Nghiên cứu chống nhiễu trong hệ thống thông tin di động dscdma_hvktqs

Các hệ thống thông tin trải phổ là các hệ thống sử dụng tín hiệu có băng tần B rất rộng, th-ờng gấp hàng trăm lần tốc độ bit của hệ thống nhờ sử dụng kỹ thuật trải phổ tín hiệu bằng các

Mục lục

Trang

Mở đầu………

Ch-ơng 1: Cơ sở kỹ thuật trải phổ………

1.1 Tổng quan về kỹ thuật trải phổ………

1.1.1 Giới thiệu chung………

1.1.2 Phân loại ………

1.2 Đặc điểm của kỹ thuật trải phổ………

1.2.1 Khả năng chống nhiễu………

1.2.2 Khả năng bảo mật………

1.2.3 Khả năng đa truy nhập………

1.3 Mô hình loại bỏ nhiễu dùng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp………

1.4 Chuỗi giả tạp………

1.4.1 Các tính chất ngẫu nhiên………

1.4.2 Chuỗi ghi dịch………

1.4.3 Hàm tự t-ơng quan giả tạp………

Ch-ơng 2: Các hệ thống thông tin trải phổ………

2.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS)………

2.1.1 Điều chế trải phổ và giải điều chế trải phổ trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp………

2.1.2 Đồng bộ trong hệ thống trải phổ chuổi trực tiếp………

2.2 Hệ thống nhảy tần (FH/SS)………

2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống………

2.2.2 Đồng bộ trong hệ thống trải phổ nhảy tần FH-SS………

Ch-ơng 3: Sơ đồ khử nhiễu liên tiếp trong hệ thống ds/cdma ………

3.1 Đặt vấn đề………

3.2 Sơ đồ bộ giải mã và mô hình hệ thống………

01

03

03

03

05

07

07

11

12

13

14

15

16

17

20

20

20

24

44

44

47

56

56

58

3.3 Sơ đồ khử nhiễu liên tiếp với M-QAM………

3.4 Phân tích hiệu suất trên kênh dừng………

3.4.1 Phân tích hoạt động của sơ đồ khử nhiễu QAM………

3.4.2 Một số ví dụ cụ thể………

3.5 Phân tích hiệu suất của sơ đồ IC QAM d-ới tác động của fading…

3.5.1 Sơ đồ IC với QAM d-ới tác động của fading Rayleigh một đ-ờng………

3.5.2 Một số ví dụ cụ thể………

3.6 Phân tích hiệu suất của hệ thống điều chế kết hợp………

3.6.1 Mô tả mô hình hệ thống DS/CDMA kết hợp………

3.6.2 Phân tích hiệu suất trên kênh dừng………

3.6.3 Các hệ thống điều chế kết hợp d-ới tác động của fading Rayleigh………

3.6.4 Một số ví dụ cụ thể………

3.7 Công suất không đều của ng-ời dùng trong hệ thống………

3.8 Phân tích hiệu suất của các hệ thống kênh song song………

3.8.1 Kênh song song………

3.8.2 Kết hợp truyền đồng bộ và không đồng bộ………

3.8.3 Truyền đồng bộ và không đồng bộ d-ới tác động của fading Rayleigh………

3.8.4 Một số kết quả cụ thể………

3.9 Kết luận………

Kết luận………

Tài liệu tham khảo………

Phụ lục………

64 69 70 72 74 74 77 77 77 79 80 81 82 84 84 85 86 87 88 90 i ii

Các chữ viết tắt

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm trắng chuẩn cộng tính

BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã DS/CDMA Direct Sequence Code Division Multiple

Multiple Access

Đa truy nhập trải phổ nhảy tần

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

IEEE Institute of Electronic and Electrical

Engineers

Viện thiết kế điện và điện

tử IMT-2000 International Mobile Telecomunication

2000

Viễn thông di động quốc tế cho năm 2000

ISI Inter-Symbol-Interfrence Xuyên nhiễu giữa các dấu IS-95 Interim-Standard-95 Chuẩn tạm thời- 95

ITU International Telecomunication Union Liên minh viên thông quốc tế MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập

M-QAM M-ary Quadrature Amplitude

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu ph-ơng QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha cầu ph-ơng

thời gian TH/CDMA Time Hopping Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập trải phổ nhảy thời gian

Mở đầu

Thế kỷ 21 sẽ chứng kiến sự bùng nổ của thông tin vô tuyến trong đó thông tin di động đóng vai trò rất quan trọng Kỹ thuật trải phổ sẽ trở thành nền tảng cho nhiều công nghệ vô tuyến mới Ra đời và đ-a vào áp dụng trong quân sự từ những năm 1930, tuy nhiên gần đây các kỹ thuật này mới

đ-ợc nghiên cứu và áp dụng trong các hệ thống thông tin di động th-ơng mại Nền tảng cơ bản của mọi hệ thống trải phổ là các chuỗi giả ngẫu nhiên Có thể coi rằng Sol Golomb là ng-ời đã dành nhiều nghiên cứu toán học cho vấn đề này trong các công trình của ông vào những năm 1950 ý t-ởng đầu tiên về đa truy nhập trải phổ phân chia theo mã đã đ-ợc P.Rice

và P.E.Green trình bày trong bài báo của mình năm 1958 Vào đầu những năm 1970 rất nhiều tham luận đã chỉ ra rằng các hệ thống thông tin CDMA

có thể đạt đ-ợc dung l-ợng cao hơn hệ thống thông tin đa truy nhập phân chia theo thời gian

Các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp đã đ-ợc xây dựng vào những năm 1950 Thí dụ về các hệ thống đầu tiên là ARC-50 của Magnavox và các hệ thống thông tin vô tuyến vệ tinh OM-55, USC-28 Trong các bài báo của mình (năm 1966) các tác giả J.W.Schwart, W.J.M.Aein và J.Kaiser là những ng-ời đầu tiên so sánh các kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA Các thí dụ khác về các hệ thống quân sự sử dụng công nghệ CDMA là vệ tinh thông tin chiến thuật TATS và hệ thống định vị toàn cầu GPS

Tại Mỹ, các vấn đề cạn kiệt dung l-ợng thông tin di động đã nảy sinh

từ những năm 1980 Tình trạng này đã đặt ra yêu cầu cho các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm ra một ph-ơng án thông tin di động số mới Để tìm kiếm hệ thống thông tin di động số mới ng-ời ta nghiên cứu công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã trên cơ sở trải phổ Đ-ợc thành lập năm 1985, Qualcom

đã phát triển công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận đ-ợc nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này Lúc đầu công nghệ này đ-ợc đón

nhận một cách dè dặt do quan niệm truyền thống về vô tuyến là mỗi cuộc thoại đòi hỏi một kênh vô tuyến riêng Qualcom đã đ-a ra phiên bản CDMA đầu tiên đ-ợc gọi là IS-95A Hiện nay phiên bản mới IS-2000 đã

đ-ợc đ-a ra cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 Châu Âu, Nhật Bản, Hồng Công và đặc biệt là Hàn Quốc cũng đang phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sử dụng công nghệ CDMA ở Việt Nam, mạng Sfone

đã và đang phát triển hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA Tiếp theo sẽ là sự ra đời của VP Telecom và HanoiTelecom cũng

đều sử dụng công nghệ CDMA CDMA là công nghệ có nhiều -u điểm hơn

so với các công nghệ đã sử dụng từ tr-ớc về mặt dung l-ợng cũng nh- chất l-ợng Tuy nhiên, do môi tr-ờng truyền sóng là không gian, yếu tố địa hình

và một vài nguyên nhân khác nên không thể tránh khỏi nhiễu giao thoa, nhiễu đa truy nhập…Vì thế đã nảy sinh nhu cầu triệt nhiễu để đảm bảo ổn

định chất l-ợng liên lạc và dung l-ợng hệ thống Do giới hạn về mặt thời gian và khả năng bản thân có hạn, đồ án chỉ tập trung vào “Nghiên cứu các giải pháp chống nhiễu liên tiếp cho hệ thống DS/CDMA” là dạng đ-ợc sử dụng phổ biến nhất

Nội dung đồ án bao gồm ba ch-ơng:

Ch-ơng I

CƠ Sở kỹ thuật TRảI PHổ

1.1 tổng quan về Kỹ THUậT TRảI PHổ

1.1.1 Giới thiệu chung

Kỹ thuật trải phổ đầu tiên đ-ợc áp dụng trong lĩnh vực quân sự và hàng hải do nó có nhiều -u điểm trong chống nhiễu, bảo mật và khả năng

đa truy nhập phong phú Đến cuối chiến tranh Thế giới thứ II, kỹ thuật trải phổ nhằm mục đích chống nhiễu đã trở thành một khái niệm quen thuộc đối với các kỹ s- vô tuyến và trong các năm sau đó, với mong muốn đạt đ-ợc các hệ thống có tính chống nhiễu cao đã thúc đẩy các nghiên cứu về trải phổ Kết quả của việc nghiên cứu đã tìm ra ứng dụng của nó trong một số lĩnh vực khác nh- giảm mật độ năng l-ợng, các hệ thống có độ phân giải cao và trong đa truy nhập Để hiểu rõ hơn, ta sẽ xem xét kỹ thuật trải phổ trong ch-ơng này

Các hệ thống thông tin trải phổ là các hệ thống sử dụng tín hiệu có

băng tần B rất rộng, th-ờng gấp hàng trăm lần tốc độ bit của hệ thống nhờ

sử dụng kỹ thuật trải phổ tín hiệu bằng các tín hiệu giả tạp PN Khi chỉ có một ng-ời sử dụng băng tần trải phổ, sử dụng băng tần nh- vậy là không hiệu quả Tuy nhiên trong môi tr-ờng nhiều ng-ời sử dụng, những ng-ời sử dụng này có thể sử dụng chung một băng tần trải phổ và hệ thống sử dụng băng tần có hiệu quả mà vẫn giữ đ-ợc các -u điểm của trải phổ

ý t-ởng của kỹ thuật trải phổ trong các hệ thống thông tin là dựa vào

định lý Shannon, định lý này đ-ợc phát biểu nh- sau: Với một kênh có tạp

âm trắng chuẩn cộng tính (AWGN) thì t-ơng quan giữa dung l-ợng, công suất và độ rộng dải tần cho bởi:

C = B log 2 (1+S/N) (1.1) trong đó, C : dung l-ợng của kênh;

B : độ rộng dải tần của tín hiệu;

S/N : tỷ số tín/ tạp

Nh- vậy, với cùng một dung l-ợng C xác định, nhờ tăng B mà có thể truyền đ-ợc tín hiệu với tỷ số S/N rất thấp, thậm chí <1 Điều đó có thể đạt

đ-ợc nhờ thực hiện trải rộng phổ cần truyền ở phần phát và nén phổ ở phần thu Đây là cơ sở cho phép hệ thống liên lạc làm việc tốt trong các điều kiện

có nhiễu mạnh, thậm chí che giấu tín hiệu chìm vào trong nền nhiễu, nhờ

đó đối ph-ơng rất khó phát hiện đ-ợc tin tức truyền đi Hơn nữa, nhờ việc

sử dụng các dãy giả ngẫu nhiên để trải phổ nên đối ph-ơng hầu nh- không thể giải mã đ-ợc thông tin, thông tin truyền đi đ-ợc bảo mật gần nh- tuyệt

đối Để khẳng định một hệ thống thông tin đ-ợc gọi là hệ thống trải phổ nó phải thoả mãn 3 yếu tố sau đây:

• Tín hiệu sau khi trải phổ có bề rộng phổ lớn hơn gấp nhiều lần so với

bề rộng phổ ban đầu của nó tr-ớc khi trải phổ

• Việc trải phổ đ-ợc thực hiện bởi tín hiệu trải phổ th-ờng đ-ợc gọi là mã trải phổ, mã trải phổ này độc lập với dữ liệu và có tốc độ lớn hơn nhiều lần tốc độ dữ liệu Tín hiệu trải đ-ợc lựa chọn sao cho tạo ra một phổ tổng cộng gần với phổ của tạp âm

• Quá trình nén phổ đ-ợc thực hiện nhờ tính t-ơng quan giữa tín hiệu thu đ-ợc và tín hiệu giải trải phổ là bản sao đồng bộ của tín hiệu trải đã

Chúng ta thấy rằng bộ mã hoá và giải mã, bộ điều chế và giải điều chế

là các phần tử cơ sở của một hệ thống thông tin số truyền thống Ngoài các

Bộ mó hoỏ

kờnh

Bộ điều chế Kờnh

Bộ giải mó kờnh

Bộ giải điều chế

Bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiờn

Bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiờn

Dữ liệu

phần tử này, một hệ thống thông tin trải phổ còn áp dụng 2 bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên nh- nhau, một trong chúng giao tiếp với điều chế ở đầu phát và

bộ kia thì giao tiếp với bộ giải điều chế ở đầu thu Hai bộ này tạo ra một chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên hay giả tạp PN đ-ợc sử dụng tại bộ điều chế

để trải tín hiệu đ-ợc phát đi về phổ và giải trải phổ tín hiệu thu đ-ợc tại bộ giải điều chế ở phía máy thu

Chuỗi giả ngẫu nhiên PN đ-ợc tạo ra ở máy thu phải đồng bộ với chuỗi PN hàm chứa trong tín hiệu thu đ-ợc để giải trải phổ chính xác tín hiệu thu đ-ợc đã đ-ợc trải phổ Trong một hệ thống thực tế, việc đồng bộ

đ-ợc thiết lập tr-ớc khi truyền đ-a thông tin bằng cách truyền một mẫu bit

cố định đ-ợc thiết kế sao cho máy thu sẽ tách đ-ợc nó với một xác suất cao ngay cả khi có nhiễu Sau khi việc đồng bộ thời gian của các bộ tạo chuỗi

PN đã thực hiện xong, việc truyền thông tin bắt đầu Trong chế độ truyền dữ liệu, máy thu th-ờng bám định thời với tín hiệu thu đ-ợc và giữ cho bộ tạo chuỗi PN đ-ợc đồng bộ

Sơ đồ chức năng hệ thống thông tin trải phổ đ-ợc trình bày trên hình 1-2

Từ sơ đồ ta thấy vị trí của khối trải phổ trong một hệ thống thông tin vô tuyến Phổ của tín hiệu sau khi đ-ợc xử lý sẽ đ-ợc trải rộng đến độ rộng băng tần cần thiết, sau đó qua bộ điều chế chuyển phổ này tới băng tần truyền dẫn Tín hiệu đã điều chế đ-ợc khuếch đại và phát trên kênh truyền dẫn-kênh mặt đất hoặc kênh vệ tinh

1.1.2 Phân loại kỹ thuật trải phổ

Căn cứ vào cấu trúc và ph-ơng pháp điều chế ng-ời ta phân loại kỹ thuật trải phổ nh- sau:

Trải phổ nhảy tần (FH – Frequency Hopping)

Trải phổ nhảy thời gian (TH – Time Hopping)

Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS – Direct Sequence)

Ngoài ra còn các ph-ơng pháp kết hợp giữa chúng chẳng hạn nh-: FH/DS, TH/FH, TH/DS và DS/FH/TH

Hình 1.2: Sơ đồ khối chức năng hệ thống thông tin trải phổ

Trải phổ nhảy tần: Thực chất là sự dịch chuyển tần số đ-ợc chọn theo mã Thành phần cơ bản của hệ thống là bộ tạo mã PN và bộ tổ hợp tần số

Nộn

dữ liệu

Mó hoỏ sửa sai

Điều chế

KĐ

CS

Kờnh truyền

Tạp õm Nhiễu

Tạo súng mang

Đ/c

Tạo chuỗi

PN

Kờnh truyền

Trạm phỏt

vệ tinh

Kờnh truyền

Tạp õm Nhiễu

Tạp õm Nhiễu

Giải nộn

Giải

mó

Đồng

bộ chuỗi

Tạo chuỗi

PN

Giải điều chế

KĐ

CS A/D

A/D

Kờnh mặt đất

Kờnh vệ tinh Đường lờn

Trong trải phổ nhảy tần độ rộng băng kênh sẵn có B đ-ợc chia nhỏ thành

một số lớn các khe tần số không lấn lên nhau Trong bất kỳ khoảng thời gian truyền tin nào, tín hiệu đ-ợc truyền đều chiếm một (hay nhiều hơn một) khe tần số nói trên Việc chọn khe (hay các khe) tần số nào trong mỗi một khoảng thời gian truyền tín hiệu đ-ợc thực hiện một cách giả ngẫu nhiên theo tín hiệu lối ra của một bộ tạo chuỗi PN

Trải phổ nhảy thời gian: Nguyên lý của hệ thống này là một bản tin có tốc độ dòng số R đ-ợc phân phối khoảng thời gian truyền dẫn dài hơn thời gian cần thiết đ-ợc sử dụng để truyền bản tin ấy bằng các hệ thống thông th-ờng Trong khoảng thời gian này, dòng số đ-ợc gửi đi theo từng loạt phù hợp với sự điều khiển của mã PN

Trải phổ chuỗi trực tiếp: Trong ph-ơng pháp này mã trải phổ PN sẽ trải phổ tín hiệu sóng mang đã điều chế dữ liệu một cách trực tiếp Ph-ơng pháp này là dạng đơn giản nhất trong kỹ thuật trải phổ và đ-ợc sử dụng rộng rãi trong thông tin di động, vệ tinh và ra đa

Trong đó, hai hệ thống th-ờng đ-ợc sử dụng nhất là hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp và hệ thống trải phổ nhảy tần Trải phổ chuỗi trực tiếp th-ờng đ-ợc dùng trong các hệ thống thông tin di động dân dụng, còn nhảy tần th-ờng dùng trong thông tin quân sự

1.2 đặc ĐIểM CủA Kỹ THUậT TRảI PHổ

Từ khi ra đời đến nay, các hệ thống thông tin trải phổ đã ngày một phát triển và đã bộc lộ nhiều -u điểm v-ợt trội so với các hệ thống thông tin truyền thống

phần tín hiệu có công suất hữu hạn có mặt trong không gian của tín hiệu (nói cách khác chúng chia sẻ cùng một toạ độ với các thành phần tín hiệu) mới có thể gây nhiễu với tín hiệu Việc cân bằng công suất tạp âm có thể coi nh- tạp âm đ-ợc tách ra một cách hiệu quả và việc này đ-ợc thực hiện nhờ một bộ tách sóng Với một tín hiệu có băng thông hẹp điều này nghĩa

là chỉ những tín hiệu tạp âm nằm trong băng thông của tín hiệu mới có thể làm giảm phẩm chất của tín hiệu Kỹ thuật trải phổ đ-ợc ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực quân sự để tạo ra các đ-ờng truyền thông tin tin cậy khi đối mặt với nhiễu của kẻ thù gây ra Đầu tiên chúng ta tập trung vào khả năng chống nhiễu của hệ thống trải phổ (ứng dụng trong lĩnh vực dân sự của nó

sẽ đ-ợc đề cập trong phần riêng) Cơ sở một hệ thống trải phổ chống nhiễu

là nh- sau:

Giả sử rằng nhiều toạ độ tín hiệu trực giao (hay chiều) có thể sử dụng cho các tuyến thông tin và chỉ một tập hợp nhỏ của các toạ độ tín hiệu này

đ-ợc sử dụng tại mọi thời điểm

Chúng ta giả sử rằng đài gây nhiễu không thể xác định đ-ợc tập con của tín hiệu khi nó đang đ-ợc sử dụng tại một thời điểm đó Với tín hiệu có

băng thông là B và độ dài là T thì số chiều các tín hiệu xấp xỉ là 2BT Dựa

vào thiết kế chi tiết, việc xác định lỗi của một hệ thống có thể dựa vào hàm của tỷ số Eb/N0 Để chống lại tạp âm trắng chuẩn có công suất vô hạn, việc

sử dụng kỹ thuật trải phổ (2BT lớn) không cải thiện chất l-ợng của hệ

thống Tuy nhiên, khi tạp âm xuất phát từ một đài gây nhiễu với một công suất cố định hữu hạn và không biết chắc chắn các toạ độ tín hiệu nằm ở đâu trong không gian tín hiệu, việc lựa chọn của đài gây nhiễu bị giới hạn trong một số quy định sau:

- Làm nhiễu tất cả các toạ độ tín hiệu của hệ thống, với công suất trên mỗi toạ độ đều băng nhau Kết quả là mỗi toạ độ có một năng l-ợng rất nhỏ

- Gây nhiễu trên một vài toạ độ nào đó với công suất tăng trên

G(f)

mỗi toạ độ bị gây nhiễu (và thông th-ờng gây nhiễu trên tất cả các toạ độ với công suất khác nhau)

Hình 1.3: Kết quả của quá trình trải phổ

a/ Khi có tạp âm trắng b/ Khi có nhiễu

Hình 1.3 so sánh kết quả trải phổ khi có tạp âm trắng với việc trải khi

có đài gây nhiễu G(f) thể hiện mật độ phổ năng l-ợng của tín hiệu tr-ớc khi trải và sau khi trải là G ss (f) Để đơn giản nên hình vẽ chỉ minh hoạ toạ độ

của tần số Trong hình 1.3.a có thể nhận thấy rằng mật độ phổ công suất

của một phía của tạp âm trắng là N và nó không thay đổi khi băng thông tín hiệu đ-ợc trải từ B thành Bss Công suất trung bình của tạp âm trắng (diện tích vùng nằm d-ới đ-ờng cong mật độ phổ) là vô hạn Vì thế, việc trải phổ không làm cải thiện chất l-ợng Hình 1.3.b minh hoạ tr-ờng hợp công suất

gây nhiễu thu đ-ợc là J và mật độ phổ công suất là J0 = J/B Với B là độ

rộng băng thông ch-a trải cần đ-ợc gây nhiễu Một khi băng thông tín hiệu

đã đ-ợc trải thì làm nhiễu có thể thực hiện 1 trong 2 lựa chọn sau:

- Lựa chọn 1: cho kết quả là sự giảm mật độ phổ tạp âm của đài gây

nhiễu J0 với hệ số B/Bss qua trải phổ, mật phổ tạp âm nhận đ-ợc J0 =

J/B đ-ợc gọi là mật phổ tạp âm của đài nhiễu dải rộng

- Lựa chọn 2: kết quả là sự giảm về số l-ợng toạ độ tín hiệu mà đài gây nhiễu chiếm Tuy nhiên, với lựa chọn 2 đài làm nhiễu có thể tăng mật

độ phổ tạp âm từ J0 lên J0/ (01) Trong đó  là một phần của dải tần đã đ-ợc trải mà đài làm nhiễu lựa chọn để làm nhiễu Nếu đài làm nhiễu lựa chọn ph-ơng pháp kém hiệu qủa thì hiệu suất trung bình gây nhiễu sẽ kém hơn lựa chọn hiệu quả tốt Số chiều của tập tín hiệu càng lớn hay số toạ độ của hệ thống thông tin càng nhiều, hiệu quả gây nhiễu sẽ càng kém và việc bảo vệ nhiễu sẽ càng tốt

- Để so sánh tín hiệu trải phổ- không trải nên thực hiện với giả thiết rằng tổng công suất trung bình trong cả hai tr-ờng hợp là nh- nhau Vì diện tích nằm d-ới đ-ờng cong mật độ phổ năng l-ợng thể hiện công suất trung bình tổng cộng nên với cả hai tr-ờng hợp trải và không trải

đều bằng nhau Do đó, rõ ràng trong hình 1.3 đồ thị Gss(f) thì hai phần

a và b không tỷ lệ với nhau

Việc gây nhiễu không phải lúc nào cũng là hành động cố ý Đôi khi tín hiệu nhiễu là do các hiện t-ợng tự nhiên và cũng có tr-ờng hợp là kết quả của giao thoa gây ra bởi hiện t-ợng đa đ-ờng Khi các tín hiệu bị trễ đến máy thu qua các đ-ờng xen kẽ nhau sẽ giao thoa với tín hiệu truyền trực tiếp

1.2.2 Khả năng bảo mật

Song song với việc chống lại chế áp điện tử của đối ph-ơng thì việc bảo đảm tính bí mật của hệ thống thông tin cũng là một vấn đề sống còn

trong thông tin quân sự và hiện nay bảo mật thông tin cho khách hàng cũng

là yêu cầu không thể thiếu trong các hệ thống thông tin dân dụng Việc bảo

đảm tính bảo mật của hệ thống phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Một trong những yếu tố phải kể đến đó là mật độ năng l-ợng của tín hiệu Để tăng tính bảo mật của hệ thống, khả năng chống bị phát hiện và thu trộm, thì công suất tín hiệu phát đi phải rất thấp, thậm chí là chìm trong nền nhiễu Thế nh-ng mật độ năng l-ợng của tín hiệu thấp thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm

E b /N o thấp theo, điều này đồng nghĩa với việc chất l-ợng của hệ thống giảm Để giải quyết vấn đề trên, hệ thống thông tin trải phổ ra đời Trong hệ thống trải phổ, phổ của tín hiệu đ-ợc trải ra trên một băng tần rất rộng Do

đó mật độ năng l-ợng của tín hiệu khá thấp có thể thấp hơn tạp âm AWGN

và nh- vậy tín hiệu bị chìm trong tạp âm nên khó có thể phát hiện đ-ợc Tuy nhiên phổ của tín hiệu lại đ-ợc khôi phục nhờ việc giải trải phổ bằng

mã trải phổ, do đó tỷ số tín hiệu trên tạp âm E b /N o vẫn đ-ợc đảm bảo Mặt khác, tín hiệu phát chỉ có thể giải trải phổ, phục hồi dữ liệu nếu máy thu có mã giải trải phổ t-ơng ứng bên phát

Các hệ thống trải phổ đ-ợc thiết kế có xác suất chặn thấp (LPI) hay xác suất xác định vị trí thấp (LPPF), điều này có nghĩa là cho dù nhận thấy

sự có mặt của tín hiệu thì h-ớng của máy phát cũng khó có thể xác định Một vài hệ thống trải phổ có xác suất lợi dụng tín hiệu thấp (LPSE), có nghĩa là khó có thể xác định nguồn tín hiệu

Bộ bức xạ kế là một dụng cụ đo công suất đơn giản mà đối ph-ơng có

thể sử dụng nó để dò tìm tín hiệu trải phổ trong một băng tần B Hình 1.4

minh hoạ một bộ bức xạ kế bao gồm một bộ lọc thông dải có băng thông là

B, một mạch bình ph-ơng để đảm bảo giá trị đầu ra luôn d-ơng Tại thời

điểm t = T, đầu ra của bộ tích phân đ-ợc so sánh với một giá trị ng-ỡng đã

đ-ợc thiết lập tr-ớc Nếu đầu ra của bộ tích phân lớn hơn giá trị ng-ỡng thì coi là có tín hiệu, còn nếu nhỏ hơn giá trị ng-ỡng thì có tín hiệu ra Các dụng cụ này phát hiện ra tín hiệu nhờ sử dụng các đặc tính của tín hiệu trải

1.2.3 Khả năng đa truy nhập

Khi hình thành ý t-ởng trải phổ tín hiệu, ng-ời ta chỉ mong muốn với mục đích chống nhiễu và bảo mật cho hệ thống thông tin Tuy nhiên sau này ng-ời ta còn phát hiện ra một tác dụng to lớn của trải phổ là khả năng

đa truy nhập của hệ thống Đây là một -u điểm thực sự hấp dẫn không chỉ cho thông tin quân sự mà đặc biệt là sử dụng trong thông tin th-ơng mại

Tr-ớc đây với một băng tần nhất định, ta chỉ có thể đáp ứng cho một

số hạn chế ng-ời sử dụng Còn đối với kỹ thuật trải phổ, về mặt lý thuyết ta

có thể đáp ứng cho một số l-ợng ng-ời sử dụng rất lớn bằng cách phân phối cho mỗi đối t-ợng một mã trải phổ riêng biệt Vấn đề này đ-ợc đề cập kỹ ở ch-ơng sau

0

Mức ng-ỡng

Quyết

định

Hình 1.4 Sơ đồ khối bộ bức xạ kế.

Hình 1.5: Nguyên lý trải phổ đa truy nhập

độ chip) là Rch chip/s Giả sử băng thông cho tín hiệu x(t) và g(t) t-ơng ứng

là R (Hz) và Rch (Hz) Phép nhân trong miền thời gian đ-ợc chuyển thành tích chập trong miền tần số

phục (Băng thông = R)

Mã trải phổ Tín hiệu g(t) Chip tốc độ

R ch

Băng thông tín hiệu trải

B ss = R ch

Dữ liệu tín hiệu x(t)

Dữ liệu tỷ lệ R

Mã trải phổ Tín hiệu g(t) Chip tỷ lệ R ch

Tín hiệu không mong muốn

Hình 1.6: Kỹ thuật trải phổ cơ bản

x(t)g(t)  X() * G() (1.2)

Do đó, nếu tín hiệu có băng thông hẹp so với tín hiệu trải phổ thì kết quả của phép nhân tín hiệu x(t)g(t) sẽ có băng thông xấp xỉ băng thông của tín hiệu trải Tại bộ giải điều chế, tín hiệu thu đ-ợc sẽ đ-ợc nhân với một bản sao đồng bộ của tín hiệu mã trải phổ g(t) và kết quả tín hiệu sẽ đ-ợc giải trải phổ

Ng-ời ta sử dụng một bộ lọc có băng thông là R để loại bỏ các thành phần giả tần số cao Nếu có bất kỳ một tín hiệu không mong muốn nào tại

máy thu, thì quá trình nhân với g(t) tín hiệu không mong muốn này sẽ đ-ợc

trải ra Cũng cần xem xét ảnh h-ởng của các thiết bị gây nhiễu tác động lên

vị trí của một tín hiệu gây nhiễu băng hẹp trong dải thông của thông tin Công việc đầu tiên tại đầu vào máy thu là nhân tín hiệu với một tín hiệu trải vì thế tín hiệu nhiễu đ-ợc trải lên toàn bộ băng thông của tín hiệu trải

Bản chất của khả năng loại bỏ nhiễu một hệ thống trải phổ có thể tổng kết lại nh- sau:

1) Nhân với tín hiệu trải lần thứ nhất để trải băng thông tín hiệu

2) Nhân với tín hiệu trải lần hai sau đó cho qua bộ lọc để khôi phục tín hiệu ban đầu

3) Các tín hiệu mong muốn sẽ đ-ợc nhân hai lần nh-ng tín hiệu nhiễu

sẽ chỉ đ-ợc nhân một lần

1.4 Chuỗi giả tạp

Ph-ơng pháp trải phổ đ-ợc gọi là chuẩn phát (TR) có thể sử dụng tín hiệu mã hoàn toàn ngẫu nhiên để trải và giải trải tín hiệu do tín hiệu mã và tín hiệu mã điều chế dữ liệu đ-ợc truyền đồng thời trên các dải tần số khác nhau Với hệ thống chuẩn l-u trữ (SR) thì phải sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên hoặc giả tạp Vậy tín hiệu giả ngẫu nhiên khác tín hiệu giả tạp nh- thế nào? Tín hiệu ngẫu nhiên thì không thể đoán tr-ớc Sự thay đổi t-ơng

lai của nó chỉ có thể đ-ợc mô tả theo cách thống kê Tuy nhiên tín hiệu giả ngẫu nhiên thì không phải ngẫu nhiên Nó là một tín hiệu xác định và có chu kỳ, tín hiệu này cả máy thu và máy phát đều biết vậy tại sao nó có tên

là “giả ngẫu nhiên” hoặc “giả tạp”? Mặc dù tín hiệu là xác định, nó có vẻ nh- có tính chất thống kê của tạp âm trắng và đối với các máy thu bất hợp pháp nó trở thành tín hiệu hoàn toàn ngẫu nhiên

1.4.1 Các tính chất ngẫu nhiên

Các tính chất ngẫu nhiên gì làm cho một tín hiệu giả ngẫu nhiên trở thành một tín hiệu hoàn toàn ngẫu nhiên? Có 3 tính chất cơ bản có thể áp dụng cho bất kỳ một chuỗi nhị phân tuần hoàn nào (để kiểm tra tính chất ngẫu nhiên) Các tính chất đó đ-ợc gọi là tính cân bằng, tính b-ớc chạy và tính t-ơng quan Các tính chất này đ-ợc miêu tả cho các tín hiệu nhị phân nh- sau:

1/ Tính cân bằng: Để cân bằng tốt thì yêu cầu trong mỗi chu kỳ của chuỗi, số l-ợng bit 1 khác số luợng bit 0 nhiều nhất là một đơn vị (t-ơng

đ-ơng số l-ợng bit không và bit 1 xấp xỉ bằng nhau

2/ Tính b-ớc chạy: b-ớc chạy đ-ợc định nghĩa là một chuỗi gồm các bit nhị phân cùng loại Bắt đầu của một b-ớc chạy đ-ợc thể hiện bằng sự xuất hiện của các digit luân phiên Chiều dài của b-ớc chạy chính là số digit trong b-ớc chạy Trong một chu kỳ gồm các b-ớc chạy 0 và b-ớc chạy

1 ng-ời ta mong muốn rằng khoảng 1/2 số b-ớc chạy mỗi loại có chiều dài

là 1, 1/4 có chiều dài là 2 và 1/8 có chiều dài là 3,

3/ Tính t-ơng quan: Hàm tự t-ơng quan tuần hoàn chuẩn hóa của một chuỗi đ-ợc xác định nh- sau:

1 0

1

N

c c j

Trong phần tiếp theo ta sẽ kiểm tra các tính chất này của một chuỗi giả tạp

1.4.2 Chuỗi ghi dịch

Hình 1.7 trình bày một bộ ghi dịch có hồi tiếp tuyến tính Bộ ghi dịch

đ-ợc xây dựng từ một thanh ghi 4 tầng để l-u trữ và dịch các bit, một bộ cộng modul 2 và đ-ờng hồi tiếp từ bộ cộng tới đầu vào thanh ghi Sự hoạt

động của bộ ghi dịch đ-ợc điều khiển bằng một chuỗi xung đồng hồ Khi

có một xung đồng hồ thì nội dung của mỗi tầng trong thanh ghi sẽ đ-ợc dịch đi một tầng về bên phải Cũng nh- vậy, với mỗi xung đồng hồ thì nội dung của tầng X3 và X4 đ-ợc cộng modul 2 với nhau (cộng tuyến tính) kết qủa sẽ đ-ợc dẫn quay trở lại tầng X1 Chuỗi ghi dịch đ-ợc xác định tại đầu

Hồi tiếp

Hình 1.7 Bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính

Bộ cộng Modul - 2

Đầu ra

0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1

ở đây bit ngoài cùng bên trái là bit ra đầu tiên Chúng ta hãy kiểm tra các tính chất ngẫu nhiên đ-ợc nói ở phần trên cho chuỗi này Đầu tiên là tính cân bằng: có 7 bit 0 và 8 bit 1 do đó chuỗi trên thoả mãn điều kiện cân bằng Tiếp theo là tính b-ớc chạy, ta hãy xem khoảng chạy 0 Có 4 khoảng chạy 0 và 1/2 có chiều dài là 1, 1/4 có chiều dài là 2 và b-ớc chạy 1 cũng t-ơng tự nh- vậy Chuỗi này quá ngắn để rút ra tổng kết nh-ng chúng ta có thể nhận thấy rằng điều kiện khoảng chạy đã thoả mãn

Các chuỗi đ-ợc tạo ra tuỳ thuộc vào số l-ợng các tầng trong bộ ghi dịch các đ-ờng hồi tiếp và điều kiện ban đầu Chuỗi đầu ra có thể phân loại thành chuỗi có chiều dài cực đại và chuỗi có chiều dài không cực đại Đặc

tính của các chuỗi cực đại là bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính n tầng thì chu

kỳ lặp lại của chuỗi trong p xung đồng hồ là p = 2n – 1 Vì thế ta có thể thấy chuỗi đ-ợc tạo ra từ bộ ghi dịch trong hình 1.7 là 1 ví dụ về chuỗi có chiều dài cực đại

Nếu chiều dài của chuỗi nhỏ hơn 2n – 1 thì chuỗi đ-ợc gọi là chuỗi có chiều dài không cực đại

0

0

)dt x(t).x(t

)

1(

1)(

T

T x

T K

2 /

2 0

0

0

(t)dt x

T

T K

Khi x(t) là dạng xung tuần hoàn thể hiện cho một mã giả tạp Ta quy

định mỗi xung cơ bản là một ký hiệu mã hay một chip Với một dạng sóng giả tạp có chu kỳ là  chip và độ dài chip là đơn vị thì hàm tự t-ơng quan chuẩn hoá có thể biểu diễn nh- sau:

R x () =1/ (số phù hợp nhỏ hơn số không phù hợp trong phép so sánh một chu kỳ đầy đủ của chuỗi với dịch vòng  vị trí của chuỗi) Hàm tự t-ơng quan chuẩn cho chuỗi có chiều dài tối đa R x () đ-ợc minh hoạ trên

hình 1.8

Rõ ràng  = 0 nghĩa là khi x(t) và bản sao của nó hoàn toàn khớp nhau

thì R x () = 1 Tuy nhiên, với độ dịch chuyển tuần hoàn giữa x(t) và x(t+ )

(1  < p) thì hàm tự động t-ơng quan có giá trị bằng – 1/p (khi p lớn, chuỗi hầu nh- không t-ơng quan đối với phép dịch một chip) Bây giờ ta dễ dàng kiểm tra tính chất ngẫu nhiên thứ 3 – tính t-ơng quan cho chuỗi giả tạp đầu

ra của bộ ghi dịch trong hình 1.7 Chuỗi đầu ra và chuỗi dịch chuyển theo vòng kín nh- sau:

Các số nếu giống nhau đ-ợc đặt là a nếu không sẽ đ-ợc đặt là d Giá

trị của hàm tự động t-ơng quan cho sự dịch chuyển 1 chip đơn là:

R( = 1) = (7 – 8).1/15 = - 1/15

Bất kỳ một sự dịch chuyển tuần hoàn nào không hoàn toàn khớp với sự

đồng bộ thì kết quả hàm tự động t-ơng quan vẫn có giá trị là -1/p vì vậy chuỗi thoả mãn tính chất ngẫu nhiên thứ 3

Ch-ơng II Các Hệ thống thông tin trải phổ

Ngày nay, thế giới có rất nhiều hệ thống CDMA, nh-ng chỉ có hai hệ thống đ-ợc sử dụng phổ biến nhất Đó là hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp

và hệ thống trải phổ nhảy tần Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp và hệ thống trải phổ nhảy tần cũng là hệ thống thông tin số Nó cũng có đầy đủ các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin số Nh-ng chỉ khác là chúng

có thêm bộ điều chế trải phổ đầu phát và giải điều chế trải phổ ở đầu thu Các thành phần của hệ thống đã đ-ợc trình bày trong các giáo trình khác Trong ch-ơng này chúng ta tập trung tìm hiểu, phân tích bộ điều chế trải phổ và giải điều chế trải phổ của hệ thống trải phổ và cách đồng bộ mã PN của hai hệ thống trên Đó là những vấn đề mới của các hệ thống thông tin trải phổ so với các hệ thống thông tin số khác

2.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS)

2.1.1 Điều chế trải phổ và giải điều chế trải phổ trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp

Các hệ thống thông tin trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS) chủ yếu dùng

điều chế PSK vì nó thích hợp cho các ứng dụng trong đó sự kết hợp giữa pha tín hiệu phát và tín hiệu thu có thể duy trì đ-ợc trên một khoảng thời gian bao trùm vài khoảng symbol (hay bit)

Sau đây ta sẽ nghiên cứu một số kỹ thuật điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS)

2.1.1.1 Trải phổ DS BPSK

Đây là dạng đơn giản nhất của trải phổ chuỗi trực tiếp, nó có sơ đồ nh-

hình 2.1 Tín hiệu đầu ra của bộ điều chế S m (t) có tần số sóng mang 0, công suất P, đ-ợc điều chế pha bởi dữ liệu m(t) với độ dịch pha m(t)

S m (t)= 2P cos[ 0t+  m (t)] (2.1)

Lọc thông dải

độ bit của luồng dữ liệu m(t), n là số bit thông tin trong một kí hiệu; Tín hiệu S m (t) đ-ợc trải phổ bởi mã trải phổ c(t) nh- hình 2.1, cho ra tín hiệu

phát là:

S(t)= S m (t) c(t)= 2P c(t)cos[0t+m (t)] (2.2) Máy thu sẽ nhận đ-ợc tín hiệu sau một thời gian trễ truyền dẫn T d

cùng với can nhiễu và tạp âm; Tại máy thu để giải trải phổ tín hiệu thu đ-ợc

r(t) đ-ợc nhân với mã trải phổ c(t-T’ d ), trong đó T’ d là thời gian trễ truyền

dẫn mà máy thu tự đánh giá Tín hiệu sau giải trải phổ sẽ là:

x(t)= 2P c(t-T d )c(t-T’ d )cos[0t+ m (t-T d )+] (2.3)

Trong đó:  là pha ngẫu nhiên gây bởi tạp âm và nhiễu

Điều chế BPSK

Lọc thông dải

Hình 2.2: Sơ đồ khối trải phổ DS ’ BPSK Khi máy thu đồng bộ với máy phát, khi đó T d =T’ d Với c(t) là chuỗi

nhị phân  1, thì c(t-T d )c(t-T’ d )=1; Biểu thức trở thành:

x(t)= 2P cos[0t+m (t-T d )+] (2.4)

Do đó tại đầu ra của bộ giải trải phổ, tín hiệu S m (t) đ-ợc phục hồi sai khác

một góc pha ngẫu nhiên  và sau khi S m (t) đ-ợc giải điều chế PSK kết hợp thông th-ờng sẽ cho dữ liệu m(t) ban đầu Trong tr-ờng hợp điều chế sóng mang BPSK với m(t) là tín hiệu nhị phân  1thì  m(t) sẽ nhận các giá trị 0

Với cách điều chế sóng mang nh- thế, dữ liệu sẽ đ-ợc cộng modul 2 với mã

trải phổ tr-ớc khi đ-a vào bộ điều chế pha số BPSK Sơ đồ của hệ thống trải

phổ lúc này nh- hình 2.2

Hình 2.3 minh họa dạng sóng tín hiệu trong tr-ờng hợp điều chế

BPSK đ-ợc sử dụng cho cả điều chế dữ liệu và điều chế trải phổ

2.1.1.2 Trải phổ DS QPSK

Để nâng cao hiệu quả băng tần, ng-ời ta sử dụng điều chế nhiều mức,

điều chế càng nhiều mức thì hiệu qủa băng tần càng cao nh-ng điều đó lại

làm giảm khoảng cách giữa các symbol, kết quả là lỗi symbol (SER) lại

tăng Trong khi để làm tăng hiệu quả băng tần chúng ta có thể làm đ-ợc

theo cách khác dễ dàng hơn ví dụ nh- giảm tốc độ mã sửa lỗi (FEC) Đối

với trải phổ chuỗi trực tiếp ng-ời ta th-ờng sử dụng điều chế pha 4 mức

QPSK Sơ đồ trải phổ DS sử dụng điều chế QPSK cân bằng đ-ợc thể hiện ở

) ( )]

( cos[

) ( )

Trong đó c 1 (t), c 2 (t) là các mã trải phổ có các giá trị là  1

Với thời gian trễ truyền dẫn là T d thì các tín hiệu thu đ-ợc r(t) sẽ là:

) ' ( ) ( 2 /

)]

( cos[

) ' ( ) ( 2 / )

(

2 2

1 1

t T

t c T t c P

t T

t c T t c P t

x

m IF d

d

m IF d

) ' ( ) ( 2 /

)]

( sin[

) ' ( ) ( 2 / )

(

2 2

1 1

t T

t c T t c P

t T

t c T t c P t

y

m IF d

d

m IF d

Khi trễ truyền dẫn do máy thu đánh giá là chính xác tức là T’ d =T d , nói

cách khác là máy thu đồng bộ với máy phát thì:

c1(tT d).c1(tT'd )c2(tT d).c2(tT'd )1 (2.10) Khi đó, tín hiệu ra sẽ là:

)]

( cos[

Hybrid cầu ph-ơng

Lọc thông dải

Giải điều chế pha

m(t) r(t)

r'(t)

] ) cos[(

2 0IF t

])sin[(

2 0IF t

r(t)=s(t-T d )

x(t)

y(t)

Hình 2.4: Sơ đồ khối trải phổ - giải trải phổ DS sử dụng QPSK

2.1.2 Đồng bộ trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp

2.1.2.1 Khái quát về đồng bộ mã trải phổ trong hệ thống DS-SS

Nh- đã trình bày ở phần tr-ớc, tín hiệu phát của các hệ thống thông tin trải phổ là tín hiệu băng rộng giống nh- tạp nhiễu Việc trải tín hiệu là nhờ

sử dụng các chuỗi giả ngẫu nhiên Trong các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DS-SS, chuỗi PN đ-ợc dùng để trực tiếp trải phổ tín hiệu Trong các hệ thống trải phổ nhảy tần FH-SS, mã trải phổ PN dùng để quyết định nhảy

tần Về bản chất các chuỗi PN đ-ợc tạo ra một cách xác định vì có nh- thế máy thu mới có thể khôi phục lại thông tin từ tín hiệu trải phổ đ-ợc Nh-ng

đối với các máy thu không định tr-ớc thì các chuỗi này đ-ợc thiết kế nh- những chuỗi ngẫu nhiên Vì thế các dạng sóng tín hiệu trải phổ nhờ chuỗi

PN cũng có dạng giống tạp ngẫu nhiên

Nh- vậy có thể thấy hiệu quả một hệ thống thông tin trải phổ hay nói cách khác là chất l-ợng một hệ thống thông tin trải phổ phụ thuộc rất nhiều vào khả năng đồng bộ chuỗi PN giữa máy thu và máy phát Cũng nh- các hệ thống thông tin khác hệ thống thông tin trải phổ cũng có khối khôi phục

đồng bộ Trong phạm vi đồ án này, chúng ta chỉ quan tâm đến đồng bộ chuỗi

PN, dĩ nhiên hệ thống thông tin trải phổ cũng phải có phục hồi, đồng bộ sóng mang…Để đồng bộ chuỗi PN thường có hai bước: b-ớc thứ nhất gọi là bắt,

là b-ớc điều chỉnh độ lệch pha của tín hiệu PN tới và tín hiệu PN nội trong một khoảng nào đó cỡ một chip hoặc nhỏ hơn B-ớc thứ hai gọi là bám, thực hiện việc điều chỉnh tinh để làm sai lệch pha tiến tới không

Sơ đồ chức năng của máy thu DS-SS đ-ợc trình bày trong hình 2.5

Khôi phục/bám sóng mang

Bám tín hiệu PN

Bắt tín hiệu PN

Giải trải / Giải điều chế

) (

ˆ t

b

) 2

cos( f c t 

) 2

cos( f c t 

) (t 

c

) (t 1

c

) (t 1

c

c T

Hình 2.5: Sơ đồ khối chức năng máy thu trong hệ thống DS-SS

Trong hình 2.5, tín hiệu tới máy thu bao gồm tín hiệu có ích s(t) và tạp nhiễu trắng cộng tính Gauss n(t) với mật độ phổ công suất hai biên N0/2 (W/Hz)

r(t)=s(t)+n(t)

s(t)  P c(t1)b(t1) cos[ 2f c t)] (2.12) Trong đó:

- P là công suất trung bình của tín hiệu s(t) tại đầu máy thu;

- c(t) là tín hiệu PN;

- b(t) = 1 là dữ liệu;

- f c là tần số sóng mang;

-  là pha sóng mang;

Thông th-ờng đầu vào máy thu có bộ lọc thông dải băng rộng bao trùm

toàn bộ băng tần của tín hiệu SS, với tần số trung tâm là f c Bộ lọc sẽ lọc

toàn bộ nhiễu và tạp âm ngoài dải Với tín hiệu DS - SS, độ rộng của băng

tần vào khoảng 2/T c

Nh- mô tả trên hình 2.5, máy thu cần thực hiện một số chức năng nh-: bắt PN, bám PN, phục hồi, bám sóng mang, giải trải phổ, giải điều chế, tín hiệu Phân hệ bắt có nhiệm vụ tạo ra chuỗi c(t), với   1  T c, với  là một hằng số nhỏ Để có đ-ợc  nằm trong khoảng ( 1 T c, 1 T c), phân

hệ bắt phải thực hiện tìm kiếm xuyên suốt một tập pha có t-ơng quan lớn với tín hiệu PN tới Một khi pha của tín hiệu PN tới và tín hiệu PN nội nằm trong khoảng T c, mạch bám mới bắt đầu hoạt động, và nhờ vào vòng hồi tiếp mạch bám làm cho lệch pha giữa hai tín hiệu PN tiến tới không Mạch phục hồi sóng mang tách tín hiệu sóng mang cos(2f c t)từ tín hiệu tới Tín hiệu sóng mang và tín hiệu PN từ mạch bám cần cho quá trình giải trải phổ và giải

điều chế để thu đ-ợc b ˆ t( ), một đại l-ợng dự đoán của b(t) Các tín hiệu sóng

mang và PN khôi phục đ-ợc còn cần cho các chức năng khác, ngoài ra dữ liệu còn hỗ trợ cho quá trình khôi phục sóng mang và tín hiệu PN

Trong nhiều tr-ờng hợp việc thu bắt PN thực hiện tr-ớc hay đồng thời với khôi phục sóng mang và bám Vì thế giải điều chế sóng mang không kết

hợp đ-ợc cần phải dùng với mạch bắt Một khi pha của tín hiệu PN đã đ-ợc bắt thì mạch bám đ-ợc khởi động.

2.1.2.2 Bắt mã PN trong các hệ thống DS-SS

Nh- đã đề cập trong phần trên, quá trình bắt nhằm đ-a pha của tín hiệu PN nội nằm trong khoảng nào đó Khoảng này chính là dải lôi kéo của

mạch bám Khi qúa trình bắt thành công thì mạch bám đ-ợc khởi động và

thực hiện đồng chỉnh pha liên tục trong dải đó Thu bắt có lẽ là một nhiệm

vụ khó khăn và tốn thời gian nhất của máy thu Khi bắt tiến hành tr-ớc phục hồi sóng mang thì giải điều chế sóng mang không kết hợp đ-ợc sử dụng trong thời gian tiến hành thu bắt, thu bắt với giải điều chế kết hợp có thể thực hiện trong một số tr-ờng hợp mất đồng bộ PN nh-ng sóng mang vẫn có sẵn sàng Rõ ràng một hệ thống bắt với giải điều chế kết hợp tốt hơn một hệ thống bắt với giải điều chế không kết hợp Để dễ dàng cho việc bắt các sơ đồ hiện nay đều không phát dữ liệu trong thời gian bắt

Giả sử khoảng bắt mong muốn là (  T  c, T c), ở đây T c là thời gian

một chip và ∆ là một giá trị không xác định nào đó Giá trị của chúng th-ờng chọn bằng 1, 1/2, 1/4 ý t-ởng cơ bản của việc bắt là tìm từ đầu đến cuối các pha có thể của tín hiệu PN nội để có một pha nào đó gióng ngang

với pha của tín hiệu PN tới trong khoảng ± ∆T c Việc gióng có thể đ-ợc kiểm tra thông qua việc quan sát đầu ra t-ơng quan của chúng Khi đ-ợc gióng thì mức t-ơng quan cao; còn ng-ợc lại thì thấp Việc bắt có thể đ-ợc phân loại theo cách tìm kiếm Tìm kiếm song song kiểm tra các pha của tín hiệu PN nội một cách đồng thời và chọn pha tốt nhất và tiếp theo là khởi

động mạch bám Nếu chu kỳ của tín hiệu PN là NT c , thì có N/2 Δ pha cần

đ-ợc kiểm tra Mỗi pha nh- thế cần có một bộ t-ơng quan Do vậy với N lớn, sơ đồ song song đòi hỏi phần cứng quá lớn, điều này là không thực tế Sơ đồ tìm kiếm nối tiếp liên tiếp kiểm tra một pha của tín hiệu PN nội tại một thời điểm và quan sát xem có pha đ-ợc gióng hay không Nếu có thì mạch bám đ-ợc khởi động Ng-ợc lại thì pha của tín hiệu đ-ợc cập nhật

một l-ợng 2 ΔTc và quá trình trên đ-ợc lặp lại Tuy nhiên thời gian bắt trong

sơ đồ bắt nối tiếp lâu hơn so với thời gian bắt sơ đồ bắt song song Có thể thực hiện thoả hiệp bằng các sơ đồ lai, tức là nhóm một số pha kiểm tra

đồng thời Nếu không có pha nào trong nhóm gióng với pha tới thì nhóm tiếp theo đ-ợc kiểm tra cho tới khi tìm đ-ợc pha gióng với pha tới Cả hai sơ

đồ song song và nối tiếp sẽ đ-ợc đề cập trong phần tiếp theo Các sơ đồ cũng đ-ợc phân loại theo quá trình duyệt kiểm tra: một khoảng cố định (hay một khoảng đơn), đa khoảng, và theo các sơ đồ nối tiếp Trong sơ đồ một khoảng cố định, việc quyết định gióng hay ch-a gióng căn cứ trên đầu

ra của bộ t-ơng quan qua tích phân một độ dài cố định (gọi là thời gian của khoảng) Trong sơ đồ hai khoảng, t-ơng quan đầu tiên đ-ợc thực hiện trên một độ dài cố định (đ-ợc gọi là khoảng đầu tiên) Nếu kết quả nhỏ, việc gióng sẽ bị loại với pha đang kiểm tra, và pha của PN sẽ đ-ợc cập nhật một l-ợng Ng-ợc lại việc t-ơng quan thực hiện trên đoạn thời gian phụ thêm (đ-ợc gọi là khoảng thứ hai) và việc gióng hay không đ-ợc chấp nhận tại thời điểm kết thúc khoảng thứ hai ý t-ởng của sơ đồ hai khoảng là khoảng

đầu đ-ợc sử dụng để loại bỏ pha không gióng đ-ợc nhanh, khoảng thứ hai dùng để xác minh việc gióng cho chính xác Do đó việc không gióng đ-ợc quyết định một cách nhanh chóng Do hầu hết các pha đều không gióng, nên thời gian tìm bắt đ-ợc đẩy nhanh thông qua việc quyết định nhanh chóng không gióng Sơ đồ nhiều khoảng là mở rộng của sơ đồ hai khoảng khi dùng một vài tích phân trên khoảng cố định Một sơ đồ nối tiếp liên tục kiểm tra việc gióng hay không gióng Tại một thời điểm nào, nếu việc gióng hay không gióng xuất hiện ở đầu ra bộ tích phân thì quá trình kiểm tra kết thúc và đ-a ra quyết định t-ơng ứng Ng-ợc lại nó vẫn tiếp tục thực hiện Các sơ đồ duyệt theo khoảng cố định có cách phân tích dễ nhất và chúng có thể đ-ợc dùng trong cả hai chiến l-ợc tìm kiếm song song và nối tiếp Các sơ đồ nhiều khoảng khó phân tích hơn, nh-ng chúng hiệu quả hơn sơ đồ khoảng đơn, theo khía cạnh thời gian trung bình ra quyết định ngắn

hơn Các sơ đồ này phù hợp với chiến l-ợc tìm kiếm nối tiếp, nh-ng hiệu

quả của chúng bị giảm đi trong chiến l-ợc tìm kiếm song song

a/ Các sơ đồ song song với khoảng cố định

l ớ n nhất

để quyết

định pha

1 do ở đây không có dữ liệu phát trong khi bắt Thời gian tích phân là T’

cố định Với giải điều chế kết hợp, ta coi rằng f c và θ đã biết Việc nhân với

) 2

cos( f c t  và bộ tích phân trong mỗi nhánh đáp ứng nh- một bộ giải

điều chế sóng mang kết hợp Tích r(t) cos( 2 f c t  ) t-ơng quan với tín hiệu

PN nội c(t+2(i-1) ΔT c ) trong nhánh thứ i Tổng số các nhánh là L=N/(2ΔT c ) cho L pha đ-ợc kiểm tra Các đầu ra từ L bộ tích phân đ-ợc so sánh với nhau Nếu đầu ra của nhánh thứ j lớn nhất, thì ta coi gần đúng τ1 là

 Sơ đồ không kết hợp (Noncoherent)

Trong thực tế pha sóng mang th-ờng không sử dụng trong khi bắt PN Ngoài ra mặc dù tần số sóng mang đ-ợc cố định và đã biết ở cả máy thu và máy phát, nh-ng vẫn có một vài sai số nhỏ ở máy phát hoặc máy thu Hơn nữa tần số sóng mang có thể bị ảnh h-ởng do hiệu ứng dịch Doppler Do vậy việc giải điều chế kết hợp trong khi bắt th-ờng không thể đ-ợc và phải sử dụng giải điều chế không kết hợp Sơ đồ duyệt theo khoảng cố định song song có giải điều chế không kết hợp đ-ợc biểu diễn trong hình 2.7 Nh- chỉ

ra trên hình vẽ tín hiệu tới ở mỗi nhánh trong L nhánh đ-ợc nhân với tín hiệu

PN với các pha khác nhau, sau đó đ-ợc đ-a đến bộ giải điều chế sóng mang không kết hợp Tần số sóng mang đ-ợc sử dụng ở bộ giải điều chế không kết

hợp đ-ợc giả định là có một sai số nhỏ f e Hz Không mất tính tổng quát ta giả

sử pha của nó bằng 0

Với tín hiệu tới là:

r ( t )  P c ( t  1) cos( 2  fc t   )  n ( t ) (2.14)

Để tìm hiểu hệ thống làm việc nh- thế nào ta giả sử hệ thống không

có nhiễu Tín hiệu y p và y q trong kênh thứ i có thể biểu diễn nh- sau:

dt t f f t

f T

i t c t c P

y p 2 T' ( 1) ( 2( 1) c)cos(2 c )cos(2 ( c e ) )

dt t f f t

f T

i t c t c P

y q 2 T' ( 1) ( 2( 1) c)cos(2 c )sin(2 ( c e ) )

C¸c tÝch cos(.)cos(.) vµ cos(.)sin(.) cã thÓ viÕt nh- tæng c¸c hµm cos vµ sin víi c¸c thµnh phÇn tÇn sè cao vµ thÊp ViÖc tÝch ph©n sÏ lo¹i bá c¸c thµnh phÇn cao tÇn, nh- vËy:

y p 2P T' c(t 1)c(t 2(i 1) T c))cos(2 f e t )dt

dt t f T

i t c t c P

t c t c t

f P

t c t c t

f P

'

)))1(2()(

2

1 2 2

2 1

' 0

c c

c

T i

T i

R PT

dt T i

t c t

c

P u

c

khi iNT T T

Trễ 2Δ Tc

Trễ 2Δ Tc

Giải điều chế không kết hợp

Trễ 2 ΔTc

Chọn nhánh lớn nhất

để quyết

định pha

s(t)=r(t)+n(t)

) ( 2 sin(  f cf e t

) ) ( 2 cos(  f cf e t

Giải điều chế không kết

hợp

Hình 2.6: Sơ đồ bắt song song theo khoảng cố định giải điều chế không kết hợp

Nếu 2 (i ) 1 T c gần với τ 1 nhất thì u i đạt giá trị lớn nhất và nó hầu nh- giống với giá trị mà mạch bắt đã chọn Tuy nhiên do có nhiễu, có thể pha sai lại đ-ợc chọn và mạch bám sẽ đ-ợc khởi động theo pha sai Đây là thời

gian bất lợi, thời gian tổn thất do việc bắt không thành công

b/ Sơ đồ nối tiếp với khoảng cố định

Trong sơ đồ bắt nối tiếp các pha ch-a chắc chắn sẽ đ-ợc kiểm tra mỗi pha một thời điểm, theo kiểu nối tiếp cho đến khi tìm thấy đ-ợc pha gióng với tín hiệu PN tới Sơ đồ nối tiếp đ-ợc trình bày trong hình 2.7 Coi máy phát PN tại chỗ tạo ra tín hiệu PN có pha là 2 (i ) 1 T c.Tín hiệu này t-ơng

quan với tín hiệu tới Giá trị thống kê đo thử u có thể nhận đ-ợc theo nh- u i

trong hình 2.6

Giá trị u đ-ợc so sánh với ng-ỡng K để quyết định chấp nhận hay từ

chối gióng hàng Nếu u  K, thì gióng hàng đúng, mạch bám đ-ợc kích hoạt Ng-ợc lại, pha đ-ợc xét không gióng hàng, thì pha máy phát PN đ-ợc

tăng lên một l-ợng 2 ΔT c và quá trình đ-ợc lặp lại Do có nhiễu, cảnh báo nhầm có thể xuất hiện, khi này dẫn đến thời gian bất lợi do cảnh báo nhầm

c/ Các sơ đồ nhiều khoảng và sơ đồ dãy nối tiếp

Đầu tiên chúng ta mô tả một sơ đồ hai khoảng với giải điều chế không kêt hợp Sơ đồ t-ơng tự nh- hình 2.7, ngoại trừ một vài phần điều khiển cho

2

(t i T c

) ) (

2 cos(  f c f e t

) ) ( 2 sin(  f c f e t

T

Hình 2.7: Sơ đồ bắt nối tiếp theo khoảng cố định với giải điều chế không kết hợp

Để kiểm tra việc gióng với mỗi pha, khoảng tích phân trong các nhánh

t-ơng quan đầu tiên đ-ợc đặt T’ 1 giây Đặt tham số thống kê kiểm tra (tổng

bình ph-ơng của các tích phân đầu ra) biểu diễn bằng u 1 Giá trị u 1 đ-ợc so

sánh với ng-ỡng K 1 Nếu u 1 K1thì việc gióng bị bỏ qua và pha của máy phát

PN đ-ợc cập nhật một l-ợng 2 ΔT c Nếu u 1 K1thì việc gióng đ-ợc chấp nhận

và chế độ thẩm tra đ-ợc khởi động Trong chế độ này, có hai cách phân tích tham số thống kê, biểu diễn bằng u2 Hoặc là các bộ tích phân đ-ợc đặt lại

về 0 và khởi động lại tích phân trong T’ 2 giây (từ T’ 1 đến T’ 1 + T’ 2 ) hoặc

là chúng tiếp tục tích phân thêm khoảng mở rộng T'2, tức là u2nhận đ-ợc tích phân trong khoảng ( 0 ,T '1 T'2) Trong tr-ờng hợp đầu tham số thống kê

2

u độc lập u1 khi nhiễu là nhiễu trắng Gauss Trong tr-ờng hợp sau u2và u1

phụ thuộc vào nhau, làm cho các tích phân đặc tính khó hơn nhiều nh-ng sẽ

có đặc tính tốt hơn tr-ờng hợp đầu tiên Tham số thống kê kiểm tra u2đ-ợc

so sánh với ng-ỡng thứ hai gọi là K2 Việc gióng đ-ợc xác nhận nếu u 2 K2, ng-ợc lại việc gióng không đ-ợc xác nhận Một số đ-ờng ví dụ tiêu biểu

(b) Khi tích phân liên tục

Hình 2.8: Các đ-ờng thống kê kiểm tra ví dụ hệ thống bắt nối tiếp hai khoảng

Nói chung so sánh một hệ thống khoảng đơn (khoảng cố định) với sơ đồ hai khoảng quan hệ các khoảng tích phân là T' 1 T' T' 1 T' 2 Trong sơ đồ hai khoảng, việc từ chối gióng đ-ợc quyết định trong T' 1 giây, đó là khoảng thời gian ngắn hơn khoảng thời gian đ-ợc sử dụng trong tr-ờng hợp khoảng đơn (T'giây) Tuy nhiên việc chấp nhận gióng sẽ mất lâu hơn trong sơ đồ hai khoảng (T  ' T1 ' 2giây) so với sơ đồ khoảng đơn (T’ giây) Do hầu hết các pha

t-ơng ứng với việc không gióng, nên thời gian bắt trung bình của hệ thống hai khoảng sẽ ngắn hơn so với sơ đồ khoảng đơn

Hệ thống nhiều khoảng có thể đ-ợc xây dựng trên cùng ý t-ởng nh- tr-ờng hợp hai khoảng với nhiều chế độ kiểm tra Việc từ chối gióng có thể trong bất kì khoảng nào nh-ng việc chấp nhận gióng chỉ xảy trong khoảng cuối cùng Mặc dù thời gian trung bình để bắt có thể giảm khi số l-ợng các khoảng tăng lên, song việc tăng các khoảng lên quá nhiều thì thời gian bắt lại tăng lên do quá trình xử lý Thông th-ờng các hệ thống hai hoặc ba khoảng

là làm việc tốt nhất so với các hệ thống nhiều khoảng hơn

Đặc tính của các sơ đồ nhiều khoảng có thể đ-ợc cải thiện bằng cách thêm ng-ỡng phục vụ việc chấp nhận gióng hay không gióng để có hai ng-ỡng cho mỗi khoảng thay cho chỉ có một ng-ỡng cho việc từ chối gióng Do chấp nhận hay từ chối gióng có thể thực hiện trong bất kì khoảng nào Tuy nhiên, việc thiết kế và phân tích hệ thống nh- thế rất khó khăn

Hơn nữa việc cải thiện có thể thực hiện bằng cách sử dụng hệ thống bắt tuần tự, hệ này có hai tập ng-ỡng A (n) và B (n) trong quá trình ra quyết

định, một tập dùng để chấp nhận gióng pha còn tập kia dùng để từ chối gióng pha Một sự bổ sung nh- vậy đ-ợc biểu diễn trên hình 2.9 Tín hiệu )

(t

u là tổng các bình ph-ơng từ các đầu ra trong các nhánh pha vào cầu

ph-ơng Các tích phân trong nhánh là liên tục, bắt đầu từ 0 đến t Tín hiệu

)

(t

u đ-ợc lấy mẫu một lần trên chip, tạo ra u(nT c), nó đ-ợc so sánh với A (n)

và B (n) Nếu u(nT c)  A(n), thì việc gióng pha đ-ợc chấp nhận và quá trình bám đ-ợc kích hoạt

Đúng -gióng

Cập nhật pha từng mức 2 ?T c

) )

2 cos(  f c f e t

) ) (

2 sin(  f c f e t



Không gióng

u(t) u(nT c )

Hình 2.9: Hệ thống bắt nối tiếp chuỗi không kết hợp với giải điều chế không kết hợp

Nếu u(nTc) B(n), thì việc gióng pha bị từ chối, máy phát PN đ-ợc cập nhật pha tiếp theo và bộ tích phân đ-ợc đặt lại Nếu A(n) u(nTc) B(n), thì hệ thống không quyết định là pha có đ-ợc gióng hay không và đ-ợc theo dõi thêm Trong tr-ờng hợp này chúng ta chờ lấy mẫu tiếp u( n 1 )T c và tiếp tục kiểm tra Các ng-ỡng và đ-ờng lấy mẫu đ-ợc thể hiện trong hình 2.10

Hình 2.10: Mẫu thống kê của hệ thống bắt chuỗi trong hình 2.9

2.1.2.3 Bám mã PN trong các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS)