Các phương pháp tách sóng trong CDMA luận văn tốt nghiệp đại học

Thông tin số ngày càng được ưa chuộng hơn trong các hệ thống thông tin hiệnđại và tương lai sẽ thay thế dần các hệ thống thông tin tương tự hiện đang tồn tại.Có thể kể ra một vài lý do c

Trờng đại học vinh khoa điện tử viễn thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Trần Quang Hoàng Mã sinh viên: 0751080438 Khoá học: 48 Khoa: Điện tử Viễn thông Ngành: Điện tử Viễn thông

1 Đầu đề đồ án:

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

Họ tên giảng viên hướng dẫn: KS Lê Văn Chương 1 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ./ /20

2 Ngày hoàn thành đồ án: ./ /20

Ngày tháng năm 2012

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2012

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

Trang

L ỜI NÓI ĐẦU I

D ANH MỤC CÁC HÌNH VẼ II

D ANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT III

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CÔNG NGHỆ

CDMA 0

1.1 K HÁI NIỆM TRẢI PHỔ 1

1.2.C ÁC KỸ THUẬT TRẢI PHỔ CƠ BẢN 3

1.2.1 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS: Direct Sequence Spread Spectrum) 3

1.2.2 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số ( FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum) 3

1.2.3 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (TH – SS: Time Hopping Spread Spectrum ) 3

1.3 CÁC KỸ THUẬT TRẢI PHỔ CƠ BẢN 3

1.4 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 5

1.4.1 Giới thiệu 5

1.4.2 Kỹ thuật điều chế tần số (FM) 6

1.4.3 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang điều tần (FM) 7

1.4.4 Điều chế số 7

1.4.5 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK 8

1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP 9

1.5.1 Đa truy nhập theo phân chia tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) 9

1.5.2 Đa truy nhập theo phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) 10

1.5.3 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) 11

1.6 CÔNG NGHỆ CDMA 12

1.6.1 Tổng quan 12

1.6.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CDMA 13

1.6.3 ƯU ĐIỂM CỦA CDMA 18

CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI NHIỄU TRONG CDMA 21

2.1 Fading 21

2.2 V ẤN ĐỀ GẦN XA 21

2.3 Hiện tượng đa đường 22

2.4 Nhiễu Gaussian 23

2.5 N HIỄU ĐA TRUY NHẬP (MULTIPLE ACCESS INTERFERENCE) 26

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG TRONG CDMA 28

3.1 Bộ tách sóng kinh điển 28

3.1.2 Mô hình bất đồng bộ 30

3.1.3 Hiệu suất tách sóng 31

3.2 T ÁCH SÓNG GIẢI TƯƠNG QUAN ( DECORRELATING DETECTOR ) 36

3.2.1 Kênh CDMA đồng bộ 36

3.2.2 Kênh CDMA bất đồng bộ 42

3.2.3 Phân tích hiệu suất cho bộ tách sóng giải tương quan 44

3.3 B Ộ TÁCH SÓNG PHƯƠNG SAI TỐI THIỂU – MMSE ( MINIMUN MEAN SQUARE ERROR ) 48

3.3.1 Kênh CDMA đồng bộ 51

3.3.2 Kênh CDMA bất đồng bộ 53

3.4 B Ộ TRIỆT NHIỄU NỐI TIẾP – SIC (S UCCESSIVE I NTERFERENCE C ANCELLATION ) 55

3.4.1 Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp đồng bộ: 55

3.4.2 Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp bất đồng bộ 57

3.5 B Ộ TRIỆT NHIỄU SONG SONG NHIỀU TẦNG - PIC ( PARALLEL I NTERFERENCE C ANCELLATION ) 58

3.6 Bộ tách sóng tối ưu (Optimum Multiuser Detector) 60

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64

4.1 M Ô HÌNH ĐỒNG BỘ 64

4.1.1 Bộ tách sóng kinh điển 64

4.1.2 Bộ tách sóng MMSE 65

4.1.3 Bộ triệt nhiễu nối tiếp-SIC 66

4.1.4 Bộ triệt nhiễu song song PIC tầng 1 là bộ thu kinh điển 67

4.1.5 Bộ triệt nhiễu song song PIC tầng 1 là bộ thu giải tương quan 67

4.1.6 Bộ thu tối ưu 68

4.1.7 Tổng hợp các bộ tách sóng mô hình đồng bộ 69

4.2 M Ô HÌNH BẤT ĐỒNG BỘ 70

4.2.1 Bộ tách sóng kinh điển 70

4.2.2 Bộ tách sóng MMSE 71

4.2.3 Bộ tách sóng giải tương quan 72

4.2.4 Tổng hợp các phương pháp trong mô hình bất đồng bộ 73

4.3 S O SÁNH MÔ HÌNH ĐỒNG BỘ VÀ B ẤT ĐỒNG BỘ 74

4.4 KẾT LUẬN 75

4.5 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 77

PHỤ LỤC 78

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội và khoa học kỹ thuật,nhu cầu trao đổi thông tin của con người ngày càng tăng Điều này làm cho cuộccạnh tranh giữa các công ty trong lĩnh vực viễn thông trên thế giới nói chung và ởViệt Nam nói riêng ngày càng trở nên khốc liệt, đặc biệt là trong lĩnh vực thông tin

di động Các công ty viễn thông phải không ngừng đầu tư phát triển công nghệ,không ngừng nâng cao chất lượng dịch vụ, nâng cao chất lượng chăm sóc kháchàng…

Hiện nay, các nguồn thông tin đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu ngày càng caonên hệ thống thông tin vô tuyến đòi hỏi băng tần rộng hơn Thông tin được truyền

từ nhiều nguồn khác nhau chứ không phải là duy nhất, từ đó phải có một quá trìnhthực hiện giải điều chế để tách các luồng thông tin từ các nguồn riêng biệt khácnhau Công nghệ CDMA ra đời đã đáp ứng được phần lớn nhu cầu của khách hàng

về chất lượng các loại hình dịch vụ CDMA đã có rất nhiều ưu điểm vượt trội so vớicác công nghệ trước đó không đáp ứng được như: Tăng dung lượng phục vụ, cảithiện chất lượng cuộc gọi, bảo mật tăng cao, tiết kiệm năng lương, phủ sóng rộnghơn… Để tìm hiểu rõ hơn về vấn đề này, em đã lựa chọn đề tài: “Các phương pháptách sóng trong CDMA”

Nội dung của đồ án gồm 4 phần:

Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật trải phổ và công nghệ CDMA

Chương 3: Các loại nhiễu trong CDMA

Chương 3: Các phương pháp tách sóng trong CDMA

Chương 4: Mô phỏng & hướng phát triển

Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, mặc dù em đã cố gắng rất nhiều nhưngkhông thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự phê bình, hướng dẫn

và sự giúp đỡ của thầy cô và bạn bè

Em xin chân thành sự cảm ơn giúp đỡ tận tình của thầy giáo Lê Văn Chương

và các bạn bè trong lớp đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

Trần Quang Hoàng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin trải phổ 1

Hình 1.2: Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi m 4

Hình 1.3: Nguyên lý của một bộ điều chế số 7

Hình 1.4: Các phương pháp đa truy nhập 9

Hình 2.1 Hiện tượng đa đường dẫn 22

Hình 3.1: Bộ tách sóng kinh điển 28

Hình 3.2: Mô hình bộ tách sóng 2 user đồng bộ 32

Hình 3.3: Bộ tách sóng giải tương quan cho kênh đồng bộ 37

Hình 3.4: Bộ lọc thích nghi đã được biến đổi trong tách sóng giải tương quan .38

Hình 3.5: Bộ thu giải tương quan lênh đồng bộ 2 user 39

Hình 3.6: Bộ tách sóng giải tương quan bất đồng bộ 43

Hình 3.7: Bộ tách sóng tuyến tính mmse cho kênh đồng bộ 52

Hình 3.8: Bộ tách sóng mmse trong trường hợp hai user 53

Hình 3.9: Bộ thu triệt nhiễu nối tiếp cho hai user 56

Hình 3.10: Bộ thu triệt nhiễu song song hai tầng 59

Hình 4.1: Bộ tách sóng kinh điển 64

Hình 4.2: Bộ tách sóng mmse 65

Hình 4.3: Bộ triệt nhiễu nối tiếp-sic 66

Hình 4.4: Bộ triệt nhiễu song song pic tầng 1 là bộ thu kinh điển 67

Hình 4.5: Bộ triệt nhiễu song song pic tầng 1 là bộ thu giải tương quan 67

Hình 4.6: Bộ thu tối ưu 68

Hình 4.7: So sánh các phương pháp tách sóng trong mô hình đồng bộ 69

Hình 4.8: Bộ tách sóng kinh điển trong mô hình bất đồng bộ 70

Hình 4.9: Bộ tách sóng mmse trong mô hình bất đồng bộ 71

Hình 4.10: Bộ tách sóng giải tương quan trong mô hình bất đồng bộ 72

Hình 4.11: Tổng hợp các bộ tách sóng trong mô hình bất đồng bộ 73

Hình 4.12: So sánh hai mô hình đồng bộ và bất đồng bộ của bộ tách sóng kinh điển 74

Hình 4.13: So sánh mô hình đồng bộ và không đồng bộ của bộ tách sóng sic .74

Hình 4.14: So sánh mô hình đồng bộ và bất đồng bộ của bộ tách sóng mmse .75

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

3G The Third Generation Thông tin di động thế hệ thứ 3 AMPS Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động

tiên tiến AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm ngẫu nhiên

BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân CDMA Code Division Multiple Access truy cập phân chia theo mã

DEC Decorrelating Detector Bộ tách sóng giải tươngquan

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ trực tiếp

FDMA Frequency Division Multiplex Đa truy nhập phân chia theo

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FHSS Frequency Hopping Spread Trải phổ nhảy tần

Spectrum FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần, điều chế

dịch tần GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động

ITU International Telecommunication Liên minh viễn thông quốc

tế Union MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập

MLSE Maximun Likelihood Sequence Tách sóng tối ưu khả năng

Estimation MMSE Minimum Mean – Square Error Tách sóng phương sai tối thiểu

tuyến tính

MSC Mobile-Service Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di

động MSK Minimum shift keying Khóa dịch pha tối thiểu MUD Multi-User Detection Tách sóng đa truy cập OMD Optimum Multiuser Detection Tách sóng đa truy cập tối ưu viPAM Pulse Amplitude Modulation Điều biên độ xung

PDSN Packet Data Serving Node Nút phục vụ gói

PIC Parallel Interference Cancelled Triệt nhiễu song song

PN Pseudo Noise sequences Chuỗi giả ngẫu nhiên

QAM QuadratureAmplitude Modulation Điều chế biên độ vuông gócQPSK Quadrature – Shift – Keying Khóa dịch pha cầu phương

(vuông góc)

SIC Successive Interference Triệt nhiễu nối tiếp

Cancellation SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

TDMA Time Division Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian THSS Time Hopping Sequence Spread Trải phổ dịch thời gian

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CÔNG NGHỆ

CDMA

Chương 1 trình bày tổng quan về kỹ thuật trải phổ, các kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA, CDMA và các đặc điểm của công nghệ CDMA

1.1 Khái niệm trải phổ

Các kỹ thuật điều chế/giải điều chế trước đây được thiết kế để truyền thôngtin số từ nơi này đến nơi khác dựa trên giả thiết là môi trường truyền chỉ có nhiễuGauss trắng cộng tĩnh (stationary AWGN) Các bộ giải điều chế được thiết kế để đạtđược xác suất lỗi bit (BER) nhỏ nhất đối với tín hiệu truyền cho trước trong môitrường có nhiễu AWGN Để tối thiểu ảnh hưởng của các loại nhiễu giao thoa nóitrên, một kỹ thuật điều chế/giải điều chế mới được nghiên cứu và phát triển, đó là

kỹ thuật trải phổ Sở dĩ có tên gọi là trải phổ bởi vì băng thông truyền tín hiệu lớnhơn rất nhiều so với băng thông tối thiểu cần thiết để truyền tín hiệu số

Tóm lại, ứng dụng quan trọng nhất của kỹ thuật trải phổ là làm giảm xác suấttách sóng đối với các máy thu khi SNR (signal-noise ratio), thời gian tích phân T(intergrated time), xác suất báo tách sóng sai (false-alarm probability) là không đổi

Mô hình tổng quát của một hệ thống trải phổ như hình sau:

Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin trải phổ

 Khối định dạng: Hầu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số (tiếng nói,hình ảnh,

âm thanh…) là tín hiệu tương tự nên ta cần có khối định dạng để chuyển đổi tín

hiệu từ tương tự sang dãy từ mã dạng số Các từ mã này được biểu diễn bằng các bitnhị phân, rồi tùy ứng dụng cụ thể mà biễu diễn các bit hay nhóm bit ở dạng thứcthích hợp Việc chuyển đổi tương tự sang số trong hệ thống thống tin số thườngtheo phương pháp điều chế xung mã PCM (Pulse Code Modulation) Khối giải địnhdạng thực hiện công việc ngược lại là chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự

 Khối mã hóa nguồn: làm giảm số bit nhị phân yêu cầu để truyền bản tin Việc này

có thể xem như là loại bỏ các bit dư không cần thiết, giúp cho băng thông đườngtruyền được sử dụng hiệu quả hơn

 Khối mật mã hóa: làm nhiệm vụ mật mã hóa bản tin gốc nhằm mục đích an ninh.

Nó bao gồm cả sự riêng tư (đảm bảo chỉ người phát có quyền với tin đang truyền)

và xác thực (đảm bảo chỉ người thu nào mà người phát yêu cầu thì mới được nhậntin)

 Khối mã hóa kênh: làm nhiệm vụ đưa thêm các bit dư vào tín hiệu số theo một quy

luật nào đấy, nhằm giúp cho bên thu có thể phát hiện và thậm chí sửa được cả lỗixảy ra trên kênh truyền

 Giải mã nguồn, giải mật mã và giải mã hóa kênh được thực hiện ở bộ thu, các quá

trình này ngược với các quá trình mã hóa bên bộ phát

 Khối ghép kênh: giúp cho nhiều tuyến thông tin có thể cùng chia sẻ một đường

truyền vật lý chung như là cáp, đường truyền vô tuyến…

 Khối điều chế: giúp cho dòng tín hiệu số có thể truyền đi qua một phương tiện vật lý

cụ thể theo một tốc độ cho trước, với mức độ méo chấp nhận được, yêu cầu mộtbăng thông tần số cho phép Khối điều chế có thể thay đổi dạng xung, dịch chuyểnphổ tần số của tín hiệu đến một băng thông khác phù hợp Đầu vào của bộ điều chế

là tín hiệu băng gốc trong khi đầu ra của bộ điều chế là tín hiệu thông dải

 Khối trải phổ: tạo ra tín hiệu ít bị tổn hao do nhiễu (cả tự nhiên và nhân tạo),

và có thể được sử dụng làm tăng tính riêng biệt của thông tin

 Khối đa truy cập: liên quan đến các kỹ thuật hoặc nguyên tắc nào đó Cho phép

nhiều cặp thu phát cùng chia sẽ một phương tiện vật lý chung (như là một sợi

quang, một bộ phát đáp của vệ tinh…) Đây là biện pháp hữu hiệu và hợp lý để chia sẻ tài nguyên thông tin hạn chế của các phương tiện truyền dẫn Có một số kiểu đa truy cập, mỗi kiểu có những ưu điểm và khuyết điểm riêng

Thông tin số ngày càng được ưa chuộng hơn trong các hệ thống thông tin hiệnđại và tương lai sẽ thay thế dần các hệ thống thông tin tương tự hiện đang tồn tại.

Có thể kể ra một vài lý do của điều này như sau:

 Thuận lợi cho nén số liệu

 Có khả năng mã hóa kênh để giảm ảnh hưởng của nhiễu và giao thoa

 Gia tăng việc sử dụng các mạch tích hợp

 Giúp cho chuẩn hóa tín hiệu bất kể kiểu, nguồn gốc, dịch vụ…

1.2 Các kỹ thuật trải phổ cơ bản

1.2.1 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS: Direct Sequence Spread Spectrum)

Tín hiệu truyền đi được biểu diễn dưới dạng lưỡng cực, sau đó nhân trực tiếp vớichuỗi giả ngẫu nhiên Ở máy thu, tín hiệu thu được nhân với chuỗi trải phổ lần nữa

để tạo lại tín hiệu tin tức

1.2.2 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số ( FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum)

Kỹ thuật FH – SS phát triển dựa trên điều chế BFSK Trong đó, tần số sóngmang được thay đổi liên tục theo một quy luật giả ngẫu nhiên (dựa trên chuỗi mãngẫu nhiên sử dụng), nhờ vậy mà phổ của tín hiệu FH – SS được trải rộng trên trụctần số

1.2.3 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (TH – SS: Time Hopping Spread Spectrum )

Trục thời gian được chia thành các khung (frame) Mỗi khung lại được chiathành k khe thời gian (slot) Trong một khung, tùy theo mã của từng user mà nó sẽ

sử dụng một trong k khe thời gian của khung Tín hiệu được truyền trong mỗi khe

có tốc độ gấp k lần so với tín hiệu truyền trong toàn bộ khung nhưng tần số cần thiết

để truyền tăng gấp k lần

1.3 Các chuỗi trải phổ cơ bản

+ Chuỗi giả ngẫu nhiên

Chuỗi PN là chuỗi tín hiệu nhị phân trong đó các giá trị 0 hay 1 xuất hiện mộtcách có vẻ như ngẫu nhiên theo thời gian, không tuân theo một qui luật lặp đi lặplại Tuy nhiên, trong thực tế, một chuỗi ngẫu nhiên hoàn toàn không bao giờ thựchiện được, mà PN cũng là một chuỗi tín hiệu nhị phân tuần hoàn nhưng có chu kỳlặp lại rất lớn nên nếu không được cho biết trước quy luật của nó, người quan sát sẽrất khó nhận biết được quy luật, do đó được gọi là chuỗi giả ngẫu nhiên.

+ Chuỗi m (chuỗi có chiều dài cực đại)

Chuỗi m có chu kỳ là , là chuỗi cơ bản tạo các chuỗi PN khác như Gold

Từ sơ đồ tạo chuỗi PN , có bảng các hàm hối tiếp cho phép chu kỳ chuỗi cóchiều dài cực đại :

Như vậy các chuỗi cơ số hai m được tạo ra bằng cách sử dụng thanh ghi dịchhồi tiếp tuyến tính và các mạch cổng hoặc loại trừ (XOR) Một chuỗi thanh ghidịch tuyến tính còn có thể được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính g(x) cóbậc n>0 hay còn gọi là đa thức sinh :

Hình 1.2: Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi m

Đối với các chuỗi cơ số hai (có giá trị {0,1}), gi bằng 0 hay 1 và gn =g0 bằng

1 Với thể hiện đơn vị trễ

+ Chuỗi Gold

Mã Gold được tạo ra từ cặp chuỗi m ưa thích (preferred sequences) Một cặpchuỗi m được ưu thích, chẳng hạn x và y có hàm tương quan chéo 3 trị:

Rx,y(n)={-1,t(n),t(n)-2}

với t(n) = 1+2[(n+2)/2] , và n mod 4 ≠ 0

Đó cũng là hàm tương quan chéo đối với mỗi cặp dãy từ tập Sgold có N+2chuỗi Gold Tập hợp các chuỗi Gold bao gồm cặp chuỗi m được ưu thích x và y vàcác tổng mod 2 của x với dịch vòng y Tập hợp các chuỗi Gold là:

Trong đó là dịch vòng trái của y Đại lượngtương quan cực đại cho hai chuỗi Gold bất kỳ trong cùng một tập hằng số t(n) Cặpcác chuỗi m ưa chuộng không tồn tại với m=4, 6, 12, 16

Hai dãy m có cùng chiều dài nhờ sử dụng XOR ( hay cộng modulo_2) Haichuỗi mã được cộng chip với chip đồng bộ theo xung clock

Ngoài ưu điểm là tạo ra số lượng chuỗi mã trải phổ lớn, chuỗi Gold có thể chotương quan chéo nhỏ rất thích hợp được sử dụng cho hệ thống CDMA đa user Trong việc thiết kế mạch tạo mã Gold cho CDMA, điều quan trọng nhất làchọn đúng cặp chuỗi m

Thí dụ : tạo chuỗi Gold có n=3

Hai đa thức sinh bậc n=3 là tạo ra chuỗi m : c1=1001011 và tạo ra chuỗi m : c2=1001110 với nạp khởi đầu cho cả hai thanh ghidịch là 001 Tập Tập +1=9 chuỗi Gold tương ứng có độ dài N= -1=7 như sau:

trình điều chế là quá trình dùng tín hiệu tin tức để thay đổi một hay nhiều thông sốcủa phương tiện mang tin Phương tiện mang tin trong thông tin vệ tinh thường làsóng điện từ cao tần (RF) Việc điều chế phải đảm bảo sao cho tín hiệu ít bị cannhiễu nhất khi sóng mang đi qua môi trường trung gian

Người ta phân biệt hai loại điều chế đó là điều chế tương tự cho các tínhiệu tương tự và điều chế số cho các tín hiệu số Đối với tín hiệu tương tự thì kiểuđiều chế thường dùng trong thông tin vệ tinh là điều tần FM (dùng cho thoại, sốliệu và truyền hình) Các phương pháp điều biên AM và điều biên pha QAM (điềuchế cầu phương) rất ít dùng bởi khoảng cách truyền dẫn rất lớn của tuyến vệ tinhcùng với các tạp âm đường truyền sẽ làm cho biên độ sóng mang bị thay đổi rấtmạnh gây nhiều khó khăn cho quá trình giải điều chế Còn các kỹ thuật điều chế sốdựa trên cơ sở dùng các biện pháp tải các dòng bít tin tức lên sóng mang Tín hiệu ởbăng gốc bao giờ cũng là tín hiệu tương tự nên chúng phải được chuyển thành tínhiệu số nhờ phương thức PCM (Pulse Code Modulation) trước khi đem điều chế

Kỹ thuật điều chế số được sử dụng trong thông tin vệ tinh thường là điều chế dịchmức pha PSK (Phase Shift Keying) và điều chế dịch mức pha vi sai DE-PSK(Different Encode PSK) Ưu điểm của kỹ thuật điều chế số là nó khai thác được cácmặt mạnh của tín hiệu số so với tín hiệu tương tự, ít bị can nhiễu của môi trường và

dễ kết hợp với các quá trình xử lý như: mã hoá, bảo mật, chống lỗi, sửa lỗi… Nóichung, nguyên tắc của việc điều chế tín hiệu số và tín hiệu tương tự là giống nhau

1.4.2 Kỹ thuật điều chế tần số (FM)

Nguyên lý của kỹ thuật điều chế tần số (FM): giả sử v(t) là điện áp đạidiện cho tín hiệu điều chế và fc là tần số sóng mang thông thường Điều chế tần số(điều tần) kết hợp sự lệch tần số (di tần) của sóng mang ∆F(t) = f(t) – fc (độ lệchnày tỷ lệ thuận với v(t)), với điện áp v(t) ta có:

∆F(t) = f(t) – fc =kFM.v(t) (Hz)

Trong đó: - kFM (Hz/V) đặc trưng cho bộ điều chế

- f(t) (Hz) là tần số tín hiệu cần điều chế

Như vậy, sự biến đổi biên độ của điện thế v(t) đặc trưng cho tin tức cầntruyền đi đã được tải lên sóng mang theo hàm ∆F(t) Khi truyền sóng sang trạm thu,

bộ giải điều chế sẽ căn cứ vào đại lượng ∆F(t) để khôi phục tin tức ban đầu

1.4.3 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang điều tần (FM)

Nguyên lý của kỹ thuật giải điều chế sóng mang (FM): sóng mang tại đầuvào bộ giải điều chế có một tỷ số tín hiệu trên tạp âm (C/N0)T Bộ giải điều chếnhận biết độ di tần tức thời ∆F(t) của sóng mang và khôi phục một điện áp u(t) saocho:

u(t) = σFM.∆F(t) (V) trong đó σFM (V/Hz) đặc trưng cho bộ giải điều chế

1.4.4 Điều chế số

Một bộ điều chế bao gồm:

- Một bộ tao ký tự

- Một bộ mã hoá

- Một bộ tạo tín hiệu (sóng mang) tần số vô tuyến

Hình 1.3: Nguyên lý của một bộ điều chế số

Bộ tạo ký tự tạo ra các ký tự với M trạng thái, trong đó M=2m, từ m bit liêntiếp của dòng nhị phân đầu vào Bộ mã hoá thiết lập một sự tương ứng giữa M trạngthái của các ký hiệu này và M trạng thái có thể có của sóng mang phát Có hai loại

mã hoá thông dụng:

 Mã hoá trực tiếp - một trạng thái của ký tự xác định một trạng thái của sóngmang

 Mã hoá chuyển tiếp (mã hoá vi sai) - một trạng thái của ký tự xác định mộtchuyển tiếp giữa hai trạng thái kế tiếp nhau của sóng mang

Điều chế pha (khóa dịch pha PSK – Phase Shift Keying) đặc biệt thích hợpđối với các tuyến vệ tinh Trong thực tế nó sử dụng lợi thế của một đường baokhông đổi nên nó cung cấp hiệu quả phổ tốt hơn

1.4.5 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK

Vai trò của bộ giải điều chế là nhận biết pha (hoặc sự dịch pha) của sóngmang nhận được và từ đó suy ra giá trị các bit của dòng nhị phân được phát đi Giảiđiều chế có thể là:

- Nhất quán (coherent): bộ giải điều chế sử dụng tín hiệu chuẩn hình sin tại chỗ cócùng tần số và pha như sóng mang được điều chế tại máy phát Bộ giải điều chếthông dịch pha của sóng mang thu được bằng việc đối chiếu nó với pha của tín hiệuchuẩn Giải điều chế nhất quán cho phép dòng nhị phân được tái cấu trúc cho cả haitrường hợp mã hoá truyền dẫn - trực tiếp (BPSK và QPSK) và vi sai (DE-PSK vàDE-QPSK)

- Vi sai: bộ giải điều chế đối chiếu pha của sóng mang thu được trong thời giantruyền dẫn một ký tự và pha của nó trong thời gian của ký tự trước đó Do vậy, bộgiải điều chế phát hiện được những biến đổi pha Thông tin phía phát chỉ có thểđược khôi phục nếu nó được chứa trong các biến đổi pha, điều chế vi sai luôn luônkết hợp với mã hoá vi sai khi truyền dẫn

1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP

Hình 1.4: Các phương pháp đa truy nhập

Công nghệ viễn thông phát triển đã kéo theo nhu cầu sử dụng các dịch vụthông tin di động ngày càng tăng Số người sử dụng thông tin di động và truyềnthông không dây tăng vọt dẫn đến việc dùng chung, chia sẻ tài nguyên (các đườngtruyền vô tuyến vật lý) là một xu hướng tất yếu Việc nhiều người cùng sử dụngchung một đường truyền vô tuyến được gọi là đa truy nhập Có ba phương pháp đatruy nhập được sử dụng trong thông tin di động: đa truy nhập phân chia theo tần số(FDMA), theo thời gian (TDMA) và theo mã (CDMA)

1.5.1 Đa truy nhập theo phân chia tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access)

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số - FDMA (Fequency DivisionMultiple Access) là một phương pháp đa truy nhập cổ điển nhất Trong phươngpháp này băng tần của toàn bộ hệ thống bị chia thành nhiều phần nhỏ Hệ thống gáncho mỗi người sử dụng một tần số khác nhau, mỗi kênh truyền là một tần số, cónghĩa là mỗi người sử dụng có một kênh truyền riêng Hệ thống phân biệt tín hiệucủa những người sử dụng khác bằng các kênh tần số khác nhau Điều này làm cho

hệ thống sử dụng phổ tần kém hiệu quả nhất, vì khi đang tiến hành cuộc gọi, khôngmột người sử dụng nào khác có thể chia sẻ cùng một kênh tần số Mỗi kênh trong

hệ thống FDMA là một cặp tần số, tần số cao dành cho đường xuống, tần số thấpdành cho đường lên

 Đặc điểm chính của hệ thống FDMA:

Một kênh FDMA chỉ mang một kênh thoại tại một thời điểm Khi kênhFDMA không được sử dụng, nó sẽ ở trong tình trạng rỗi, nhưng không một thuê baonào khác có thể chia sẻ, sử dụng kênh tần số này

Cuộc gọi được thu phát liên tục sau khi ấn định kênh thoại Băng thông củamỗi kênh hẹp (30KHz), do đó hệ thống FDMA là hệ thống băng hẹp

Mức độ phức tạp của FDMA thấp hơn các hệ thống khác

Do phân cách thuê bao bằng các tần số khác nhau, nên hệ thống cần rất ítthông tin cho mục đích đồng bộ

Dung lượng của hệ thống nhỏ Tuy nhiên có thể tăng dung lượng bằng cách

sử dụng băng tần hẹp hơn thông qua cải tiến các kỹ thuật điều chế

Sử dụng các bộ truyền song công do cả hai hướng thu và phát hoạt độngcùng một lúc, dẫn đến tăng chi phí cho thiết bị

Ảnh hưởng của nhiễu đối với hệ thống rất cao.Vì vậy phải sử dụng nhiều bộlọc tần số

1.5.2 Đa truy nhập theo phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access)

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian – TDMA (time divisionmultiple access) cũng chia nhỏ băng tần của mình thành nhiều kênh tần số khácnhau Nhưng thời gian sử dụng kênh tần số được chia thành nhiều khe thời gian nhỏhơn (ví dụ 8 khe trong GSM) Vì vậy nhiều người có thể sử dụng chung một tần số.Khi đã sử dụng hết tất cả các khe thời gian trên một tần số thì người sử dụng tiếptheo sẽ được cấp phát một khe thời gian trên kênh tần số mới Điều này làm tăngthêm hiệu quả sử dụng tần số của hệ thống so với hệ thống FDMA

Nhiều người sử dụng trên một kênh tần số được ấn định khe thời gian khácnhau Mỗi người chỉ có thể thu phát tín hiệu trong khe thời gian của mình Mỗi kênhtần số cùng với một khe thời gian tạo thành một kênh truyền bên trong hệ thống

Trong TDMA vì mỗi người sử dụng không truyền liên tục mà chỉ truyền trênkhe thời gian nên hệ thống phải sử dụng tín hiệu số và điều chế số Có hai dạngsong công bên trong TDMA: song công theo tần số (FDD) và song công theo thờigian (TDD) FDD sử dụng các kênh có tần số khác nhau cho truyền và nhận Ngượclại, trong TDD, một nửa thời gian được dành cho thu và một nửa còn lại dành choviệc phát tín hiệu

 Đặc điểm chính của hệ thống TDMA

 TDMA cho phép nhiều người sử dụng chung một tần số, bằng cách chia khoảngthời gian sử dụng tần số thành nhiều khe thời gian không chồng lấp nhau, và mỗingười sử dụng một khe thời gian Số lượng khe tùy thuộc vào kỹ thuật điều chế,băng thông

 Việc truyền tín hiệu trong TDMA diễn ra không liên tục mà thành từng cụm nhỏ Vìvây, máy di động có thể giảm bớt năng lượng tiêu hao cho việc thu phát tín hiệu,dẫn đến thời gian sử dụng pin tăng lên

 Trong các khe thời gian rỗi, máy di động đo đạc mức công suất của các trạm phátkhác TDMA cần nhiều thông tin cho quá trình đồng bộ ban đầu hơn FDMA do chế

độ truyền không liên tục và chia khe thời gian.Có thể cấp phát băng tần theo yêucầu thông qua việc ấn định nhiều kênh cho một người sử dụng để tăng tốc độ củadịch vụ Vì vậy tốc độ dịch vụ có thể được cải thiện

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

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã – CDMA (code division multipleaccess) không phân chia nhỏ phổ tần, cũng không chia thời gian thành các khe, màtất cả những người sử dụng khác nhau đều được phép sử dụng toàn bộ băng tầntrong cùng một thời gian Hệ thống trải phổ có khả năng chống lại nhiễu đa đường

và tăng dung lượng đa truy nhập Hiệu quả sử dụng băng tần rất cao khi có nhiềungười cùng sử dụng hệ thống

 Các đặc điểm chính của CDMA:

 Cho phép mỗi người dùng sử dụng toàn bộ băng tần của hệ thống trong cùngmột thời gian

 Mỗi người sử dụng sẽ có một mã khác nhau để phân biệt Mã được sử dụng để

bé và phát đi Mỗi người sử dụng sẻ có một chuỗi tín hiệu PN khác nhau gọi là mã

Mã này là cơ sở mã hóa tín hiệu và phân biệt người sử dụng này với người sử dụngkhác Ở máy thu sẽ sử dụng một chuỗi mã ngẫu nhiên giống như đầu phát để giải

mã và thu được tín hiệu chính xác Đối với người sử dụng không biết chuỗi mã thìtín hiệu thu được ở máy thu sẽ tương tự như các tín hiệu nhiễu Vì vậy hệ thống cótính bảo mật cao Trải phổ theo kiểu CDMA là trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS(direct sequence spread spectrum )

Ngoài phương pháp trải phổ trực tiếp (DSSS), kỹ thuật đa truy nhập dựa trêncông nghệ trải phổ còn một số kỹ thuật khác gọi là trải phổ nhảy tần (FHSS –frequency hopping SS) và trải phổ nhảy thời gian (THSS – time hopping SS )nhưng không đạt hiệu quả cao như DSSS Hệ thống CDMA chỉ sử dụng kỹ thuậttrải phổ DSSS

1.6.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CDMA

1.6.2.1 Tính đa dạng phân tập

Phân tập là hình thức giảm fading Fading đa đường xảy ra khi hai hay nhiềuđường tín hiệu kết hợp triệt tiêu lẫn nhau Truyền dẫn băng hẹp bi ảnh hưởng bởihiện tượng này, trong khi truyền dẫn băng rộng thì ít bị ảnh hưởng bởi fading nhờvào tính đa dạng trong phân tập Có 3 hình thức phân tập chính:

Phân tập theo thời gian đạt được nhờ vào việc chèn mã, tách lỗi và mã hóasửa sai

Phân tập theo tần số: nhờ vào việc mở rộng khả năng báo hiệu băng tần báorộng và fading liên hợp với tần số thường có ảnh hưởng đến băng tần báo hiệu, tínhiệu băng rộng 1.25Mhz

Phân tập theo khoảng cách (theo đường truyền): 2 cặp aten thu tại BS, bộ thu

đa đường và kết nối BS

Phân tập dùng phương pháp đa đường (theo khoảng cách ) là hình thức phântập cao nhất nhờ đặc tính có duy nhất ở hệ thống CDMA là thu phát dựa trên mã

PN Bộ điều khiển đa đường tách chuỗi PN nhờ sử dụng bộ tương quan song song.Máy di động dùng 3 bộ tương quan, trạm gốc dùng 4 bộ tương quan Máy di động

có bộ tương quan song song la bộ thu - quét, các đầu thu này có khả năng nhận tínhiệu từ các luồng khác nhau, chúng xét tín hiệu thu mọi đường, sau đó tổ hợp vàgiải điều chế tất cả tín hiệu thu được Fading có thể xuất hiện trong mọi tín hiệu thunhưng không có sự tương quan giữa các đường thu Vì vậy, tổng tín hiệu thu được

có dộ tin cậy cao Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách đồng thời cho

hệ thống thông tin có hai trạm gốc BS để thực hiện chuyển vùng mềm cho máy diđộng

1.6.2.2 Đặc tính tái sử dụng tần số chung

Tất cả các BS đều tái sử dụng kênh băng rộng trong hệ thống CDMA Giaothoa tổng hợp ở máy di dộng thu được từ BS là tổng giao thoa của các máy di độngtrong cùng một tế bào và giao thoa từ các máy di dộng của BS của tế bào bêncạch Giao thoa tổng hợp từ tất cả các máy di động bằng một nửa của giao thoa tổng

từ các máy di động khác trong cùng một BS Dùng anten không định hướng, hiệuquả sử dụng tần số là 65% Nếu dùng anten định hướng (búp sóng 120) thì giao thoatrung bình giảm xuống còn 1/3, do đó dung lượng cung cấp bởi hệ thống tăng lênxấp xỉ 3 lần

Tóm lại việc sử dụng tần số chung không chỉ đối với tất cả các thuê baotrong cùng một thuê bao mà còn đối với những thuê bao ở tất cả các tế bào khác.Nguồn cung cấp cho mỗi thuê bao là năng lượng thay vì thời gian hoặc tần số, chonên việc điều khiển tạp âm và phân phối kênh trở nên đơn giản hơn Nhưng đồngthời, vấn đề điều khiển công suất trở nên quan trọng

1.6.2.3 Điều khiển công suất

Điều khiển công suất từ BS tới máy di động sử dụng trong hệ thống CDMAnhư trong hình Mạch mở điều khiển công suất từ máy di động tới BS là chức nănghoạt động cơ bản của máy di động Máy di động điều chỉnh ngay công suất pháttheo sự biến đổi công suất thu được từ BS Máy di động đo mức công suất thu được

từ BS và điều khiển công suất phát tỷ lệ nghịch với mức công suất đo được Mạch

mở đường điều khiển công suất làm cho các tín hiệu phát của tất cả các máy di độngthu được với cùng một mức tại BS BS cung cấp chức năng mạch mở đường điềukhiển công suất qua việc cung cấp cho các máy di động một hằng số định cỡ cho

nó Hằng số định cỡ liên quan chặt chẽ tới yếu tố tải và tạp âm của BS, độ tăng íchanten và bộ khuếch đại công suất Hằng số này được truyền đi từ BS tới máy diđộng như là một phần của bản tin thông báo

1.6.2.4 Chuyển vùng mềm

Việc chuyển giao cuộc gọi thông qua trình tự: BS ban đầu, cả hai BS, BSmới Lược đồ này làm tối thiểu hóa sự gián đoạn cuộc gọi và làm cho người sửdụng không nhậ ra trạng thái chuyển vùng mềm Do đó, trong khi hệ thống analog

và hệ thống TDMA số chấp nhận hình thức chuyển mạch “cắt trước khi nối “ thìchuyển vùng mềm của hệ thống CDMA chấp nhận hình thức chuyển mạch “nốitrước khi cắt” Sau khi cuộc gọi được thiết lập thì máy di động tiếp tục tìm tín hiệucủa BS bên cạnh để so sánh cường độ tín hiệu của ô bên cạnh với cường độ tín hiệu

của ô đang sử dụng Nếu cường độ tín hiệu đạt đến mức nhất định nào đó có nghĩa

là máy di động đã di chuyển sang một vùng phục vụ của một BS mới và trạng tháichuyển vùng mềm có thể bắt đầu Máy di động chuyển một bản tin điều khiển tớitrung tâm chuyển mạch di động để thông báo về cường độ tín hiệu và số liệu củatrạm gốc mới Sau đó, trung tâm chuyển mạch di động thiết lập một đường nối mớigiữa máy di động và trạm gốc mới và quá trình chuyển vùng mềm trong khi vẫn giữđường kết nối ban đầu Trong trường hợp máy di động đang trong một vùng chuyểnđổi giữa hai tram gốc thì cuộc gọi được thực hiện bởi cả hai trạm gốc sao chochuyển vùng mềm có thể thực hiện mà không có hiện tượng “ping-pong” giữachúng Trạm gốc ban đầu cắt đường kết nối cuộc gọi khi việc kết nối cuộc gọi vớitrạm gốc mới đã thưc hiện thành công

1.6.2.5 Công suất phát thấp

Việc giảm tỉ số E/N (tương ứng với tỉ số tín hiệu trên nhiễu ) chấp nhận đượckhông chỉ làm tăng dung lượng hệ thống mà còn giảm công suất phát yêu cầu khắcphục tạp âm và can nhiễu Sự giảm này nghĩa là giảm công suất phát yêu cầu đốivới máy di động Nó làm giảm giá thành và cho phép hoạt động trong các vùng rộnglớn hơn với công suất phát thấp khi so với các hệ thống analog hay TDMA có côngsuất tương tự Hơn nữa, việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng phục vụ vàlàm giảm số lượng trạm gốc yêu cầu khi so với các hệ thống khác Điều khiển côngsuất trong hệ thống CDMA làm giảm công suất phát trung bình Trong đa số trườnghợp thì môi trường truyền dẫn là thuận lợi đối với CDMA Trong các hệ thốngbăng hẹp thì công suất phát cao luôn được yêu cầu để khắc phục Fading tạo ra theothời gian Trong hệ thống CDMA thì công suất trung bình có thể giảm bởi vì yêucầu công suất lớn chỉ phát đi khi có điều khiển công suất và công suất phát chỉ tăngkhi có fading

1.6.2.6 Dung lượng mềm

Khái niệm tái sử dụng tần số của hệ thống tổ ong thì cho phép có một mức

độ giao thoa nhất định để mở rộng dung lượng hệ thống một cách có điều khiển DoCDMA có đặc tính gạt giao thoa một cách cơ bản nên nó có thể thực hiện việc điềukhiển giao thoa hiệu quả hơn hệ thống FDMA và TDMA Thực tế thì CDMA xuất

phát từ hệ thống chống nhiễu trong quân đội Do hệ thống điều chế băng hẹp yêucầu tỉ số sóng mang trên nhiễu vào khoảng 18 dB nên còn nhiều hạn chế theo quanđiểm hiệu qua sử dụng tái sử dụng tần số Trong hệ thống nhƣ vậy thì một kênh sửdụng cho một BS sẽ không được phép sử dụng cho BS khác Nói cách khác thìtrong một hệ thống CDMA một kênh tần rộng được sử dụng chung bởi tất cả các

BS Hiệu quả việc tái sử dụng tần số trong CDMA được xác định bởi tỉ số tín hiệutrên nhiễu tạo ra không chỉ từ môt BS mà tất cả các người sử dụng trong vùng phuc

vụ Do một số lượng lớn người sử dụng được xem xét thì số liệu thống kê của tất cảcác người sử dụng lớn hơn một là quan trọng Do đó, số lượng thấp được chấp nhận

và giao thoa tổng cộng trên một kênh được tính bằng việc nhân công suất thu trungbình của tất cả các người sử dụng với số lượng người sử dụng Nếu tỉ số công suấttín hiệu thu được đối với cường độ công suất tạp âm trung bình mà lớn hơn ngưỡngthì kênh đó có thể cung cấp chất lượng tín hiệu tốt Nói cách khác thì giao thoatrong CDMA và TDMA tuân theo quy luật số lượng nhỏ và tỉ lệ thời gian khôngđạt chất lƣợng tín hiệu dự định được xác định trong trường hợp xấu Các tham sốchính xác định dung lượng của hệ thống tổ ong số CDMA bao gồm: độ lợi xử lý, tỉ

số E/N ( bao gồm cả giới hạn fading yêu cầu), chu kì công suất thoại, hiệu quả tái

sử dụng tần số và số lượng búp sóng của anten BS.Hơn nữa, càng nhiều kênh thoạiđược cung cấp trong hệ thống CDMA có cùng một tỉ lệ cuộc gọi bị chặn và hiệuquả trung kế cũng tăng lên thì càng nhiều dịch vụ thuê bao được cung cấp trên mộtkênh Hiện tại FCC ( ủy ban thông tin liên bang của Mỹ ) ấn định phổ tần số 25Mhz cho hệ thống tổ ong, hệ thống này được phân bố đồng đều cho 2 công ty viễnthông theo các vùng Dải phổ này được phân phối lại giữa các ô để cho phép sửdụng lớn nhất là 57 kênh FM analog cho một BS 3 bup sóng Do đó, thuê bao thứ

58 sẽ không được phép có cuộc gọi khi lưu lượng bị nghẽn Khi đó thậm chí mộtkênh cũng không được phép thêm vào hệ thống này và dung lượng sẽ giảm khoảng35% do trang thái tắc cuộc gọi Nói cách khác thì hệ thống CDMA có mối liênquan linh hoạt giữa số lượng người sử dụng và loại dịch vụ Ví dụ, người sử dụng

hệ thống có thể làm tăng tổng số kênh trong đa số thời gian liên tục đưa đến việctăng lỗi bit Chức năng đó có thể làm tránh việc tắc cuộc gọi do tắc nghẽn kênhtrong trạng thái chuyển vùng Trong hệ thống analog và hệ thống TDMA số thì

cuộc gọi được ấn định đối với đường truyền luân phiên hoặc sự tắc cuộc gọi xảy ratrong trường hợp tắc nghẽn kênh trong trạng thái chuyển vùng Nhưng hệ thốngCDMA thì có thể thỏa mãn cuộc gọi thêm nhờ vào việc tăng tỉ lệ lỗi bit cho tới khicuộc gọi khác hoàn thành Tương tự, hệ thống CDMA sử dụng lớp dịch vụ để cungcấp dịch vụ chất lượng cao phụ thuộc vào giá thành dịch vụ và ấn định công suất( dung lượng ) cho các người sử dụng dịch vụ lớp cao Có thể cung cấp thứ tự ưutiên cao hơn đối dịch vụ chuyển vùng của người sử dụng lớp dịch vụ cao so vớingười sử dụng thông thường

1.6.2.7 Bảo mật cuộc gọi

Hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức độ cao và về cơbản là tạo ra xuyên âm, viêc sử dụng máy thu tìm kiếm và sử dụng bất hợp phápkênh RF là khó khăn đối với hệ thống tổ ong số CDMA bởi vì tín hiệu CDMA đãđược trộn (scrambling).Về cơ bản thì công nghệ CDMA cung cấp khả năng bảo mậtcuộc gọi và các khả năng bảo vệ khác

1.6.2.8 Giá trị E/N thấp và bảo vệ lỗi

E/N là tỉ số của năng lượng trên một bit đối với mật độ phổ công suất tạp âm,

đây là giá trị tiêu chuẩn để so sánh hiệu suất của phương pháp điều chế và mã hóa

số Khái niệm E/N tương tự như tỉ số sóng mang trên tạp âm của phương pháp FManalog Do độ rộng kênh băng tần rộng được sử dụng mà hệ thống CDMA cung cấpmột hiệu suất và độ dư mã sửa sai cao Nói cách khác thì độ rộng kênh bị giới hạntrong hệ thống điều chế số băng tần hẹp, chỉ các mã sửa sai có hiệu suất và độ dưthấp là được phép sử dụng sao cho giá trị E/N cao hơn giá trị mà CDMA yêu cầu

Mã sửa sai trước được sử dụng trong hệ thống CDMA cùng với giải điều chế sốhiệu suất cao Có thể tăng dung lượng và giảm công suất yêu cầu với máy phát nhờgiảm E/N

1.6.2.9 Tách tín hiệu thoại

Trong thông tin hai chiều song công tổng quát thì tỉ số chiếm dụng tải của tínhiệu thoại không lớn hơn khoảng 35%.Trong trường hợp không có tín hiệu thoạitrong hệ thống TDMA và FDMA thì khó áp dụng yếu tố tích cực thoại vì trễ thời

gian định vị lại kênh tiếp theo là quá tải Nhưng do tốc độ truyền dẫn số liệu giảmnếu không có tín hiệu thoại trong hệ thống CDMA nên giao thoa ở người sử dụngkhác giảm một cách đáng kể Dung lượng hệ thống CDMA tăng khoảng 2 lần vàsuy giảm truyền dẫn trung bình của máy di động giảm khoảng ½ vì dung lượngđược xác định theo mức giao thoa ở những người sử dụng khác

1.6.3 ƯU ĐIỂM CỦA CDMA

1.6.3.1 Dung lượng tăng cao

Dung lượng của hệ thống CDMA cao hơn 8-10 lần dung lượng của một hệthống tương tự AMPS, hay 4-5 lần dung lượng của hệ thống GSM Hệ thốngCDMA sử dụng một kỹ thuật trải phổ duy nhất, rất nhiều người sử dụng có thể cùngchia sẻ một băng tần, mà không cần phải sử dụng chung theo kiểu phân chia theothời gian Vì vậy, một hệ thống CDMA có thể xử lý cùng một lúc nhiều người dùnghơn các hệ thống GSM Hệ thống CDMA là một hệ thống có dung lượng mềm.Dung lượng phụ thuộc vào ngưỡng nhiễu của hệ thống để duy trì một hệ số chấtlượng nhất lượng Nghĩa là, dung lượng của hệ thống CDMA chỉ bị hạn chế bởi

yêu cầu chất lượng của dịch vu

1.6.3.2 Cải thiện chất lượng cuộc gọi

Hệ thống CDMA có chất lượng âm thanh tốt và ổn định.Hệ thống CDMA sửdụng điều khiển công suất nhanh và chính xác.Trạm gốc gửi các lệnh điều khiểncông suất phát đến mọi máy di động đang hoạt động, giảm bớt công suất phát củacác máy di động ở gần và tăng công suất của máy ở xa.Điều này làm cho mức nhiễugiao thoa trong băng tần trở nên bằng phẳng và mức công suất tổng cộng giảm bớt.Các nhiễu có công suất quá lớn bị triệt tiêu.Trong nền nhiễu bằng phẳng này, cáctrạm có thể dễ dàng lọc ra thông tin dành riêng

Tỷ lệ rớt cuộc gọi giảm thiểu trong hệ thống CDMA vì khả năng hoạt độngtrong cùng một băng tần của các sector Các cuộc gọi được chuyển giao “mềm” khicác máy di động di chuyển từ vùng này sang vùng khác

Các bộ má hóa, giải mã thoại của CDMA sử dụng một kỹ thuật cải tiến.Chúng chỉ truyền các thông tin cần thiết và bỏ qua các tiếng ồn khác Thông tinthoại được nén tốt hơn khi bỏ qua các khoảng lặng

1.6.3.3 Đơn giản hóa quy hoạch hệ thống

Hệ thống CDMA sử dụng cùng một băng tần cho tất cả các cell Điều nàyđơn giản hóa quá trình quy hoạch và thiết kế hệ thống Ở các hệ thống khác (tương

tự hay GSM ), toàn bộ băng tần được chia thành các đoạn chia nhỏ khác nhau vàcác cell cận kề phải sử dụng các khoảng tần số khác nhau nhằm tránh nhiễu Hệthống như vậy cần phải được quy hoạch tần số cẩn thận và mỗi thay đổi đối với hệthống cũng phải xem xét vấn đề quy hoạch tần số Hệ thống CDMA không gặp phảibài toán khó của quy hoạch tần số, vì các cell sử dụng băng tần như nhau

1.6.3.4 Tăng cường bảo mật

Bảo mật trong CDMA được đảm bảo nhờ vào cách thức làm việc của hệthống Mỗi cuộc gọi được trải ra toàn độ rộng của băng thông (1.25 MHz hay caohơn ), cao trộn lẫn với các chuỗi mã, chỉ trạm gốc và trạm di động mới có thể hiểu

và tách ra các thông tin hữu ích Đối với các máy thu trộm, khi không có chuỗi mãnày, tín hiệu thu đƣợc chỉ tựa như các tín hiệu nhiễu nền Mục tiêu phát triển banđầu của kỹ thuật CDMA trong quân sự cũng chính là lý do bảo mật hơn rất nhiều

so với băng thông cần thiết cho cuộc gọi Các bit thông tin thực sự được

1.6.3.5 Vùng phủ sóng

Trong hệ thống CDMA mỗi cell có vùng phủ sóng Do vậy toàn bộ hệ thốngcần ít trạm hơn các hệ thống thông thư ờng Vùng phủ của mỗi cell được tăngcường do CDMA áp dụng các kỹ thuật điều khiển công suất nhanh và chính xác.Điều này cũng thu được từ việc tất cả các cell dùng chung băng tần, nên nhiễu giảmbớt

1.6.3.6 Tiết kiệm năng lượng

Cùng với chức năng điều khiển công suất, có chức năng khác làm cho thờigian thoại của máy di động được kéo dài

Mỗi máy di động chỉ phát thông tin khi cần thiết Nó tổ chức và phát thôngtin theo từng cụm ngắn, và tắt trong các thời gian còn lại Trong thời gian chờ, hệthống có các kênh đặc biệt giúp cho máy di động không phải lắng nghe liên tục trênkênh tìm gọi Điều này cũng giúp tiết kệm pin máy di động Các sơ đồ nén thoại tốt,tốc độ thông tin đầu ra biến đổi.Số lượng bit thông tin giảm làm cho thời gian máy

di động phát thông tin giảm, dẫn đến năng lượng cần sử dụng giảm

1.6.3.7 Cấp phát tài nguyên mềm dẻo

Toàn bộ băng thông của hệ thống, không gian mã chính là tài nguyên củadùng chung trong hệ thống Tài nguyên của hệ thống có thể được cấp phát động, tùythuộc vào yêu cầu của dịch vụ Khi một người dùng không cần một tài nguyên nàonữa, nó được trả lại cho hệ thống dành cho các người dùng khác Do vậy, hệ thống

hỗ trợ nhiều loại dịch vụ có tốc độ khác nhau (thoại, số liệu, fax,……)

CHƯƠNG 2

CÁC LOẠI NHIỄU TRONG CDMA

Chương 2 trình bày các loại nhiễu trong CDMA như: Fading, vấn đề gần xa, hiện tượng đa đường, nhiễu Gaussian và nhiễu đa truy nhập

2.1 Fading

Hiện tượng Fading là sự thay đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần gâynên bởi sự thay đổi môi trường truyền dẫn như áp suất không khí và do sự phản xạcủa tín hiệu với các vật thể trên đường truyền như nước, mặt đất… Hai dạng fadingđược đề cập nhiều trong hệ thống CDMA và đặc biệt là MUD Nếu một kênh vôtuyến có băng thông có độ lợi bằng hằng số, đáp ứng pha tuyến tính và băng thôngnày lớn hơn băng thông tín hiệu thì tín hiệu thu sẽ bị Fading phẳng, nếu băng thôngnày nhỏ hơn băng thông tín hiệu thì tín hiệu thu sẽ bị Fading lựa chọn tần số

Nghĩa là Fading phẳng sẽ làm thay đổi tín hiệu sóng mang trong một dải tần

số và đương nhiên sự thay đổi này là không giống nhau đối với các dải tần sốkhác Fading lựa chọn tần số sẽ làm thay đổi tín hiệu sóng mang phụ thuộc tần số.Hai loại Fading này xuất hiện độc lập hoặc đồng thời vì vậy dẫn đến làm gián đoạnthông tin Fading tần số phẳng (frequencey-flat fading): gây ảnh hưởng tới biên độthu nhưng không ảnh hưởng tới sự méo dạng dạng sóng tín hiệu xác định Fadingchọn lọc tần số (frequency-selective fading): gây ảnh hưởng đến tín hiệu thu về cả

độ mạnh lẫn hình dạng

2.2 Vấn đề gần xa

Ta thường gặp vấn đề gần xa trong hệ thống thông tin trải phổ Như ta đãbiết mỗi user là một nguồn nhiễu đối với các user khác Càng có nhiều người truycập cùng lúc thì giao thoa đối với user không mong muốn càng tăng Những usercàng ở gần trạm thu thì công suất của nó phát ra được thu lại sẽ lớn hơn user kháccùng phát tương tự ở những vị trí xa hơn do suy hao đường truyền Nếu các userkhông mong muốn có công suất tương đối lớn so với user mong muốn thì sẽ gâynhiễu đáng kể cho user mong muốn Do vậy việc làm sao để máy thu nhận đượccùng một mức công suất từ mỗi bộ phát là rất quan trọng Từ đó người ta đưa ra

khái niệm điều khiển công suất Việc điều khiển công suất nhằm mục đích: mọi tínhiệu của mọi user khi đến máy thu có cùng công suất thu P

Sự phân bố của ảnh hưởng gần-xa theo ngẫu nhiên chỉ phụ thuộc vào số user

và số chip trên bit N Ảnh hưởng gần-xa mong muốn của dạng sóng tín hiệu xácđịnh ngẫu nhiên sẽ nằm ở biên dưới để tạo ra đặc tính tương quan chéo thấp Điềunày liên quan đến hệ thống trải phổ khi chiều dài của chuỗi mã giả ngẫu nhiên lớnhơn so với chiều dài kí tự

2.3 Hiện tượng đa đường

Hình 2.1 Hiện tượng đa đường dẫn

Trên kênh truyền vô tuyến luôn tồn tại sự truyền đa đường, nghĩa là có nhiềuđường truyền từ máy phát tới máy thu Nguyên nhân dẫn tới hiện tượng này là:

Sự phản xạ hay khúc xạ khí quyển

Sự phản xạ từ mặt đất, đồi núi, các toà nhà cao ốc,…

Hiện tượng đa đưường sẽ gây ra sự dao động, sự thay đổi lên xuống bấtthường đối với mức tín hiệu thu được Mọi đường truyền đều có thời gian trì hoãn

và sự suy giảm khác nhau Yêu cầu đặt ra là làm sao thu được tín hiệu truyền trựctiếp và loại bỏ những tín hiệu trên những đường truyền còn lại

Trong hình trên ta xét trường hợp có hai đường truyền riêng biệt: đường trựctiếp và đường phản xạ Trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp, giả sử máy thu đồng

bộ với khoảng thời gian trễ của đường truyền trực tiếp Chuỗi PN đến từ đườngtruyền gián tiếp sẽ không được đồng bộ với chuỗi PN tại máy thu như trường hợpcủa đường truyền trực tiếp, nên tín hiệu không được giải trải phổ và do đó xem nhưkhông đáng kể trong hệ thống

Như vậy, trong hệ thống trải phổ, nhiễu đa đường có thể được loại bỏ

2.4 Nhiễu Gaussian

Thuật ngữ nhiễu đề cập tới những tín hiệu điện không mong muốn luôn luôntồn tại trong những hệ thống điện Sự hiện diện của nhiễu chồng lên tín hiệu làmcho tín hiệu không rõ ràng; nó giới hạn khả năng của máy thu trong việc lấy nhữngquyết định kí hiệu đúng, và do đó giới hạn tốc độ truyền thông tin Nhiễu tăng từnhững nguồn khác nhau, cả nhân tạo lẫn tự nhiên Nhiễu nhân tạo gồm nhữngnguồn như nhiễu do sự đánh lửa bụi, đóng ngắt nhanh và những tín hiệu điện từkhác Nhiễu tự nhiên bao gồm nhiễu thành phần và mạch điện, sự nhiễu loạn khíquyển và những nguồn từ vũ trụ

Những thiết kế tốt có thể loại bỏ nhiều nhiễu hay những ảnh hưởng khôngmong muốn của nhiễu thông qua việc lọc, việc chắn, lựa chọn điều chế và vị trí máythu tối ưu

Tuy nhiên, có một nguồn nhiễu tự nhiên được gọi là nhiễu nhiệt haynhiễu Johnson, ta không thể loại bỏ được nhiễu này Nhiễu nhiệt được gây rabởi chuyển động nhiệt của các electron trong mọi thiết bị như: điện trở, dâydẫn Những electron là nguyên nhân gây ra dòng điện và cũng là nguyên nhângây ra nhiễu nhiệt

Ta có thể mô tả nhiễu nhiệt như một loại nhiễu Gausian ngẫu nhiên trungbình zero Nhiễu Gaussian n(t) là một hàm ngẫu nhiên có giá trị n ở thời gian bất kỳ

và nó có đặc tính thống kê là hàm mật độ xác suất Gaussian p(n):

(2.1)với là phương sai của n

Hàm mật độ Gaussian chuẩn hóa của một nhiễu trung bình zero đạt đượcbằng cách giả sử

Hình 2.2 Hàm mật độ xác suất chuẩn hoá Gaussian

Đặc điểm cơ bản phổ của nhiễu nhiệt là mật độ phổ công suất của nó giốngtrên mọi tần số của các hệ thống thông tin; hay là một nguồn nhiễu nhiệt phát ra mộtlượng giống nhau công suất nhiễu trên đơn vị băng thông ở mọi tần số Do đó, mộtkiểu đơn giản cho nhiễu nhiệt giả sử rằng mật độ phổ công suất của nó là Gn(f) làphẳng trong mọi tần số, như trong hình 2.3a

(2.2)

Hình 2.3 (a) Mật độ công suất của nhiễu trắng(b) Hàm tự tương quan

Hàm tự tương quan của nhiễu trắng được cho bởi biến đổi Fourier ngượccủa mật độ phổ công suất nhiễu:

Do đó hàm tự tương quan của nhiễu trắng là hàm delta có hệ số N0 /2 Nở, như trong hình 2.3b Lưu ý rằng : khi

Công suất trung bình, của nhiễu trắng là vô hạn vì băng thông của là vôhạn Điều này có thể thấy rõ:

Mặc dù nhiễu trắng là sự trừu tượng hóa có ích, không có loại nhiễu nàothực sự là nhiễu trắng Tuy nhiên, nhiễu được bắt gặp trong nhiều hệ thống thực cóthể được giả sử là xấp xỉ nhiễu trắng Ta chỉ có thể quan sát nhiễu sau khi nó đi quamột hệ thống thực có băng thông hữu hạn Vì thế khi băng thông của nhiễu lớn hơnbăng thông của hệ thống thì nhiễu có thể được coi là có băng thông vô hạn Hàmdelta có nghĩa là tín hiệu nhiễu n(t) là hoàn toàn giải tương quan từ thành phần dịchthời gian của nó với mọi >0 Biểu thức (*) cho biết rằng mỗi hai mẫu khác nhaucủa nhiễu trắng là không giao thoa Vì nhiễu nhiệt là Gaussian và mẫu không tươngquan, các mẫu nhiễu cũng độc lập Do đó, ảnh hưởng trên sự tách nhiễu của một

kênh với nhiễu Gaussian trắng cộng (AGWN) rằng nhiễu ảnh hưởng mỗi kí hiệuphát một cách độc lập Kênh như thế được gọi là kênh không nhớ

Vì nhiễu nhiệt hiện diện trong tất cả các hệ thống thông tin và là nguồn nhiễunổi bật cho hầu hết các hệ thống Những đặc điểm của nhiễu nhiệt: cộng, trắng, vàGaussian thường dùng trong các hệ thống Nhiễu Gaussian trung bình zero đượcbiểu thị bởi phương sai của nó

2.5 Nhiễu đa truy nhập (MULTIPLE ACCESS INTERFERENCE)

Trong những hệ thống thông tin trong môi trường đa truy cập trước đây, đểđáp ứng nhu cầu thông tin đa user, để tránh tranh chấp đường truyền, kỹ thuật cấpphát cho mỗi người khác nhau với những dãi tần số khác nhau hay những khe thờigian làm việc khác nhau Ngày nay với những ứng dụng của kỹ thuật trải phổ, các

hệ thống thông tin có thể giải quyết tốt các vấn đề trên mà không cần đến sự phânchia theo thời gian (TDMA) hay theo tần số (FDMA) Nhờ vào tính chất ưu việt của

mã trải phổ PN mà ta có sự đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) Tín hiệu củamỗi user đều được điều chế và trải phổ, sau đó được phát liên tục vào kênh thôngtin chung Bộ tách sóng sẽ thu một tín hiệu bao gồm tổng tín hiệu của các user đãđược trải phổ, các tín hiệu chồng lên nhau về cả tần số và thời gian Nhiễu đa truycập đề cập đến nhiễu giữa những user DS – SS và là một yếu tố làm giới hạn dunglượng và hiệu năng của hệ thống DS – SS

Hình 2.4 Mật độ phổ công suất của tín hiệu trước và sau trải phổ cho user

Hình 2.4 mô tả mật độ phổ công suất của tín hiệu băng gốc trước và sau khigiải trải phổ cho user 1 Sau khi nén phổ, công suất của user 1 được nâng lên trở lạitrong khoảng tần số tín hiệu dữ liệu [-Rb, Rb], trong khi đó các tín hiệu khác vẫn cómật độ phổ công suất thấp

Chỉ phần nhiễu được tạo bởi các user khác – trong cùng băng thông tín hiệu

dữ liệu [-Rb, Rb] của máy thu mới gây ra nhiễu cho tín hiệu mong muốn Ta nhậnthấy số user tăng lên thì tổng mật độ phổ công suất trong khoảng [-Rb, Rb] cũngtăng dần lên và có thể tăng lên tới mật độ phổ công suất của tín hiệu mong muốn

Do đó, ta cần có một giới hạn cho số lượng user Khi thực hiện tách sóng đa truycập, do nhiễu gaussian ảnh hưởng toàn bộ dãy tần, tín hiệu sau trải phổ truyền ở dảithông hay dải nền đều như nhau Nên để thuận lợi cho việc tính toán và khảo sátđược nhiều loại kênh truyền, ta truyền tín hiệu trong dải nền, không điều chế quadải thông

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG TRONG CDMA 3.1 Bộ tách sóng kinh điển

Trong phần này chúng ta phân tích phương pháp đơn giản nhất để giải điềuchế những tín hiệu cdma đó là: bộ lọc thích nghi (matched filter) cho single–user.Đây là bộ giải điều chế đầu tiên mà tín hiệu được thông qua trong máy thu cdma

Bộ tách sóng thích nghi đơn kênh được sử dụng trong giải điều chế những tín hiệucdma từ lúc bắt đầu của những ứng dụng đa kênh trong trải phổ trực tiếp Trong cáctài liệu về tách sóng multiuser, nó thường được gán cho là bộ tách sóng kinh điển(conventional detector) hay bộ tách sóng thông thường Do đó, chúng ta xuất phát

từ matched filter xem như là bộ lọc tối ưu trong kênh đơn user Với tín hiệu y(t) của

K user là tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu, ta xét bộ thu kinh điển có sơ đồ khối nhưhình 3.1

Hình 3.1: Bộ tách sóng kinh điển

3.1.1 Mô hình đồng bộ

Mô hình kênh CDMA K user đồng bộ:

(3.1.1)