Kỹ thuật trải phổ và ứng dụng

Nếu tại một thời điểm nào đó có nhiều người cùng có yêu cầu liên lạc trong cùng một giải băng tần thì máy thu có khả năng phân biệt tín hiệu đối với mỗi người sử dụng, do mỗi người có mộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn: Kỹ thuật trải phổ và ứng dụng Tôi

đã thực hiện đúng qui trình thực hiện trong thời gian làm luận văn

Trong quá trình nghiên cứu làm đề tài, tôi đã sưu tầm và sử dụng một số tài liệu trong nước đã được xuất bản cùng với một số bài báo và các tạp chí trong và ngoài nước

Tôi không sử dụng sao chép vi phạm qui định đề ra ví dụ như: Sao chép các luận văn cũ, sao chép các thông tin không có tính đích thực không được công bố

Trên đây là lời cam đoan của tôi, nếu tôi vi phạm tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ và khoa, viện đào tạo sau đại học

Hà Nội, ngày 01 tháng 01 năm 2014

Tác giả luận văn

DƯƠNG NGUYỄN TRUNG

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

rd Genneration (of Mobile networks) Mạng di động thế hệ thứ 3 ACI Adjacent Channel Interference Nhiễu kênh kế

AICH Acquistion Indicator Channel Kênh chỉ thị bắt

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên

tiến ARIB Association of Radio Industry Board Hiệp hội công nghiệp vô tuyến AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực

BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá

BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bít

PBSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân

BSC Base Station Controler Bộ điều khiển trạm gốc

BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CCI Co-Channel Interference Nhiều kênh cùng tần số

CCTrCh Coded Composite Transport

Channel

Kênh truyền tải đa hợp được mã hoá

CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã

CP-2 Coreless Phone – 2 Điện thoại không dây

CPCH Common Packet Channel Kênh gói chung

CSPDN Circuit Switched Pulic Data

Telecommunication tiến DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng

DSCH Dedicated Shared Channel Kênh đường xuống dùng chung

DSSS Direct Sequence Spreading

Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp DTCH Dedicated Traffic Chanel Kênh lưu lượng riêng

EDGE Enhanced Data Rates for GSM

Evolution Số liệu gói tốc độ cao GSM

ETACS Extended Total Access

Communication System TACS mở rộng

ETSI European Telecommunications

Standards Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông châu

Âu FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống FBI Feedback Information

FDD Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần số

FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiên tiến

FHSS Frequency Hopping Spectrum

FSK Frequency Shift Keying Khoá dịch chuyển tần số

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ cổng GPRS

GMSC Gateway MSC Tổng đài di động cổng

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Khóa dịch tối thiểu Gauxo GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung

communications điện thoại di động HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

HSCSD High Speed Circuit Switched Data Hệ thống chuyển mạch kênh tốc

2000

Hệ thống thông tin di động toàn cầu trong năm 2000

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số đa dịch vụ

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giao thoa giữa các kí hiệu

ITU International telecommunication

IWF Internet Working Function Chức năng tương tác mạng LTE Long Term Evolution Sự phát triển dài hạn

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

MSC Mobile Service Switching Center Tổng đài di động

NMT-450 Nordic Mobile Telephone 450 Hệ thống điện thoại di động Bắc

Âu băng tần 450 MHz

NMT-900 Nordic Mobile Telephone 900 Hệ thống điện thoại di động Bắc

Âu băng tần 900 MHz

NTT Nippon Telegraph and Telephone Hệ thống do NTT phát triển

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing Ghép phân chia tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency Division

PCN Personal Communication Network Mạng thông tin cá nhân

PCPCH Physical CPCH Kênh gói chung vật lý

PCS Personal Communication System Hệ thống thông tin cá nhân PDC Personal Digital Cellular Hệ thống tổ ong số cá nhân PDN Packet Data Network Mạng số liệu công cộng

PDP Packet Data Protocol Giao thức đóng gói dữ liệu

PDSCH Physical Dedicated Shared Channel Kênh vật lý đường xuống dùng

chung

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng

PRACH Physical RACH Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý

PSK Phase Shift Keying Khoá dịch chuyển pha

PSTN Public Switched Telephone

RANAP Radio Access Network Application

tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

SCCPCH Secondary Common Control

Physical Channel

Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp

SCH Synchronization Channel Kênh đồng bộ

SGSN Servicing GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

SMS Short Massage Service Dịch vụ nhắn tin ngắn

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SS Subcriber Station Trạm thuê bao

TACH Traffic and Associated Channel Lênh lưu lượng và liên kết

TACS Total Access Communication

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn

TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời

gian

TDM Time Division Multiplexing Sự truyền dồn kênh phân chia

theo thời gian

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

gian

TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối

TRAU Transcoder and Rate Adaptor Unit Khối chuyển đổi mã và thích ứng

tốc độ

UE User Equipment Thiết bị người sử dụng

UMTS Universal Mobile

M ỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 2

MỤC LỤC 8

DANH MỤC CÁC HÌNH 11

DANH MỤC CÁC BẢNG 14

MỞ ĐẦU 15

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU 16

1.1.Mở đầu 16

1.2.Mô hình kỹ thuật trải phổ 17

1.3 Các ưu điểm của hệ thống trải phổ 17

1.4.Mô hình kênh 20

1.4.1.Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 20

1.4.2.Kênh nhiễu cộng chuẩn trắng(AWGN–Additive White Gaussian Noise) 23

1.4.3 Kênh theo phân bố Rayleigh 26

1.4.4 Phân bố Ricean 28

1.5.Kết luận chương 30

CHƯƠNG 2 : CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ 32

2.1.Hệ thống trải phổ trực tiếp ( DS/SS ) 32

2.1.1 Sơ đồ khối đặc trưng một hệ thống trải phổ DSSS 33

2.1.2 Hệ thống DSSS-BPSK 33

2.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần (FH/SS) 37

2.2.1 Hệ thống thu phát 37

2.2.2 FH-CDMA 39

2.3.Hệ thống trải phổ nhảy thời gian ( TH/SS ) 41

2.3.1.Nguyên lí hoạt dộng của hệ thống TH/SS 42

2.3.2.Ưu nhược điểm của hệ thống trải phổ nhảy thời gian THSS 43

2.4 Hệ thống lai ( Hybrid ) 44

2.4.1 Hệ thống FH/ DS 44

2.4.2 Hệ thống TH/ FH 47

2.4.3 Hệ thống TH/DS 48

2.5 Các dãy giả ngẫu nhiên PN 50

2.5.1.Giới thiệu chung về chuỗi PN 50

2.5.2 Dãy ghi dịch tuyến tính độ dài cực đại (dãy- m) 51

2.6 Đồng bộ 54

2.7.Kết luận chương 58

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 59

3.1.Công nghệ CDMA 59

3.1.1.Quá trình phát triển của mạng thông tin di động 59

3.1.2.Khái niệm về CDMA 60

3.1.3 Thu – phát tín hiệu trong CDMA 61

3.1.4.Các đặc tính ưu việt của CDMA so với chuẩn khác 66

3.1.5.Sử dụng bộ mã hoá ưu việt 66

3.1.6.Chuyển giao mềm 68

3.1.7 Điều khiển công suất 71

3.2.Kỹ thuật DS-CDMA 76

3.2.1.Giới thiệu sơ lược về hệ thống 76

3.2.2.Sơ đồ khối 77

3.2.3.Máy thu RAKE 78

3.2.4.Bộ phát DS-CDMA 79

3.2.5 Bộ thu DS-CDMA 80

3.3.Kỹ thuật MC-CDMA 83

3.3.1.Khái niệm MC-CDMA 83

3.3.2.Sơ đồ khối 83

3.3.3.Máy phát 83

3.3.4.Máy thu MC-CDMA 85

3.3.5 Kênh truyền 87

3.3.7.Các kỹ thuật dò tín hiệu ( Detection algorithm) 91

3.3.8.Các phương pháp triệt nhiễu 93

3.3.9.Vấn đề dịch của tần số sóng mang trong hệ thống MC-CDMA 95

3.3.10 Giới hạn BER của hệ thống MC-CDMA 99

3.3.11.Phân loại 100

3.3.12.Ưu điểm của kỹ thuật MC-CDMA 103

3.3.13.Nhược điểm của hệ thống MC-CDMA 103

3.4.Kỹ thuật W-CDMA 103

3.4.1.Giới thiệu W-CDMA 103

3.4.2 Điều chế và ngẫu nhiên hoá trong W- CDMA 104

3.4.2.1 Định kênh và ngẫu nhiên hoá các kênh vật lý 104

3.4.2.2 Định kênh và trải phổ kênh vật lý đường lên 107

3.4.2.3.Ngẫu nhiên hoá kênh vật lý đường lên 110

3.4.2.4.Điều chế đường lên 114

3.4.2.5 Định kênh và trải phổ kênh vật lý đường xuống 114

3.4.2.6.Ngẫu nhiên hoá kênh vật lý đường xuống 117

3.4.2.7 Sơ đồ khối tổng quát cho hệ thống thông tin trải phổ và điều chế kênh vật lý đường xuống 117

3.5.Kết luận chương 118

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình kỹ thuật trải phổ 17

Hình 1.2 Nguyên lý thông tin trải phổ 18

Hình 1.3 Minh họa khả năng chống nhiễu 19

Hình 1.4 Hiện tượng truyền sóng đa đường 21

Hình 1.5 Hàm truyền đạt của kênh 22

Hình 1.6 Mật độ phổ của tín hiệu thu 23

Hình 1.7 Mô hình tín hiệu kênh AWGN 24

Hình 1.8 Bộ thu tín hiệu 25

Hình 1.9 Kênh AWGN phản hồi 26

Hình 1.10 Kênh AWGN song song 26

Hình 1.11 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh 28

Hình 1.12 Hàm phân bố Rayleigh với k=6 dB 30

Hình 2.1.Thí d ụ về tín hiệu PN c(t) được tạo ra từ chuỗi PN có chu kỳ 15 32

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống trải phổ DS/SS 33

Hình 2.3 Sơ đồ khối máy phát DSSS-BPSK 34

Hình 2.4 Sơ đồ khối máy thu DSSS-BPSK 35

Hình 2.5 Sự chiếm dụng thời gian/tần số của các hệ thống FH&DS 37

Hình 2.6 Sơ đồ khối của một hệ thống trải phổ FH 38

Hình 2.7 Nh ảy tần nhanh và nhảy tần chậm 39

Hình 2.8 Sơ đồ khối máy phát và thu FH-CDMA 40

Hình2.9 Tr ải phổ nhảy thời gian ( THSS ) 41

Hình 2.10 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH-SS 42

Hình 2.11 Bi ểu đồ thời gian cho một hệ thống THSS 42

Hình 2.12 Ph ổ tần của hệ thống tổng hợp FH/DS 45

Hình 2.13 B ộ điều chế tổng hợp FH/DS 46

Hình 2.16(a) B ộ phát của TH/DS 49

Hình 2.16(b) B ộ thu của TH/DS 50

Hình 2.17 B ộ tạo dãy ghi dịch tuyến tính 52

Hình 2.18 Nguyên lý b ắt mã ở hệ thống DS - CDMA 55

Hình 2.19 Nguyên lý bám ở hệ thống DS – CDMA cho trường hợp tách sóng nhất quán 56

Hình 3.1.Sự phát triển của mạng thông tin di động 59

Hình 3.2.Thành phần tín hiệu phức 63

Hình 3.3.Phổ của tín hiệu (mà xanh) và phổ của mã giả ồn (màu vàng) 65

Hình 3.4 Mức tín hiệu chuyển vùng của máy di động 70

Hình 3.5.Tác dụng điều khiển công suất trên kênh hướng về 76

Hình 3.6.Sơ đồ khối của hệ thông DS-CDMA 77

Hình 3.7.Máy thu RAKE 78

Hình 3.8.: Hệ thống DS-CDMA : (a) Bộ phát; (b) Phổ công suất của tín hiệu phát; (c) Bộ thu I-finger Rake 80

Hình 3.9.Sơ đồ khối của hệ thống MC-CDMA 83

Hình 3.10 Máy phát MC –CDMA 84

Hình 3.11 Máy thu MC-CDMA 86

Hình 3.12 Ảnh hưởng của kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số lên từng băng tần hẹp 88

Hình 3.13 Sơ đồ triệt nhiễu song song nhiều tầng 95

Hình 3.14 Bộ phát MC-DS-CDM 102

Hình 3.15 Mã trải phổ trong MC-DS-CDMA 102

Hình 3.16 Phổ công suất của tín hiệu phát 102

Hình 3.17 Mã trải phổ cho hệ thống MT-CDMA 103

Hình 3.18 Quan hệ giữa trải phổ và điều chế 104

Hình 3.19.Cấu trúc kênh của mã định kênh 106

Hình 3.20 Ghép kênh mã I- Q cùng với ngẫu nhiên hoá phức 107

Hình 2.21 Sơ đồ tổng quát trải phổ và ghép kênh vật lý đường lên DPCCH và các

kênh DPDCH 109

Hình 3.22 Phần bản tin của PCPCH 109

Hình 3.23 Sơ đồ phần bản tin của kênh vật lý PRACH 110

Hình 3.24 Sơ đồ tạo chuỗi ngẫu nhiên đường dài 111

Hình 3.25 Sơ đồ bộ tạo chuỗi ngẫu nhiên ngắn đường lên cho chuỗi 255 chip 112

Hình 3.26 Điều chế kênh vật lý đường lên 114

Hình 3.27 Cấu hình bộ tạo mã ngẫu nhiên đường xuống 117

Hình 3.28 Sơ đồ khối trải phổ kênh vật lý đường xuống trừ SCH 118

Hình 3.29 Sơ đồ ghép kênh vật lý đường xuống 118

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Bảng tính chuỗi ra C 53 Bảng 3.1.Tốc độ dữ liệu Voice và ISDN 62

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây các tài liệu kỹ thuật đã đề cập nhiều đến thông tin trải phổ Với các tính năng chống nhiễu và bảo mật thông tin, kỹ thuật trải phổ đã được sử dụng trong quân sự hơn một nửa thế kỷ nay trong lĩnh vực thông tin và ra

đa Các tính năng này có được nhờ giãn rộng phổ tín hiệu để không phân biệt được tạp âm nền Hiện nay, kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực bưu chính viễn thông với hình thức phát triển là công nghệ CDMA (Code Detect Multiple Access) Có ba kỹ thuật trải phổ chính là: trải phổ chuỗi trực tiếp, trải phổ nhảy tần

và trải phổ nhảy thời gian Trong thông tin di động người ta thường dùng trải phổ chuỗi trực tiếp bởi đứng về khía cạnh đa truy nhập và công suất phát thì hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp có ưu thế hơn hệ thống trải phổ nhảy tần

Ngoài lĩnh vực quân sự thì kỹ thuật trải phổ còn được ứng dụng trong nhiều công nghệ quan trọng khác Với mục đích nghiên cứu kỹ thuật trải phổ cũng như ứng dụng công nghệ của kỹ thuật trải phổ tôi đã thực hiện luận văn này bao gồm các chương:

C hương 1 : Giới thiệu

C hương 2 : Các hệ thống thông tin trải phổ

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Nội đã giúp đỡ thực hiện luận văn này Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG, thầy đã trực tiếp chỉ

dẫn, định hướng, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU 1.1.Mở đầu

Phổ tần số vô tuyến là tài nguyên của từng quốc gia, khu vực, được quản lý theo hướng dẫn của ITU Trên cơ sở các yêu cầu do ITU đặt ra, cơ quan quản lý viễn thông sẽ quy hoạch, cấp phát dải tần viễn thông của quốc gia cho các nhà khai thác Trước đây vấn đề này được giải quyết theo phương pháp cấp các băng tần khác nhau cho các dịch vụ khác nhau.Tuy nhiên do băng tần vô tuyến là hữu hạn, trong khi đó nhu cầu về phổ tần vô tuyến tăng ngày càng nhanh khi ra đời hệ thống thông tin di động tế bào, các dịch vụ mới đòi hỏi một phương pháp mới để giải quyết hiệu quả hơn vấn đề trên

Kỹ thuật trải phổ đã được nghiên cứu và áp dụng trong lĩnh vực quân sự từ những năm 1930, tuy nhiên gần đây các kỹ thuật này đã được nghiên cứu và áp dụng thành công trong các hệ thống thông tin di động tế bào nhu nhu cầu cấp bách của việc giải quyết vấn đề cạn kiệt dung lượng trong GSM

Một hệ thống được gọi là hệ thống trải phổ nếu có các đặc điểm sau :

1 Băng tần truyền dẫn lớn hơn nhiều so với băng tần thông tin

2 Băng tần truyền dẫn được xác định bởi mã trải phổ hay mã giả ngẫu nhiên, độc lập với thông tin được gửu đi Dãy mã trải phổ mã hoá tín hiệu thông tin Điều này làm cho công suất tín hiệu bị trải rộng ra trên một băng tần rất lớn, dẫn đến mật

độ công suất thấp hơn

Như vậy, bản chất của kỹ thuật trải phổ là sự thực hiện trải phổ tín hiệu ở phía phát sau đó điều chế và phát đi Ở phía thu sẽ thực hiện nén phổ trở lại làm cho ảnh hưởng của nhiễu bị tối thiểu hoá Từ những yếu tố đưa ra ở trên ta thấy rằng, phổ của tín hiệu càng trải rộng ở phía phát và co hẹp lại ở phía thu thì càng có lợi về tỷ

số tín hiệu/tạp âm (S/N)

Tỷ số giữa băng tần truyền dẫn Bc và băng tần thông tin Bi được gọi là tăng ích do xử lý (Gp) của hệ thống trải phổ

Bi

Bc

Gp =

1.2 Mô hình kỹ thuật trải phổ

Hình 1.1 Mô hình kỹ thuật trải phổ

Tại bộ điều chế, tín hiệu dữ liệu X(t) có tốc độ K(bit/s) được nhân với mã trải phổ g(t) có tốc độ chip Rp (chip/s) Giả thiết tốc độ băng truyền của X(t) và g(t) là R(Hz) và Rp(Hz) Nếu tín hiệu dữ liệu có băng hẹp hơn so với mã trải phổ thì tín hiệu sau khi trải phổ sẽ có độ rộng băng truyền của mã trãi phổ

Tại bộ điều chế, tín hiệu được nhân với dãy mã trãi phổ là bản sao đồng bộ với mã trãi phổ ở phía phát Giả sử việc nhân là lý tưởng, nghĩa là tín hiệu mong muốn sẽ được nén phổ và tất cả các tín hiệu không mong muốn (nhiễu) sẽ được trãi rộng ra Do đó mật độ phổ công suất của tín hiệu sau khi nén được tăng lên còn các

thành phần không mong muốn bị giảm đi, rõ ràng tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N) ở đầu

ra của máy thu được cải thiện

1.3 Các ưu điểm của hệ thống trải phổ

Nếu tại một thời điểm nào đó có nhiều người cùng có yêu cầu liên lạc trong cùng một giải băng tần thì máy thu có khả năng phân biệt tín hiệu đối với mỗi người

sử dụng, do mỗi người có một dãy mã duy nhất và các dãy mã này có mức tương quan chéo đủ nhỏ Việc tương quan giữa tín hiệu thu được với một dãy mã trải phổ ứng với một người sử dụng nào đó sẽ chỉ làm cho phổ tín hiệu của người sử dụng co hẹp lại trong khi các tín hỉệu của người sử dụng khác vẫn bị trải rộng trên băng tần truyền dẫn Do đó, trong băng tần thông tin, chỉ có công suất tín hiệu của người sử dụng đang quan tâm là đủ lớn để có thể cho máy thu nhận được

Hình 1.2 Nguyên lý thông tin trải phổ

a Hai tín hiệu băng hẹp có cùng dải thông được phát đi tới 2 người sử dụng

b Hai tín hiệu được trải phổ từ các tín hiệu băng hẹp

c Tín hiệu do cả hai người sử dụng thu cùng tại một điểm

d Tại máy thu của người sử dụng thứ nhất chỉ có tín hiệu thứ nhất được nén trở lại phổ gốc tín hiệu ban đầu

Ta thấy rằng cùng một lúc có thể có hai tín hiệu cùng được truyền đi trong cùng một băng tần, nhưng tại máy thu chỉ có tín hiệu 1 được nén phổ trở lại và khôi phục được còn tín hiệu 2 vẫn như là nhiễu

b Khả năng chống nhiễu đa đường

Tín hiệu tới máy thu qua nhiều đường khác nhau: trực tiếp, phản xạ Các tín hiệu đa đường có biên độ và pha khác nhau làm tăng tín hiệu tổng tại một vài tần số

và giảm tín hiệu tại các tần số khác Nhờ đặc tính đó trong tín hiệu băng rộng đã tạo

ra một sự phân tập tần số một cách tự nhiên có tác dụng chống pha đinh chọn lọc

c Khả năng bảo mật

Tín hiệu được truyền đi trong cùng một băng tần chỉ có thể được nén phổ và khôi phục lại khi máy thu có mã trải phổ đã sủ dụng cho tín hiệu đó ở máy phát

d Khả năng loại trừ nhiễu

Việc tương quan chéo giữa mã trãi phổ và một tín hiệu băng hẹp sẽ làm trải rộng công suất của tín hiệu băng hẹp Nhờ vậy, có thể giảm công suất nhiễu trong băng tần thông tin, tạp âm nền có phổ rộng sẽ bị giảm nhỏ

Ở máy thu, sau khi nén phổ nhiễu từ các máy di động khác không được nén phổ cũng tương tự như tạp âm Nhiễu từ các nguồn phát sóng không trải phổ nếu có băng tần trùng với băng tần (dải thông) của máy thu sẽ bị trải phổ, mật độ phổ công suất của nhiễu giảm xuống

Vậy bản chất làm việc theo nguyên tắc trải phổ ở máy phát, nén phổ ở máy thu làm cho ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm được tối thiểu hóa Tại máy thu tín hiệu trải phổ được nén phổ trong khi nhiễu băng hẹp lại bị trải phổ, làm nó xuất hiện như tạp âm nền so với tín hiệu mong muốn

Hình 1.3 Minh họa khả năng chống nhiễu

f Xác xuất phát hiện thấp

Vì mật độ công suất của tín hiệu thấp nên tín hệu trải phổ khó có thể bị phát hiện

1.4.Mô hình kênh

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi

mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ (reflection), tán xạ(scattering), nhiễu xạ (diffraction)…, các hiện tượng này được gọi chung là Fading Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin

vô tuyến

1.4.1.Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

a Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi

là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation) Do hiện tượng đa đường, tín

hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng

Hình 1.4 Hiện tượng truyền sóng đa đường

b Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy

thu như trình bày ở hình 1.5 Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi

đó tần số Doppler của tuyến này là:

( )

D f cos αc

v

f nTrong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng Nếu αn = 0 thì tần

Tán xạ

Phản xạ Tán xạ

Trạm gốc

Hình 1.5 Hàm truyền đạt của kênh

Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ ngang hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Doppler được biểu diễn như sau:

Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 1.6

Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm

1974 Và được gọi là phổ Jake Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích như sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được sẽ không nhận được ở chính xác trên tần số sóng màng f0 mà bị dịch đi cả về hai phía với độ dịch là fD,max như hình ở 1.6 Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống

2 t

τ

) (

1 t

τ

Trạm phát

Hình 1.6 Mật độ phổ của tín hiệu thu

c Suy hao trên đường truyền

Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác

phục bằng các phương pháp điều khiển công suất

d Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm

1.4.2 Kênh nhiễu cộng chuẩn trắng(AWGN–Additive White Gaussian Noise )

a T ạp âm AWGN

Thuật ngữ tạp âm noise mô tả các tín hiệu điện không mong muốn xuất hiện trong hệ thống Tạp âm Gaussian nói đến là tạp âm nhiệt (thermal noise), là dòng điện không mong muốn gây ra trong mạch điện dưới tác động của chuyển động nhiệt của các hạt mang điện trong mạch điện (các điện tử)

Chuyển động nhiệt ở đây là chuyển động Brown (chuyển động Bờ-rao-nơ như

động này là ngẫu nhiên, cân bằng về mọi phía, là hệ quả trực tiếp của việc các điện

tử nhận nhiệt năng từ môi trường và chuyển thành động năng

b.Mô hình kênh

Đây là kênh thời gian rời rạc với lối ra Y, trong đó y là tổng của đầu vào X và tiếng ồn Z

Có hai cách thực hiện giải điều chế tín hiệu được xét Cách thứ nhất dựa trên tính tương quan của tín hiệu và cách thứ hai dựa vào bộ lọc phối hợp (Matched Filter) Bộ xác định tối ưu tiếp theo bộ giải điều chế tín hiệu được thiết kế để cực tiểu hóa xác xuất sai nhầm

Hình 1.8 Bộ thu tín hiệu

c Gi ới hạn kênh AWGN

Để bắt đầu với tín hiệu được lấy mẫu, phải sử dụng các định lí lấy mẫu Sau đó mỗi mẫu được xem xét và truyền qua một kênh gauss Để bắt đầu, một tín hiệu hạn chế là một tín hiệu có nội dung tần số được giới hạn bên trong một băng thông W

Áp dụng các đinh lí Nyquist hay cải thiện hơn nữa là định lí shannon Tần số lấy mẫu là 2W hay tần số Nyquist Thời gian lấy mẫu là T=1/F hay 1/2W

Với Fs=2W mẫu mỗi giây thì tốc độ bit là: C=Wlog(1+P/N0W) Tốc độ truyền tối đa đạt được khi tiếng ồn càng thấp càng tốt

d.Kênh AWGN v ới thông tin phản hồi

Bộ xác định

Bộ giải điều chế tín hiệu

Tín hiệu

nhận được r(t)

Quyết định

Hình 1.9 Kênh AWGN phản hồi

Thông tin phản hồi cho phép đầu vào của kênh phụ thuộc vào các giá trị của đầu ra

With feedback: Công suất Cn, FBbit trên một truyền thời gian khác nhau gauss kênh thông tin phản hồi

Without feedback: Công suất Cn của các thời gian khác nhau gauss kênh mà không có thông tin phản hồi

e.Kênh AWGN song song

Mục tiêu là để phân phối tổng số đầu vào giữa các kênh để tối đa hóa hiệu suất Mỗi kênh song song thành phần đại diện cho một tần số khác nhau Kênh này

mô hình phụ thuộc không phải là ồn trắng Đầu ra của mỗi kênh là tổng của các đầu vào và tiếng ồn Gaussian hình 2.4

Hình 1.10 Kênh AWGN song song

1.4.3 Kênh theo phân bố Rayleigh

Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để

mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu

được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ Đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh có

) 0

( 2

exp )

2 2

r

r r

r r

2 exp 1

) ( ) ( ) (

σ

R

dr r p R r P R P

R r

Giá trị trung bình rmeancủa phân bố Rayleigh được cho bởi:

[0

2 0

2

2 2 2

4292.022

2)

(

][

σ

πσ

πσσ

r E r E

r

177.1

)(

21

σ

Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau môt lượng là 0.55dB trong trường hợp tín hiệu Rayleigh fading Chú ý rằng giá trị median thường được sử dụng trong thực tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được đo trong những môi trường mà chúng ta không thể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào Bằng cách sử dụng giá trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so sánh các phân bố fading khác nhau (có giá trị trung bình khác nhau) Hình 1.11 minh họa hàm mật độ

đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight mất đi

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:

) 0 , 0 (

) (

2 0 2 ) (

2

2 2 2

r

r A

Ar I e r

r p

A r

σ

A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight

Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ

số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường:

2 2

22log10)(

σ

=

K xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean

Khi A → 0, k → 0 (−∞dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên

độ, phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh Hình 1.12 mô tả hàm mật độ xác

suất của phân bố Ricean

Hình 1.12 Hàm phân bố Rayleigh với k=6 dB

1.5.Kết luận chương

Công nghệ trải phổ đã được sử dụng trong kỹ thuật quân sự nhờ tính năng chống nhiễu và bảo mật Các tính năng này có được nhờ giãn rộng phổ tín hiệu để không phân biệt được tạp âm nền Hiện nay, kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực bưu chính viễn thông với hình thức phát triển là công nghệ CDMA (Code Detect Multiple Access)

Công nghệ trải phổ cho phép chúng ta lấy cùng một lượng thông tin như trong ví dụ truyền băng hẹp trước và trải chúng ra trên một vùng tần số lớn hơn nhiều Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng 1 MHz và 10 Watt đối với băng hẹp nhưng 20 MHz và 100 mW đối với trải phổ Bằng việc sử dụng phổ tần số rộng hơn, chúng ta

sẽ giảm được khả năng dữ liệu sẽ bị hư hỏng hay jammed Một tín hiệu băng hẹp cố gắng jamming tín hiệu trải phổ sẽ giống như là việc ngăn chặn một phần nhỏ thông tin nằm trong dãy tần số băng hẹp Nên hầu hết thông tin sẽ được nhận mà không thấy lỗi Ngày nay thì các bộ phát tần số (RF radios) trải phổ có thể truyền lại bất kỳ một lượng thông tin nhỏ nào đã bị mất do nhiễu băng hẹp

Trong khi băng tần trải phổ là tương đối rộng, thì công suất đỉnh của tín hiệu lại rất thấp Đây chính là yêu cầu thứ 2 đối với một tín hiệu được xem như là trải phổ Một tín hiệu được xem là trải phổ khi nó có công suất thấp Hai đặc điểm này của trải phổ (sử dụng băng tần số rộng và công suất rất thấp) làm cho bên nhận (receiver) nhìn chúng giống như là một tín hiệu nhiễu Noise (nhiễu) cũng là tín

hiệu băng rộng công suất thấp nhưng sự khác biệt là nhiễu thường là không mong muốn Hơn nữa, vì bộ nhận tín hiệu xem các tín hiệu trải phổ như là nhiễu, nên các receiver sẽ không cố gắng demodulate (giải điều chế) hay diễn giải nó làm cho việc truyền thông có thêm một ít sự bảo mật

CHƯƠNG 2 : CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ 2.1.Hệ thống trải phổ trực tiếp ( DS/SS )

Trong một hệ thống DSSS, một tín hiệu liên tục theo thời gian được gọi là tín

hiệu PN được tạo ra từ chuỗi PN dùng để trải phổ Giả thiết chuỗi PN này là cơ số hai, nghĩa là ci = ± 1, thì tín hiệu PN này là:

Một thí dụ của chuỗi này được cho ở hình 3.1 đối với N = 15 và {ci , i = 0, 1, , 14}

= {1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, -1} Tín hiệu (chuỗi) PN còn được gọi

là tín hiệu (chuỗi) trải phổ hay tín hiệu (chuỗi) ngẫu nhiên

Hình 2.1.Thí d ụ về tín hiệu PN c(t) được tạo ra từ chuỗi PN có chu kỳ 15

Do đó chuỗi PN là một chuỗi các số được lặp lại theo một chu kỳ nhất định

Ta sử dụng {ci , i= số nguyên} → { ,c-1 , c0 , c1 , } để biểu thị một chuỗi PN Giả

sử N là chu kỳ sao cho ci + N = ci Đôi khi ta gọi N là độ dài của chuỗi PN và một chuỗi tuần hoàn chỉ là sự mở rộng tuần hoàn của chuỗi có độ dài N Để một chuỗi {ci} là một chuỗi giả tạp âm tốt, giá trị của ci phải độc lập với giá trị của cj đối với

mọi i ≠ j Để đảm bảo điều này lý tưởng chuỗi nói trên không được lặp lại, nghĩa là chu kỳ phải là ∞ Trong thực tế vì chuỗi PN phải tuần hoàn nên chu kỳ của nó phải

lớn để đạt được thuộc tính ngẫu nhiên tốt

2.1.1 Sơ đồ khối đặc trưng một hệ thống trải phổ DSSS

Các phần tử cơ sở của một hệ thống thông tin trải phổ được minh họa trên hình dưới đây:

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống trải phổ DS/SS

Chúng ta thấy rằng bộ mã hóa và giải mã, bộ điều chế và giải điều chế là các

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

một hệ thống thông tin trải phổ còn áp dụng 2 bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên như nhau, và được đồng bộ với nhau giao tiếp với bộ điều chế và giải điều chế ở phía phát và phía thu như trên hình Hai bộ tạo mã giả ngẫu này tạo ra một chuỗi mã nhị phân giả tạp tại bộ điều chế để trải tín hiệu được phát đi về phổ và giải trải phổ tín

hiệu tại bộ giải điều chế

2.1.2 H ệ thống DSSS-BPSK

a Máy phát DSSS-BPSK

Sơ đồ khối của máy phát DS/SS sử dụng BPSK được cho ở hình 2.3 Ta có

thể biểu diễn số liệu hay bản tin nhận các giá trị ±1 như sau:

Hình 2.3: Sơ đồ khối máy phát DSSS-BPSK

Tín hiệu d(t) được trải phổ bằng tín hiệu PN c(t) bằng cách nhân hai tín hiệu này với nhau Tín hiệu nhận được d(t)c(t) sau đó sẽ điều chế cho sóng mang sử

dụng BPSK, kết quả cho ta tín hiệu DSSS-BPSK xác định theo công thức sau:

c

2 ( ) b ( ) ( ) os(2 f )

Fc : Tần số sóng mang

θ : pha ban đầu

Với Tb= NTc , thì tín hiệu S(t) được vẽ trên Hình 2.4

b Sơ đồ khối máy thu DSSS-BPSK

DHKH: Đồng hồ kí hiệu; SM: Sóng mang; th: tín hiệu

Hình 2.4 Sơ đồ khối máy thu DSSS-BPSK

Mục đích cuả máy thu này là lấy ra bản tin d(t) (số liệu {di}) từ tín hiệu thu được bao gồm tín hiệu được phát cộng với tạp âm Do tồn tại trễ truyền lan τ nên tín

hiệu thu là:

' c

Ebr: Năng lượng trung bình của sóng mang trên một bit

n(t): là tạp âm của kênh và đầu vào máy thu

Giả thiết tín hiệu thu được không có tạp âm hay n(t)=0, thì tín hiệu thu được

từ phía phát là:

'

2 ( ) ( ) br ( ) ( ) os 2 f ( )

2 ( ) br ( ) os 2 f ( )

Vậy Zi = ± Ebr , (vì d t ( − τ )=+1 hoặc -1) Kết quả được đưa qua

bộ so sánh ngưỡng 0 ta được đầu ra cơ số hai 1 hay -1 theo thời gian giống như tín

hiệu d(t) ban đầu

2.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần (FH/SS)

Trong giao thức này, tần số sóng mang (được điều chế bởi tín hiệu thông tin) thay đổi theo chu kỳ Cứ sau khoảng thời gian T tần số sóng mang lại nhảy tới một giá trị khác Quy luật nhảy tần do mã trải phổ quyết định

Hình 2.5 Sự chiếm dụng thời gian/tần số của các hệ thống FH&DS

Việc chiếm dụng tần số trong 2 hệ thống DS-SS và FH-SS khác nhau Hệ thống DS chiếm dụng toàn bộ băng tần tại một khoảng nhỏ của thời gian truyền dẫn Như vậy công suất mà 2 hệ thống truyền đi trong một băng tần tính trung bình

Hình 2.6 Sơ đồ khối của một hệ thống trải phổ FH

Trong hệ thống này thì điều chế FSK thường được sử dụng, tín hiệu FSK được tạo ra từ luồng số liệu qua điều chế FSK Bộ điều chế chọn một trong hai tần

số f0 hay f1 tương ưng với việc truyền một con 0 hay một con 1 Tín hiệu FSK được trộn với tín hiệu y(t) từ bộ tổ hợp tần số, mà tần số của y(t) thay đổi theo các giá trị từ m bit nhận được từ bộ tạo chuỗ PN, từ m bit này ta có thể ấn định đươc 2^m-1 tần số sóng mang được tạo bởi bộ tỏng hợp tần số Do đó tín hiệu FSK được

dịch chuyển về tần số một lượng đươc quy định bởi chuỗi lối ra lấy từ bộ tạo chuỗi

hiệu sản phẩm của việc trộn sau đó được giải điều chế bằng bộ giải điều chế FSK

Một tín hiệu duy trì đồng bộ bộ tạo chuỗi PN vơi tín hiệu thu được thường được tách từ tín hiệu thu được

Trong hệ thống nhảy tần thì tôc độ nhảy tần có thể nhanh hơn hoặc chậm hơn

tốc độ số liệu trong trường hợp thứ nhất gọi la nhảy tần nhanh, trường hợp thứ hai

gọi là nhảy tần chậm

Có hai loại nhảy tần được phân biệt dựa vào tốc độ nhảy tần của sóng mang

là nhảy tần nhanh F-FH và nhảy tần chậm S-FH

Với F-FH, tốc độ nhảy tần của sóng mang lớn hơn nhiều so với tốc độ dữ liệu Do đó, nhiều tần số được truyền đi trong thời gian một bit

Với S-FH, tốc độ nhảy tần của sóng mang nhỏ hơn nhiều so với tốc độ dữ liệu Do đó, nhiều bit được truyền đi ở một tần số

2.2.2 FH-CDMA

a.Sơ đồ khối