Đồ Án Mô phỏng kỹ thuật trải phổ ứng dụng trong mạng di

Nhiễu từ các nguồn phát sóng không trải phổ có băng tần trùng với băng tầncủa máy thu CDMA sẽ bị trải phổ, mật độ phổ công suất nhiễu sẽ giảm xuống... Mục đích kiểm soát công suất của cá

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm vừa qua, nhu cầu trao đổi thông tin ngày một cao nó khôngchỉ nằm trong giới hạn của một quốc gia, mà là trên phạm vi thế giới Sự pháttriển rất nhanh của công nghệ điện tử, tin học, công nghệ viễn thông cung cấpngày càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn, chất lượng cao đápứng ngày càng tốt các yêu cầu của khách hàng

Hiện nay, mạng thông tin di động ở Việt Nam đang sử dụng công nghệ GSM

là chủ yếu Tuy nhiên, trong tương lai mạng thông tin di động này sẽ không đápứng được các nhu cầu về thông tin di động Bởi vì, nhu cầu thông tin di độngkhông chỉ là thoại mà còn là truyền dữ liệu, hình ảnh, âm thanh với tốc độcao, các yêu cầu về chất lượng, bảo mật cũng được đặt ra Điều này đã thúc đẩycác nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động phải tìm kiếm một phương thức thôngtin mới Và công nghệ CDMA đã trở thành mục tiêu hướng tới của lĩnh vực thôngtin di động trên toàn thế giới

Công nghệ CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ đã đạt được hiệu quả sử dụngdải thông lớn hơn so với các công nghệ tương tự hoặc số khác do đó số lượng thuêbao đa truy nhập lớn hơn nhiều Nhờ dãn rộng phổ tín hiệu mà có thể chống lạiđược các tác động gây nhiễu và bảo mật tín hiệu Các mạng thông tin di động sửdụng công nghệ CDMA có thể đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di độngtrong tương lai Do đó, việc nghiên cứu và triển khai mạng thông tin di độngCDMA là một điều tất yếu Xuất phát từ những suy nghĩ như vậy nên em đãchọn đề tài: " Mô phỏng kỹ thuật trải phổ ứng dụng trong mạng di động CDMA " Nội dung của đề tài này là: Tìm hiểu về các kỹ thuật trải phổ, các đặc tính củacông nghệ CDMA khi ứng dụng vào mạng thông tin di động

Đề tài gồm 04 chương :

Trong quá trình làm đồ án tốt ngh iệp mặc dù em đã rất cố gắng nhưng dothời gian hạn chế, trình độ và kinh nghiệm còn có hạn nên nội dung của luận vănnày chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự phêbình, hướng dẫn và sự giúp đỡ của thầy, cô và các bạn Để có thể hoàn thành luận

văn này, trước tiên em muốn gửi đến thầy Vũ Mạnh Tuấn lời cảm ơn chân thành

về sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy trong suốt thời gian qua Em xin đượcgửi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc

về sự giúp đỡ trong suốt thời gian em học tập tại trường

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CDMA 8

1.1 G IỚI THIỆU CHUNG 8 1.2 Đ ẶC TÍNH CDMA 9 1.2.1 K Ỹ THUẬT CDMA 9 1.2.2 Các đặc tính của kỹ thuật CDMA 10

CHƯƠNG 2 MÃ TRẢI PHỔ VÀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 15

2.1 T RẢI PHỔ NGẪU NHIÊN PN 15 2.1.1 Tổng Quan Về Mã Trải Phổ 15

d Hàm tự tương quan của dãy PN7 17

e Số bít cùng A và số bít khác D khi dãy PN7 dịch một bít 17

2.2.2 Các loại mã trải phổ PN 17

2 2 K Ỹ THUẬT TRẢI PHỔ 21 2.2.1 Giới thiệu về công nghệ trải phổ 21

2.2.2 Tính chất và nguyên lí của kỹ thuật trải phổ 22

2.2.3 Ưu điểm và ứng dụng của kỹ thuật trải phổ 23

2.3 H Ệ THỐNG TRẢI TRỰC TIẾP (DS) 24 2.3.1 Đặc tính của tín hiệu DS 24

2.3.2 Độ rộng băng RF của hệ thống DS 26

2.4 H Ệ THỐNG TRẢI PHỔ TRỰC TIẾP (DS/SS) 29 2.4.1 Mở đầu 29

2.4.2 Giả tạp âm 29

2.4.3 Các Hệ thống DS/SS-BPSK 30

2.5 T RẢI PHỔ NHẢY TẦN 39 2.5.1 Máy phát trải phổ nhảy tần 39

2.5.2 Máy thu trải phổ nhảy tần 40

2.5.3 Phân loại hệ thống trải phổ nhảy tần 40

2.5.4 Đặt tính của hệ thống trải phổ nhảy tần trong môi trường nhiễu giao thoa 41

2.6 T RẢI PHỔ DỊCH THỜI GIAN (TH/SS) 42 2.7 H Ệ THỐNG LAI 43 2.7.1 Hệ thống lai FH/DS 43

2.7.2 Hệ thống lai TH/FH 45

2.7.3 Hệ thống lai TH/DS 46

2.8 C ÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TRONG CDMA 48 2.8.1 Phương pháp điều chế và giải điều chế khóa dịch tần số FSK 48

2.8.2 Điều chế khóa dịch pha hai trạng thái (BPSK) 51

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THU PHÁT DS-SS 54

3.1 M Ô TẢ MÔ PHỎNG 54 3.2 M Ô HÌNH HỆ THỐNG MÁY THU PHÁT TRẢI PHỔ TRỰC TIẾP 55 3.3 M Ô PHỎNG SỬ DỤNG MÔI TRƯỜNG M ATLAB 58 3.3.1 Chương trình 58

3.3.2 Kết quả mô phỏng 61

HÌNH 3.13 : TỶ LỆ LỖI BÍT CỦA 10 NGƯỜI DÙNG ĐỒNG THỜI 63

HÌNH 3.17 :TÍN HIỆU SAU KHI TRẢI PHỔ CỦA NGƯỜI DÙNG THỨ 2 65

-VÍ DỤ 2: 66

3

67

68

69

71

73

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CDMA 8

1.1 G IỚI THIỆU CHUNG 8 1.2 Đ ẶC TÍNH CDMA 9 1.2.1 K Ỹ THUẬT CDMA 9 1.2.2 Các đặc tính của kỹ thuật CDMA 10

CHƯƠNG 2 MÃ TRẢI PHỔ VÀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 15

2.1 T RẢI PHỔ NGẪU NHIÊN PN 15 2.1.1 Tổng Quan Về Mã Trải Phổ 15

d Hàm tự tương quan của dãy PN7 17

e Số bít cùng A và số bít khác D khi dãy PN7 dịch một bít 17

2.2.2 Các loại mã trải phổ PN 17

2 2 K Ỹ THUẬT TRẢI PHỔ 21 2.2.1 Giới thiệu về công nghệ trải phổ 21

2.2.2 Tính chất và nguyên lí của kỹ thuật trải phổ 22

2.2.3 Ưu điểm và ứng dụng của kỹ thuật trải phổ 23

2.3 H Ệ THỐNG TRẢI TRỰC TIẾP (DS) 24 2.3.1 Đặc tính của tín hiệu DS 24

2.3.2 Độ rộng băng RF của hệ thống DS 26

2.4 H Ệ THỐNG TRẢI PHỔ TRỰC TIẾP (DS/SS) 29 2.4.1 Mở đầu 29

2.4.2 Giả tạp âm 29

2.4.3 Các Hệ thống DS/SS-BPSK 30

2.5 T RẢI PHỔ NHẢY TẦN 39 2.5.1 Máy phát trải phổ nhảy tần 39

2.5.2 Máy thu trải phổ nhảy tần 40

2.5.3 Phân loại hệ thống trải phổ nhảy tần 40

2.5.4 Đặt tính của hệ thống trải phổ nhảy tần trong môi trường nhiễu giao thoa 41

2.6 T RẢI PHỔ DỊCH THỜI GIAN (TH/SS) 42 2.7 H Ệ THỐNG LAI 43 2.7.1 Hệ thống lai FH/DS 43

2.7.2 Hệ thống lai TH/FH 45

2.7.3 Hệ thống lai TH/DS 46

2.8 C ÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TRONG CDMA 48 2.8.1 Phương pháp điều chế và giải điều chế khóa dịch tần số FSK 48

2.8.2 Điều chế khóa dịch pha hai trạng thái (BPSK) 51

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THU PHÁT DS-SS 54

3.1 M Ô TẢ MÔ PHỎNG 54 3.2 M Ô HÌNH HỆ THỐNG MÁY THU PHÁT TRẢI PHỔ TRỰC TIẾP 55 3.3 M Ô PHỎNG SỬ DỤNG MÔI TRƯỜNG M ATLAB 58 3.3.1 Chương trình 58

3.3.2 Kết quả mô phỏng 61

HÌNH 3.13 : TỶ LỆ LỖI BÍT CỦA 10 NGƯỜI DÙNG ĐỒNG THỜI 63

HÌNH 3.17 :TÍN HIỆU SAU KHI TRẢI PHỔ CỦA NGƯỜI DÙNG THỨ 2 65

-VÍ DỤ 2: 66

67

5

68

69

71

73

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

theo mã

tổng hợp

communications

Hệ thống truyền thông di động toàn cầu

QPSK Quadature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao

Telecommunications Systems

Hệ thống viễn thông diđộng toàn cầu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CDMA

1.1 Giới thiệu chung

Dựa trên các yêu cầu dịch vụ mới của thông tin di động, nhất là các dịch vụtruyền số liệu đòi hỏi các nhà khai thác phải đưa ra các hệ thống thông tin diđộng mới Trong bối cảnh đó ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thôngtin di động ở thế hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000 nhằm phục vụ các mục tiêuchính sau:

internet nhanh, hoặc các dịch vụ đa phương tiện

điện thoại vệ tinh Các chức năng này sẽ mở rộng đáng kể khả năng phủsóng của các hệ thống thông tin di động

Ngày nay mạng GSM với những ưu điểm nổi bật như dung lượng lớn, chấtlượng kết nối tốt và tính bảo mật cao đã có một chỗ đứng vững chắc trên thị trườngviễn thông thế giới Ở Việt Nam, khi chúng ta bắt đầu có những máy điện thoại

di động sử dụng công nghệ GSM 900 đầu tiên vào những năm 1993 đã đánh dấumột bước phát triển vượt bậc về công nghệ Viễn thông của đất nước Các thuê bao

di động tại Việt Nam sử dụng dịch vụ thoại truyền thống với tốc độ bit là13Kbit/s và truyền số liệu với tốc độ 9,6 kbit/s

Các nhà khai thác GSM trên thế giới đang đứng trước một số giải pháp để cóđược dịch vụ số liệu truyền tốc độ cao qua mạng thông tin di động hiện có của họ

và đang nghiên cứu kế hoạch để chuyển đổi lên công nghệ 3G Có hai hướng đểlựa chọn: một là có thể nâng cấp mạng của họ lên thẳng CDMA (Đa truy nhạpphân chia theo mã) hay nâng cấp lên để có dịch vụ GPRS (General Packet RadioService - Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp), E - GPRS (Enhanced GPRS - Dịch vụGPRS nâng cao) và sau đó thì sẽ đầu tư, nâng cấp để loại dần công nghệ GSMtiến lên công nghệ W-CDMA (Đa truy nhập phân kênh theo mã băng rộng)

Mặc dù công nghệ GSM đang áp đảo về số lượng người sử dụng nhưng hệthống di động CDMA đã không ngừng được hoàn thiện và áp dụng rộng khắp cácnước trên thế giới Hiện nay CDMA lại tỏ ra vượt trội hơn bởi những ưu thếcông nghệ, CDMA đã đáp ứng các mục tiêu công nghệ thông tin và truyền thôngchính là cung cấp dịch vụ thoại và dữ liệu di động dung lượng cao Các mạngCDMA hiện tại trên thế giới bao gồm các hệ thống cơ bản :

và được sử dụng chủ yếu tại Bắc Mỹ và Hàn Quốc sử dụng chung cơ sở

hạ tầng với chuẩn IS-95 2G Phiên bản mới nhất EVDO Rev B cung cấptốc độ tải về cao nhất tới 14,7 Mbps

Tần sốCông suất

tiêu chuẩn hóa bởi 3GPP và được sử dụng chủ yếu tại Châu Âu, Nhật vàTrung Quốc với các công nghệ WCDMA, TD-SCDMA (chỉ sử dụng tạiTrung Quốc) và HSPA+

1.2 Đặc tính CDMA

1.2.1 Kỹ thuật CDMA

Hệ thống CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nhằm thực hiện cho các hệ thốngthông tin có khả năng chóng phá sóng cao Kỹ thuật trải phổ ứng dụng trực tiếpcủa lý thuyết thông tin của Shannon, đã trở nên rất quan trọng trong các hệthống thông tin, do nó có nhiều tính năng ưu việt như giảm mật độ phổ côngsuất, độ định vị cao, độ phân giải cao Hình 1.1 minh họa kỹ thuật trải phổ vớiphổ công suất của tín hiệu được “trải” đều trên toàn bộ băng thông

Hình 1.1 : Sơ đồ khối CDMA

Trong thông tin CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian, và tần số, mã

PN với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho người sử dụng Người sửdụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ, tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định.Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu phát

CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùngmột kênh vô tuyến, đồng thời tiến hành cuộc gọi Những người sử dụng đượcphân biệt nhau nhờ sử dụng đặt trưng không trùng nhau Các kênh vô tuyếnCDMA được dùng lại ở mỗi ô trong toàn mạng Một kênh CDMA rộng1,23Mhz với hai dãy phòng vệ 0,27Mhz CDMA dùng mã trải phổ có tốc độ cắt,tốc độ này cũng chính là tốc độ mã đầu ra của máy phát PN Để nén phổ trở lạidata gốc, máy thu phải dùng mã trải phổ PN chính xác, như khi tin tức được xử

lý ở máy phát, thì tin tức đã truyền có thể được thu nhận Phổ của tín hiệu saukhi trải phổ được mở rộng so với tín hiệu gốc

Tạp âm có phổ rộng được giảm nhỏ do bộ lọc ở máy thu sau khi được nénphổ nhiều từ các máy di động khác không được nén phổ cũng tượng tự như tạp

âm Nhiễu từ các nguồn phát sóng không trải phổ có băng tần trùng với băng tầncủa máy thu CDMA sẽ bị trải phổ, mật độ phổ công suất nhiễu sẽ giảm xuống

0

Số liệu

1,25Mh z

f0Phổ băng tần rộng

f0

1,25Mh z

0 10Khz

1,25Mh z

f0

Tạp âm người

sử dụng

1,25Mh z

Bộ lọc số

9,6

Kbps Mã hoá và

chèn 1.228Mbps Nguồn

PN

Sóngmang

BPF1.25 Mhz

BPF1.25 Mhz

Sóngmang

Nguồn PN

Tách chèn

và giải mã

số

Bộ tươngquan

Phổ của tín hiệu càng trải rộng ở máy phát, và tương ứng nén hẹp ở máy thu thìcàng lợi về tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N)

Hình 1.2 mô tả thủ tục phát và thu tín hiệu sử dụng kỹ thuật CDMA Tín hiệu

số thoại (9,6 Kbps) phía phát được mã hoá, lặp, chèn và được nhân với sóng

lọc băng thông có độ rộng băng 1,25Mhz sau đó phát xạ qua anten Ở đầu thu,sóng mang và mã PN của tín hiệu thu được từ anten được đưa đến bộ tươngquan, qua bộ lọc băng thông rộng 1,25Mhz, và số liệu thoại mong muốn đượctách ra để tái tạo lại số thoại ban đầu nhờ sử dụng bộ tách, chèn và mã giả ngẫunhiên PN

Hình 1.2: Sơ đồ thu và phát CDMA1.2.2 Các đặc tính của kỹ thuật CDMA

1.2.2.1 Tính đa dạng của phân tập

Phân tập là hình thức tốt để làm giảm hiện tượng fading Có ba loại phân tậplà: phân tập theo thời gian, phân tập theo tần số và phân tập theo khoảng cách.Phân tập thời gian đạt được nhờ sử dụng việc chèn và mã sửa sai Phân tập theothời gian có thể áp dụng cho tất cả các hệ thống số có tốc độ mã truyền dẫn cao,

mà thủ tục sửa sai yêu cầu Hệ thống CDMA băng thông rộng ứng dụng phântập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng báo hiệu trong băng thông rộng vàfading liên hợp với tần số thường có ảnh hưởng đến băng tần báo hiệu (200 ÷300Khz) Phân tập theo khoảng cách hay theo đường truyền có thể đạt được theocác phương pháp sau:

động đồng thời với hai BS hoặc nhiều BS

quét, thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát này với các tín hiệu phát kháctrễ thời gian

cho hệ thống thông tin có hai BS

1.2.2.2 Kiểm soát công suất trong CDMA

Hệ thống CDMA cung cấp chức năng kiểm soát công suất hai chiều (từ BSđến máy di đông và ngược lại), để cung cấp một hệ thống dung lượng lớn, chấtlượng cao, và nhiều dịch vụ khác Mục đích kiểm soát công suất của các máy diđộng là sao cho tín hiệu phát của tất cả các máy di động trong cùng một vùngphục vụ có thể được thu với độ nhạy trung bình tại bộ thu của BS

Mạch mở đường điều khiển công suất đến BS là chức năng cơ bản của máy

di động Máy di động điều khiển công suất theo sự biến đổi công suất thu tại BS.Máy di động đo mức công suất thu được từ BS, và điều khiển công suất tỷ lệnghịch với công suất đo được Mạch mở đường điều khiển công suất làm chocác tín hiệu phát đi của tất cả các máy di động được thu cùng mức tại BS BScung cấp chức năng mở đường điều khiển công suất qua việc cung cấp cho cácmáy di động một hằng số định cỡ cho nó, hằng số định cỡ liên quan chặt chẽ đếnyếu tố tải và tạp âm của BS, độ tăng ích anten, và bộ khuyếch đại công suất.Hằng số này được truyền từ BS đến các máy di động như một phần của bản tinthông báo

BS thực hiện chức năng kích hoạt với mạch đóng điều khiển công suất từmáy di động đến BS Khi mạch đóng dẫn đến BS dịch mức công suất, mạch hởxác định từ máy di động một cách tức thời để máy giữ mức công suất tối ưu BS

so sánh tín hiệu thu từ máy di động liên quan tới giá trị ngưỡng, biến đổi và điềukhiển công suất tăng hay giảm sau mỗi khảng 1,25ms cho đến khi đạt kết quả

BS cung cấp việc điều khiển công suất từ BS đến các máy di động, nhờ việcqui định công suất này tương đương với công suất đo được từ các máy di độngkhi rỗi hoặc ở vị trí tương đối gần BS, làm cho fading đa đường thấp, và giảmhiệu ứng giao thoa với các BS khác Do đó công suất được cung cấp thêm đốivới vùng tín hiệu bị gián đoạn, hoặc đối với các máy di động ở xa

1.2.2.3 Công suất phát thấp

thống, mà còn giảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và giao thoa.Việc này có ý nghĩa làm giảm công suất phát của các máy di động Việc giảm

K

K 2 0.2%

0.03%

K 3 0.01%

công suất phát yêu cầu sẽ tăng vùng phục vụ, và giảm số lượng BS yêu cầu, khi

so với các hệ thống khác

1.2.2.4 Bộ giả mã thoại và tốc độ số liệu biến đổi

Bộ mã-giải mã thoại của CDMA được thiết kế với tốc độ biến đổi 8Kbps.Dịch vụ thoại hai chiều Hai bộ mã-giải mã thông tin với nhau ở bốn nấc tốc độtruyền dẫn: 9600b/s, 4800b/s, 2400b/s, 1200b/s các tốc độ này được chọn dựatrên điều kiện hoạt động, bản tin hay số liệu Bộ mã-giải mã thoại biến đổi sửdụng ngưỡng tương thích để chọn tốc độ số liệu Ngưỡng được điều khiển theocường độ tạp âm nền, và tốc độ số liệu, Chỉ chuyển thành tốc độ cao khi có tínhiệu thoại vào Do đó tạp âm nền sẽ bị triệt đi để tạo truyền dẫn thoại chấtlượng cao trong môi trường tạp âm

1.2.2.5 Dung lượng

Thực tế thì CDMA xuất phát từ hệ thống chống nhiễu được sử dụng trongquân đội Do hệ thống điều chế băng thông hẹp yêu cầu tỷ số sóng mang trênnhiễu vào khoảng 18dB nên có rất nhiều hạn chế từ quan điểm tái sử dụng tần

số Trong hệ thống như vậy thì các kênh sử dụng có một BS, sẽ không đượcphép sử dụng cho BS khác

1.2.2.6 Tái sử dụng tần số

Tất cả các BS đều tái sử dụng kênh băng thông rộng trong hệ thống CDMA.Giao thoa tổng ở tín hiệu của máy di động thu từ BS,và giao thoa tạo ra trongcác máy di động của BS bên cạnh Giao thoa tổng của các máy bên cạnh bằngmột nửa của giao thoa tổng từ các máy di động khác trong cùng một BS Hiệuquả tái sử dụng tần số của các BS không định hướng khoảng 65%, đó là giaothoa của các máy di động khác trong cùng một BS với giao thoa từ tất cả cácBS

Hình 1.3: Tái sử dụng tần số

đó là giá trị tiêu chuẩn so sánh hiệu suất của phương pháp điều chế và mã hoá

số Hệ thống CDMA cung cấp hiệu suất và độ dư mã sửa sai cao Mã sửa saiđược sử dụng trong hệ thống CDMA cùng với giải điều chế hiệu suất cao Có

Chương 2 MÃ TRẢI PHỔ VÀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ

2.1 Trải phổ ngẫu nhiên PN

số âm bằng nhau tương ứng với dãy trước

Hàm tự tương quan:

) ( ) ( ) ( )

số hóa nhờ thiết bị ngưỡng và Flip-Flop đồng bộ tần số lấy mẫu là tốc độ chíp

cho máy thu thực hiện đồng bộ dễ dàng với máy phát, chuẩn về thời gian Nếuchuỗi d(t) có chu kỳ lặp lại N chíp thì được gọi là giả ngẫu nhiên

Mã trải phổ không những để trải phổ mà còn là chìa khoá để MS chọn ra tínhiệu trạm gốc phát cho nó trong môi trường CDMA Muốn vậy mã trải phổ của

MS khác nhau có tương quan chéo bằng 0, hoặc rất nhỏ Điều kiện này đảm bảonhiễu lẫn nhau tương quan chéo bằng 0 Tuy nhiên trong nhiều hệ thống thực tếcác bộ phát tương quan dãy PN ở máy phát và máy thu được dùng với tươngquan chéo đủ nhỏ

Những mã giả ngẫu nhiên PN giữ vai trò quan trọng trong hệ thống trải phổ.

Mã PN được tạo ra độc lập ở nhiều vị trí (cả máy phát lẫn máy thu) Mã trải phổkhông hoàn toàn ngẫu nhiên mà cần phải xác định được PN là tín hiệu chu kỳxác định ở cả máy phát và máy thu Mã PN có tính thống kê của một tạp âmtrắng AWGN, nó có thể biểu hiện ngẫu nhiên, bất xác định với bất cứ máy thunào ngoài phạm vi cuộc gọi Mỗi quá trình thu phát CDMA đều được trải phổ

a Mô hình phát chuỗi nhị phân ngẫu nhiên

b Đáp ứng của chuỗi ngẫu nhiên

d(t)

d Hàm tự tương quan của dãy PN7

Sơ đồ Hình 2.2 mô tả mạch phát chuỗi m Trong sơ đồ, có N flip-flop D được

thay đổi chiều dài và đặc tính của dãy PN được tạo ra Trong số đó, dãy có chiều

Ra(т)

-100ms

-Tc-Tc

1 7

+ 100ms 0

Shift 1{

Shift 0{

Hình 2.2: Sơ đồ mạch phát chuỗi mChuỗi m có các thuộc tính sau đây:

chuỗi m cũng là một chuỗi m Nói cách khác nếu chuỗi ra không nằm

Ci = g1ci-1 + g2ci-2 +……+ gm-1ci-m+1 + ci-m

Với i = 0, 1, 2, …(ngược lại mọi lời giải cho phương trình trên là 1 chuỗi

( cộng mod 2 theo từng thành phần )là một chuỗi m khác

hóa của một chuỗi m được xác định như sau:

1 )

ci-m

1 -1

0 +1

-3 -2 -1 1/N

1

Hình 2.3: Hàm tự tương quan tuần hoàn dạng đầu đinh

xâu các số “0” liên tiếp Trong mọi chuỗi m, một nửa số đoạn này cóchiều dài 1, một phần tư có chiều dài 2, một phần tám có chiều dài3chừng nào các phân đoạn còn cho một số nguyên các đoạn chạy

bit mã một lần), được biểu thị bằng N/gcd(N,n) nếu không phải là chuỗitoàn không; đa thức tạo mã g’(x) của nó có gốc là mũ n của các gốc của

đa thức tạo mã g(x)

2.2.2.2 Chuỗi Gold

Các chuỗi m là các hàm tự tương quan dạng đầu đinh, có thể chỉ ra rằngchúng có tự tương quan tuần hoàn dạng đầu đinh tốt nhất về mặt giảm tối đa tựtương quan lệch pha Do đó các chuỗi m rất hoàn hảo cho hoạt động đồng bộ

mã Đối với thông tin đi bộ nhiều người sử dụng cần có một tập lớn các chuỗiSSMA hay CDMA có các giá trị tương quan chéo nhỏ

Một họ các chuỗi tuần hoàn có thể đảm bảo các tập chuỗi có tương quan chéotuần hoàn tốt là các chuỗi Gold Chuỗi Gold là mã trải phổ dùng cho CDMA,hàm tương quan chéo giữa hai chuỗi Gold bất kỳ khá nhỏ, hàm tương quan lấy 1trong 3 giá trị sau:

−

=

] 2 ) ( [ 1 1

) ( 1 )

(

N r L L

N r L

+ +

=

chaün 2

2 N 2.

1

leû

N

N N

n

,

, 2

1 2 1 ) ( τ

Hình 2.4 : Hàm tự tương quan của dãyMạch tạo mã Gold có sơ đồ đơn giản và tạo ra được số lượng lớn dãy Goldcung cấp cho các MS trong mạng CDMA (Hình 2.5)

Hình 2.5: Sơ đồ tạo mã GoldNhư hình trên, chuỗi Gold là kết quả cộng module 2 đối với 2 dãy m được

trọng trong việc thiết kế mạch tạo dãy Gold cho CDMA

Ý nghĩa quan trọng nhất trong việc tạo ra chuỗi Gold là: chọn đúng một cặpđặc biệt, chuỗi m có đặc tính tương quan nhau Hai chuỗi m có cùng chiều dài L,cùng tốc độ chíp, sẽ tạo ra chuỗi Gold có chiều dài bằng L Gọi N là số tầng

thể thấy rằng với mỗi bước dịch giữa hai chuỗi m thì chuỗi Gold sẽ được tạothành Mỗi chuỗi m có chiều dài L, cùng số bước dịch giữa hai chuỗi m thì chấpnhận được Do đó bộ phát chuỗi Gold kết hợp với hai chuỗi m khác nhau sẽ tạo

ra chuỗi Gold cũng có chiều dài L khác nhau Với việc chọn chuỗi m tương

( ) τθ

τ

lL0

quan thấp tương ứng chuỗi Gold được tạo thành, và hàm tương quan giữa haichuỗi Gold rất nhỏ.

2.2.2.3 Chuỗi Walsh

Mã hoá kênh trực giao là: Hai chuỗi bít được gọi là trực giao nếu kết quả thuđược sau khi XOR có số lượng bít 0 và 1 là bằng nhau Trong hệ thống CDMAviệc sử dụng các chuỗi trải phổ trực giao nhằm giảm can nhiễu giữa nhiều người

sử dụng Do đó cho phép nhiều người cùng chia sẻ một tần số giống nhau

Trên kênh liên kết hướng xuống mã Walsh dùng cách ly giữa các user Điềunày cho phép nhiều ngưồi sử dụng trên cùng một phổ tần được cấp phát mã.Trên kênh lưu lượng hướng xuống, hàm Walsh được trạm gốc đưa vào trải phổcho các tín hiệu MS có nhiệm vụ phát hiện và nén phổ đúng

Bảng mã chuỗi gồm 64 chuỗi, mỗi chuỗi dài 64 chip ( mỗi chíp là một số nhịphân 0 hay 1) Các mã Walsh trực giao với nhau Các hàm không phù hợp vớimáy được đưa vào kênh lưu lượng hướng xuống tạo nên các tín hiệu mà các MSkhông nhận biết Trong quá trình nén phổ chỉ có kênh phù hợp đuợc thể hiện

2 2 Kỹ thuật trải phổ

2.2.1 Giới thiệu về công nghệ trải phổ

Kỹ thuật trải phổ xuất hiện vào những năm 1950, nó ứng dụng trực tiếp lýthuyết thông tin của Shanon Do có nhiều ưu việt nên đã trở thành hết sức quantrọng trong hệ thống thông tin Có ba kỹ thuật trải phổ chính đó là: trải phổchuỗi trực tiếp, trải phổ nhảy tần và trải phổ dịch thời gian

Trong ba kỹ thuật trên có sử dụng các chuỗi xung giả ngẫu nhiên có tần sốcao đóng vai trò quan trọng, quyết định phần lớn các thông số kỹ thuật của tínhiệu trải phổ và các chuỗi giả ngẫu nhiên này chỉ có phía phát và phía thu biết

do đó bảo mật thông tin Trải phổ là kỹ thuật được thực hiện bằng cách điều chếlần hai một tín hiệu đã được điều chế bình thường nhằm tạo ra một dạng sóngmang mà nó sẽ là nhiễu đối với bất kỳ một tín hiệu nào khác hoạt động trongcùng một băng tần

Ngày nay công nghệ trải phổ đã được sử dụng rộng rãi đặc biệt trong các hệthống thông tin quân sự bởi nó có khả năng bảo mật và nhiều ưu điểm khác mà

nó mang lại Kết quả nghiên cứu công nghệ trải phổ được sử dụng trong hệthống thông tin di động CDMA, mang lại một loạt ứng dụng khác như giảm mật

độ năng lượng, độ định vị cao Cùng với cuộc cách mạng khoa học kỹ thuậtcông nghệ trải phổ ngày càng phát triển, kích thước và công suất tiêu thụ củathiết bị được giảm đáng kể, tuy nhiên về giá thành của thiết bị trải phổ vẫn còn

là vấn đề lớn Và một trở ngại khá quan trọng trong việc sử dụng rộng rãi kỹthuật trải phổ là thiếu sự thoả thuận của quốc tế về phân bố sử dụng các dải tần

số Để khắc phục những trở ngại đó phải nghiên cứu kĩ các tác động lẫn nhaugiữa các hệ thống thuộc các dãy tần khác nhau, cũng như giữa hệ thống trải phổvới hệ thống thường

2.2.2 Tính chất và nguyên lí của kỹ thuật trải phổ

2.2.2.1 Tính chất

Gọi S(t) là tín hiệu phát, một hệ thống được gọi là trải phổ nếu thỏa mãnnhững tính chất sau:

thiểu cần thiết để phát thông tin

ngẫu nhiên PN

Chú ý: không áp dụng cho các hệ thống sử dụng điều chế FM vì độ rộng củacác hệ thống này phụ thuộc vào độ rộng băng tần của nguồn

2.2.2.2 Nguyên lí của kỹ thuật trải phổ

Trải phổ là một kỹ thuật mà dạng sóng điều chế được điều chế hai lần, để tạothành tín hiệu có độ rộng băng tần được trải rộng Tín hiệu này không gây nhiễuđáng kể cho những tín hiệu khác, nhờ phương thức điều chế lần thứ hai với tínhiệu giả ngẫu nhiên bề rộng băng tần được trải rộng, phương pháp điều chế lầnhai không phụ thuộc vào tín hiệu thông tin

Hình 2.6: Máy phát

Hình 2.7: Máy thu

C B

A Nguồn dữ liệu gốc

Phát chuỗi giả ngẫu

nhiên PN

Bộ điều chế và máy phát

F

D

Phát chuỗi giả ngẫu nhiên PN

Dữ liệu gốc thu đượcMáy thu và bộ

giải điều chế

Trong kỹ thuật trải phổ nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng một kênh vôtuyến để tiến hành các cuộc liên lạc một cách đồng thời Những người sử dụngnày được phân biệt nhau nhờ dùng một mã đặc trưng khác nhau đó là mã giảngẫu nhiên.

Phía máy phát (Hình 2.6): dòng dữ liệu gốc được mã hoá và điều chế ở tốc

độ cắt Tốc độ này chính là tốc độ mã đầu ra trải phổ (tốc độ của chuỗi giả ngẫunhiên PN)

Phía máy thu (Hình 2.7): ta thực hiện việc nén phổ trở lại dữ liệu gốc, thìmáy thu phải dùng mã trải phổ PN chính xác giống hệt như mã đã dùng ở phíaphát Nếu mã PN ở máy thu khác hoặc không đồng bộ với mã PN tương ứng ởmáy phát, thì tin tức truyền đi không thể thu nhận và hiểu được ở máy thu

Đối với kỹ thuật trải phổ việc tạo ra các chuỗi PN ở đầu phát và đầu thu đồng

bộ với nhau là một vấn đề hết sức quan trọng quyết định đến chất lượng của hệthống trải phổ Việc cấy chuỗi giả ngẫu nhiên PN vào dòng dữ liệu được hiệnchủ yếu bằng các bộ cộng module XOR

2.2.3 Ưu điểm và ứng dụng của kỹ thuật trải phổ

2.2.3.1 Ưu điểm

nhiễu lọt vào này sẽ được trải phổ làm năng lựơng của nhiễu thấp và băngtần lớn Sau khi đi qua bộ lọc băng hẹp nhiễu này sẽ còn giá trị rất nhỏlàm cho tỉ số

N

C

(tín hiệu trên nhiễu) cao

khác nhau nên pha của tín hiệu đi theo các đường sẽ khác nhau Ở đầu thuchỉ tạo ra tín hiệu PN giống hệt như tín hiệu PN trong trường hợp truyềnthẳng nên các tín hiệu C(t) đi theo đường khác nhau khi nhân với C(t) tạiđầu thu sẽ không biến thành giá trị 1 hay các sóng tới đi theo đường khác

sẽ không được giải điều chế, năng lượng rất thấp không ảnh hưởng thànhphần tín hiệu đi theo đường thẳng

khi thu được trên đường truyền thành phần tín hiệu rất nhỏ so với cannhiễu hay nói cách khác đi nó bị che lấp bởi tạp âm rất khó cho người thutrộm xử lý nó

bào di động

2.2.3.2 Các lĩnh vực ứng dụng của kỹ thuật trải phổ

đường xuống để trả lời đường lên và gọi là bộ phát đáp Các tiến bộ củacông nghệ điện tử cho phép thực hiện một số quá trình xử lý tín hiệu trên

vệ tinh trước khi phát xuống Ngoài việc làm các trạm chuyển tiếp ở các

hệ thống thông tin, các vệ tinh cũng đóng vai trò quan trọng trong các lĩnhvực khác như hệ thống định vị, truyền ảnh và khám phá không gian Ưuđiểm chính của hệ thống thông tin vệ tinh là cung cấp vùng phủ sóng phùhợp cho các vùng xa xôi So với đường truyền mặt đất, truyền vệ tinh ít bịfading Tuy nhiên chúng bị suy hao đường truyền lớn và trễ lớn do độ caocủa vệ tinh Suy hao do mưa cũng ảnh hưởng lớn đến khi tần số công táclớn hơn 8 Ghz

cách giữa hai điểm Hệ thống đo cự ly kiểu này có thể sử dụng để đokhoảng cách của vệ tinh Quá trình đo thực hiện như sau: phát đi một tínhiệu DS/SS từ nguồn phát, tín hiệu này được đối tượng phản xạ ngược lạimáy phát Ở đây hiệu số pha giữa tín hiệu phản xạ và tín hiệu phát đượctính toán Có thể xác định pha sau khi bắt được tín hiệu khứ hồi và đồng

bộ Khi biết thời gian chip, ta có thể biến đổi pha thời gian trễ sau đó biếnđổi vào cự ly trên cơ sở biết được tốc độ sóng vô tuyến

máy thu trên mặt đất xác định vị trí của mình với độ chính xác cao tronggiới hạn từ 10 đến 20m

nhảy tần kết hợp với điều chế MPSK(điều chế đa mức)

2.3 Hệ thống trải trực tiếp (DS)

Hệ thống DS (nói chính xác là sự điều chế các dãy mã đã được điều chếthành dạng sóng điều chế trực tiếp) là hệ thống được biết đến nhiều nhất trongcác hệ thống thông tin trải phổ Chúng có dạng đơn giản vì chúng không yêu cầutính ổn định nhanh hoặc tốc độ tổng hợp tần số cao

2.3.1 Đặc tính của tín hiệu DS

Hệ thống DS điều chế sóng mang có dãy mã bằng điều chế AM (xung), FM

chọn các loại điều chế này không thể được giải thích một cách rõ ràng nhưngdạng cơ bản của tín hiệu DS là loại điều chế hai pha đơn giản Độ rộng băng (từ

0 đến 0) của vấu chính gấp đôi tốc độ nhịp của dãy mã dùng cho tín hiệu điềuchế và có cùng độ rộng băng như tốc độ nhịp của Nghĩa là, nếu dãy mã củasóng đã điều chế có tốc độ hoạt động là 5 Mcps(chip/s) thì độ rộng băng của vấuchính là 10 MHz và mỗi vấu bên có độ rộng băng là 5 MHz

Hình 2.8 miêu tả bộ điều chế DS 2 pha điển hình Dãy mã được đưa vào bộđiều chế cân bằng để có đầu ra là sóng mang RF điều chế 2 pha Quá trình này

giữa pha 1 và pha 0 theo dãy mã Sự khác pha không thành vấn đề trong đa sốcác hệ thống điều chế 2 pha, nhưng điều chế cân bằng áp dụng đối với các loạiđiều chế khác như PAM (điều biên xung) là quan trọng trong hệ thống DS nhưmiêu tả dưới đây

Hình 2.8: Điều chế loại DS(2 pha)Rất khó phát hiện được các sóng mang bị triệt nếu không có các kỹ thuậtphức tạp Các bộ thu thông thường rất khó tách được sóng mang vì mức sóngmang nằm bên dưới của mức tạp âm khi điều chế mã Yêu cầu nhiều công suấtcho việc truyền thông tin vì công suất phát chỉ được sử dụng đối với việc truyềntín hiệu đã được điều chế Hiệu quả sử dụng công suất phát trong trường hợp sửdụng hằng số duy trì độ rộng băng là lớn nhất vì các thành phần tín hiệu có mộtmức giới hạn nhất định Trong hệ PAM vì sóng mang được điều chế mã thì phổ

Hình 2.9 đưa ra sơ đồ khối của mạch thông tin DS điển hình Ở đây sóngmang RF được xem như là chu kỳ đã được điều chế để điều chế mã đối với thủtục điều chế và giải điều chế đơn giản

Tín hiệu thu được khuyếch đại và nhân với mã đồng bộ liên quan tại đầu phát

và đầu thu Trong trường hợp đó, nếu mã tại đầu phát và đầu thu được đồng bộ

mang băng tần hẹp được khôi phục này đi qua bộ lọc băng thông được thiết kếsao cho chỉ các sóng mang đã điều chế băng gốc được đi qua

Hình 2.9: Dạng sóng và cấu hình của hệ thống DSCác sóng mang giả cũng được đi qua cùng một thủ tục nhân tần số nhờ hoạtđộng của phía thu mà tại đây tín hiệu DS thu được sẽ chuyển thành băng tầnsóng mang ban đầu Tín hiệu thu mà không được đồng bộ với tần số liên quancủa đầu thu thì được cộng với băng tần liên quan và sau đó trải ra Bộ lọc thông

có thể giới hạn hầu hết các công suất tín hiệu giả vì tín hiệu đầu vào không đồng

bộ sẽ trải ra băng tần không đồng bộ của bộ thu

2.3.2 Độ rộng băng RF của hệ thống DS

Độ rộng băng RF của hệ thống DS ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thốngmột cách trực tiếp Nếu băng là 2 KHz thì độ lợi xử lý được giới hạn là 20 MHz.Trong lĩnh vực ứng dụng đòi hỏi bảo mật tín hiệu thì quan điểm là chọn vừa

Dao động

sóng

mang

Điều chế cân bằng

Bộ tạo PN

Tới bộ giải điều chế

fc+fIF

5

Tín hiệu thu (4)

phải một độ rộng băng hẹp và công suất phát trên 1 Hz trong băng được dùngnên là nhỏ nhất Các độ rộng băng rộng cũng được yêu cầu trong trường hợp độlợi xử lý lớn nhất là cần thiết để ngăn chặn giao thoa

Một thông số cơ bản trong hệ thống trải phổ là độ rộng băng hệ thống theo sựcảm ứng không trực tiếp với hệ thống khác làm việc trong cùng một kênh hoặckênh bên cạnh Bất kì loại DS nào đều có năng lượng mấu bên cao mặc dù cómột sự thật là mấu bên không cải thiện chất lượng truyền dẫn tín hiệu

Điều chế DS đặc biệt gọi là MSK vì băng tần được sử dụng chung giống như

6dB/octate6dB/octate6dB/octate12dB/octate

(* Mã BPSK đơn yêu cầu 2 mã cho tốc độ chính xác)

được giải thích như sau Nếu chu kỳ của xung hình vuông cho trước là T và biên

độ là A thì dãy Fourier được giải như dưới đây khi A = 0, T ± T/2:

∫−

2 / 2 /

Đây là công thức có dạng sinx/x nghĩa là sự phân bố điện áp của tín hiệu và

pha và 4 pha đưa ra trên hình 8 với biên độ tương ứng với dải của 2 mấu bên thứ

QPSK bao gồm trong tần số băng bên Nhưng sự suy giảm công suất tín hiệukhông thành vấn đề chỉ trong giới hạn băng sau Vì công suất của nhiễu hàmđiều hoà bậc cao bao gồm cả tần số băng bên trong điều chế nên giới hạn bănghẹp của băng RF tạo ra sự giới hạn thời gian lên và xuống của băng điều chế.

Mối tương quan tam giác của tín hiệu đã điều chế với một giá trị đỉnh nhọntrở thành tròn do giới hạn băng tần Hình 2.11 mô tả chức năng tương quan củatín hiệu DS và ảnh hưởng của giới hạn băng tần đến dạng đường bao của RF Truyền dẫn QPSK là một sơ đồ để giới hạn băng tần cao khi tốc độ mã chotrước QPSK có thể làm giảm băng RF yêu cầu tới một nữa như độ lợi xử lýgiảm đi nhiều Ví dụ, để truyền 10 Kbps với tốc độ mã 22,75 Mcps thì yêu cầu

độ rộng băng là 20 MHz để điều chế BPSK và độ lợi xử lý là 20 KHz/10 Kbps =

2000 mặc khác vì QPSK yêu cầu chỉ 10 MHz nên độ lợi xử lý giảm 3 dB do đó

10 MHz/ 10 Kb/s= 1000 Do đó loại điều chế hay tốc độ mã nên được xác địnhtrong hệ thống áp dụng và tốc độ thông tin cơ bản, độ lợi xử lý và băng tần xửdụng cũng nên được cân nhắc Giới hạn băng RF đóng vai trò quan trọng trongcác hệ thống đo khoảng cách sử dụng DS Như đã chỉ ra trên hình trên, suy giảmchất lượng của chức năng tương quan chịu tổn thất khi điều chỉnh chính xác thờigian Nghĩa là giới hạn băng làm giảm giải pháp khoảng cách của hệ thống đokhoảng cách nhằm tăng khoảng cách đo được

(a) Đường bao RF của tín hiệu DS đối với các độ rộng băng tần RF khác nhau

2T 2T

(b) Ảnh hưởng giới hạn băng thông của chức năng tương quan

Hình 2.11 : Giới hạn băng RF và ảnh hưởng tới tín hiệu DS thông thường2.4 Hệ thống trải phổ trực tiếp (DS/SS)

2.4.1 Mở đầu

Tín hiệu DS/SS nhận được khi nhân bản tin với một tín hiệu giả ngẫu nhiênbăng rộng Tích là một tín hiệu băng rộng Các vấn đề sau được đề cập đến trongphần này:

dụng khoá chuyển pha cơ số 2 (BPSK) và khoá chuyển pha vuông góc(QPSK)

giao thoa nhiều người sử dụng và ảnh hưởng của truyền đa tia, đồng thời

đề cập đến các giao diện vô tuyến cần thiết cho quá trình định vị

2.4.2 Giả tạp âm

Người ta dùng mã “ngẫu nhiên” để trải phổ bản tin ở phía phát và giải trảiphổ tín hiệu thu ở phía thu Mã ngẫu nhiên đóng vai trò trung tâm trong các hệthống SS Tuy nhiên nếu mã này thực sự ngẫu nhiên thì thậm chí máy thu chủđịnh cũng không thu được bản tin vì không thể biết được phương pháp để đồng

bộ với mã thực sự ngẫu nhiên, dẫn đến hệ thống vô dụng Vì vậy phải thay thếbằng một mã giả ngẫu nhiên Đây là một mã xác định biết trước đối với máy thu

Hàm tươngquan lý tưởng

Hàm tươngquan lý tưởng trongtrường hợp băng RF hẹp

chủ định Nhưng thể hiện giống tạp âm đối với máy thu không chủ định Cácchuỗi PN là các số được lặp lại theo một chu kỳ nhất định.

hoàn nên chu kỳ của nó phải lớn để đạt thuộc tính ngẫu nhiên tốt Trong một hệthống DS/SS, một tín hiệu liên tục theo thời gian gọi là tín hiệu PN được tạo ra

từ chuỗi PN được dùng để trải phổ Giả thiết chuỗi PN này là cơ số 2 (nghĩa là

k∑ ∏=∞−∞ k c − c

c

2

= τ φ

Bản tin cơ số hai

độ số liệu là 1/T bit/s) Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng các tín hiệu PN, c(t)bằng cách nhân hai tín hiệu này với nhau Tín hiệu nhận được b(t).c(t) sau đó sẽđiều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, cho ta tín hiệu DS/SS BPSK xác địnhtheo công thức sau:

sử dụng giả thiết này cho các hệ thống DS/SS BPSK

2.4.3.2 Máy thu DS/SS-BPSK

hiệu thu được bao gồm tín hiệu được phát cộng với tạp âm Do tồn tại trễ lantruyền τ nên tín hiệu thu là:

Trong đó: n(t) là tạp âm của kênh và đầu vào máy thu Giải thích quá trìnhkhôi phục lại bản tin ta giả thiết không có tạp âm Trước hết tín hiệu thu đượctrải phổ để giảm băng tần rộng vào băng tần hẹp Sau đó nó được giải điều chế

để nhận được tín hiệu băng gốc Để giải trải phổ tín hiệu thu được nhân với tínhiệu (đồng bộ) PN c(t-τ) được tạo ra ở máy thu, ta được:

với độ rộng băng tần là 2/T Để giải điều chế, giả thiết rằng máy thu biết được

BPSK bao gồm một bộ tương quan đi sau là một thiết bị đánh giá ngưỡng

Tín hiệu PN đóng vai trò như một ‘mã’ được biết trước ở cả máy phát vàmáy thu chủ định Vì máy thu chủ định biết trước nên nó có thể giải trải phổ tínhiệu SS để nhận được bản tin Mặt khác có một máy thu không chủ định khôngđược biết mã, vì thế ở các điều kiện bình thường nó không thể giải mã bản tin.Điều này thể hiện rõ ở phương trình của máy thu, do c(t) nên máy thu không chủ

động nội Nếu có sự khác biệt giữa tần số của bộ dao động nội và tần số sóng

xác bằng một mạch vòng nối tiếp Máy thu phải nhận được các thông số khác

được gọi là quá trình khôi phục sóng mang Việc khôi phục sóng mang và đồng

Ta khảo sát một cách ngắn gọn ảnh hưởng của sai pha sóng mang và sai pha

cho bộ giải điều chế và sử dụng c(t -τ’) làm tín hiệu PN nội, nghĩa là sóng pha

có sai pha γ và tín hiệu PN có sai pha τ -τ’ Khi đó zi sẽ là:

Zi = Ati∫+T

ti

b(t -τ) c(t -τ) c(t -τ’)cos(2πfct +θ’ + γ) (2πfct +θ’)dt

và t -τ’= 0 Nếu | t -τ’| >Tc hay |γ| =π/2, thì zi=0 thì máy thu vô dụng Khi | t -τ’|

gây ra xác xuất lỗi cao hơn Tuy nhiên nó vẫn có thể hoạt động đúng khi sai pha

| t -τ’| và |γ| nhỏ

Khôi phục

ĐH KH

Khôi phục SM

+

−Đồng hồ

tín hiệu PN

Bộ tạo tín hiệu PN nội

ti

dt(.)

1 hay -1z

cos(2πfct+θ’)

Hình 2.14 : Sơ đồ khối máy thu DS/SS-BPSK2.4.3.3 Mật độ phổ công suất (PSD)

Ta xét mô hình bản tin và tín hiệu PN như các tín hiệu cơ số 2 ngẫu nhiên(mỗi bit hay mỗi chip nhận các giá trị +1 hay –1 đồng xác suất ) Bản tin (với

φb(f) = Tsinc2(fT)

Có độ rộng băng tần 1/T Hz Còn tín hiệu PN ( với biên độ ±1) có tốc độ chip

φc(f) = Tsinc2(fTc)

b(t) trùng với khởi đầu của chip c(t) nên tích b(t)c(t) có PSD như sau:

φbc(f) = Tcsinc2(fTc)

chuyển đổi tín hiệu băng gốc vào tín hiệu băng thông s(t) có PSD với độ rộng

φs(f) = A Tc {sin c 2 (( f − fc) Tc+ sin c 2 (( f + fc) Tc)}

2

4

cũng giống như s(t) vì trễ không làm thay đổi phân bố công suất ở vùng tần số.Sau khi trải phổ ta được tín hiệu w(t) với PSD được xác định là:

φw(f) = A2T{sin c 2 (( f − fc) Tc + sin c 2 (( f + fc) Tc)}

4

khác nhau ta thấy rằng PSD của b(t) được trải phổ bởi c(t) và sau đó được giảitrải phổ bởi c(τ-t) ở máy thu

2.4.3.4 Năng lượng của hệ thống

Cho đến nay chúng ta chưa đề cập kỹ đến các vấn đề tạp âm và nhiễu Trongphần này, ta sẽ đề cập các hiệu năng của một hệ thống DS/SS-BPSK trong môitrường tạp âm Gausơ trắng cộng (AWGN – Additive White Gaussian Noise) vànhiễu

Hình 2.15 mô tả sơ đồ khối chức năng của máy phát và máy thu BPSK Ơ đây ta cho rằng tín hiệu PN nội và sóng mang nội đồng bộ tốt với tínhiệu PN thu và sóng mang thu Vì thế ta có thể giả thiết rằng trễ t bằng không

DS/SS-Hình 2.15: Sơ đồ khối của máy phát và máy thu DS/SS-BPSK

( ) ( [n t τ n t N0 δ τ

c(t)b(t)

(b) Máy thu

Tín hiệu DS/SS- BPSK

s(t) = Ab(t)c(t)cos(2πfct)

so+n0+j0

c(t) cos(2πfct)

Thiết bị đánh giả ngưỡng (hạn biên cứng)

Nghĩa là hai biên PSD (mật độ phổ công suất) của tạp âm là N0 /2 Khi này n0

là một biến ngẫu nhiên Gausơ có trung bình không và phương sai:

4 ] [ 2 0 0

T N n

2 2

0

2 0

4 /

) 2 / ( ]

T A T

N

AT n

E

s

=

=

không có ưu điểm về AWGN trong kênh Hiệu năng hoạt động của hệ thốngthường được đánh giá bằng xác suất lỗi bit hay xác suất lỗi ký hiệu Xác suất lỗi

Tiếp theo ta sẽ xét ảnh hưởng của nhiễu phát Giả định rằng có một tín hiệu

phát này là:

j(t) = J(t) cos(2πf1t +ψ)

nhiên đồng đều ở (0,2π), độc lập với J(t) Ta rút ra rằng j(t) có trung bình không.Các hàm j(t) và J(t) tương quan với nhau theo biểu thức :

φj(τ) = ½φj (τ)cos (2πf1τ)

của bộ tích phân tương ứng với tín hiệu nhiễu phát Xem rằng tín hiệu nhiễuphát là một tín hiệu băng hẹp, (nghĩa là độ rộng băng tần của tín hiệu nhiễu phátnhỏ hơn nhiều so với tín hiệu DS), ta có thể chỉ ra rằng phương sai được xácđịnh bởi :

Nếu ta kết hợp cả tạp âm Gausơ trắng cộng với tín hiệu nhiễu phát và giả

2 0

j E n E

) 4 / ( ) 4 / (

4 /

2 0

2 2

=

T N

T A

j N P j T c

T A

+

0 2

Ta thấy rằng nhiễu phát ảnh hưởng giống như tạp âm trắng có PSD hai biên

Bây giờ giả thiết rằng ta có tín hiệu nhiễu phát băng rộng, nghĩa là độ rộng

nhiễu phát gây ra bây giờ sẽ là:

j

j B

T P j E

4 ) ( 2

0 =

j

j B P N

T A

T A

/

2 /

0

2

+

phát còn tác dụng

Kết luận: ta thấy rằng trải phổ không mang ưu việt về tạp âm trắng Gausơ Tacũng thấy rằng ảnh hưởng của nhiễu phát giảm đáng kể khi trải phổ Nhiễu phátphải có công suất cao để có tác dụng và vì thế các hệ thống SS rất thích hợptrong thông tin quân sự

2.4.3.5 Ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và truyền đa tia

Trong phần này, ta sẽ khảo sát nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng gây ra docác tín hiệu DS khác và do truyền đa tia

Ta xét tình trạng tín hiệu thu chứa nhiễu giao thoa từ một tín hiệu DS khác.Trong trường hợp này tín hiệu thu sẽ là :

r(t) = Ab(t).c(t).cos(2πfct) + A’.b’(t-τ’).c’(t-τ’) cos (2πfct +θ’)+ n(t)

trong đó Ab(t).c(t).cos(2πfct) là tín hiệu mong muốn, A’.b’(t-τ’).c’(t-τ’) cos

pha của sóng mang khác nhau, có nghĩa là hai tín hiệu này được phát độc lập

ít Vì thế ở môi trường đa người sử dụng ta phải thiết kế các tín hiệu PN sao chochúng có tương quan chéo nhỏ

Ở trường hợp truyền đa tia, tín hiệu thu gồm thành phần đi thẳng và cácthành phần không đi thẳng phản xạ từ các công trình nhân tạo hay địa hình tựnhiên Tín hiệu không đi thẳng cũng như tín hiệu đi thẳng là một tín hiệu băngrộng Tín hiệu PN nội được đồng bộ đến tín hiệu đi thẳng Vì thế tín hiệu đithẳng được giải trải phổ còn tín hiệu không đi thẳng không được giải trải phổ Vấn đề gần xa là hiện tượng mà trong đó một hệ thống nhiều người sử dụnggặp nguy hiểm do sự có mặt của một tín hiệu mạnh Ta xét một hệ thống đa xâmnhập DS/SS Giả thiết rằng có K người sử dụng phát tín hiệu trên cùng mộtkênh Việc thu tín hiệu bị nhiễu do tạp âm và các tín hiệu của K-1 người sử dụng

là công suất trung bình của từng tín hiệu Khi đó PSD của tín hiệu của từngngười sử dụng là (PsTc /2)[ Sinc2((f-fc)Tc) + Sinc2((f+fc)Tc)} Bằng cách lập môhình K-1 tín hiệu gây nhiễu như là các tâp âm trắng Gausơ, có thể xấp xỉ hoá

) 1 (

0 '

0 = N +aP T K −

T P N

E

c s

s b

Biểu thức này cho thấy nhiễu tăng xác suất lỗi bit

Bây giờ ta khảo sát một trong số K-1 người gây nhiễu rất gần máy thu Doluật tỉ lệ nghịch hàm mũ bình phương của truyền lan sóng điện từ, tín hiệu của

trong đó a là tăng bình phương khi người gây nhiễu này tiến đến gần máy thu.Chẳng hạn nếu người gây nhiễu mạnh này ở gần máy thu 10 lần hơn so với máy

) 2 (

0 '

0 = N +aP T K −

T P N

E

c s s b