Thông tin di động chap5 trai pho

Tài liệu Thông tin di động chương 5 trải phổ.......................................................................................................................................................................

Chương 5 – Các kỹ thuật cơ bản trong thông tin di động

1

5.1.Các kỹ thuật trải phổ

k2 k3 k4 k5 k6

k1

f

t c

f

t c

Kênh ki

Ghép kênh theo tần số

• Phân chia một dải phổ tần số thành các dải tần số nhỏ hơn

• Kênh sẽ chiếm mỗi dải tần số chia nhỏ này trong toàn bộ

thời gian truyền thông tin

• Mỗi một kênh được ấn định cho 1 người dùng

• Kênh truyền dẫn khi truyền thông tin sẽ chiếm

toàn bộ phổ tần số trong một khoảng thời gian

nhất định

• Ưu điểm:

– Chỉ có một kênh truyền dẫn

tại bất cứ thời điểm nào

– Tốc độ truyền dẫn cao ngay

cả khi có nhiều người sử dụng

Ghép kênh phân chia theo tần

số và thời gian

• Một kênh truyền dẫn khi truyền thông tin sẽ

chiếm một tần số cụ thể trong một khoảng thời

điểm nhất định (ví dụ: GSM)

• Ưu điểm:

– Chống lại nhiễu chọn lọc tần số

– Tốc độ truyền dữ liệu cao hơn

so với ghép kênh theo mã

• Nhược điểm:

Yêu cầu đồng bộ chính xác

f c

k2 k3 k4 k5 k6

k1

Giới thiệu trải phổ

• Kỹ thuật truyền thông đã phải đối phó với các vấn đề hết sức khókhăn về nhiễu, hiệu ứng đa đường truyền, gia tăng dung lượng, bảomật … Và người ta đã phát hiện ra trải phổ có những thuộc tínhkhông thể thay thế bởi các kỹ thuật điều chế khác

• Lúc đầu kỹ thuật trải phổ được dùng trong vô tuyến di động đểtăng tính bảo mật của thông tin

• Công nghệ trải phổ sử dụng một băng thông truyền dẫn lớn

hơn nhiều so với băng thông tín hiệu yêu cầu tối thiểu

Vì vậy, hệ thống này sử dụng băng thông không hiệu quả cho một

thuê bao đơn, nhưng nó sẽ là ưu điểm nếu nhiều thuê bao sử

dụng băng thông đồng thời cùng một lúc mà không bị nhiễu ảnh

Giới thiệu trải phổ

9

• Bên phát: Để trải phổ, mã độc lập được sử dụng để trải rộng tín hiệu

gốc tại điểm phát trong một băng thông hẹp ra một băng thông cực rộng, làm cho tín hiệu truyền đi rất giống với nhiễu trắng có trong tự nhiên

• Bên thu: với mã thích hợp tín hiệu sẽ được co hẹp lại như tín hiệu gốc

•Ưu điểm

+ Chống lại các nhiễu cố ý và vô ý.

+ Hạn chế và làm giảm hiệu ứng đa đường truyền.

+ Chia sẻ cùng dãy tần số với nhiều người sử dụng.

+ Bảo mật do chuỗi mã giả ngẫu nhiên (Phân chia theo mã).

• Hạn chế

+ Không hiệu quả về băng thông.

+ Hoạt động phức tạp hơn.

Truyền thông băng hẹp

Công suất

Trải phổ(Công suất đỉnh thấp)

Băng hẹp(Công suất đỉnh cao)

Mức nhiễu

Truyền thông băng hẹp (tiếp)

11

•Băng hẹp

+ Chỉ sử dụng phổ tần số đủ để truyền tín hiệu

+ Công suất đỉnh khá lớn (High Peak Power)

+ Rất dễ bị chèn bởi tín hiệu công suất cao khác

(Jammed)

Trải phổ

• Vấn đề của truyền sóng vô tuyến: fading phụ thuộc vào tần số có thể làm hỏng các tín hiệu băng hẹp trong

khoảng thời gian tồn tại của nhiễu

• Giải pháp: trải rộng tín hiệu băng hẹp thành tín hiệu

băng rộng bằng cách sử dụng một mã đặc biệt

Tín hiệu tại trạm thu

Nhiễu

Tín hiệu được trải phổ

Tín hiệu

Nhiễu bị trải phổ

Công nghệ trải phổ

13

• Các phương thức: Trải phổ chuỗi trực tiếp

(DSSS- Direct Sequence), Trải phổ nhảy tần

(FHSS- Frequency Hopping)

• Trải phổ làm tăng băng thông BW của tín hiệu

được truyền bởi tham số N – Tăng ích xử lý

B

Hiệu ứng của trải phổ và nhiễu

Tín hiệu phát Nhiễu băng rộng Nhiễu băng hẹp P

f i)

P

f ii)

Phát P

f iii)

P

f

iv)

f v)

P

Tần số

Chất lượng

kênh

1 Trải phổ

Các kênh băng hẹp

Các kênh trải phổ

Trải phổ chuỗi trực tiếp

•Số lượng các trạng thái khác nhau (khác

không) của thanh ghi dịch là 2ｎ-1

Thanh ghi dịch phản hồi tuyến tính

(LFSR) khi bộ phản hồi là bộ XOR

18

Ví dụ về chuỗi mã M

• 0 và 1 xuất hiện với tần suất gần như là 1/2.

• Chiều dài chạy（toàn là số 0 hoặc 1）:trong

chuỗi M, chiều dài chạylà 1với xác suất là 1/2

chiều dài là 2 với xác suất 1/4、3 là 1/8、、、、

• Khi chuỗi được dịch đi bởi bất kỳ bit nào thì

chuỗi kết quả phải có chênh lệch của các bit

giống (A) và khác (D) là giống như chuỗi gốc

Thanh ghi dịch N bit

n

nx h x

h x

h h

Khái niệm Trải phổ chuỗi trực tiếp

22

• Trải phổ chuỗi trực tiếp trải rộng dữ liệu băng cơ sở bằng cách kếthợp mỗi bit của tín hiệu gốc với chuỗi bit trước khi được truyền đi– Mã trải sẽ trải tín hiệu ra thành một dải tần số rộng hơn

– Mức độ trải tỷ lệ thuận với số lượng bit được sử dụng

• DSSS được thực hiện bằng cách kết hợp các bit thông tin của dữ

liệu cần truyền với chuỗi bit có tốc độ cao hơn – chuỗi giả ngẫu

nhiên (pseudorandom number (PN))

• PN được tạo ra từ bộ tạo mã giả ngẫu nhiên

• Mỗi một xung đơn hoặc ký tự của sóng PN được gọi là chip

• Kỹ thuật kết hợp chuỗi thông tin số với chuỗi mã trải phổ sử dụngmạch logic XOR

Ví dụ thực hiện Trải phổ chuỗi trực tiếp

• Thực hiện XOR tín hiệu với chuỗi PN (chuỗi chip

-chipping sequence)

Dữ liệu

Chuỗi Chip

Trải phổ chuỗi trực tiếp

Tín hiệu thu C

Chuỗi bit PN

bên thu giống

với chuỗi B trên

Dữ liệu ra

b

Ví dụ tín hiệu được trải phổ

Nguyên lý chung của DSSS

Ngưỡng =0

Bộ quyết định

1 nếu v >0

0 nếu v <0

Bộ lọc thông thấp LPF chỉ cho phép tín hiệu b(t) đi qua

Phát Kênh truyền Thu

) ( ) ( )

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

(

) ( )

( ) ( )

( )

( )

(

2

t i t c t

b t

i t c t

(t)b c

t r t c t

z

t i t

b t c t

i t

m t

• Tín hiệu phát: m(t)=b(t)c(t) ( miền thời gian) hoặc M(f)=B(f)C(f) (miền tần số)

• Tín hiệu thu được:

• Tín hiệu được co hẹp

B(f) C(f)

B(f)*C(f)

1/Tb

1/Tc

• Dữ liệu nhị phân được biểu diễn bởi +1 và -1 đại diện cho

1

1 binary for

1 )

(

voi

) 2

cos(

) ( )

(

-t d

t f t

d A t

s d  c

• Để tạo ra tín hiệu DSSS, s d (t) được nhân với chuỗi PN c(t),

chúng có giá trị +1 và -1

) 2

cos(

) ( ) ( )

( )

( )

( t s t c t A d t c t f t

Nguyên lý DSSS với điều chế BPSK

Bộ tạo mã PN

Tín hiệu trải phổ

Bộ trải phổ

Tạo dao

động fc

DSSS với Điều chế BPSK

Bộ tạo mã PN

Tín hiệu

phân

Bộ giải điều chế BPSK

Bộ co phổ

Sơ đồ khối bộ thu

• Tín hiệu thu được s(t), được nhân với c(t).

) 2

cos(

) ( )

( ) (

) 2

cos(

) ( ) ( ) ( )

( ) (

t f t

d A t

c t s

t f t

c t c t d A t

c t

Xác suất lỗi bit của DSSS trong BPSK liên kết

30

Xác suất lỗi được tính bằng công thức hàm lỗi bổ sung

(complementary error function)

1

N

E erfc

x



Khẳ năng loại trừ nhiễu của DSSS

• Băng thông của tín hiệu giảm xuống còn B, trong khi đó băng

thông của nhiễu lại mở rộng thành Bss

• Bộ lọc thông thấp của bộ giải điều chế sẽ loại bỏ hầu hết thành

phần phổ của nhiễu mà không trùng lặp với phổ của tín hiệu

• Do đó, hầu hết năng lượng của nhiễu ban đầu sẽ giảm bởi trải phổ

và ảnh hưởng ít nhất tới tín hiệu thu mong muốn

• Khả năng loại trừ nhiễu của DSSS được tính bởi tăng ích xử lý:

c

b ss

T

T B

B N

Khẳ năng loại trừ nhiễu của DSSS

Tín hiệu

Tăng ích

xử lý

a) Tín hiệu tới máy thu b) Tín hiệu đầu ra sau bộ co hẹp PN

• Phần(a) thể hiện nguồn nhiễu chỉ ảnh hưởng một phần nhỏ của phổtín hiệu

• Phần (b) cho thấy sự co hẹp của tín hiệu gốc và trải rộng của năng

lượng nhiễu

Phần

thu

Khả năng chống nhiễu băng hẹp

Khử hiệu ứng đa đường

Giả sử có mô hình 2 tia

Khử hiệu ứng đa đường

là phiên bản dịch pha của Nó cũng sẽ trải rộng ra trên băng thông trải phổ

Bộ giải điều chế sẽ làm suy giảm các thành phần đa đường bởi

tự tương quan của mã trải phổ tại mức dịch

Vấn đề đa truy cập của nhiều người dùng

36

• Giả sử có K người sử dụng dùng chung một dải

tần số,

• Quan tâm tới người dùng 1, nên những người

dùng khác trở thành nguồn gây nhiễu

4

1 3

5

2

6

Cấu trúc bộ thu phát DSSS với BPSK

n(t)+I(t) Chuỗi dữ liệu

nhị phân đường dây Mã hóa

NRZ

Điều chế BPSK

Bộ tạo mã PN

) 2

) 2

cos(

2 ) ( ) ( )

2 cos(

2 ) ( )

T

E t

c t x t

f T

E t

m t

b

b c

b b

0) phan nhi

( T t 0 ) 2

cos(

2

) 2

cos(

2 )

( hay

1) phan nhi

( T t 0 ) 2

cos(

2 )

E

t f T

E t

y

t f T

E t

y

c b

b

c b

b

c b

b

b

b c

T

E

A  2

Do đó, tín hiệu phátx(t) có dạng:

Cơ chế làm việc của DSSS

Cơ chế làm việc của DSSS

) 2

cos(

) ( ) ( )

2 cos(

) ( )

Ngưỡng =0

Bộ quyết định

1 nếu v >0

0 nếu v <0

Bộ lọc thông thấp LPF chỉ cho phép tín hiệu b(t) đi qua

Phát Kênh truyền Thu

) ( ) ( )

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

(

) ( )

( ) ( )

( )

( )

(

2

t i t c t

b t

i t c t

(t)b c

t r t c t

z

t i t

b t c t

i t

m t

(

2 t 

c

Phát hiện tín hiệu DSSS trong BPSK

Dữ liệu

ra b(t)

) 2

cos( f c t c

) 2

j(t)

Giả sử có một hệ thống DSSS với khóa dịch pha nhị phân liên kết BPSK như hình trên

Có s(t)=b(t)A c cos(2πf c t+θ) , vậy x(t)=s(t)c(t)

Tín hiệu thu được tại bộ thu:

y(t)=x(t)+j(t) (nhiễu trên đường truyền) =s(t)c(t)+j(t)

Nên u(t)=y(t)c(t)=c 2 (t)s(t)+c(t)j(t) =s(t)+c(t)j(t); c(t)j(t): tạp âm ảnh

hưởng bởi nhiễu

Tín hiệu trải phổ

Bộ trải phổ

Tạo dao

động fc

DSSS với Khóa dịch pha nhị phân nhất quán

Bộ co phổ

Channel 11 2.462 GHz

25 MHz

25 MHz

 The Center DSSS frequencies of each channel are only 5 Mhz apart but each

channel is 22 Mhz wide therefore adjacent channels will overlap

 DSSS systems with overlapping channels in the same physical space would cause interference between systems.

 Co-located DSSS systems should have frequencies which are at least 5

channels apart, e.g., Channels 1 and 6, Channels 2 and 7, etc.

 Channels 1, 6 and 11 are the only theoretically non-overlapping channels

Các kênh không chồng lấn trong DSSS

22 MHz

3 MHz

P

 Each channel is 22 MHz wide In order

for two bands not to overlap (interfere),

there must be five channels between

them.

 A maximum of three channels may be co-located (as shown) without overlap (interference).

 The transmitter spreads the signal sequence across the 22 Mhz wide channel

so only a few chips will be impacted by interference.

Trải phổ nhảy tần FHSS

Trải phổ nhảy tần FHSS

• Trải phổ nhảy tần sử dụng sự thay đổi tần số liên tục để trải dữ liệu

ra một băng thông rộng hơn (là tổ hợp liên tục của nhiều tần số)

• Tín hiệu phát được truyền đi trên một chuỗi tần số khác nhau (Hop):+ Tổ hợp của các tần số này gọi là hopset

+ Nhảy tần xảy ra trong dải tần số bao gồm một số lượng kênh

+ Kênh là một phần phổ tần số với tần số trung tâm nằm trong

hopset và độ rộng của mỗi kênh bằng với băng thông tín hiệu phát

+ Trên mỗi một kênh, những cụm dữ liệu nhỏ được truyền bằng điềuchế băng hẹp trước khi trạm phát chuyển sang tần số khác

Trải phổ nhảy tần FHSS (tiếp)

50

• Sóng mang được chuyển từ tần số này sang tần số khác sau một

khoảng thời gian cố định:

+ Trạm phát hoạt động trên một kênh trong một khoảng thời gian

+ Sau một khoảng thời gian, một tần số sóng mang mới được chọn

để truyền thông tin

+ Các bit thông tin được truyền sử dụng một số thuật toán mã hóa

cụ thể

• Tại trạm thu, bên nhận sẽ đồng bộ hóa chuỗi nhảy với tính hiệu

của bên truyền để có thể nhận được thông tin trên những tần số

thích hợp vào những thời điểm thích hợp Tín hiệu sau đó được

demodulate và sử dụng bởi máy tính nhận

Trải phổ nhảy tần FHSS (tiếp)

• Chuỗi nhảy tần

Sóng mang nhảy từ tần số này sang tần số khác tuân theo chuỗi

nhảy tần Chuỗi nhảy tần được thực hiện bởi chuỗi giả ngẫu nhiên(Pseudorandom Sequence)

+ Chuỗi giả ngẫu nhiên là các chỉ số trong danh sách của các tần

số Sóng mang sẽ dịch chuyển trên các tần số nằm trong danh sáchnày

+ Khi nhảy hết tần số trong danh sách, sóng mang lặp lại nhảy tầntrong mẫu tần số này

Trải phổ nhảy tần FHSS (tiếp)

52

• Thời gian chiếm dụng tần số (Dwell Time)

+ Khoảng thời gian sử dụng một tần số

• Thời gian nhảy tần (Hop time)

+ Thời gian sóng mang chuyển từ tần số này sang một tần số

khác Trong khoảng thời gian này, tín hiệu không thể được

truyền

Trải phổ nhảy tần FHSS(tiếp)

+Việc nghe trộm không được liên tục

+Việc phá tín hiệu chỉ làm hỏng một vài bit trên một tần số

+Fading chọn lọc tần số và nhiễu bị giới hạn trong một khoảng thời

gian nhỏ

+Sử dụng một phần nhỏ của phổ tần số trong bất kỳ thời điểm nào

• Nhược điểm

Trải phổ nhảy tần FHSS (tiếp)

Dữ liệu cần truyền

Nhảy tần chậm (3 bits/hop)

Nhảy tần nhanh (3 hops/bit)

Thông số nhảy tần của WLAN

 Chuẩn IEEE802.11b đầu tiên có tốc độ dữ liệu là 1 and 2 Mbps

+ FHSS sử dụng dải tần số 2.402 – 2.480 GHz trong dải ISM band.

+ Được phân chia thành 79 kênh độc lập với độ rộng mỗi kênh là 1 MHz.

+ Tốc độ chuyển giữa các kênh tối thiểu 2.5 lần/giây

+ Mẫu nhảy tần sử dụng cho Mỹ và Châu Âu được thể hiện dưới đây.

Các thông số của FHSS

+ Thời gian chiêm dụng là thời gian kênh truyền chiếm dụng mộttần số trước khi chuyển sang tần số khác

+ Thời gian chiếm dụng dài hơn = Lưu lượng dữ liệu (throughput ) lớn hơn

+ Thời gian chiếm dụng ngắn hơn = Lưu lượng dữ liệu

(throughput ) nhỏ hơn

+ Thường khoảng 100ms trên một tần số