Điện tử viễn thông chuong 8 khotailieu

Chương 8 Điều chế trải phổ và điều chế đa sóng mang 8.1 Giới thiệu chung Thông thường các kỹ thuật điều chế và giải điều chế được thiết kế trong hệ truyền tin số sao cho hệ hoạt động s

Chương 8 Điều chế trải phổ và điều chế đa sóng mang

8.1 Giới thiệu chung

Thông thường các kỹ thuật điều chế và giải điều chế được thiết kế trong hệ truyền tin số sao cho hệ hoạt động sử dụng công suất và độ rộng băng tối thiểu, có xác suất lỗi bit thấp trong môi trường có nhiễu Gauss trắng dừng Tuy nhiên các

kỹ thuật điều chế này phải kết hợp thêm một số kỹ thuật khác mới có thể chịu được trong môi trường fading đa đường, chuyển động, hoặc môi trường có nguồn gây nhiễu cố ý hay không cố ý xen vào Một kỹ thuật điều chế khác vốn có đặc tính chịu được môi trường truyền dẫn phức tạp trên là kỹ thuật điều chế trải phổ

Kỹ thuật trải phổ dùng độ rộng băng truyền vài bậc lớn hơn độ rộng tín hiệu truyền, nó không có hiệu suất băng khi chỉ có một người sử dụng, song lại có hiệu suất khi nhiều người sử dụng cùng một lúc mà vẫn tránh được sự giao thoa với nhau Ngoài việc chiếm băng tần rộng, tín hiệu trải phổ còn có tính chất giống như

ồn khi so sánh với dữ liệu thông tin số Dạng sóng trải được điều khiển bởi dãy giả

ồn (hay là mã giả ồn - PN), đó là dãy nhị phân biểu hiện như dãy ngẫu nhiên song được xác định bởi máy thu chủ định Tín hiệu trải phổ được giải điều chế tại bộ thu khi tương quan chéo với một phiên bản của sóng mang giả ngẫu nhiên phát tại chỗ Tương quan chéo với dãy PN đúng sẽ giải trải tín hiệu, nhận được bản tin băng hẹp trong khi tương quan chéo với tín hiệu không mong muốn sẽ chỉ cho một lượng nhỏ của ồn băng rộng tại lối ra máy thu

Điều chế trải phổ có nhiều ưu điểm trong môi trường radio di động Nổi bật

là khả năng chống giao thoa đa truy cập vốn có của nó Vì rằng mỗi người dùng

được phân một mã duy nhất gần như trực giao với mã của người khác nên bộ thu tách người dùng dựa trên mã mỗi người mặc dù họ dùng chung phổ trong cùng một thời gian Không chỉ tách được từ nhiều người dùng khác nó còn có thể khôi phục được khi bị phá bởi tín hiệu giao thoa băng hẹp Do ảnh hưởng của tín hiệu băng hẹp chỉ tác động lên một phần nhỏ tín hiệu trải phổ nên nó dễ dàng lấy đi bằng bộ lọc khía chữ V mà không làm mất nhiều thông tin Ngoài ra do dùng chung tần số nên không cần kế hoạch tần số, tất cả các tế bào đều dùng chung kênh rộng

Chịu được đa đường là ưu điểm căn bản khác để sử dụng kỹ thuật này trong thông tin vô tuyến Do tín hiệu trải phổ có năng lượng phân đều trên băng rất rộng nên tại mỗi thời điểm chỉ có môt phần nhỏ phổ chịu fading Thể hiện trong miền thời gian thì khả năng chống nhiễu đa đường là do các phiên bản trễ có tương quan

nhỏ với dãy PN gốc, kết quả biểu hiện như người dùng không tương quan khác và

bị loại Hệ thống trải phổ không chỉ chịu được đa đường mà còn sử dụng các thành phần đa đường để cải thiện chất lượng tín hiệu (bộ thu RAKE, tổ hợp các thông tin nhận được từ một số thành phần đa đường phân giải được)

8.2 Dãy giả ngẫu nhiên (PN)

8.2.1 Tạo dãy m

Các tính chất căn bản của kỹ thuật trải phổ là do tính chất của dãy giả ngẫu nhiên (PN) tạo nên Không thể tạo dãy ngẫu nhiên bằng cách lấy mẫu một quá trình ngẫu nhiên vì như thế không thể tạo lại được nó ở bộ thu tương quan Song

có thể chủ động tạo một dãy giả ngẫu nhiên bằng một bộ ghi dịch có phản hồi [7]:

Với mỗi xung nhịp, bộ ghi dịch lại chuyển tất cả nội dung sang bên phải, dãy {an} được truyền đi với mỗi số hạng được tạo ra một cách tuyến tính từ r số hạng trước đó:

n r n

n

a

1 2

2 1

Ở đây tất cả các số hạng đều là số nhị phân (0 hoặc 1), c1 đến cr là các biến liên kết (1 cho liên kết và 0 cho không liên kết) Các qui tắc nhân thông thường được duy trì song phép cộng là modulo 2 (sau này các ký hiệu nhị phân 0,1sẽ là 1

và -1 đồng thời thay thế các bộ cộng hồi tiếp bằng phép nhân thông thường, các kết quả sẽ giống như vậy song không còn tuyến tính theo nghĩa cổ điển nữa) Hàm

số tương ứng với dãy được tạo ra là:

)(

n

n

n D a D

a D a a D G

Trong đó D là toán tử trễ, số mũ của nó ứng với số đơn vị trễ

n-2 n-1

+C

an-r

+

Ca

+

Hình 8.1 Bộ tạo dãy ghi dịch tuyến tính

r i

n i n i

n

a D

i i r

i

i

c D

G

1

1 1 1

)

()

1)(

(

)(

)(1

)

()

1

1

1 1

D f

D g D

c

D a D

a D c D

i

i i

r i

i i

i i

i

c D

1

1 1

()

( ( ) ( 1) (8.5)

1 1

1 2 2 1 1

c D

a a c a c phụ thuộc véc tơ trang thái ban đầu của a-r,a-r+1,…a-1 Lưu ý là phải có cr=1 vì nếu không thì không cần đến r tầng ghi dịch

Nếu véctơ ban đầu có :

a-r=1,a-r+1=…=a-2=a-1=0 thì g0(D)=1 và

)(

1)(

D f D

G  (8.6) Trong các dãy được tạo ra như trên ta chú ý đến dãy có chu kỳ lặp lại lớn nhất Sử dụng các công thức nhận được có thể rút ra 3 tính chất sau [9]:

1 Mỗi chuỗi ghi dịch tuyến tính (LSR) đều tuần hoàn với chu kỳ:

P2r 1

Thật vậy bộ ghi có thể có 2r-1 véc tơ trạng thái khác nhau (trừ trang thái tất

cả đều là 0) Khi một vec tơ trạng thát nào đó được lặp lại sau P<2r-1 thì nó sẽ vẫn tiếp tục lặp lại như vậy vì tất cả luôn phụ thuộc vec tơ trạng thái đầu Chuỗi có độ dài cực đại là chuỗi có chu kỳ P=2r-1 (chú ý chu kỳ là chu kỳ vectơ)

2 Ngoại trừ các trường hợp suy biến, chu kỳ P của G(D) là số nguyên dương

P nhỏ nhất sao cho 1-D p chia hết cho f(D)

Thật vậy trước hết ta có

1 1 1

a a D G

a a

0

1 1

) (

a a D f

D

(8.8)

3 Điều kiên cần để G(D) tạo ra chuỗi có P=2 r -1 (gọi là chuỗi MLSR hay dãy m) là f(D) cấp r phải là tối giản (không thể khai triển thành thừa số)

Thật vậy , nếu f(D) triển khai thành thừa số thì f(D)=s(D)t(D)

Khi phân tích thành cácnhân tử tối giản :

)(

)()(

)()(

1)

(

D t

D D

s

D D

P

P

P r

r N

1

11

2)( (8.10)

Ở đó  là việc phân tích một số ra thừa số nguyên tố

1

12

Ví dụ:

Với r=2 2r-1=3 1

3

2.2

3)2

P N

r=3 23-1=7 2

7

6.3

7)3

P N

r=4 24-1=15=5.3 2

3

2.5

4.4

15)4

P N

r=5 25-1=31 6

31

30.5

31)5

P N

r=6 26-1=63=7.32 6

3

2.7

6.6

63)6

P N

Tìm các đa thức nguyên thủy ngày càng khó khi r càng lớn, song hiện nay

có các bảng tính sẵn Các giá trị tiêu biểu được quan tâm của r là giữa 10 và 50

8.2.2 Tính chất của chuỗi MLSR

1 Tính cân bằng:

Trong số 2r véc tơ trạng thái có đúng một nửa là chẵn một nửa là lẻ vì loại

bỏ véc tơ 0 nên có 2r-1 là lẻ và 2r-1-1 là chẵn Xác suất đầu ra bộ ghi dịch là:

2

112

12)

2)

2.Tính chất của khoảng chạy

Tần suất tương đối của các khoảng chạy n (gồm n số 0 và n số 1 liên tiếp)

là 1/2n với mọi n≤r-1 và bằng 1/2r-1 với n=r và không có khoảng chạy nào có n>r

3.Tính trễ và cộng sinh

Tổng modulo 2 của một dãy MLSR với chính nó trễ đi một số nhịp cũng cho dãy đó ứng với số nhịp trễ khác Sử dụng tính chất này cùng với tính chất 1 sẽ rút ra là hai dãy trễ của nhau sẽ có 2r-1-1 đồng đẳng và 2r-1 bấtđồng đẳng.(theo vectơ trang thái)

Nhận xét:

Với độ mất cân bằng rất nhỏ 1/P (nhỏ hơn một phần triệu với r>20) chuỗi MLSR không thể phân biệt được với chuỗi nhị phân Bernoulli (là chuỗi nhân được khi tung đồng xu) theo 3 tính chất nói trên

Các tính chất trên còn thể hiện bằng các đại lượng trung bình và tương quan theo thời gian, dựa trên việc ánh xạ số 0 thành một giá trị thực 1 và số 1 thành giá trị thực -1 rồi thực hiện phép nhân thông thường:

Tính chất 1sẽ là:

P P

P n n

11

P

n n n

(8.14)  1 voi  0

8.2.3 Hàm tương quan của tín hiệu mã giả ngẫu nhiên :

Mỗi ký hiệu trong tín hiệu mã giả ngẫu nhiên được gọi là chip, có độ dài

Tc tín hiệu mã giả ngẫu nhiên là tín hiệu cực NRZ có thể biểu diễn như sau;

Với p(t) là xung chữ nhật có biên độ 1V trong khoảng [0,Tc]

n

a

n

c (1) có an là dãy mã nhị phân giả ngẫu nhiên

Xét hàm tự tương quan của 2 tín hiệu giả ngẫu nhiên c’(t) và c(t) trong khoảng thời gian T=L (độ dài của dãy)

cc  Tc t c t dt

T

R

0 ' () 1 ( ) ' ( ) (8.16) Giả sử τ = k.Tc + ε , 0 < ε < Tc khi đó có thể biểu diễn hàm tự tương quan như sau:

LT

c c k

m c

m c

cc

LT k

R R

0 '

d T p

p T c c L d

p p T c c L k

m

T T

c c

k m m L

m

T c k m m cc

c

c

c

])(

)(

1'

1[])()(

1'

1[)

,

0

1 1

0

m

a a L

m m m k

Phương trình được viết lại:

'( , ) 1[(1 ) '( ) '(k1)]

T

k T

L k

c

cc c

cc      (8.18) Đối với trường hợp tự tương quan :

( ) ( , ) 1[(1 ) ( ) (k1)]

T

k T L k

R

c

c c c

)1()

n

a a L

Áp dụng tính chất cân bằng của dãy m: θc(k)=-1

Thay vào kết quả phương trình tự tương quan , ta thấy nó tuần hoàn với chu

khá lớn đáp ứng đa truy cập theo mã (CDMA) Hàm tương quan chéo giữa 2 dãy

là khá nhỏ và nhận một trong các giá trị sau:

)(1)

(

'

N L L

N L k

1 2 2

1

2 1 ) (

2 2 2 1

i voiN

dt t x t g

Theo định nghĩa này một số kiểu mã khác được sử dụng và đóng vai trò quan trọng trong điều chế tín hiệu:

- mã trực giao: Các dãy mã trực giao là các dãy nhị phân được biểu diễn dưới

dạng dãy xung NRZ(±1) Các dãy này hoàn toàn trực giao (trong thời gian của dãy) khi không có trễ giữa chúng Tuy nhiên khi độ trễ giữa các dãy mã khác 0 thì tương quan chéo giữa chúng là đáng kể Các mã trực giao được dùng để phân tách

các kênh và mã hóa dữ liệu có các loại phổ biến như mã Walsh, mã cấu trúc cây…

- mã Walsh: Mã trực giao Walsh tạo ra bằng ma trận Hadamard theo cách sau

00

2

H

… (8.24) 

n n n

H H

H H

H2

Trong đó H n là đảo của ma trận Hn (đảo các ký hiệu nhị phân) Một mã trực giao có độ dài n là hàng của ma trận Hn có tất cả n mã trực giao có độ dài n trong hệ IS-95 (tiêu chuẩn mạng tế bào CDMA của Qualcomm) thì các mã Walsh

có độ dài 64 chip mã trong một chu kỳ, có tất cả 64 mã trực giao có thể sử dụng

8.4 Trải phổ dãy trực tiếp (DS-SS):

Trải phổ dãy trực tiếp là cách trải phổ có được bằng cách nhân các xung dữ liệu băng cơ sở với dãy giả ngẫu nhiên từ bộ phát mã giả ngẫu nhiên [5] Ký hiệu dạng sóng của xung PN gọi là chip Ký hiệu dữ liệu được đồng bộ là các bit thông tin hay các ký hiệu mã nhị phân được công theo modul 2 với chíp trước khi điều chế pha Bộ giải điều chế dịch pha kết hợp hay vi phân kết hợp (đồng bộ) được dùng trong bộ thu Tín hiệu trải phổ cho người dùng đơn có thể biểu diễn:

( )  2 m(t)p(t) cos( 2f t)

T

E t

s

s

ss (8.25) Trong đó m(t) là dãy dữ liệu, p(t) là dãy trải PN, fc là tần số sóng mang, θ là góc pha sóng mang tại t=0, Dạng sóng dữ liệu là dãy theo thời gian các xung chữ nhật không đè lên nhau, mỗi xung chữ nhật có biên độ là +1 hoặc -1 Mỗi ký hiệu m(t) biểu diễn ký hiệu dữ liệu có chu kỳ Ts Mỗi xung p(t) biểu diễn một chip cũng có dạng chữ nhật biên độ +1 và-1 có chu kỳ Tc Việc chuyển trạng thái của

ký hiệu dữ liệu và chíp trùng khớp nhau khi tỷ số Ts chia Tc là một số nguyên Nếu Wss là độ rộng của Sss(t) và B là độ rộng của m(t)cos(2πfc), sự trải do p(t) sẽ cho Wss>>B

Minh hoạ bộ phát thu trên hình 8.5

Giả sử đồng bộ mã đạt được tại bộ thu, tín hiệu nhận được đi qua bộ lọc băng rộng và nhân với dãy lặp lại p(t) tại chỗ.Nếu p(t)=±1, thì p2(t)=1 thì phép nhân này cung cấp tín hiệu giải trải s(t):

Khi nhân với dạng sóng trải sẽ cho phổ ở hình 8.6 Độ rộng tín hiệu rút lại

là B trong khi năng lượng giao thoa trải trên độ rộng vượt quá Wss Bộ lọc của giải điều chế sẽ lấy đi hầu hết phổ giao thoa không trùng với tín hiệu Phép đo khả năng loại trừ giao thoa cho bởi tỷ số Wss/B bằng hệ số xử lý định nghĩa là:

s

ss s

c c

s

R

W R

R T

T PG

khóa dịch pha (hoặc vi phân)

Lọc băng

Tín hiệu trải Phát mã

(b) Sơ đồ thu Hình 8.5 Sơ đồ trải phổ dãy trực tiếp

Đối với kênh đa đường: phép nhân p(t).p(t-τ) trong quá trình nén phổ giữ nguyên độ rộng dải như đối với tín hiệu không có đồng bộ mã giả ngẫu nhiên Tín hiệu này góp phần rất nhỏ khi đi qua bộ tích phân(có tác dụng như lọc thông thấp)

Tín hiệu Giao thoa

Hệ số

xử lý Tín hiệu

Giao thoa

Tần số Tần số

Hình 8.6 Trải phổ tín hiệu và nén phổ tín hiệu

Trong hệ đa truy cập: Tương tự như trên pi(t)pj(t-τ) với i ≠ j cũng giữ nguyên độ rộng dải → không có tác dụng nén phổ đối với tín hiệu khong mong muốn Do vậy hệ thống trải phổ trực tiếp có thể chống được giao thoa đa truy cập (MAI: multiple access interference)

8.5 Trải phổ nhảy tần (FH-SS)

Nhảy tần (FH) là sự thay đổi tuần hoàn tần số sóng mang.Tín hiệu trải phổ nhảy tần là một dãy các cụm dữ liệu được điều chế với tần số sóng mang ngẫu nhiên thay đổi theo thời gian [5] Tập các tần số sóng mang có thể được nhảy gọi

là tập kênh Độ rộng của kênh dùng trong mỗi lần nhảy là độ rộng băng tức thời

Độ rộng phổ mà tín hiệu nhảy tần có thể quét các kênh gọi là độ rộng nhảy tổng cộng Qui luật nhảy của bên phát chỉ có bên thu được biết Trên mỗi kênh các cụm nhỏ dữ liệu được gửi dùng điều chế băng hẹp thông thường trước khi nhảy lần nữa.Quá trình điều chế sơ cấp dữ liệu để tạo ra tín hiệu băng hẹp sn(t) là FSK (Hoặc là FSK có số M) Dữ liệu mã hóa dưới dạng tín hiệu cực NRZ, d(t)=±1

s n(t)cos(0 d(t))tcos(n t) (8.28) Một bộ tổng hợp tần số được sử dụng để tạo ra tín hiệu sε(t) có tần số thay đổi sau mỗi khoảng thời gian Th

s(t)cos(1M(t,T h))t cos(t) (8.29) Với M(t,Th) là một số ngẫu nhiên trong tập M số 1,2…M M(t,Th) được tạo

ra nhờ tổng hợp từ mã giả ngẫu nhiên

Tín hiệu trải phổ nhảy tần Sss(t) được tạo ra khi nhân sε(t) với tín hiệu băng hẹp sn(t) (quá trình trộn tần) Sss(t) có tần số là:

t  n 0 1[d(t)M(t,T h)] (8.30)

ωt có thành phần cố định là ωc=ω0+ω1 và thành phần biến đổi là [d(t)+M(t),Th]Δω

Vì d(t)=±1 còn M(t,Th) nhận giá trị từ 1 đến N nên Sss(t) chiếm dải tần là :

Bt=(M+2)Δω≈MΔω Với M đủ lớn (8.31) Nếu chỉ có một sóng mang được dùng trong mỗi lần nhảy điều chế được gọi là điều chế kênh đơn.(hình 8.7)

Dữ liệu

(a) Bộ phát Lọc dải

rộng

Đồng bộ tần số

Hệ đồng

bộ

Dữ liệu Giải điều

chế

(b) Bộ thu

Hình 8.7 Sơ đồ thu phát hệ trải phổ nhảy tần

Nếu các mẫu nhảy tạo ra ở bộ thu đồng bộ với các mẫu tần nhận được, lối ra của

bộ trộn là tín hiệu giải nhảy tần có tần số cố định khác, trước khi giải điều chế tín

hiệu giải nhảy được cấp đến bộ thu thông thường Trong FH mỗi khi có tín hiệu

không mong muốn chiếm cùng kênh nhảy, ồn và giao thoa trong cùng kênh được

chuyển thành tần số đi vào bộ giải điều chế có thể gây nên sự tranh chấp

Nhảy tần được phân thành 2 loại nhanh và chậm Nhảy tần nhanh xảy ra khi

có nhiều hơn một lần nhảy trong một ký hiệu truyền hay là tốc độ nhảy lớn hơn

hay bằng tốc độ ký hiệu thông tin Nhảy tần chậm khi một hay nhiều ký hiệu được

truyền trong một lần nhảy Tốc độ nhảy tần của hệ FH-SS được xác định bởi sự

nhanh nhẹn của bộ tổng hợp thu, loại thông tin truyền, lượng dư thừa được dùng

trong mã kênh và cự ly đến nơi giao thoa gần nhất

8.6 Hoạt động của trải phổ dãy trực tiếp

Giả sử mỗi người dùng có dãy PN với N chíp trong 1 chu kỳ ký hiệu bản

tin T tức là NTc=T Tín hiệu được truyền bởi người dùng thứ k (với K người dùng

chung phổ) có thể biểu diễn :

S    (8.32) Trong đó pk(t) là dãy PN của người dùng thứ k, mk(t) là dãy dữ liệu của người dùng thứ k (hình 8.8) Tín hiệu nhận được sẽ là tổng của K tín hiệu được phát (một mong muốn và K-1 không mong muốn.) Tương quan tín hiệu thu được với với dãy nhận biết riêng sẽ tạo nên biến quyết định Biến quyết định đối với bit được truyền thứ i đối với người dùng thứ 1 sẽ là:

1 1 1

1 )

   (8.34)



K k k

Z

2 1 ) 1 (

Trong đó:

2 )

2 cos(

) ( ) (

0

1 1 1

T E dt t f t

p t S

E  (8.37)

và I k T S k t k p t f c t dt (8.38)

0

1 ( ) cos( 2 ) )

Biểu diễn giao thoa đa truy cập từ người dùng thứ k Giả sử Ik là ảnh hưởng tích lũy của N chíp ngẫu nhiên từ giao thoa thứ k trong chu kỳ tích phân T của 1 bit Lý thuyết giới hạn trung tâm chứng tỏ rằng tổng các ảnh hưởng này có xu hướng như phân bố Gauss Vì có K-1 người dùng như các nguồn giao thoa phân

bố đều Giao thoa đa truy cập tổng cộng sẽ là

 (8.39)



 K

k k I I

2

Có thể xấp xỉ như biến Gauss ngẫu nhiên (coi mỗi Ik là độc lập, trên thực tế không chính xác như vậy.) Giả thiết xấp xỉ này sẽ cho một biểu diễn thuận lợi khi tính xác suất trung bình lỗi bit:

231

P e (8.41) Đây là sàn nhiễu không thể làm nhỏ hơn do nhiễu đa truy cập với giả thiết

là tất cả các nguồn nhiễu có công suất như nhau giống như người mong muốn tại

bộ thu DS-SS Trên thực tế hiệu ứng xa gần làm khó khăn cho hệ thống này Nếu không có sự điều khiển công suất cẩn thận người dùng gần sẽ có năng lượng thu được nổi trội tại trạm cơ sở làm cho giả thiết phân bố Gauss không chính xác Khi

có một số lớn người dùng tốc độ lỗi bit chịu ảnh hưởng của giao thoa đa truy cập

8.7 Hoạt động của trải phổ nhảy tần

Trong hệ FH-SS, một số người dùng nhảy tần sóng mang độc lập khi dùng điều chế BFSK Nếu 2 người dùng không đồng thời chiếm 1 kênh, xác suất lỗi của BFSK là:

b h h

N

E P

2

1 ) 1 ( 2

exp 2

có mặt trong kênh mong muốn là:

M

K M

p

K h

11

11

K N

E

e

1 2

1 1 1

2

exp 2

1

0

(8.45) Xét trường hợp đặc biệt, Eb/N0 tiến đến vô cùng:

1 ) ( lim

0

(8.46)

Nó minh họa tốc độ lỗi không thể giảm được do giao thoa đa truy cập

Phân tích trên đã giả sử rằng tất cả người dùng nhảy tần đồng bộ, gọi là nhảy tần khe Điều này không thực tế trong nhiều hệ FH-SS Thậm chí khi đồng

bộ có thể đạt được giữa các đồng hồ người dùng riêng rẽ, tín hiệu radio cũng không tới mỗi người đồng bộ do trễ lan truyền khác nhau, xác suất tranh chấp của

hệ không đồng bộ là;

1

11

111

N M

p (8.47)

Trong đó Nb là số bit trên lầ nhảy so sánh các phương trình ta thấy trong trường hợp không đồng bộ, xác suất tranh chấp tăng (như ta chờ đợi), do đó xác suất lỗi cho FH-SS không đồng bộ là:

2

11

1

11exp

N M

N M

Hệ thống IS-95 (xem phụ lục)

8.8 Hệ thống MC DS-CDMA

Để có thể cung cấp các dịch vụ băng rộng trong môi trường có nhiều người

sử dụng (các hệ đa dịch vụ trong tương lai) thì cần phải cung cấp một dải tần rộng

cho mỗi người dùng Đáp ứng yêu cầu này cũng có thể ứng dụng trực tiếp kỹ thuật

DS CDMA với dải tần rộng, tuy nhiên sẽ có một số vấn đề trở ngại [14]

Ví dụ trong hệ DS CDMA theo tiêu chuẩn IS 95 băng tần 1,25 MHz hoạt động trong môi trường fading Rayleigh chọn lọc tần số và biến đổi chậm Khi thời gian kéo dài do fading đa đường trong trường hợp xấu nhất là 3-5μs bộ thu RAKE phải bám từ 3 đến 6 thành phần tín hiệu đa đường (số nhánh đa đường tối đa có thể tính xấp xỉ theo công thức B.Tm+1(~Tm/Ts+1, Ts là độ dài ký hiệu truyền ) trong đó B là độ rộng của tín hiệu DS/SS còn Tm là độ kéo dài thời gian trễ đa đường của tín hiệu tại máy thu, trong trường hợp ở đây là 3-5μ) Bây giờ giả sử tăng độ rộng băng của tín hiêu DS CDMA lên 12,5MHz thì phải cần từ 30 đến 60 nhánh thu phân tập (finger) Thêm nữa hệ thống DS CDMA băng rộng yêu cầu phải có một băng tần liên tục mà trong một số trường hợp khó có thể đáp ứng được Bây giờ nếu thay hệ thống chỉ có một sóng mang bằng cách sử dụng một hệ thống CDMA băng rộng mà trong đó bao gồm nhiều hệ thống DS CDMA băng hẹp giống nhau ( ở đây ta hiểu hệ thống CDMA băng rộng có độ rộng băng lớn hơn độ rộng băng của IS 95 nhiều lần) Tổng cộng độ rộng băng của các hệ băng hẹp này bằng với độ rộng băng của hệ thống DS CDMA khi chỉ có một sóng mang Điều này cho phép không cần phải có một dải tần liên tục Cách truyền như thế gọi là DS CDMA đa sóng mang (MC DS-CDMA)

Gọi Bsc là độ rộng của những dải tần số con này Có thể chọn sao cho khoảng chíp T>Tm với Tm là độ kéo dài thời gian trễ để đảm bảo kênh truyền với sóng mang này là fading phẳng không bị ảng hưởng của fading chọn lọc tần số

Do vậy đối với 1 sóng mang chỉ cần một bộ tương quan mà không cần phải sử dụng bộ thu phân tập đa đường Trong ví dụ trên nếu thay bằng hệ thống này thì cũng phải cần 30-60 bộ tương quan ứng với 30-60 nhánh của bộ thu phân tập đa đường trong trường hợp chỉ có một sóng mang nhưng hệ thống đa sóng mang có

chất lượng thu tốt hơn Kỹ thuật này sử dụng phương pháp phân tập tần số thay cho phân tập theo miền thời gian như ở trong DS CDMA thông thường Phương

pháp thu phát phân tập theo tần số cải thiện chất lượng tín hiệu bằng cách truyền song song cùng một thông tin trên nhiều sóng mang độc lập

8.8.1 Mô hình hệ thống MC DS-CDMA

Để tiện só sánh với hệ thống DS CDMA băng rộng chỉ sử dụng một sóng mang ta coi hệ thống MC DS-CDMA cũng chiếm độ rộng băng tương đương Độ rộng băng tổng cộng sẽ là

c sc

T

B (1) 1 (8.49)

Trong đó: β là hệ số cắt của bộ lọc tạo dạng sóng chip (0≤β≤1)

Tc là khoảng chip của hệ thống DS CDMA một sóng mang

Hình 8.9 Phổ tần của đơn và đa sóng mang

Trong hệ thống đa sóng mang chia Bsc thành MR dải tần nhỏ bằng nhau không chồng lấn Các dải tần này không cần bắt buộc phải liên tục mà có thể phân

bố rời rạc (hình 8.9) Đây cũng là ưu điểm của MC DS-CDMA so với hệ DS CDMA chỉ có một sóng mang vì hệ thống này bắt buộc phải được cấp một dải tần rộng liên tục Độ rộng băng của mỗi dải tần con là

c

SC MC

MRT MR

Chú thích: m=[n/N] (phép lấy phần nguyên)

N là số chíp mã hóa/một ký hiệu mã

Cn(k) dãy trải phổ ứng với người sử dụng thứ k

av,m(k) và a’v,m(k) Tín hiệu điều chế đồng pha và vuông pha

Tín hiệu vuông pha

Hình 8.11 Phổ tần của tín hiệu đồng pha và vuông pha

sau khi ghép xen và lặp lại

Tín hiệu phát

Bộ lặp ký hiệu

tỉ lệ 1/2R

và ghép xen

MR Bộ điều chế trải phổ dãy trực tiếp QPSK

dm(k) Mã xoắn

tốc độ

M Ký hiệu 2MR Ký hiệu Máy phát người sử dụng thứ k

Năng lượng Ec

Chu kỳ = MRTc

av.m(k) - ja’v,m(k)

H(f) Tạo dạng sóng

Bộ điều chế trải phổ trực tiếp kênh I và Q sóng mang fv

Hình 8.10 Mô hình trải phổ đa sóng mang

Việc xắp xếp các ký hiệu giống nhau như trên đảm bảo các sóng mang của cùng một ký hiệu (phát song song ) có khoảng cách tần số là lớn nhất để tránh

tương quan lẫn nhau nhờ đó tăng hiệu quả của việc thu phân tập tần số

- với mỗi sóng mang fv sử dụng một bộ điều chế trải phổ dãy trực tiếp (QPSK) Dãy ký hiệu lối vào của bộ điều chế có sóng mang fv (dạng phức) như sau:

( )

, ) (

k m

n

k m v

k m

- Cuối cùng sóng của MR bộ điều chế DS/SS được kết hợp với nhau tạo thành tín hiệu tổng hợp MC DS-CDMA Tín hiệu của người sử dụng thứ k có dang:

k N n v v v

k N n v c

k n

( ] / [, ,

) ( ] / [, )

MRTc : Khoảng chíp của dãy trải phổ giả ngẫu nhiên trong hệ thống MC CDMA

l

c

l t lT t

c  ξl là biến phức ngẫu nhiên Gauss có E[ξl]=0

hể xem xét qua độ rộng băng kết hợp của kênh

Mỗi băng tần không bị tác động của kênh chọn lọc tần số, nghĩa là Tm/MRTc≤1

Tất cả các sóng mang của hệ MC DS-CDMA chịu tác động của fading độc lập với nhau (Δf)c≤BMC

Từ các điều kiện trên ta rút ra:

c

m c

m

T

T MR

T

T

) 1 ( 



 (8.55)

So sánh các bất đẳng thức có thể chọn MR=L, tức là số nhánh của bộ thu phân tập đa đường trong hệ thống DS CDMA một sóng mang bằng số nhánh thu phân tập theo tần số của MC DS-CDMA

Theo cách ghép xen như ở sơ đồ , khoảng cách tối thiểu giữa hai sóng mang

- Như kết quả ở trên có thể xét đáp ứng xung của kênh đối với sóng mang thứ v là:





{αk,v} =0,1 và {φk,v}=[0,2π) là các biến ngẫu nhiên độc lập Gauss

- Tín hiệu thu được sẽ là

k n

c c h t nMRT E

( ] / [, ,

) ( ] / [,

MR

v

v v

k N n v v v

k N n v

Sơ đồ máy thu đối với tín hiệu tương ứng của máy phát thứ k

Nguyên tắc máy thu:

Đây là quá trình ngược lại với quá trình ở máy phát Đầu tiên tín hiệu thu được r(t) sẽ được đưa qua MR bộ giải điều chế QPSK DS/SS song song với từng sóng mang fv (v=1,2 MR) Máy thu này sử dụng M bộ kết hợp tỷ số cực đại (theo phân

tập tần số) Mỗi bộ cho kết quả dựa trên 2R ký hiệu lối vào Lối ra của M bộ kết hợp này là M ký hiệu mã xoắn song song Sau khi chuyển song song thành nối tiêp

và giải mã xoắn dữ liệu thu được là ˆ (k)

N n





1 0 '

N n

) (

ˆ k md

tỉ số cực đại

Giải ghép xen

r(t)

P/S

2MR Ký hiệu 2MR Ký hiệu M Ký hiệu

(a) Máy thu tín hiệu thứ k