có độ dài cực đại với tốc độ 1,2288 Mcps

Tất cả các kênh thông tin đều sử dụng chung bộ mã dài này và có thểphân biệt bằng cách sử dụng các pha khác nhau cho từng ngời sử dụng Chu kìdài của mã 242-1 giúp cho việc phân biệt giữa nhiều ngời sử dụng có thể thựchiện đợc

Bớc tiếp theo trong chu trình xử lý tín hiệu là quá trình trải phổ dãy trựctiếp cho dòng symbol từng ngời sử dụng sử dụng mã Walsh trực giao đặc trngcho từng kênh Mã Walsh là tập 2n chuỗi bit nhị phân, mỗi chuỗi trong tập 2n

chuỗi trực giao với các chuỗi còn lại trong tập Trong CDMA tập mã Walsh là

tập W 64 bao gồm 64 từ mã trực giao từ w 0 tới w 63 Một từ mã Walsh là một

hàng trong số W 64 đợc ấn định cho mỗi ngời sử dụng nh là mã trải phổ dãytrực tiếp BPSK Tốc độ chip là 1,2288  106 cps và tốc độ symbol trải tiền phổ

là 19200 sps, do đó có chính xác 1,2288  106 /19200 = 64 chip mã trải phổtrên một symbol, và toàn bộ một từ mã Walsh đợc dùng cho một symbol Mặc dù trải phổ BPSK bằng mã Walsh đã đủ cho quá trình tách tín hiệu

từ mỗi trạm gốc, nhng với yêu cầu tách biệt của mọi trạm trong hệ thống, trảiphổ QPSK đợc sử dụng thêm cho mục đích này

Mô tả kênh đ ờng lên

Mã hoá

Lọc Lọc

PN kênh Q pilot

đ-trực giao Tập dạng sóng đ-trực giao này là tập mã Walsh W 64, đã đợc sử dụngtrong kênh đờng xuống nh là mã trải phổ trực tiếp Mỗi một dạng sóng đợc chỉ

ra bằng w 0 tới w 64 đợc tạo thành từ 64 symbol tin nhị phân, do đó đầu ra bộ

điều chế là 64 symbol nhị phân cho mỗi đầu vào 6 symbol nhị phân Vì thếtốc độ symbol đầu ra bộ điều chế tơng quan là 28000  64/6 = 307,2 ksps Bộ

điều chế trực giao này thực hiện trải phổ dãy trực tiếp sử dụng mã dài có tốc

độ chip 1,2288  106 cps nh đã đợc sử dụng trong kênh đờng xuống Mỗi mộtngời sử dụng sẽ đợc ấn định một đoạn mã (một pha duy nhất) trong từ mã dài

242 - 1 này Pha riêng biệt này là làm chức năng của số seri điện tử ấn định chomỗi ngời sử dụng Có tất cả 1,2288  106 / (307,2  103) = 4 chip mã trải phổtrên một symbol đầu ra của bộ điều chế trực giao Tín hiệu ra từ bộ trải mã dài

đợc đa tới hai bộ trải phổ trực tiếp đồng pha và cầu phơng Sau khi bớc trảiphổ cuối cùng đợc thực hiện, kênh đồng pha đợc làm trễ 1/2 chip do dó quátrình điều chế cuối cùng sẽ là QPSK tơng ứng với bớc điều chế đã sử dụngtrong kênh đờng xuống Tín hiệu từ bộ trải phổ trực tiếp cầu phơng sẽ đợc lọc

và đợc sử dụng để điều chế sóng mang cầu phơng sau đó đợc cộng với tín hiệu

từ kênh đồng pha rồi khuyếch đại và đa ra anten phát

Tín hiệu phát đi trên kênh truyền sẽ cộng với các nhiễu từ các trạm thu

BS khác cũng nh suy giảm do kênh truyền sẽ đến trạm thu BS mong muốn.Trạm thu sẽ khôi phục lại tín hiệu sau giải điều chế trải phổ dãy trực tiếp đãthực hiện ở phía phát Sau đó trạm thu xác định symbol 64- mức bằng tính t-

ơng quan dạng sóng giải trải phổ với mỗi mã Walsh trực giao có thể có vàchọn lấy cái lớn nhất Sau khi dự đoán chuỗi Walsh đợc phát, quá trìnhchuyển đổi ngợc chèn, mã xoắn, mã hoá tiếng nói đợc thực hiện để khôi phụclại tiếng nói

35

Chơng 2 phần mềm MATLAB2.1 Giới thiệu chung

MATLAB (Matrix Laboratory) là một ngôn ngữ trình diễn mạnh củacông ty MathWork ban đầu đợc phát triển nhằm phục vụ chủ yếu cho việc môtả các nghiên cứu kỹ thuật bằng toán học với những phần tử cơ bản là ma trận.Mức phát triển hiện nay của MATLAB đã chứng tỏ nó là một phần mềm cógiao diện cực mạnh cùng nhiều lợi thế trong kỹ thuật lập trình để giải quyếtnhững vấn đề đa dạng trong nghiên cứu khoa học kỹ thuật

MATLAB là chơng trình phần mềm trợ giúp cho việc tính toán và hiển thị

Nó có thể chạy trên hầu hết các hệ máy tính, từ máy tính cá nhân đến các hệmáy super computer MATLAB đợc điều khiển bởi tập các lệnh, tác động quabàn phím trên cửa sổ điều khiển Nó cũng cho phép một khả năng lập trình với

cú pháp thông dịch lệnh - còn gọi là script file Các lệnh hay bộ lệnh củaMATLAB lên đến con số hàng trăm và ngày càng đợc mở rộng bởi các phầnTools box hay thông qua các hàm ứng dụng đợc tạo lập bởi ngời sử dụng.Các câu lệnh của MATLAB đợc viết rất sát với các mô tả kỹ thuật khiếncho việc lập trình bằng ngôn ngữ này đợc thực hiện nhanh hơn, dễ dàng hơn

so với nhiều ngôn ngữ đã trở nên thông dụng khác Những hàm sẵn có trongMATLAB có cấu trúc thiết lập gần giống nh ngôn C, bởi vậy ngời sử dụngkhông mất nhiều thì giờ học hỏi khi nắm đợc những vấn đề cơ bản của một sốngôn ngữ lập trình thông dụng Cùng với 25 tool box khác nhau, MATLABtạo ra một sự lựa chọn hoàn chỉnh và phong phú các công cụ trợ giúp đắc lựccho những lĩnh vực nghiên cứu chuyên môn khác nhau

Sau hết, việc cài đặt MATLAB thật là dễ dàng, MATLAB có thể hoạt

động trên hầu hết các hệ máy tính, từ máy tính cá nhân đến các hệ máy tínhlớn Với các version 3.5 trở về trớc, nó chạy trong môi trờng MS-DOS, từ cácversion 4.0 trở lên chạy trong môi trờng Windows và có thể chạy liên kết vớicác chơng trình ngôn ngữ cấp cao nh C, C++, Fortran

Đợc các công ty phần mềm hàng đầu thế giới phát triển, ngày nay,MATLAB đã trở thành công cụ đắc lực trong các môi trờng công tác rất khácnhau, từ việc giảng dạy, đào tạo trong các nhà trờng đại học và trung họcchuyên nghiệp, đến vịêc triển khai ứng dụng trong các cơ sở nghiên cứu, sảnxuất, dịch vụ và thơng mại; từ các lĩnh vực khoa học cơ bản nh toán học, vật

lý, sinh học cho đến các lĩnh vực kỹ thuật công nghiệp, kinh tế, quốc phòng

2.1.1 Không gian làm việc của MATLAB

Không gian làm việc của MATLAB gồm có khởi động và thoát khỏiMATLAB, các công cụ và hàm chức năng giúp ta làm việc với các biến và filecủa MATLAB, bao gồm cả desktop MATLAB Hầu hết các công cụ này cógiao diện sinh động với ngời sử dụng