trình bày các vấn đề về trải phổ dãy trực tiếp

Kĩ thuật trải phổ với 2 phương pháp chính là: - Phương pháp Đa truy cập phân chia theo mã - dãy trực tiếp - Phương pháp Đa truy cập phân chia mã - nhảy tần So sánh với phương pháp mã dãy

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Ghi chú

PN Mã giải ngẫu nhiên

CDMA Đa truy cập phân chia theo mã

FDM Hợp kênh phân chia theo tần số

TDM Hợp kênh phân chia theo thời gian

DS -CDMA Đa truy cập phân chia theo mã – dãy trực tiếp

FH -CDMA Đa truy cập phân chia theo mã – nhảy tần

TÓM TẮT NỘI DUNG

Được phát triển từ những năm 1950, kĩ thuật trải phổ ban đầu phục vụ cho mục đích quân sự vì khả năngchống nhiễu tốt, khử được nhiễu đa đường, đa truy cập, tính chính xác về mặt thời gian, Với sự pháttriển của công nghệ vi mạch, các phương pháp xử lý số đã giúp cho kĩ thuật trải phổ phát triển và thuđược những thành công rực rỡ và được ứng dụng nhiều đặc biệt trong lĩnh vực thông tin di động

Kĩ thuật trải phổ với 2 phương pháp chính là:

- Phương pháp Đa truy cập phân chia theo mã - dãy trực tiếp

- Phương pháp Đa truy cập phân chia mã - nhảy tần

So sánh với phương pháp mã dãy trực tiếp thì phương pháp mã nhảy tần cũng sử dụng mã để trải phổ tín hiệu truyền nhưng khác là không trải dải phổ liên tục về mặt tần số mà sử dụng một độ rộng băng không đổi, nhảy trên một số kênh; mỗi kênh có độ rộng như là tín hiệu được truyền Chính vì vậy, phương pháp này cho mức năng lượng truyền trong các vùng hẹp lớn hơn phương pháp trên nhưng tín hiệu này chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn Muốn thu được tín hiệu, ở phía thu phải biết được cách nhảy tần ở phía phát nên việc phát hiện tín hiệu cũng khó khăn hơn và vai trò của chuỗi giả ngẫu nhiên là đảm bảo rằng tất cả các tần số trong toàn bộ miền dải tần số đã cho đều được sử dụng

Do điều kiện thời gian nghiên cứu có hạn, nên trong khuôn khổ bài tiểu luận này, em chỉ xin tập trung trình bày các vấn đề về trải phổ dãy trực tiếp Nội dung bài tiểu luận sẽ gồm các phần sau:

- 1 Giới thiệu chung: chủ yếu đi giới thiệu chung về phương pháp trải phổ và những khái niệm

chung nhất và trải phổ dãy trực tiếp

- 2 Trải phổ dãy trực tiếp: trình bày về các vấn đề trong trải phổ dãy trực tiếp như mô hình

thu-phát tín hiệu, dãy giả ngẫu nhiên, điều khiển đa truy cập,…

- 3 Mô phỏng hệ thông tin trải phổ dãy trực tiếp: thông qua việc nghiên cứu mô hình toán ở

phần trên, chúng ta đi nghiên cứu cách thức để điều chế tín hiệu sử dụng phương pháp trải phổ dãy trực tiếp từ đó quan sát kết quả và đi tới kết luận ở phần sau

- 4 Kết luận

Dựa trên việc phân bố cục bài viết như trên, chúng ta lần lượt đi vào nghiên cứu từng phần

1 Giới thiệu chung:

Trong định nghĩa của IEEE, trải phổ là một phương thức truyền tin mà trong đó tín hiệu chiếm một

độ rộng băng lớn hơn giới hạn tối thiểu cần thiết để truyền tin Việc trải băng tín hiệu được thực hiệnbằng một mã độc lập với dữ liệu và được nhận đồng bộ với mã ở phía thu dùng để giải trải và khôiphục dữ liệu sau này

Theo định nghĩa này thì các phương thức điều chế như FM và PCM cũng là trải phổ của của tín hiệutin nhưng không phải là trải phổ như chúng ta đang nghiên cứu

Việc sử dụng những mà giả nhiễu – giả ngẫu nhiên đặc biệt để làm cho tín hiệu có bằng rộng hơn và

có vẻ giống như lỗi Tín hiệu trải phổ khó phát hiện hơn băng hẹp vì năng lượng của nó được trải đềutrong độ rộng băng hơn khoảng 100 lần so với băng thông tin

Tất cả các hệ thống trải phổ đều có một ngưỡng hay mức sai số phụ thuộc vào độ lợi xử lý trải phổ,phụ thuộc vào tỉ số độ rộng băng RF với độ rộng băng thông tin Thông thường trong các hệ thốngthương mại, độ lợi xử lý từ 11 đến 16 dB Nó cho cho phép mức suất nhiễu tổng cộng mạnh hơn từ 0đến 5dB so với tính hiệu mong muốn Chính vì vậy nên hệ thống có thể làm việc với SNR âm trong

độ rộng băng RF Bưởi vì độ lợi xử lý của bộ tương quan của phía thu, hệ thống có thể làm việc tạiSNR dương trên dữ liệu băng gốc

Trải phổ trực tiếp là điều chế với một một chuỗi được tạo giả ngẫu nhiên là tác nhân truyền pha

trong thông tin chứa trong sóng mang Việc này khác với phướng pháp trải phổ nhảy tần là sóngmang được dịch tần theo một cách giả ngẫu nhiên Kết quả của việc điều chế với chuỗi mà này là tạo

ra một tín hiệu chính giữa sóng mang, phổ được trải chuỗi trực tiếp tới phổ (sinx/x)2 Vấn đề cơ bảncủa trải phổ là làm thế nào để kĩ thuật này có thể chống được nhiễu với công suất phát hữu hạn

Với độ rộng băng Bs được trải phổ rộng B (B>>Bs) thì hệ số xử lý P được định nghĩa là P=B/Bs Hệ

số này càng cao thì mật độ công suất để truyền tin càng thấp Nếu độ rộng băng đủ lớn thì tín hiệu cóthể truyền như là nhiễu giả

Trong phương pháp này thì vấn đều điều khiển công suất cũng khá quan trọng vì khi nhiều ngườidùng truy cập vào cùng một phổ thì rất có thể một người dùng có thể làm che đi những người sử dụngkhác nếu công suất quá cao Chính vì vậy, công suất phát của các người dùng luôn được giữ ở mức ổnđịnh trong phương pháp này

So sánh với các phương pháp điều khiển truy cập khác thì phương pháp điều khiển đa truy cập phân chi theo mã có những ưu, nhược điểm sau:

- Nhảy với nhiễu đa đường

- Khó trong lập kế hoạch phân chia dải tần

CDMA

- Công suất phát thấp

- Chống nhiễu đa đường tốt

- Dễ dàng trong lập kế hoạch sửdụng tần số

- Độ trễ thấp

- Tốc độ dữ liệu đỉnh thấp

- Giới hạn số người truy cập để giảm nhiễu đa truy cập

2 Đa truy cập phân chia theo mã - dãy trực tiếp

2.1 Đa truy cập phân chia theo mã - dãy trực tiếp

Ý tưởng chung: mỗi một bit dữ liệu được mã hóa thành chuỗi xác định với người dùng có tần số

cao hơn để truyền

Về mặt thời gian: {tốc độ trải} = N x {tốc độ bit}

Về mặt tần số: {độ rộng băng truyền} = N x {độ rộng băng dữ liệu}

Ký hiệu dạng sóng của xung PN gọi là chip, có độ rộng Tc Ký hiệu dữ liệu được đồng bộ là cácbit thông tin hay các kĩ hiệu mã nhị phân được cộng theo module 2 với chip trước khi điều chếpha.

Mô hình bộ phát - thu tín hiệu trải phổ ở chế độ đa người dùng:

Dòng bit phía người dùng sau khi đi qua bộ mã hóa – bộ trải tín hiệu được đi tới bộ điều chế sóngmang và truyền đi Ở phía thu là tổng hợp tất cả các thành phần tín hiệu của tất cả người dùng trong

hệ thống Sau khi đi qua bộ giải điều chế, tín hiệu được đi qua bộ tương quan với chuỗi trải biết trước

để giải điều chế trải để tìm ra tín hiệu tương ứng với người dùng phát đi

2.2 Mô hình toán học của hệ thống:

Nguyên tắc dùng để trải một kí hiệu dữ liệu – symbol với chuỗi trải c(k)(t) với độ dài L

Được gán tới người dùng thứ k (k=0, K-1)

Trong đó:

+ K là tổng số người dùng đồng thời

+ Xung chữ nhật pTc(t):

+ Tc: khoảng kéo dài chip

+ là các chip của người dùng đặc trưng cho chuỗi trải c(k)(t)

Sau khi trải, tín hiệu x(k)(t) cho người dùng k xác định bởi:

Trong suốt một khoảng kí hiệu dữ liệu Td=LTc Trong đó, d(k) là kí hiệu dữ liệu được truyền của ngườidùng k Việc nhân chuội thông tin với chuội trải được thực hiện trên cơ sở đồng bộ bit và toàn bộ tínhiệu được truyền x(t) của tất cả người dùng đồng bộ K (trong trường hợp hệ thống tế bào theo đườngxuống) cho kết quả như sau:

Việc chọn chính xác chuỗi trải là vấn đề mang tính quyết định trong DS-CDMA Di độ mạnh củanhiễu giao thoa đa truy cập phụ thuộc vào hàm tương quan chéo CCF của chuỗi trải được sử dụng Đểcực tiểu hóa nhiễu này, giá trị CCF nên nhỏ nhất có thể Với mục đích cân bằng nhiễu giao thoa nhưnhau với mọi người dùng, tính thương quan chéo giữa hai cặp chuội trải là như sau Hơn nữa, hàm tựtương quan ACF của chuội trải nên có biên độ đỉnh ngoài pha (out of phase) thấp để có thể đồng bộđảm bảo

Tín hiệu nhận được y(t) từ lối ra của kênh vô tuyến với đáp ứng xung h(t) được biểu diễn như sau:

Tín hiệu z(k)(t) sau khi lọc hòa hợp của người dùng k có thể viết như sau:

Sau khi lấy mẫu tại thời điểm t=0, ngưỡng quyết định cho người dùng k kết quả như sau:

Trong đó, là trải trễ lớn nhất của kênh vô tuyến

Cuối cùng, một bộ phát hiện ngưỡng thực hiện và nhận được kí hiệu thông tin ước lượng

Phân tích biểu thức trên ta thấy có những thành phần sau:

+ Phần thứ nhất của biểu thức trên là phần tín hiệu mong muốn của người dùng k

+ Phần thứ hai là nhiễu giao thoa đa truy cập

2.3 Bộ phát DS-CDMA:

Hình dưới đây biểu diễn bộ phát trải phổ trực tiếp Nó bao gồm một bộ mã hóa sửa lỗi trước FEC, bộánh xạ, bộ trải, bộ tạo dạng xung, thiết bị ngoại vi tương tự IF/RF

Mã kênh được yêu cầu để bảo vệ dữ liệu truyền chống lại lỗi kênh Bộ mà sửa lỗi trước là hệ thốngđiều khiển lỗi trong truyền dữ liệu; trong đó phía gửi thêm các thông tin dư thừa vào bản tin cũngđược xem như là mã sửa lỗi Điều này cho phép phía nhận phát hiện và sửa lỗi (trong một giới hạnnào đó) mà không cần yêu cầu việc xác nhận cửa phía gửi Ưu điểm của bộ mã này là không cần cómột kênh phản hồi hay không cần việc truyền lại dữ liệu Từ đó giúp giảm giá thành cần thiết choviệc xây dựng một hệ thống với bằng thông cao hơn.

Một ví dụ đơn giản là việc chúng ta thực hiện truyền 3 bit cho mỗi bit dữ liệu cần truyền Khi đó nếutrạng thái 0 là nhiều hơn (2 trong số 3 giá trị) thì tức là phía phát đã phát 0 Tương tự với trường hợpphát 1 Điều này hạn chế việc thu sai và ở phía thu có thể tự động điều chỉnh kết quả để có một xác suất lỗi nhỏ nhất; cho phép một trong số 3 bit lỗi được sửa theo phương pháp “đa số”

Giá trị 3 bit nhận được Giá trị phía thu coi như nhận đúng

2.4 Bộ thu DS-CDMA:

Tín hiệu thu trước hết được lọc và chuyển đổi sang dạng số với tốc độ lấy mẫu 1/Tc Tiếp đóđược cho qua bộ thu Rake Bộ thu Rake là cần thiết để khử đa đường Các đường vọng được pháthiện với phân giải Tc Vì vậy mỗi tín hiệu nhận được trên mỗi đường được làm trễ lTc và đượctương quan với chuội mã đã gán Kết quả tổng cộng của các đường phân giải phụ thuộc vào hệ

số xử lý Thông thường thì có 3 hoặc 4 nhánh được sử dụng Sau quá trình tương quan, công suất

của tất cả các đường được phát hiện kết hợp với nhau Cuối cùng, quá trình giải ánh xạ và giải mãhóa FEC được thực hiện để phục hồi tính toàn vẹn của dữ liệu.

2.5 Bộ sinh mã giả ngẫu nhiên:

Tính chất căn bản của kĩ thuật trải phổ là do tính chất của dãy giả ngẫu nhiên tạo nên Không thểtạo dãy ngẫu nhiên bằng cách lấy mẫu một quá trình ngẫu nhiên vì như thế không thể tạo lạiđược nó ở bộ thu tương quan Song có thể chủ động tạo một bộ ngẫu nhiên bằng một bộ ghi dịch

Trong đó D là toàn tử trễ, số mũ tương ứng với số đơn vị trễ

Thay (*) vào (**) và biến đổi G(D) về dạng

Trong đó:

+ gọi là đa thức sinh chỉ phụ thuộc vào véc-tơ liên kết phản hồi (c1,c2, cr)

C1

an-1

C1

an-2

C1

an-r

an

+ phụ thuộc vào véc-tơ trạng thái ban đầu của a-r, a-r+1 ,…, a-1 Nếu các trạng thái ban đầu đều bằng 0 thì

và

Từ công thức trên ta có nhận xét:

+ tính tuần hoàn với chu kỳ : Bộ ghi dịch có 2r-1 trạng thái khác nhau Khimột véc-tơ trạng thái nào đó được lặp lại sau thì nó sẽ tiếp tục lặp lại nhưvậy vì tất cả luôn phụ thuộc véc-tơ trạng thái ban đầu

+ ngoại trừ trường hợp suy biến, chu kì P của G(D) là số nguyên dương nhỏ nhất sao cho1-Dp chi hết cho f(D)

+ điều kiện cần để G(D) tạo ra chuỗi có P=2r-1 là f(D) cấp r phải tối giản – không thểtriển khai thành thừa số

Khi đi xét tính tương quan của tín hiệu giả ngẫu nhiên, ta đi đến một nhận xét: Hàm tự tươngquan có giá trị cực đại khi hai dãy giả ngẫu nhiên sắp hàng tương ứng với nhau Khi lệch nhauđến 1 chip thì sẽ cho tương quan cực tiểu

2.6 Ưu điểm và hạn chế của DS-CDMA

- Hệ thống DS-CDMA cung cấp nhiều đặc tính trong môi trường truyền tế bào như: đơn giản hóaviệc quy hoạch tần số, khả năng chống nhiễu cao nếu hệ số xử lý lớn được sử dụng, sự thích nghivới tốc độ dữ liệu mềm dẻo

- Bên cạnh những ưu điểm đó thì DS-CDMA còn nhiều hạn chế như

o Nhiễu giao thoa đa truy cập(): khi nhiều người sử dụng hệ thống thì hiệu năng của CDMA giảm rất nhanh Do vậy khả năng hệ thống DS-CDMA với hệ số xử lý ở mức vừaphải- độ rộng dải trải bị giới hạn – do bị giới hạn bởi MAI

DS-o Khá phức tạp: để lợi dụng đặc tính đa đường của tín hiệu, ta cần sử dụng một bộ thu với

bộ lọc hòa hợp lấy xấp xỉ bằng bộ thu Rake với đủ số nhánh Trong đó, số nhánh yêu cầu

là Thông thường, bộ thu phải hòa hợp với đáp ứng xung kênh thay đổitheo thời gian Vì vậy, việc ước lượng kênh là cần thiết Điều đó dẫn tới bộ thu phức tạphơn với các bộ lọc thu thích nghi và phần tiêu đề báo hiệu đáng kể

o Nhiễu giao thoa đơn hoặc đa âm: Trong trường hợp có nhiễu đơn âm hoặc đa âm thìthường DS-CDMA sử trải nhiễu này ra toàn bộ độ rộng dải truyền B trong khi đó thìthành phần tín hiệu mong muốn lại không được trải Nếu quá trình này không được xử lýthì thông thường quá trình này sẽ phải thực hiện ở phía thu như sử dụng bộ lọc V trongmiền thời gian – trên cơ sở thuật toán bình phương trung bình tối thiểu; hay trên miền tần

số- dựa trên biến đổi Fourier nhanh để triệt thành phần nhiễu Vì vậy, quá trình xử lý sẽphức tạp hơn.

3 Mô phỏng hệ thông tin trải phổ dãy trực tiếp:

3.1 Mô hình tiến hành:

Mô hình trên bao gồm:

- Nguồn dữ liệu: là một chuỗi dài 30 đơn vị dữ liệu, nhận các giá trị {1,-1}, mỗi đơn vị dữ liệu kéodài trong 20 đơn vị thời gian xét

- Chuỗi trải – chuỗi giả ngẫu nhiên: là chuỗi giống như nguồn dữ liệu, chỉ khác là độ dài dữ liệu là

120, với chu kì kéo dài tín hiệu là 5 Chuỗi này là chuỗi ngẫu nhiên nên ở phía nhận và phía thuphải cùng sử dụng một chuỗi giống nhau để có thể giải trả và nhận được tín hiệu gốc

- Phương thức Điều chế: là điều chế BPSK với sóng mang cos(t) Ở đây coi như là cả phía thu sửdụng luôn sóng mang được dùng ở phía phát như là kết quả của bộ khôi phục sóng mang

3.2 Mã chương trình chạy mô phỏng:

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

% Trai pho day truc tiep %

% Direct Sequence Spread Spectrum %

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

clc

clear

% Buoc 1: Tao chuoi bit du lieu dai 20 mau

% tao chuoi co phan bo tu nhien phuong sai 1 / trung binh 0

Bộ tạo mã PN Bộ tạo sóng mang

Bộ tái tạo sóng mang

% Buoc 2: Tao chuoi gia ngau nhien de trai pho

%do dai chuoi gia ngau nhien

carrier=[carrier c];% tao song mang co do dai 5*{seq_len}

pn_seq=[pn_seq sig];% tao chuoi gia ngau nhien do dai 5*{seq_len}

title('Tin hieu da duoc trai pho');

% Buoc 4: Dieu che BPSK tin hieu da trai pho

bpsk_sig=spreaded_sig.*carrier; % Modulating the signal

subplot(4,1,3);

plot(bpsk_sig)

axis([-1 620 -1.5 1.5]);

title('Tin hieu da duoc dieu che BPSK');

%Ve FFT cua tin hieu DSSS

y=abs(fft(xcorr(bpsk_sig)));

subplot(4,1,4)

plot(y/max(y))

ylabel('Mat do pho cong suat(PSD)')

% Buoc 5: Giai dieu che tin hieu thu

title('Tin hieu da duoc giai dieu che')

% Buoc 6: Giai trai pho tin hieu thu

despread_sig=demod_sig.*pn_seq;

subplot(3,1,2)

plot(despread_sig)

axis([-1 620 -1.5 1.5]);

title('Du lieu da duoc giai trai pho')

%Pho mat do cong suat cua du lieu duoc giai trai

xlabel('Tan so')

ylabel('Mat do pho cong suat(PSD)')

3.3 Kết quả chạy mô phỏng:

Trải – điều chế tín hiệu

Giải điều chế - giải trải

tín hiệu

Kết quả chạy mô phỏng theo từng bước

1 Tạo nguồn tín hiệu

PSD sau khi điều

PSD sau khi giải trải

Sự thay đổi phổ tín hiệu sau từng bước

4 PSD sau khi giải điều chế BPSK

5 PSD sau khi giải trải

3.4 Nhận xét kết quả mô phỏng:

- Qua việc quan sát sự thay đổi phổ tần của tín hiệu sau mỗi bước thực hiện, chúng ta đã hiểu rõ hơn hoạt động của các thành phần trong mô hình phát – thu tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp Ta thấyrằng phổ tần của tín hiệu sau khi được trải rộng hơn tín hiệu băng gốc của dữ liệu truyền theo đúng khái niệm trải phổ tín hiệu Vai trò của mã giả ngẫu nhiên ở đây vừa như là một công cụ để chúng ta trải tín hiệu vừa là khó giúp chúng ta nhận đúng dữ liệu phát trong dải phổ sử dụng đồngthời với các người dùng khác

- Mô hình trên khá đơn giản nhưng đã lột tả được hết các vấn đề chung nhất của phương pháp trải phổ dãy trực tiếp giúp ích trong quá trình nghiên cứu và mô phỏng hệ thống sau này