Các phương pháp tối ưu hóa hệ thống thông tin di động thế hệ mới giải pháp công nghệ và ứng dụng thực tế

Hệ thống thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ có thể coi là một bước phát triển lớn trong thông tin di động nhờ những đặc tính ưu việt của nó như tái sử dụng tần số, chống nh

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử

người hướng dẫn khoa học:

TS Nguyễn Viết Nguyên

Hà Nội - 2009

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8

LỜI NÓI ĐẦU 11

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA 13

CHƯƠNG 1 CÁC PHƯƠNG THỨC ĐA TRUY NHẬP TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 13

1.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 13

1.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 14

1.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 14

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CÔNG NGHỆ CDMA 16

2.1 Giới thiệu về hệ thống thông tin trải phổ 16

2.2 Kỹ thuật trải phổ trong CDMA 20

2.3 Các hệ thống thông tin trải phổ 28

PHẦN II CÁC PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG WCDMA 43

2.1 Đặt vấn đề 43

2.2 Vấn đề mở rộng vùng phủ dịch vụ 44

2.2.1 Hạn chế vùng phủ cả đường lên và đường xuống 45

2.2.2 Phân tích quỹ đường truyền 46

2.3 Vấn đề cải thiện dung lượng 48

2.3.1 Hiện tượng dung lượng bị hạn chế 49

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu, tính toán dung lượng hệ thống 50

2.3.3 Nhận dạng đường truyền giới hạn 52

2.4 Vai trò của tải tế bảo ở đường lên và công suất phát trạm gốc trong việc cải thiện dung lượng và vùng phủ 54

2.4.1 Tác động của tải tế bào ở đường lên 54

2.4.2 Tác động của công suất trạm gốc 56

2.5 Phương pháp dùng sóng mang phụ và mã trộn để tăng dung lượng và mở rộng vùng phủ 58

2.5.1 Tác động của các sóng mang phụ 58

2.5.2 Tác động của các mã trộn 61

2.6 Kỹ thuật cải thiện vùng phủ dịch vụ dùng bộ khuếch đại đỉnh cột và anten tích cực 63

2.6.1 Cơ sở toán học 64

2.6.2 Tác động của khuyếch đại đỉnh cột và anten tích cực lên dung lượng và vùng phủ 66

2.6.3 Áp dụng thực tế 67

2.7 Kỹ thuật sử dụng khuếch đại đỉnh RF từ xa 68

2.7.1 Cơ sở toán học 69

2.7.2 Tác động của khuếch đại đỉnh RF từ xa lên dung lượng và vùng phủ 69

2.8 Kỹ thuật sử dụng phân tập thu mức cao 71

2.8.1 Tác động của phân tập thu mức cao lên dung lượng và vùng phủ 72

2.8.2 Áp dụng thực tế 74

2.9 Kỹ thuật sử dụng phân tập hướng phát 76

2.9.1 Cơ sở tính toán 76

2.9.2 Tác động của kỹ thuật phân tập hướng phát lên dung lượng và vùng phủ 79

2.10 Kỹ thuật sử dụng anten thay đổi búp sóng 82

2.10.1 Cơ sở toán học 82

2.10.2 Hiệu quả của kỹ thuật anten chỉnh búp sóng 84

2.11 Giải pháp sử dụng cấu hình chia sẽ tối ưu 87

2.12.1 Nguyên lý 92

2.12.2 Tác động của việc Sector hóa lên dung lượng và vùng phủ 93

2.12.3 Áp dụng thực tế 95

2.13 Giải pháp dùng các bộ lặp 96

2.13.1 Tác động của bộ lặp lên dung lượng và vùng phủ 98

2.13.2 Áp dụng thực tế 101

2.14 Giải pháp triển khai tế bào micro 101

2.14.1 Triển khai các tế bào micro 101

2.14.2 Tác động của triển khai các tế bào micro lên dung lượng và vùng phủ 105

2.15 Phân tích, đánh giá các kỹ thuật cải thiện dung lượng và vùng phủ 106

PHẦN III KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG ỨNG DỤNG TRONG

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG MC-CDMA 111

3.1 Kỹ thuật OFDM 111

3.1.1 Các ưu điểm và nhược điểm của hệ thống OFDM 112

3.1.2 Từ điều chế đa sóng mang FDM đến OFDM 113

3.1.3 Lý thuyết về điều chế OFDM 114

3.1.4 Lý thuyết về giải điều chế OFDM 120

3.2 Kỹ thuật MC–CDMA và MC-DS-CDMA 125

3.2.1 Giới thiệu MC-CDMA 125

3.2.2 Nguyên lý MC-CDMA và MC-DS-CDMA 127

KẾT LUẬN 130

TÀI LIỆU THAM KHẢO 131

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1.1: So sánh ưu nhược điểm 3 mô hình đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA 16 Bảng 1.2.1: Trạng thái các thanh ghi dịch của bộ tạo dãy mã giả ngẫu nhiên 22 Bảng 2.1: Một ví dụ quỹ đường truyền cho số liệu không đối xứng 46 Bảng 2.2: Ví dụ quỹ đường truyền đường lên minh họa ảnh hưởng của tốc độ số liệu dịch vụ 47 Bảng 2.3: Tóm tắt các đặc điểm của các trường hợp hạn chế dung lượng 50 Bảng 2.4: Sự thay đổi về thông lượng của các tế bảo ở đường lên theo dạng dịch vụ 51 Bảng 2.5: So sánh tải các tế bào ở đường lên và đường xuống 52 Bảng 2.6: Quỹ đường truyền đường xuống được sử dụng để tính toán yêu cầu công suất phát trạm gốc 53 Bảng 2.7: Tác động của việc tăng mức tải tế bào ở đường lên 56 Bảng 2.8: Một số cấu hình công suất phát trạm gốc điển hình 56 Bảng 2.9: Các thông số dung lượng điển hình cho một tế bào bị hạn chế dung lượng đường xuống với cấu hình công suất phát và sóng mang khác nhau 60 Bảng 2.10: Dung lượng vô tuyến trong trường hợp tế bào micro có và không có phân tập đường truyền, dựa trên suy hao truyền lan cho phép là 144,7 dB (quỹ đường truyền cho đường lên 64 kbit/s với 70% tải) 62

Bảng 2.12: Tham số cơ bản thiết lập cho phân hệ thu MHA 65 Bảng 2.13: Độ lợi thu được từ việc sử dụng MHA là hàm số của suy hao phi đơ 66 Bảng 2.14: Suy giảm dung lượng khi sử dụng MHA cho hệ thống bị hạn chế dung lượng đường xuống 67 Bảng 2.15: So sánh các bộ lặp và các bộ khuếch đại RF từ xa 69 Bảng 2.16: Đánh giá độ lợi dung lượng khi sử dụng khuếch đại đỉnh RF từ xa 70 Bảng 2.17: Sự giảm yêu cầu Eb/N0 tiếng liên quan đến phân tập thu mức cao so với phân tập thu 02 nhánh 72 Bảng 2.18: So sánh dung lượng đường lên giữa một tế bào phân tập thu mức cao 04 nhánh và một tế bào phân tập thu 02 nhánh (giới hạn tải đường lên là 30%) 73 Bảng 2.19: So sánh suy hao dung lượng đường xuống ứng với việc sử dụng MHA

và phân tập thu 04 nhánh 74

vòng hở với các trạm sử dụng anten đơn (độ lợi trung bình cho các dịch vụ 12,2 kbit/s với 144 kbit/s, chỉ tiêu BLER 1%) 80

Bảng 2.21: Tập hợp các mức độ độ lợi dung lượng tiêu biểu cho cả hai trường hợp

tế bào macro và micro 81 Bảng 2.22: Dịch pha ϑm cho ma trận Butler 4x4 83 Bảng 2.23: Kết quả mô phỏng độ lợi hoạt động của đường lên cho một loạt các cấu hình anten 84

Anten nhiều búp sóng so với tế bào sử dụng một anten duy nhất 85 Bảng 2.25: So sánh dung lượng giữa cấu hình trạm gốc thông thường với cấu hình trạm gốc ROC, trên cơ sở suy hao truyền lan cho phép là 154,4 dB 90 Bảng 2.26: So sánh dung lượng giữa cấu hình trạm gốc thông thường với cấu hình trạm gốc ROC, trên cơ sở suy hao truyền lan cho phép là 156,6 dB 91 Bảng 2.27 Ứng dụng của các mức Sector hóa khác nhau 93 Bảng 2.28 Chỉ số nhiễu giữa các tế bào, anten đặc trưng và tổn hao chuyển giao mềm cho các mức Sector hóa khác nhau 93 Bảng 2.29: Tác động của Sector hóa lên dung lượng trạm, trên cơ sở suy hao truyền lan cho phép là 154,4 dB tương ứng với số liệu đường lên 64 kbit/s cho cấu hình 1+1+1 94 Bảng 2.30: Tác động của Sector hóa lên dung lượng trạm, trên cơ sở suy hao truyền lan cho phép là 149,6 dB tương ứng với số liệu đường lên 384 kbit/s cho cấu hình 1+1+1 95 Bảng 2.31: Thông số đặc trưng của bộ lặp WCDMA 98 Bảng 2.32 Sự khác nhau giữa quỹ đường truyền đường lên của tế bào gốc và trạm lặp 99 Bảng 2.33: Tác động lên dung lượng đường lên về mặt người dùng tiếng khi một trạm lặp được chèn vào một tế bào được tính toán với 30% tải đường lên 100 Bảng 2.34: So sánh các giải pháp tế bào micro 101 Bảng 2.35: So sánh các tham số liên quan đến dung lượng các tế bào macro và micro 102 Bảng 2.36: So sánh giữa dung lượng tế bào macro với tế bào micro với giả thiết cả hai được lắp đặt các khối khuếch đại công suất 20W 103 Bảng 2.37: Dung lượng tế bào micro khi được cấp 5W công suất phát 104 Bảng 2.38: Hạn chế của một cây mã hóa kênh đơn dến kênh lưu lượng của tế bào microa 105 Bảng 2.39: So sánh các tham số có liên quan vùng phủ các tế bào macro và micro105 Bảng 3.1.1: So sánh MC-CDMA và MC-DS-CDMA 129

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1.1: So sánh 3 mô hình đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA 13

Hình 1.2.1: Hiệu quả của trải phổ chống nhiễu 19

Hình 1.2.2: Bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính 21

Hình 1.2.3: Đồ thị hàm tự tương quan thông thường đối với dãy có độ dài tối đa Rx(τ) 23

Hình 1.2.4: Sơ đồ mạch tạo dãy Gold 25

Hình 1.2.5: Hàm tự tương quan của một dãy Gold 25

Hình 1.2.6: Mô hình trải phổ triệt nhiễu 26

Hình 1.2.7: Tác dụng triệt nhiễu của hệ thống trải phổ 28

Hình 1.2.9: Sơ đồ phía thu theo kĩ thuật trải phổ dãy trực tiếp 29

Hình 1.2.10: Sơ đồ khối hệ thống DS-CDMA 31

Hình 1.2.11: Phổ của tín hiệu thu và tạp âm sau bộ nhân 32

Hình 1.2.12: Sơ đồ khối máy phát DSSS sử dụng BIT/SK 32

Hình 1.2.13: Giản đồ dạng sóng các tín hiệu tại các đầu ra của máy phát DSSS-BPSK (giả thiết N = 7) 33

Hình 1.2.14: Sơ đồ khối máy thu DSSS-BIT/SK và dạng sóng các tín hiệu 35

Hình 1.2.15: Phổ tín hiệu FH lí tưởng 38

Hình 1.2.16: Sơ đồ máy phát trải phổ nhảy tần 38

Hình 1.2.17: Sơ đồ máy thu trải phổ nhảy tần 39

Hình 1.2.19: Phương pháp trải phổ nhảy thời gian 41

Hình 2.1: Các phân hệ thu trạm gốc điển hình – WCDMA riêng biệt và GSM/WCDMA tích hợp 65

Hình 2.2: Cấu trúc một trạm gốc khuếch đại đỉnh RF từ xa 68

Hình 2.3: Kích thước anten điển hình tương ứng với phân tập thu bốn nhánh 75

Hình 2.4: Nguyên lý áp dụng phân tập phát vòng kín trong WCDMA 77

Hình 2.5: Nguyên lý mã hóa phân tập phát không gian – thời gian trong WCDMA78 Hình 2.6: Dạng hình học của dàn anten thẳng đồng nhất cho sóng phẳng với hướng đến θ 83

Hình 2.7: Cấu trúc một trạm gốc cấu hình ROC 88

Hình 2.8: Mô hình chia sẻ công suất phát đường xuống của cấu hình chia sẻ tối ưu89 Hình 2.9: Giải pháp sử dụng bộ lặp 97

Hình 2.10: So sánh các bộ lặp WCDMA, số và tương tự 97

Hình 3.1.1: Tổng quan một hệ thống OFDM 111

Hình 3.1.2: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế đa sóng mang OFDM 113

Hình 3.1.3a : Phổ tín hiệu của một kênh con 114

Hình 3.1.3b : Phổ tín hiệu của một hệ thống 4 kênh con 114

Hình 3.1.4: Bộ điều chế OFDM 115

Hình 3.1.5: Mô tả thời gian/tần số của một ký hiệu OFDM và khung OFDM 116

Hình 3.1.6: Mô tả khái niệm về chuỗi bảo vệ 117

Hình 2.1.7: Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong việc chống nhiễu ISI 118

Hình 3.1.8: Xung cơ sở 119

Hình 3.1.9: Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT 120

Hình 3.1.10: Mô hình kênh truyền dẫn 121

Hình 3.1.11: Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM 121

Hình 3.1.12: Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở giải điều chế OFDM 122

Hình 3.1.13: Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT 125

Hình 2.1.14: Bản chất MC-CDMA 126

Hình 3.1.15: Nguyên lý MC-CDMA và MC-DS-CDMA 127

Hình 3.1.16: Nguyên lý MC-CDMA 128

Hình 3.1.17: Phổ tín hiệu MC-CDMA trải phổ trong miền tần số 128

Hình 3.1.18: Nguyên lý MC-DS-CDMA 128

Hình 3.1.19: Phổ tín hiệu MC-DS-CDMA trải phổ trong miền thời gian 129

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

System

Hệ thống điện thoại di động cải tiến

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng

BIT/SK

(BPSK)

Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân

Spectrum

Trải phổ dãy trực tiếp

DSSS-BPSK DSSS- Binary Phase Shift Key Trải phổ dãy trực tiếp với điều

Ghép kênh phân chia theo tần số

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số

FHSS Frequency Hopping Spreading

Spectrum

Trải phổ nhảy tần

Biến đổi Fourier rời rạc ngược

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược

đa sóng mang

Output

Đa cổng vào - Đa cổng ra

giống nhau lớn nhất

năng giống nhau lớn nhất

MUI Multi-User Interference Nhiễu đa người dùng

bình

Cancellation

Khử nhiễu song song

Modulation

Điều chế biên độ vuông góc

Cancellation

Khử nhiễu lần lượt

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

gian

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940 và có một tốc độ phát triển rất nhanh chóng Hiện nay thế hệ thứ 3 đã được đưa vào sử dụng và thế hệ thứ 4 cũng đang được nghiên cứu và phát triển

Hệ thống thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ có thể coi là một bước phát triển lớn trong thông tin di động nhờ những đặc tính ưu việt của nó như tái sử dụng tần số, chống nhiễu và bảo mật tốt Qua thời gian hệ thống này không ngừng được nâng cấp và cải tiến Thế hệ thứ 3 hệ thống CDMA phát triển lên băng rộng (WCDMA, CDMA 2000) với giải thông lớn, tốc độ lên đến 2Mb/s, qua đó những ưu điểm trên ngày càng được cải thiện Tuy nhiên, nhu cầu của các dịch vụ

đa phương tiện như video, hình ảnh và dữ liệu ngày càng tăng theo thời gian cùng

sự đòi hỏi tích hợp giữa các mạng di động với các mạng vô tuyến tốc độ cao khác (ví dụ các mạng LAN không dây như IEE802.11a, HIPERLAN/2 và MMAC) Do

đó một đòi hỏi được đặt ra là phải tăng hiệu năng băng thông để đáp ứng tốt các dịch vụ dung lượng và tốc độ cao đó

Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang (MC-CDMA) kết hợp các ưu điểm của OFDM và CDMA đồng thời hạn chế một số nhược điểm của 2 kỹ thuật này MC-CDMA có tốc độ lên đến 20Mb/s, chống pha đinh đa đường và pha đinh lựa chọn tần số, máy thu phức tạp thấp, hiệu năng phổ cao do sử dụng các kênh trực giao MC-CDMA được xem là ứng cử viên tiềm năng cho hệ thống thông tin di động 4G

Mục đích chính của luận văn này tìm hiểu, nghiên cứu các biện pháp nhằm tối

ưu mạng truy nhập vô tuyến cho mạng WCDMA (3G) và tìm hiểu về công nghệ OFDM của mạng MC-CDMA (4G trong tương lai)

Luận văn bao gồm những nội dung chính sau:

Phần I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA

Phần này giới thiệu về công nghệ CDMA và kỹ thuật trải phổ trong CDMA trong đó trải phổ dãy trực tiếp là kỹ thuật trải phổ chính được sử dụng

Phần II CÁC PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG WCDMA

Phần này trình bày cơ sở toán học, các tác động và áp dụng thực tế của các kỹ thuật cải thiện dung lượng và vùng phủ trong mạng di động thế hệ thứ 3-3G/WCDMA

Phần III KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG ỨNG DỤNG TRONG

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG MC-CDMA

Phần này giới thiệu về kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó tập trung nghiên cứu, tìm hiểu về kỹ thuật OFDM, ưu điểm, nhược điểm của OFDM,

lý thuyết điều chế và giải điều chế OFDM

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Viết Nguyên cùng các thầy cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thông đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn của mình

Do thời gian có hạn và tính chất rộng lớn của đề tài nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự cảm thông cùng ý kiến đóng góp của các thầy cô và bạn bè

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA

CHƯƠNG 1 CÁC PHƯƠNG THỨC ĐA TRUY NHẬP TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Việc phân chia các kênh liên kết cho mỗi máy di động được gọi là kĩ thuật đa truy nhập Trong thông tin di động có 3 phương thức đa truy nhập cơ bản là đa truy

nhập phân chia theo tần số (FDMA: Frequency Division Multiple Access), đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access) và đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access) Ta có thể so sánh một

cách trực quan về nguyên lí của 3 phương pháp đó thông qua hình 1.1.1 sau:

Hình 1.1.1: So sánh 3 mô hình đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA

1.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, cách nhau một dải tần phòng vệ Mỗi dải tần số được gán cho một kênh liên lạc, N dải tần đầu tiên dành cho kênh liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N dải kế tiếp dành cho liên lạc hướng xuống Đặc điểm là mỗi máy di động được cấp phát một đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là rất đáng kể BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi

MS trong Cell Hệ thống FDMA điển hình là AMPS (Advanced Mobile Phone System)

1.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thô thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kì một khung Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, bit chỉ thị cuối gói, các bit đồng bộ, các bit bảo vệ và các bit dữ liệu Đặc điểm là tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau Do việc thu và phát không đồng thời nên không cần chuyển mạch thu phát Ưu điểm của phương pháp này là giảm nhiễu giao thoa, giảm số máy thu phát ở BTS so với hệ thống FDMA Hệ

thống TDMA điển hình là hệ thống GSM (Global System for Mobile

Communication)

1.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Mỗi MS được gán một mã riêng biệt và kĩ thuật trải phổ tín hiệu giúp cho các

MS không gây nhiễu cho nhau khi tất cả có thể cùng một lúc dùng chung dải tần số Đặc điểm: Sử dụng kĩ thuật CDMA dải tần tín hiệu rộng hàng MHz Sử dụng kĩ thuật trải phổ phức tạp Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ và chống pha đinh hiệu quả hơn FDMA, TDMA Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn là vấn đề khó khăn, hệ thống này

có khả năng chuyển giao mềm, điều khiển dung lượng trong cell rất linh hoạt

* Các ưu điểm của hệ thống thông tin di động CDMA:

Khả năng chống nhiễu và bảo mật cao: Do mỗi máy di động có một mã PN đặc trưng riêng, bên nghe trộm sẽ không thể thực hiện được nếu không có mã PN đồng

bộ với phía phát Do đặc tính trải phổ nên nhiễu được giảm đáng kể, dự trữ chống nhiễu chỉ cần thấp nên hệ thống trải phổ vừa tiết kiệm được công suất vừa cải thiện được phạm vi hoạt động của mình so với các hệ thống sử dụng các phương pháp điều chế thông thường có cùng công suất phát Thiết bị chống nhiễu cũng đơn giản

ví dụ như đối với ảnh hưởng của can nhiễu sang nhau của các dãy tín hiệu, hệ thống CDMA chỉ cần các bộ tương quan có cấu trúc và yêu cầu đơn giản hơn nhiều so với

bộ cân bằng của hệ thống chống nhiễu trong FDMA và TDMA

Công nghệ CDMA không những ít bị ảnh hưởng bởi pha đinh nhờ băng tần lớn

mà còn tăng được mức tín hiệu thu nhờ các đường truyền tín hiệu khác nhau vì vậy

nó rất phù hợp với các địa hình có rất nhiều vật phản xạ như khu vực thành phố

Ngoài thiết bị chống nhiễu thì các thiết bị vô tuyến của hệ thống CDMA nhỏ và

dễ lắp đặt hơn nhiều do hệ thống CDMA chỉ cần một kênh vô tuyến duy nhất trong khi đó các hệ thống FDMA và TDMA cần nhiều kênh vô tuyến cho mỗi cell

Khai thác được đặc tính của đàm thoại đó là thời gian mà kênh truyền dẫn thực

sự tải tiếng nói thực tế chỉ chiếm 40% thời gian đàm thoại Đối với hệ thống FDMA

và TDMA, khi một cuộc đàm thoại được thiết lập thì mỗi cuộc đàm thoại được dành riêng một băng tần hay khe thời gian không phụ thuộc vào việc người đàm thoại có nói hay không Trong hệ thống CDMA tất cả các thuê bao đều sử dụng chung một kênh vô tuyến, vì vậy mỗi khi một thuê bao ngừng nói thì tất cả các thuê bao khác

sẽ ít bị can nhiễu hơn, điều đó cũng có nghĩa là với một chỉ tiêu can nhiễu cho trước thì dung lượng của hệ thống CDMA lớn hơn các hệ thống khác

Dung lượng: bên cạnh vấn đề can nhiễu giảm làm cho dung lượng tăng ta còn thấy trong trường hợp mạng có nhiều cell, khi mỗi cell chia nhỏ ra hay kích thước bán kính của cell quá tải nhỏ lại, một số thuê bao ở vùng biên của cell trở thành thuê bao của cell lân cận có số lượng thuê bao ít hơn, khi đó dung lượng của hệ thống tăng lên đáng kể, và cũng có nghĩa là dung lượng mềm Dung lượng mềm là ưu thế của kĩ thuật CDMA so với các kĩ thuật FDMA và TDMA Việc tăng dung lượng trong trường hợp cần thiết cũng không làm giảm đáng kể chất lượng thoại

Vấn đề chuyển giao là chuyển giao mềm (kết nối trước khi chuyển giao) do đó tránh được việc ngắt quãng thời gian thông tin cũng như tạp âm khi thuê bao di chuyển giữa các cell

Tốc độ truyền dẫn: Bộ mã hoá thoại có tốc độ truyền dẫn thay đổi theo hoạt động của tiếng nói Khi tốc độ truyền dẫn giảm dẫn đến giảm nhiễu và làm tăng dung lượng của hệ thống

Công nghệ CDMA làm giảm công suất tiêu thụ của máy di động nhờ các kĩ thuật điều khiển công suất nhận các kênh nhắn tin theo chế độ phân khe Công suất phát đủ lớn ít ảnh hưởng đến người dùng nhờ điều khiển khuyếch đại công suất, triệt nhiễu tốt dẫn đến tỉ số S/N lớn nên công suất phát chỉ cần nhỏ Hệ thống CDMA có độ tăng ích xử lí lớn

Vấn đề quy hoạch tần số: Hệ thống CDMA do chỉ sử dụng chung một kênh vô tuyến nên không phải tính đến việc phân bổ tần số như đối với FDMA và TDMA FDMA và TDMA khi tăng số cell của mạng phải thay đổi hoàn toàn quy hoạch tần

số trong khi CDMA không cần đến điều này

Tóm lại ta có thể so sánh các ưu nhược điểm cơ bản của 3 phương thức đa truy nhập này thông qua bảng 1.1.1 sau:

Bảng 1.1.1: So sánh ưu nhược điểm 3 mô hình đa truy nhập

FDMA, TDMA và CDMA

FDMA

- Thủ tục thâm nhập đơn giản

- Cấu hình đơn giản

- Ít bị ảnh hưởng bởi sự phân tán thời

- Hiệu quả sử dụng tuyến cao

- Tiết kiệm tần số và thiết bị thu phát

- Linh hoạt cao trong thay đổi thiết

- Bảo mật thông tin cao

- Thích nghi tốt với môi trường

truyền dẫn thay đổi

- Hiệu quả sử dụng băng tần cao

- Độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu lớn

- Hệ thống phức tạp

- Yêu cầu điều khiển công suất khắt khe, nhanh

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CÔNG NGHỆ CDMA

2.1 Giới thiệu về hệ thống thông tin trải phổ

2.1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin trải phổ

Hệ thống thông tin trải phổ là hệ thống thông tin có băng tần phát lớn hơn nhiều lần so với băng tần tín hiệu gốc thông qua việc sử dụng điều chế tín hiệu gốc với mã trải phổ có bề rộng lớn hơn rất nhiều lần bề rộng phổ của tín hiệu gốc Mã trải phổ trong kĩ thuật trải phổ độc lập với tín hiệu

Những ứng dụng trải phổ nằm trong một số loại phổ biến như sau:

c Sự chịu đựng (dung sai) cao đối với can nhiễu có chủ định(gây nhiễu) hoặc can nhiễu không có chủ định thông qua việc triệt bỏ nó bằng một lượng tỷ lệ với hệ số dãn phổ

d Xác định vị trí và ước tính tốc độ với độ chính xác tăng tỷ lệ thuận với dải thông dãn phổ

e Khả năng phát hiện tín hiệu phát rất thấp đối với một máy thu không chủ định, khả năng này càng giảm xuống khi hệ số dãn phổ tăng lên

f Thông tin đa truy nhập của một số lượng lớn các khách hàng tương đối tản mạn đựơc phân bố một phổ tần chung ở cùng một vùng và các vùng lân cận nhau Số lượng khách hàng liên lạc với nhau cùng một lúc tỉ lệ thuận với hệ

số giãn phổ

2.1.2 Yêu cầu đối với hệ thống thông tin trải phổ

Một hệ thống thông tin số được gọi là trải phổ nếu nó thoả mãn các yêu cầu sau đây:

• Tín hiệu sau trải phổ chiếm độ rộng băng tần lớn gấp nhiều lần độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để truyền thông tin đi

• Sự trải phổ được thực hiện bởi tín hiệu trải phổ thường được gọi là mã trải phổ, mã trải phổ này độc lập với tín hiệu

• Tại phía thu việc nén phổ để khôi phục lại tín hiệu ban đầu được thực hiện bởi sự tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao được đồng bộ của tín hiệu trải phổ đã được đồng bộ ở phía phát

Một số kĩ thuật điều chế và giải điều chế sử dụng băng truyền dẫn lớn hơn độ rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền dữ liệu nhưng không thoả mãn 2 yêu cầu cuối ở trên thì không phải là điều chế trải phổ

2.1.3 Cơ sở của việc ra đời hệ thống thông tin trải phổ

2.1.3.1 Những hạn chế của kĩ thuật thông thường

Tuy không phủ nhận hai kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian và đa truy nhập phân chia theo tần số nhưng ta có thể nhận thấy những điểm hạn chế của các hệ thống này Đó là khi mỗi thuê bao của các hệ thống đa truy nhập này được cung cấp các tài nguyên kênh như tần số hoặc khe thời gian, khi đó chúng không kết nối với tần số hoặc khe thời gian của các thuê bao khác Các kênh đa truy nhập trở thành vô số các kênh đơn điểm nối điểm cố định

Dung lượng của mỗi kênh bị giới hạn bởi dải thông và thời gian được gán cho

nó, đặc biệt là nhiễu và suy hao do các hiện tượng che khuất và pha đinh

Không tận dụng được thời gian nghỉ trong lúc đàm thoại do các khe thời gian hoặc tần số trong một chu kì ngắn không thể chuyển mạch quá nhanh giữa các thuê bao

Một nguyên nhân nữa làm giảm chất lượng cho các hệ thống đa truy nhập này là

sự mất pha giữa các đường truyền lan khác nhau trong tính chất đa đường có thể gây ra pha đinh nghiêm trọng

2.1.3.2 Các ưu điểm của hệ thống trải phổ sử dụng trong công nghệ CDMA

a, Ưu điểm triệt nhiễu

Xét với tạp âm trắng Gauss, tạp âm này có phổ năng lượng phân bố đều vô hạn

ở tất cả các tần số Tuy nhiên chỉ có các thành phần tạp âm trong không gian tín hiệu mới thực sự là nhiễu, tức chỉ có các thành phần tạp âm trong bề rộng phổ của tín hiệu mới gây ra các ảnh hưởng có hại làm giảm đặc tính của hệ thống

Sau đây ta sẽ khảo sát kĩ hơn tại sao hệ thống trải phổ lại chống nhiễu tốt:

Giả sử tín hiệu có bề rộng phổ là W, thời gian tồn tại là T => Số phân lượng phổ

≈ 2WT Nếu xét riêng với một loại tín hiệu cho trước thì đặc tính lỗi của hệ thống được xác định bởi tỉ số Eb/N0 Với tạp âm trắng Gauss có năng lượng vô hạn thì trải phổ tín hiệu với băng tần >>2WT vẫn không cải thiện được đặc tính của hệ thống Tuy nhiên đối với tạp âm trắng Gauss có công suất cố định và phiá gây nhiễu không biết toạ độ phổ tín hiệu ích thì việc trải phổ là cải thiện đáng kể đặc tính của hệ thống (chống nhiễu) bởi vì phía gây nhiễu chỉ có thể lựa chọn 1 trong 2 giải pháp sau để gây nhiễu và cả 2 giải pháp đó đều bị hạn chế ảnh hưởng do đã có hệ thống trải phổ

* Giải pháp 1:

Phía gây nhiễu gây nhiễu tất cả các toạ độ tín hiệu của hệ thống với năng lượng nhiễu gây ra như nhau tại tất cả các toạ độ tín hiệu, như vậy thì mỗi toạ độ tín hiệu chỉ bị nhiễu với công suất rất nhỏ

*Giải pháp 2:

Phía gây nhiễu dự đoán một số ít các toạ độ nào đó của ta để gây nhiễu, phương

án này tuy năng lượng nhiễu cao nhưng chỉ có khả năng tập trung ở một phổ nhỏ của ta

Việc trải phổ đối với tạp âm Gauss và nhiễu cố ý được thể hiện trên hình 1.2.1 Gọi G(f) là mật độ phổ năng lượng của tín hiệu trước khi trải phổ, Gss(f) là mật

độ phổ năng lượng của tín hiệu sau khi trải phổ Như hình 1.2.1 a) mô tả ta thấy đối với tạp âm trắng, khi trải phổ tín hiệu từ dải thông W ban đầu sang dải thông mới Wss thì mật độ phổ năng lượng của tạp âm trắng luôn bằng N0 vẫn không thay đổi

do phổ của tạp âm trắng là vô cùng, sự trải phổ không cho phép cải thiện đặc tính của hệ thống

Trên hình 1.2.1 b) giả sử công suất nhiễu là J, trước khi trải phổ bề rộng phổ của tín hiệu là W, do đó mật độ phổ công suất của nhiễu là J0=J/W Quay lại 2 giải pháp

mà phía gây nhiễu có thể thực hiện ta thấy:

Với giải pháp 1, dù mật độ phổ công suất của nhiễu phủ toàn bộ giải thông của

giờ là J0’=J/Wss=J0.W/Wss Từ đó ta thấy với Wss càng lớn thì mật độ phổ của nhiễu càng nhỏ

Với giải pháp 2, phía gây nhiễu sẽ giảm số toạ độ tín hiệu cần gây nhiễu Do vậy phía gây nhiễu có thể tăng mật độ phổ tạp âm nhiễu từ J0 lên J0/p với p là tỷ số giữa một phần độ rộng băng tần trải phổ đã được phía gây nhiễu lựa chọn để gây nhiễu

toạ độ tín hiệu gây nhiễu không hợp lý thì hiệu quả của việc gây nhiễu theo phương

a, Trường hợp tạp âm trắng b, Trường hợp nhiễu cố ý

W Trước khi trải phổ

Nói tóm lại, để chống lại nhiễu cố ý ta phải lựa chọn sự phân bố tín hiệu sao cho phía gây nhiễu khó có thể thiết lập được tỷ số công suất nhiễu tạp âm trên tín hiệu

có giá trị lớn trong sự phân bố tín hiệu này

nó là tín hiệu có chu kì nhất định và có thể được dự đoán trước cả ở phía thu và phía phát Mặc dù là tín hiệu xác định, sự xuất hiện của nó có tính chất thống kê của tạp

âm trắng được lấy mẫu Với các đối tượng trái phép sự xuất hiện của nó thực sự là ngẫu nhiên

2.2.1.1 Các chỉ tiêu ngẫu nhiên

Có 3 chỉ tiêu cơ bản có thể được áp dụng cho các dãy nhị phân tuần hoàn như chỉ tiêu của sự xuất hiện ngẫu nhiên Đó là các chỉ tiêu: Tính cân đối, Tính chạy và tính tương quan

+ Tính tương đối:

Để cân đối tốt yêu cầu trong mỗi một chu kì của dãy, số con số nhị phân “1”

và số con số nhị phân “0” khác nhau nhiều nhất một đơn vị

+ Tính chạy:

Một bước chạy được định nghĩa là dãy các bit cùng loại Sự xuất hiện của bit khác loại có nghĩa là bắt đầu một bước chạy mới Độ dài của bước chạy là số bit trong bước chạy Trong số các bước chạy của một chu kì nếu có một nửa số bước chạy loại độ dài là 1, 1/4 loại độ dài là 2, 1/8 loại độ dài là 3, thì dãy đó gọi là có tính chạy

Từ một dãy giả tạp âm tạo ra, ta có một dãy khác được suy ra từ dãy này bằng cách dịch đi lần lượt từng vị trí bit, bit già nhất dịch về vị trí bit trẻ tiếp theo và bit trẻ nhất dịch về vị trí bit già nhất hay ngược lại Các bit cùng vị trí so sánh với nhau, nếu giống nhau là phù hợp được kí hiệu là a và khác nhau là không phù hợp được kí hiệu là d Tính tương quan thoả mãn nếu số hạng phù hợp và số hạng không phù hợp chỉ sai khác nhau 1 đơn vị.

2.2.1.2 Tạo dãy ghi dịch

Xét bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính sau:

Hình 1.2.2: Bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính

Bộ ghi dịch gồm có 4 phần tử nhớ và dịch, bộ cộng modul 2 và đường hồi tiếp

từ bộ cộng trở về đầu vào của bộ ghi dịch Hoạt động của bộ ghi dịch được điều khiển bởi dãy các xung nhịp Khi có một xung nhịp tác động, nội dung của mỗi phần tử nhớ của bộ ghi dịch bị dịch sang phần tử nhớ bên phải Cũng như thế mỗi

tiếp về phần tử X1 Trong ví dụ này chuỗi ghi dịch được định nghĩa là chuỗi thu

trạng thái kết tiếp của thanh ghi dịch như trong bảng 1.2.1 sau:

Bộ cộng modul 2

Đầu ra

Bảng 1.2.1: Trạng thái các thanh ghi dịch của bộ tạo dãy mã giả ngẫu nhiên

Sau 15 xung nhịp bộ tạo quay về trạng thái ban đầu là 1000 Dãy tín hiệu thu

thử kiểm tra các tính chất trên để xác định xem dãy này có thoả mãn chỉ tiêu ngẫu nhiên không

Xét tính cân đối: Trong dãy có tất cả 7 con số “0” và 8 con số “1”, do đó chênh lệch về số lượng hai loại này là 1 Như vậy tính cân đối đã thoả mãn

Xét tính chạy: Tổng cộng có 8 bước chạy, có bốn bước chạy độ dài 1, hai bước chạy độ dài 2, và một bước chạy độ dài 3 Như vậy tính chạy đã thoả mạn

Bộ ghi dịch tạo ra các mà tuỳ thuộc vào số phần tử nhớ, cách đưa hồi tiếp và các điều kiện đầu Dãy ở đầu ra của bộ ghi dịch được phân loại như: dãy có độ dài tối đa hoặc dãy có độ dài không tối đa Các dãy có độ dài tối đa là dãy mà nếu đưa vào dãy bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính có n phần tử nhớ, sự lặp lại của dãy xuất

dụ trên là dãy có độ dài tối đa Nếu dãy có độ dài nhỏ hơn 2n - 1 thì dãy đó gọi là dãy có độ dài không tối đa.

2.2.1.3 Hàm tương quan giả tạp âm

được xác định như sau:

dt t x t x T K R

0 0

) ( ).

(

1

1 )

0 0

dt ) t ( x T

1

K

Khi x(t) có dạng xung tuần hoàn biểu diễn dãy giả tạp âm, chúng ta xem mỗi xung cơ bản như một kí hiệu mã giả ngẫu nhiên hay còn gọi là một chip Với một chu kì vó p chip, hàm tự tương quan có thể biểu diễn như sau:

Rx(τ) = (-1/p).(Số số hạng phù hợp trừ đi số số hạng không phù hợp khi so sánh một chu kì của dãy đó nhưng bị dịch đi một khoảng thời gian là τ)

được trình bày trong hình 1.2.3 dưới đây:

Hình 1.2.3: Đồ thị hàm tự tương quan thông thường đối

với dãy có độ dài tối đa R x (τ)

Với τ = 0, đó là khi x(t) và bản sao của nó trung nhau hoàn toàn và lúc đó Rx(τ)

= 1 Tuy nhiên với bất kì việc dịch chu kì nào giữa x(t) và x(t+τ) với 1≤τ≤ p Hàm tự

tương quan Rx(τ) = -1/p

Bây giờ ta kiểm tra dãy giả ngẫu nhiên tại đầu ra bộ ghi dịch đã trình bày ở ví dụ

trên xem có thoả mãn tính tương quan hay không:

Đầu ra bộ ghi dịch: 000100110101111

Tính phù hợp: daaddadaddddaaa

Các con số phù hợp gán nhãn a và các con số không phù hợp gán nhãn d

quan đối với việc dịch một chip đơn là:

p

1 15

1 ) 8 7 ( 15

1 ) 1

(

Bất cứ sự dịch chu kì nào cũng dẫn đến cùng một giá trị hàm tương quan là

(-1/p) Do vậy dãy xét ở trên thoả mãn chỉ tiêu ngẫu nhiên

Ngoài dãy có chiều dài tối đa (dãy m) người ta còn sử dụng dãy Gold làm mã

trải phổ Dãy Gold là mã trải phổ dùng trong CDMA, hàm tương quan chéo giữa hai

dãy Gold bất kỳ là khá nhỏ và lấy một trong ba gia trị sau:

++

n

với n lẻ với τ(n) =

2

221

+

Trong đó L là số chip cắt và L = 2n - 1, n là số tầng của bộ ghi dịch hồi tiếp Dãy Gold là kết quả cộng modul-2 đối với hai dãy m được định thời bằng cùng

(hai bộ tạo dãy m) Sơ đồ mạch tạo dãy Gold đơn giản và tạo ra được số lượng lớn

Trong sơ đồ này gồm hai bộ ghi dịch, mỗi bộ gồm 10 tầng (n = 10) và như vậy

có thể tạo ra dãy có tối đa là L = 210 - 1 = 1023 chip

Hình 1.2.4: Sơ đồ mạch tạo dãy Gold

Việc thiết kế mạch tạo dãy Gold cho hệ thống CDMA thì điều quan trọng nhất là phải chọn đúng cặp dãy m Một cặp dãy được gọi là phù hợp nếu hàm tương quan của nó có 3 giá trị như trong sơ đồ hàm tự tương quan của một dãy Gold sau đây:

Hình 1.2.5: Hàm tự tương quan của một dãy Gold

Tóm lại: Mã trải phổ là một tín hiệu giả ngẫu nhiên PN được tạo ra một cách độc lập ở nhiều vị trí, nó được xác định và là tín hiệu có chu kỳ xác định, tính được một cách chính xác ở cả phía phát và phía thu, nó có tính chất thống kê của tạp âm trắng Gauss Mã trải phổ được tạo ra đồng bộ để trải phổ tín hiệu ở máy phát và nén phổ tương ứng ở máy thu, được dùng để phân biệt các thuê bao khác nhau khi họ có cùng dải thông truyền dẫn trong cơ chế đa truy nhập

1

n r L

−

L

1

Dãy PN được tạo ra thông qua bộ ghi dịch hồi tiếp thông qua các mạch XOR hoặc mạch Gold, tạo ra các dãy m hoặc dãy Gold Tuỳ theo yêu cầu về dung lượng

mà các dãy PN được tạo ra nhiều hay ít và nó có tính tương quan chéo bằng 0 hoặc rất nhỏ, điều kiện này đảm bảo nhiễu lẫn nhau giữa các MS trong cell là rất nhỏ

2.2.2 Mô hình trải phổ triệt nhiễu

phổ C(t), tốc độ ký hiệu mã thường được gọi là tốc độ chip của mã, được ký hiệu là

Rc (chip/s) Giả thiết bề rộng phổ của S(t) là Ws (Hz), của C(t) là Wc (Hz)

Hình 1.2.6: Mô hình trải phổ triệt nhiễu

Việc nhân theo thời gian chuyển sang tính chập miền tần số như sau:

sẽ bị nén xuống Bộ lọc thông dải R có nhiệm vụ lọc đi bất kỳ thành phần tần số cao nào Nếu tín hiệu thu được có bất kỳ một tín hiệu không mong muốn nào thì do việc nhân với mã trải phổ C(t) mà các thành phần tín hiệu này sẽ bị trải phổ với cách thức tương tự như quá trình trải phổ ở máy phát (do tín hiệu nhiễu được nhân với

mã trải phổ chỉ có một lần nên phổ của nó bị trải rộng ra) dẫn đến mật độ phổ công

nén phổ sau đó nhờ quá trình lọc để tách tín hiệu có ích trở lại ban đầu Do đó mật

độ phổ công suất tín hiệu mong muốn sau nén phổ được tăng lên

Như vậy, tín hiệu có ích được phục hồi sau lần trải phổ thứ hai (quá trình nén phổ) Nếu so sánh tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại lối vào máy thu và lối ra bộ trộn nén phổ ta có thể thấy rằng tỷ số tín hiệu trên tạp âm lối ra bộ nén phổ được nâng lên

Ta có thể trình bày vắn tắt quá trình trải phổ triệt nhiễu như sau:

c Tại máy phát:

Việc nhân tín hiệu với mã trải phổ làm cho phổ tín hiệu có ích được trải ra trên toàn bộ bề rộng băng tần trải phổ (trải phổ lần 1)

d Tại máy thu:

Việc nhân tín hiệu thu được với bản sao đã được đồng bộ của mã trải phổ làm cho phổ tín hiệu thu được bị nén lại, tiếp đó nhờ quá trình lọc, tín hiệu có ích được tách trở lại (trải phổ lần 2)

e Tín hiệu có ích được phục hồi sau lần trải phổ thứ 2 ở máy thu (thực chất là quá

trình nén phổ) khi đó nhiễu được nhân với mã trải phổ có một lần nên phổ của nó bị trải rộng ra làm cho mật độ phổ công suất của nó bị giảm đi nhiều lần

Phổ của tín hiệu và nhiễu trong quá trình này như sau:

Hình 1.2.7: Tác dụng triệt nhiễu của hệ thống trải phổ

2.3 Các hệ thống thông tin trải phổ

Trong các hệ thống thông tin trải phổ độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát Khi chỉ có một người sử

dụng trong băng tần SS (Spread Spectrum Trải phổ) thì việc sử dụng băng tần như

vậy không có hiệu quả Tuy nhiên trong môi trường nhiều người sử dụng các người

sử dụng này có thể dùng chung một băng tần SS và hệ thống sử dụng băng tần có hiệu quả mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ

Phổ của tín hiệu sau khi được xử lí số được trải rộng đến độ rộng băng tần cần thiết sau đó bộ điều chế sẽ chuyển phổ này đến dải tần được cấp cho truyền dẫn (vị

f0 f0 f

NhiễuTín hiệu

[S(f) + J].C(t)

c) Phổ tín hiệu sau trải phổ lần 2 và nhiễu bị trải phổ

2

) ( H

f0 f0 f

d) Đặc tuyến của bộ lọc

f0 f0 f

Nhiễu Tín hiệu

e) Tín hiệu và nhiễu tại lối ra máy thu

S(f)+J

được phát trên kênh truyền dẫn, kênh này có thể là dưới đất hoặc vệ tinh Kênh truyền có thể gây suy giảm chất lượng như nhiễu, tạp âm và suy hao công suất tín hiệu Tại phía thu máy thu khôi phục lại tín hiệu ban đầu bằng cách thực hiện các quá trình ngược với phía phát, đó là giải điều chế tín hiệu thu, nén phổ và thực hiện các bước xử lí số

Có 3 kiểu hệ thống trải phổ cơ bản:

- Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS: Direct - Sequence Spreading Spectrum)

- Trải phổ nhảy tần (FHSS: Frequency - Hopping Spreading Spectrum)

- Trải phổ nhảy thời gian (THSS: Time - Hopping Spreading Spectrum)

Hoặc sự kết hợp các hệ thống trải phổ trên với nhau để được các hệ thống trải

phổ theo yêu cầu mong muốn

2.3.1 Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp

Hình 1.2.9: Sơ đồ phía thu theo kĩ thuật trải phổ dãy trực tiếp

Bộ điều chế

Sóng mang trung tần Acosω IF t

Bộ tổng hợp tần

số vô tuyến

Bộ phát mã trải phổ PN Tốc độ chíp (cắt)

Mã PN nén phổ

chế PSK LNA

g(t)

Hình 1.2.8: Sơ đồ phía phát theo kĩ thuật trải phổ dãy trực tiếp

Hệ thống DSSS thực hiện việc trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip (Rc = 1/Tc, Tc là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb là thời gian một bit) của luồng số cần phát

Ở phía phát, tin tức băng gốc d(t) = ±1 được điều chế số PSK (dịch pha) thành

t t

d

Ps

t

Thực hiện trải phổ đối với s(t) và đổi tần lên tần số vô tuyến để phát

t t

d t g Ps t

s t g

Ở phía thu, máy thu nhận được M tín hiệu trải phổ độc lập của M máy phát

∑

=

+ +

r

1

) ( ) ( ) ( ) ( )

Trong đó:

I(t) là can nhiễu, n(t) là tạp âm nhiệt AWGN (tạp âm trắng Gauss)

M là số MS đang liên lạc thuộc cell xét

Đối với tín hiệu si(t) xác định, chỉ có gi(t) của riêng nó là tương quan chéo, do đó được nén phổ, trong khi đó M-1 tín hiệu ngoài cuộc, có tương quan chéo = 0 với

2.3.1.1 Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ dãy trực tiếp DS-CDMA

Sơ đồ trên có k tín hiệu phát đồng thời tới máy thu Mỗi tín hiệu phát được gán

biên độ ±1 và có thể đổi dấu sau Tb giây, dạng sóng trải phổ ±ck(t) cũng có hình chữ nhật nhưng nó tuần hoàn và có tốc độ cao hơn nhiều so với tốc độ bit số liệu Sóng trải phổ trực tiếp cho tín hiệu i là:

T

E A

b

2

=

i từ 1 đến K Giả thiết rằng tất cả các tín hiệu đều có công suất như nhau, θ là pha của sóng mang

Hình 1.2.10: Sơ đồ khối hệ thống DS-CDMA

Xét quá trình thu tín hiệu ở máy thu thứ nhất, tín hiệu nhận được từ đầu vào của máy thu thứ nhất được xác định như sau:

Nếu không xét đến ảnh hưởng của tạp âm và bỏ qua suy hao đường truyền Khi

mã PN ở đầu thu đồng bộ với mã PN ở đầu vào của máy phát ta được tín hiệu ở đầu

ra của bộ nhân như sau:

) 2

cos(

) ( ) ( ) ( )

2 cos(

) ( ) ( )

cos(

) ( ) ( ) ( )

2 cos(

.

Hình 1.2.11: Phổ của tín hiệu thu và tạp âm sau bộ nhân

2.3.1.2 Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DSSS - BIT/SK (BPSK)

/

2E b T b πc t+ θ

) 2 cos(

) ) / 2 ) = E T b t c t π t+ θ

Hình 1.2.13: Giản đồ dạng sóng các tín hiệu tại các đầu ra của máy

T c

Trong đó bk = ±1 là bít số liệu thứ k với +1 tương ứng với bít “0” và -1 tương ứng với bít “1”, PT là hàm xung đơn vị, Tb là độ rộng của một bít số liệu (Tốc độ số liệu là Rb =1/Tb bps)

Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng tín hiệu PN c(t)

ck = ±1 đối với lưỡng cực và = 0/1 đối với đơn cực

Việc trải phổ bằng cách nhân 2 tín hiệu b(t) và c(t) với nhau Tín hiệu nhận được sau đó sẽ điều chế cho sóng mang sử dụng BIT/SK, cho ta tín hiệu DSSS-BIT/SK xác định bởi công thức:

) 2

cos(

).

( ).

(

2 )

T

E t

Trong rất nhiều ứng dụng 1 bản tin bằng một chu kì của tín hiệu PN, nghĩa là Tb

= NTc Ta có tích của b(t).c(t) cũng là một tín hiệu cơ số 2 có biên độ ±1, có cùng tần số với tín hiệu PN

b) Phía thu

Hình 1.2.14: Sơ đồ khối máy thu DSSS-BIT/SK và dạng sóng các tín hiệu

Mục đích của máy thu này là lấy ra bản tin b(t) từ tín hiệu thu được bao gồm tín hiệu được phát cộng với tạp âm Do tồn tại trễ lan truyền τ nên tín hiệu thu được là:

) ( ] ) ( 2 cos[

).

( ).

( ) ( )

Việc khôi phục lại bản tin ban đầu được thực hiện như sau:

Bcos(2πf c (t-τ)+θ)

Khôi phục đồng hồ

Khôi phục sóng mang

Bộ tạo tín hiệu PN nội

Đồng bộ tín hiệu PN

+ Giả thiết rằng không có tạp âm Tín hiệu thu được nén phổ để giảm băng tần rộng thành băng tần hẹp Sau đó nó được giải điều chế để nhận được tín hiệu băng gốc

+ Để nén phổ tín hiệu thu được nhân với tín hiệu PN c(t-τ) được tạo ra ở máy thu (Chú ý tín hiệu này phải đồng bộ với tín hiệu mã PN ở phía phát)

Ta được:

) ' 2 cos(

).

( ) ' 2 cos(

).

( ).

( )

(t = AB b t−τ c2 t−τ πf c +θ = AB b t−τ πf c +θ

(với c(t) = ±1)

băng tần giữa hai giá trị “0” là 2/Tb Để giải điều chế ta giả thiết rằng máy thu biết

chế BIT/SK bao gồm một bộ tương quan (Correlator) sau đó là một thiết bị đánh giá ngưỡng Để tách ra bit số liệu thứ i, bộ tương quan thực hiện theo biểu thức sau:

=

T t

i

i i

i

dt t

f t

b AB dt t

f B

t r

z ( ) cos( 2π θ' ) ( τ) cos 2 ( 2π θ' )

T t

t

c i

i

dt t

f t

b

AB

)]

' 2 4

cos(

1 )[

E T

AB= 2

ti = iTb + τ là thời điểm bắt đầu của bít thứ i Vì b(t-τ) = ±1 trong thời gian 1 bit Thành phần thứ nhất của tích phân sẽ cho ta T hoặc -T Thành phần thứ 2 là thành phần nhân đôi tần số nên sau tích phân gần bằng 0 Vậy kết quả cho

) (

Tín hiệu PN đóng vai trò như một mã được biết trước cả ở máy phát lẫn máy thu chủ định Vì máy thu chủ định biết trước mã nên có thể nén phổ tín hiệu SS để nhận được bản tin Mặt khác một máy thu không chủ định không biết được mã, vì thế ở các điều kiện bình thường nó không thể giải mã bản tin, nó chỉ có thể nhìn thấy một tín hiệu ngẫu nhiên ±1

Giả thiết rằng máy thu biết trước một số thông số sau: τ, ti, θ’, fc Thông thường

bộ dao động nội Nếu có một khác biệt nào đó giữa tần số của bộ giao động nội và

được tần số chính xác bằng một mạch vòng hồi tiếp, Ví dụ mạch vòng khoá pha

bước bắt đồng bộ và bám đồng bộ

Recovery)

mang Việc khôi phục sóng mang và đồng hồ là cần thiết ở mọi máy thu thông tin

số liệu đồng bộ Khi Tb/Tc=N (chu kì của chuỗi PN), có thể nhận được định thời của

kí hiệu ti khi đã biết τ (ti = iTb + τ)

2.3.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần FHSS trong CDMA

Ta có thể hiểu một cách đơn giản nhảy tần (FH) là sự dịch chuyển tần số của nhiều tần số được chọn theo mã Nó gần giống như FSK ngoài việc dải chọn lọc tần

mã theo mỗi thông tin chuyển dịch tần số Trong trải phổ nhảy tần FH, khoảng nhảy (dịch) giữa các tần số và số lượng các tần số có thể được chọn được xác định phụ thuộc vào các yêu cầu vị trí đối với việc lắp đặt cho mục đích đặc biệt

2.3.2.1 Đặc tính của tín hiệu dịch tần

Tín hiệu dịch tần lí tưởng từ đầu ra của bộ dịch tần phải là tín hiệu có tần số đơn, tuy nhiên trên thực tế không bao giờ có được điều đó, các tần số không mong muốn như là tần số băng bên cũng được tạo ra cộng thêm vào tần số dự định Phổ lí tưởng trong một chu kì phân bố đồng đều trong các kênh tần số truyền dẫn (Hình 1.2.15)

Các máy phát trong thực tế cần phải được thiết kế sao cho công suất phân bố đồng đều trong tất cả các kênh

Tín hiệu FH thu được tổ hợp với tín hiệu giống như vậy được tạo ra tại chỗ và được quy định bởi một độ lệch tần nhất định được tạo ra trước trạng thái đồng bộ bởi mã cố định của máy phát và máy thu Toàn bộ công suất tín hiệu không mong muốn ngoài băng được xoá khỏi tín hiệu tần số trung tâm nhờ bộ tương quan

Hình 1.2.15: Phổ tín hiệu FH lí tưởng

2.3.2.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần

a, Máy phát

Hình 1.2.16: Sơ đồ máy phát trải phổ nhảy tần

Dữ liệu nguồn d(t) được mã hoá sửa sai nhằm mục đích chống can nhiễu Bộ tổng hợp tần số được mã hoá sửa sai nhằm mục đích chống can nhiễu Bộ tổng hợp tần số được điều khiển bằng m bit đầu vào, một bit trong đó là bit dữ liệu nguồn Tb

đã được mã hoá, m-1 bít còn lại là dãy PN Bộ tổng hợp tần số làm việc ở trung tần

IF với giải thông hạn chế Bộ nhân tần mở rộng dải thông tín hiệu ở tần số vô tuyến,

Bộ phát mã

PN

Bộ nhân tần(K lần)

Kí hiệu bước nhảy tần số giữa hai tần số kề nhau là ∆f, ∆f > fb, Khi nhảy tần

mã sửa sai để khôi phục lại dữ liệu nguồn Khi tạp âm nhiệt không đáng kể và không mã hoá sửa sai thì độ sai lỗi trung bình là:

Cổng sớm- muộn

Bộ lọc mạch vòng mã hoá

Sửa sai

Mạch vòng đồng bộ