Vật lý - Báo cáo Chuyên đề vô tuyến niên khóa 2008 - 2010

Nhưng ở môi trường nhiều người dùng, họ có thể sử dụng chung một băng tần trải phổ và hệ thống khi đó đạt được hiệu quả sử dụng băng tần cao mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ [r]

Lời nói đầu

Những năm vừa qua, hệ thống thông tin di động Việt Nam đã sử dụng công nghệ GSM Tuy nhiên, trong tương lai đã và đang phát triển lên hệ thống mới sử dụng công nghệ CDMA, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về số lượng cũng như chất lượng của dịch vụ trên hệ thống.

Công nghệ CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ đã đạt được hiệu quả sử dụng dải thông lớn hơn nhiều lần so với các công nghệ tương tự hoặc số khác, do đó số lượng thuê bao đa truy nhập lớn hơn rất nhiều Nhờ việc dãn rộng phổ tín hiệu mà

có thể chống lại được các tác động nhiễu và bảo mật tín hiệu Các hệ thống sử dụng công nghệ CDMA đã đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di động trong tương lai Việc nắm bắt được công nghệ này là rất cần thiết Trong công nghệ CDMA, kỹ thuật trải phổ đóng vai trò quan trọng nhất Từ lý do đó, sau quá trình tìm hiểu nhóm chúng em đã lựa chọn đề tài: “Kỹ thuật trải phổ trong CDMA” để nghiên cứu.

Do thời gian tìm hiểu và trình độ còn hạn chế Trong phạm vi báo cáo này, chúng em tập chung nghiên cứu 3 kỹ thuật trải phổ trong CDMA Nội dung báo cáo gồm 3 phần chính:

- Kỹ thuật trải phổ trực tiếp ( Vũ Hồng Sơn)

- Kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian ( Vũ Văn Hai)

- Kỹ thuật trải phổ nhảy tần (Chu Út Thậm )

T/m nhóm sinh viên thực hiện Trưởng nhóm

Vũ Hồng Sơn

1 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRỰC TIẾP

1.1 Giới thiệu

Ở các hệ thống thông tin thông thường, độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính

và các hệ thống này thường được thiết kế sao cho sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt Tuy nhiên, ở hệ thống thông tin trải phổ ( SS: Spread Spectrum), độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng gấp nhiều lần trước khi phát Khi chỉ có 1 người sử dụng trong băng tần trải phổ thì không có hiệu quả sử dụng băng tần Nhưng ở môi trường nhiều người dùng, họ có thể sử dụng chung một băng tần trải phổ và hệ thống khi đó đạt được hiệu quả sử dụng băng tần cao mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ như:

 Chống nhiễu tốt

 Chia sẻ cùng tần số với nhiều người sử dụng

 Bảo mật tốt do có chuỗi mã giả ngẫu nhiên

 Khó bị nghe trộm

 Hạn chế và làm giảm hiệu ứng đa đường truyền

Tuy nhiên trải phổ cũng có những hạn chế như:

 Không hiệu quả về băng thông

 Hoạt động phức tạp

Như vậy, một hệ thống thông tin được coi là hệ thống trải phổ khi:

-Tín hiệu được phát có độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần

tối thiểu cần thiết.

-Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu.

1.2 Nguyên lý trải phổ trực tiếp

Hình 1: Nguyên lý trải phổ

Trong CDMA, kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS) được sử dụng Mỗi một người sử dụng được cấp một mã riêng biệt Mã được sử dụng thường là một chuỗi giả tạp

âm (PN-Pseudo Noise ) hay giả ngẫu nhiên, có tốc độ rất lớn, lớn hơn tốc độ bít dữ liệu, tức là phần tử của chuỗi có độ rộng thời gian rất nhỏ, nhỏ hơn độ rộng của bit dữ liệu và được gọi là chip

Hệ thống DS-SS đạt được bằng cách nhân trực tiếp tín hiệu cần trải phổ với tín hiệu giả ngẫu nhiên Tín hiệu sau khi trải phổ sẽ điều chế sóng mang theo BPSK hoặc QPSK… trước khi truyền đi Phía thu sẽ dùng mã PN để giải trải phổ lấy ra tín hiệu mong muốn

Hình 2: tín hiệu được trải phổ Tín hiệu được phát d(t) được trải phổ bằng tín hiệu PN c(t) bằng cách nhân hai tín hiệu này lại với nhau Tín hiệu nhận được d(t).c(t) sau đó sẽ được điều chế cho sóng mang trước khi truyền đi

Hình 3: Biểu diễn tín hiệu trải phổ

- Фd(f) mật độ phổ công suất của tín hiệu trước khi trải phổ

- Фdc(f) mật độ phổ công suất của tín hiệu sau khi trải phổ

Tín hiệu phát của người thứ k là luồng số thông tin của người sử dụng dk(t) có tốc

độ bít Rb = 1/Tb

dk(t) được xác định như sau:

( ) ( ) ( )



dk(t) là luồng bít lưỡng cực với hia mức giá trị {+ 1,-1}

Luồng tín hiệu dk(t) được trải phổ bằng cách nhân với mã trải phổ (gọi là mã giả tạp âm PN ) c(t) , có tốc độ Rc= 1/Tc lớn hơn nhiều lần so với Rb Phần tử nhị phân của chuỗi c(t) được gọi là một chip để phân biệt nó với phần tử nhị phân (bit) của bản tin

Mã trải phổ này làm cho băng tần tín hiệu sau khi trải phổ sẽ lớn lên rất nhiều khi truyền đi đồng thời cũng dùng để phân biệt các thuê bao khi tận dụng đường truyền cho quá trình đa truy nhập, mã trải phổ không phải là ngẫu nhiên mà chúng có chu kì xác định

và được biết trước đối với máy thu chủ định Mã trải phổ là chuỗi chip nhận các giá trị {+ 1,-1} gần như đồng xác suất và được biểu diễn như sau:

1

( ) N ( ) ( )

i



Trong đó ci = ± 1,là chuỗi xung nhận giá trị +1 hoặc -1 và Tc là độ rộng của một chip và Tc = NTb (N số chip trong một bít) , pTc là hàm xung vuông được xác định như sau:

1,0 ( )

0,

c Tc

t T

Sau trải phổ tín hiệu có tốc độ chip Rc đuợc đưa lên điều chế sóng mang bằng cách nhân với tín hiệu sóng mang:

.

2

os(2 )

b

c b

E

Trước khi truyền đi như sau:

.

2

b

E

Trong đó Eb năng lưọng bít, Tb là độ bit và fc là tần số sóng mang

Tại phía thu, để các máy thu có thể phân biệt được các mã trải phổ, các mã này phải là các mã trực giao chu kỳ Tb thoả mãn điều kiện sau:

1, 1

( ) ( )

0, 0

b

b

c t c t dt

k j T



   



Và tích của của hai mã trực giao bằng 1 nếu là tích với chính nó và là một mã trực giao mới trong tập mã trực giao nếu là tích của hai mã khác nhau:

1, ( ) ( )

0,

c t c t



   

Để đơn giản ta coi rằng máy thu được đồng bộ sóng mang và mã trải phổ với máy phát, nghĩa là tần số, pha sóng mang và mã trải phổ của máy thu giống như máy phát Ngoài ra nếu bỏ qua tạp âm nhiệt của đường truyền và chỉ xét nhiễu của K-1 người sử dụng trong hệ thống, giả sử công suất tín hiệu thu tại máy thu k của K người sử dụng bằng nhau và để đơn giản ta cũng bỏ qua trễ truyền sóng, tín hiệu thu sẽ như sau:

1

2 ( ) K br ( ) ( ) os(2 )

b j

E

r t T d t c t c  f t



 

Trong đó Ebr = Eb/Lp là năng lượng bit thu, Lp là suy hao đường truyền Tín hiệu thu được đưa lên phần đầu của quá trình giải điều chế để nhân với sóng mang:

.

2 os(2 c )

b

Sau đó được đưa lên trải phổ,kết quả cho ta:

( ) b r K ( ) ( ) ( ) K ( ) ( ) ( ) os(4 )

b

E

u t T d t c t c t d t c t c t c  f t

Sau bộ tích phân thành phần cao tần sẽ bị loại bỏ,ta được:

0

br

do tính chất trực giao của các mã trải phổ và dj = {+1,-1} ta được kết quả như sau:

( ) k( ) br br

Mạch quyết định sẽ cho ra mức 0 nếu V(t) dương và 1 nếu V(t) âm kết quả ta được chuỗi bít thu, ˆb(t) là ước tính của chuỗi phát

Ở trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp có hai cách trải phổ chính là:

+ trải phổ DS/SS_ BPSK (Trải phổ trực tiếp BPSK)

+ trải phổ DS/SS_QPSK (Trải phổ trực tiếp QPSK)

2 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ NHẢY THỜI GIAN – THSS

2.1 Giới thiệu kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian - THSS

THSS_Time Hopping Spread Spectrum: Đó là hệ thống mà bit cần truyền được

chia thành các khối k bit, mỗi khối được phát đi một cach ngẫu nhiên trong các cụm của các khe thời gian Khe thời gian được chọn để phát cho mỗi cụm được định nghĩa bằng chuỗi PN nó có nhiệm vụ xác định mẫu nhảy khe thời gian

Hình 2.1: Trải phổ nhảy thời gian ( THSS )

Trong đó: J là số khe thời gian

T = T /Js f

2.2 Nguyên lý của hệ thống THSS

Trong một hệ thống trải phổ nhảy thời gian số liệu được phát thành các cụm Mỗi cụm gồm k bit số liệu và thời gian chính xác để phát mỗi cụm được xác định bởi một chuỗi mã PN Gỉa sử thang thời gian được chia thành các khung, mỗi khung T giây Sau f

đó mỗi khung lại được chia tiếp thành J các khe thời gian Vì thế mỗi khe thời gian chiếm

độ rộng T = T /J giây Biểu đồ thời gian được thể hiện như saus f

Hình 2.2: Biểu đồ thời gian cho một hệ thống THSS

Trong thời gian mỗi khung một nhóm k bit dữ liệu được phát trong T giây tức là s một trong J khe thời gian Các khe thời gian sẽ được sử dụng để phát được xác định bởi chuỗi PN Mỗi bit chỉ chiếm T = T /K giây khi phát Quan hệ giữa T , T , T được mô 0 s s f 0

tả trên hình() Gỉa sử thời gian của một bit số liệu là T, để kịp truyền dẫn số liệu vào ta cần T = KT Nếu các bit số liệu vào là f b i , i là số nguyên ta có thể biểu diễn tín hiệu  THSS như sau

S TH= b P (t-i T -a T - l T )

i





 1

0

k

l





 l ik T0 f i s 0

Trong đó P là xung chữ nhật đơn vị độ rộng là T giây, aT0 0 i0 , 1 j 1 là số ngẫu nhiên được xác định bởi j bit của chuỗi PN và J= 2 với i thể hiện khung thứ i, a thể j i hiện số khe thời gian, l là số thứ tự bit trong cụm

Số liệu được truyền ở các cụm k bit mỗi lần với mỗi bit được phát trong khoảng T0

=( T /J)/k giây Vì thế tốc độ bit trong cụm là 1/ T giây để truyền băng tần gốc có độ f 0 rộng băng tần là 1/T Hz.Còn nếu truyền băng thông thì dải thông sẽ là 2/T Hz Vì bản 0 0 tin có độ rộng là 1/T, độ rộng băng tần được mở rộng là ( 1/T )/(1/T) = ( k T)J/ T = j 0

f

khi truyền dẫn băng gốc và 2j khi truyền dẫn băng thông Độ lợi xử lý là (2/T )/(2/T) =J 0 khi truyền băng thông

3 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ NHẢY TẦN – FHSS (Chu út Thậm)

3.1 Nguyên lý chung

Hệ thống trải phổ nhảy tần – Frequency Hopping Spread Spectrum, được định nghĩa

là nhảy hay chuyển đổi tần số sóng mang ở một tập hợp các tần số theo mẫu được xác định bởi chuổi giả tạp âm PN

Trong các hệ thống thông tin kiểu trải phổ nhảy tần – FH, mã trải phổ giả tạp âm không trực tiếp điều chế sóng mang đã được điều chế, nhưng nó được sử dụng để điều khiển bộ tổng hợp tần số Ở mỗi thời điểm nhảy tần, bộ tạo mã giả tạp âm đưa ra một đoạn k chip mã để điều khiển bộ tổng hợp tần số, theo điều khiển của đoạn k chip mã này, bộ tổng hợp tần số sẽ nhảy sang hoạt động ở tần số tương ứng thuộc tập 2k các tần

số

Mỗi đoạn gồm k chíp mã được gọi là một từ tần số, bởi vậy sẽ có 2k từ tần số Do các từ tần số xuất hiện ngẫu nhiên nên tần số dao động do bộ tổng hợp tần số tạo ra nhận một giá trị thuộc tập 2k tần số cũng mang tính ngẫu nhiên Phổ của tín hiệu nhảy tần có bề rộng như của sóng mang đã được điều chế chỉ khác là nó bị dịch tần đi một khoảng bằng tần số dao động do bộ tổng hợp tần số tạo ra và nhỏ hơn rất nhiều so với độ rộng băng trải phổ Tuy nhiên, tính trung bình trên nhiều bước sóng nhảy thì phổ tín hiệu nhảy tần lại chiếm toàn bộ bề rộng băng trải phổ

Tốc độ nhảy tần có thể nhanh hay chậm hơn tốc độ số liệu Từ đó ta có 2 loại hệ thống trải phổ nhảy tần, đó là hệ thống nhảy tần nhanh và hệ thống nhảy tần chậm

 Máy phát FHSS

Sơ đồ khối máy phát FHSS được mô tả như hình vẽ:

Tín hiệu dữ liệu b(t) đưa vào được điều chế FSK thành tín hiệu x(t) Trong khoảng thời gian mỗi bít x(t) có một trong hai tần số f’ và f’+∆f, tương ứng với bít 0 và 1 của dữ liệu Tín hiệu này được trộn với tín hiệu y(t) từ bộ tổng hợp tần số Cứ mỗi Th giây, tần số y(t) lại được thay đổi theo các giá trị của k bit nhận được từ bộ tạo mã PN Do có 2 tổ hợp k bit nên ta có thể có 2k các tần số khác nhau được tạo ra bởi bộ tổng hợp tần số Bộ trộn tạo ra tần số của tổng và hiệu, một trong hai tần số này được lọc ra ở bộ lọc băng thông (BPF)

Ta có thể viết tín hiệu đầu ra của bộ tổng hợp tần số trong đoạn nhảy 1 như sau:

y(t) = 2A cos [ 2π (f g + i l ∆f)t + θ ] ; với T h <t<(l+1)T h

Trong đó:

+ i l Є {0, 2, 4, 2(2k – 1)} – là số nguyên chẵn.

+ f g : là một tần số không đổi

+ θ: là giá trị pha.

Giá trị của il được xác định bởi k bit nhận được từ bộ tạo chuỗi giả tạp âm Giả thiết rằng

bộ lọc BPF lấy ra tần số tổng ở ở đầu ra của bộ trộn Khi này ta có thể viết tín hiệu ở đầu

ra bộ lọc BPF trong bước nhảy như sau:

y(t) = 2A cos [ 2π (f 0 + i l f + b l ∆f)t + θ 1 ] ; với l<t< (l+1)T h

Trong đó:

+ b 1 Є {0, 1} – là giá trị của số liệu ở l<t< (l+1)T h và f 0 = f + f g

Ta thấy rằng tần số phát sẽ bằng f0 + ilf khi b1 = 0 và bằng f0 + ilf + ∆f khi bl = 1

Vì thế các tần số có thể được phát sẽ là { f0, f0 + ∆f, f0 + 2∆f, f0 + (K-1)∆f} Trong đó

K = 2k+1, để có thể có tần số nhảy là K Đặc biệt pha θ1 có thể thay đổi từ bước nhảy này tới bước nhảy khác vì bộ tổng hợp tần số rất khó duy trì nó không đổi

Bộ phận nhân tần ở hình trên là tùy chọn Mục đích của nó là trải rộng thêm băng tần của FHSS Bộ nhân băng tần được sử dụng để tạo ra tín hiệu điều tần băng rộng từ tín hiệu điều tần băng hẹp Hệ số β của bộ nhân tần có mục đích làm tăng tần số và pha của tín hiệu đầu vào β lần

Xét về độ rộng băng tần, tần số của FH không thay đổi trong một đoạn nhảy Trong toàn bộ khoảng thời gian, tín hiệu phát nhảy ở tất cả K tần số, vì thế nó chiếm độ rộng băng tần là:

B FH = K.∆f

Để tính toán độ lợi xử lý, ta đã biết rằng độ rộng băng tần kênh cần thiết để truyền

số liệu bằng 2/Tb , nên Gp là tỷ số giữa độ rộng băng tần kênh để truyền dữ liệu trải phổ

và độ rộng băng tần cần thiết để truyền tín hiệu băng tần gốc như sau:

G p = K.∆f / (2/T b ) = KT b / 2T h

Trong đó ta giả thiết rằng phân cách tần số bằng 1/Tb Nếu ta sử dụng thêm bộ nhân tần có hệ số β thì phổ của tín hiệu FH sẽ mở rộng β lần Vì thế độ rộng băng tần tổng hợp của tín hiệu FH này là β.K∆f (Hz) và khi đó độ lợi sẽ tính bằng:

G p = β.K.∆f / (2/T b ) = β.KT b / 2T h

 Máy thu FHSS

Sơ đồ khối máy thu FHSS được mô tả như hình vẽ:

Tín hiệu của máy thu được lọc bởi bộ loc băng thông BPF có độ rộng băng thông bằng độ rộng của băng tín hiệu FHSS nghĩa là vào khoảng f0 -0,5∆f (Hz) đến f0 +(K -

0,5)∆f (Hz) Hình 3 mô tả các hệ thống con thực hiện khôi phục định thời ký hiệu và đồng bộ chuỗi PN, ở đây không cần khôi phục sóng mang vì máy thu sử dụng giải điều chế không liên kết và do tốc độ nhảy tần nhanh máy thu rất khó theo dõi được pha của sóng mang khi pha này thay đổi ở mỗi bước nhảy Bộ tạo chuỗi PN tại phía phát tạo ra một chuỗi PN đồng bộ với chuỗi thu, đầu ra của bộ tổng hợp tần số sẽ là:

g(t) = Acos [2π (f g + i l ∆f)t + θ’] ; với lT h < t < (l+1)T h

Bỏ qua tạp âm, đầu vào BPF sẽ là:

g(t).s(t) = Acos [2π (f g + i l ∆f)t +θ’].Acos [2π (f 0 + i l ∆f + b l ∆f)t + θ]

Với: lT h < t < (l+1)T h

g(t).s(t) = A/2 {cos [2π (f g + f0 + 2il∆f + b l ∆f)t + θ’ + θ ] + cos [2π (f g – f0 + b l

∆f)t + θ’ – θ ] }

Thành phần tần số cao bị bộ lọc BPF loại bỏ và chỉ còn lại thành phần tần số thấp

Ta ký hiệu f0 = fg + f’ Vậy đầu vào bộ giải điều chế FSK sẽ là:

os 2 ' ' ; 0 2

w( )

os 2 ' ' ; 1 2

A

t

A

  

   



 

     



Đầu này chứa hoặc tần số f’ hoặc (f’ + f) Vì b không thay đổi trong thời gian T b

của một bit, nên trong khoảng thời gian này tín hiệu w(t) có tần số không đổi Như vậy trong khoảng thời gian Tb giây bộ giải điều chế FSK tách ra tần số này và tạo ra đầu ra cơ

số 2 là 0 hoặc là 1 Nói cách khác ta có thể tách ra tần số chứa trong w(t) cho từng đoạn nhảy để nhận được Tb/Th các giá trị cho từng bước nhảy Từ các giá trị này, sử dụng nguyên tắc đa số ta có thể quyết định bit dữ liệu là 0 hay là 1

3.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh

Ở hệ thống FHSS nhanh, có ít nhất một lần nhảy tần số ứng với một bit dữ liệu Với

Tb là chu kỳ của tín hiệu dữ liệu, Th là thời gian của một đoạn nhảy tần thì Tb≥Th Trong khoảng thời gian Th giây của mỗi lần nhảy tần, một trong số các 2k tần số (f 0 , f 0 + ∆f, f 0 +

2∆f, … , f 0 +(K – 1)∆f) được phát Trong đó ∆f là khoảng cách giữa các tần số lân cận, thường được chọn băng 1/Th Hình 3.2.1 biểu diễn cho hệ thống FH với tốc độ nhảy tần bằng 3 lần tốc độ số liệu