Tài liệu hệ thống MC – CDMA và các phương pháp bắt đồng bộ mã PN cho tín hiệu của hệ thống này

LUẬN VĂN CAO HỌC  LỜI NÓI ĐẦU Bắt đồng bộ tín hiệu trải phổ là một vấn đề lớn trong việc thiết kế hệ thống thông tin trải phổ. Bắt đồng bộ có thể thực hiện bằng các phương pháp tích cực, thụ động hoặc kết hợp. Ở phương pháp tích cực (nối tiếp hoặc song song), tín hiệu nhận được được nhân với bản sao mã giả ngẫu nhiên đồng nhất với bên phát tại tại bộ thu. Kết quả được lấy tích phân (tương quan) trong một khoảng thời gian quan sát nhất định, sau đó được so sánh với một ngưỡng đặt trước. Ở phương pháp thụ động, người ta sử dụng một bộ lọc phù hợp với tín hiệu trải phổ. Bộ lọc phù hợp này chờ (thụ động) cho đến khi tín hiệu trải phổ nhận được chứa một pha mã xác định từ trước. Khi đó bộ tạo mã giả ngẫu nhiên nội sẽ được khởi động với điều kiện ban đầu tương ứng với pha mã này. Phương pháp này có thời gian đồng bộ ngắn hơn nhiều so với phương pháp tích cực ở trên. Trong khuôn khổ của luận văn này, em xin phép giới thiệu những vấn đề cơ bản của hệ thống MC – CDMA và các phương pháp bắt đồng bộ mã PN cho tín hiệu của hệ thống này. Nghiên cứu chỉ ra tầm quan trọng của việc lựa chọn phương pháp bắt đồng bộ mã PN phù hợp để tìm ra tín hiệu gốc ban đầu. Trong quá trình thực hiện, luận văn không thể tránh khỏi nhiều sai sót, em mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của thầy cô giáo và các bạn để luận văn được hoàn thiện và mang tính thực tế hơn. Qua đây, em xin bày tỏ lời cám ơn sâu sắc trước sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Hữu Trung và cô giáo TS. Nguyễn Thúy Anh trong suốt thời gian thực hiện đề tài luận văn cao học này. Hà Nội tháng 04 năm 2012 Học viên thực hiện Hoàng Minh Khang Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 1     LUẬN VĂN CAO HỌC  MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................1  MỤC LỤC ...................................................................................................................2  DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................4  CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................................6  CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .........................................................................................7  1.1.  KHÁI QUÁT CHUNG .............................................................................. 7  1.1.1. Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA .......................... 8  1.1.2. Hệ thống thông tin trải phổ ........................................................... 11  1.2.  TỔ CHỨC LUẬN VĂN.......................................................................... 26  CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................27  2.1.  NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA KỸ THUẬT MC - CDMA ..................... 27  2.2.  HỆ THỐNG MC - CDMA ...................................................................... 29  2.2.1. Máy phát MC - CDMA ................................................................. 29  2.2.2. Máy thu MC - CMDA ................................................................... 32  2.2.3. Kênh truyền ................................................................................... 34  2.2.4. Cấu trúc tín hiệu MC - CDMA...................................................... 35  2.2.5. Các kỹ thuật điều chế trải phổ trong MC - CDMA ....................... 38  2.2.6. Kỹ thuật tách tín hiệu .................................................................... 46  2.2.7. Nhiễu MAI và nhiễu ICI ............................................................... 56  2.2.8. Ưu điểm và khuyết điểm của hệ thống MC - CDMA ................... 57  2.3.  KẾT LUẬN ............................................................................................. 58  CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP BẮT MÃ PN ................................................59  3.1.  ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TỐI ƯU HÓA BỘ THU .......................................... 59  3.2.  HƯỚNG TIẾP CẬN THEO THAM SỐ QUY NẠP CỰC ĐẠI ............ 61  Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 2     LUẬN VĂN CAO HỌC  3.3.  HỆ THỐNG BẮT MÃ PN NỐI TIẾP ĐƠN BƯỚC .............................. 63  3.3.1. Mô hình chuỗi bắt đồng bộ Markov – Quá trình Markov ............. 64  3.3.2. Đặc tính thời gian bắt của hệ thống khi không có Code Doppler . 67  3.3.3. Đặc tính thời gian bắt của hệ thống khi có Code Doppler ............ 69  3.3.4. Tính xác suất tách PD và xác suất cảnh báo lỗi PFA (các tham số hệ thống) ............................................................................................ 70  3.4.  HỆ THỐNG BẮT MÃ PN NỐI TIẾP ĐA BƯỚC ................................. 71  3.4.1. Mô hình bắt chuỗi Markov ............................................................ 74  3.4.2. Thời gian bắt đồng bộ.................................................................... 78  3.5.  BẮT ĐỒNG BỘ NHANH SỬ DỤNG KỸ THUẬT LỌC PHÙ HỢP ... 79  3.6.  CHIẾN THUẬT TÌM KIẾM/KHÓA ...................................................... 85  3.6.1. Trị trung bình và phương sai của thời gian bắt ............................. 87  3.6.2. Một chiến thuật tìm kiếm/khóa khác:............................................ 90  3.7.  KẾT LUẬN ............................................................................................. 92  CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN ...........................................................94  4.1. KIẾN TRÚC HỆ THỐNG BẮT ĐỒNG BỘ MÃ PN .......................... 94  4.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ....................................................................... 95  4.2.1. Nguyên tắc mô phỏng: .................................................................. 95  4.2.2. Kết quả mô phỏng: ........................................................................ 97  KẾT LUẬN ...............................................................................................................98  TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................100  Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 3     LUẬN VĂN CAO HỌC  DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Hệ thống CDMA với 10 thuê bao di động ..................................................8  Hình 1.2. Trải phổ (tương quan) trước điều chế băng hẹp..........................................9  Hình 1.3. Trải phổ (tương quan) sau điều chế băng rộng .........................................10  Hình 1.4. Hệ thống thông tin trải phổ .......................................................................12  Hình 1.5. Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế DS - SS...........................................14  Hình 1.6. Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ .................................................15  Hình 1.7. Dạng sóng của tín hiệu trước trải phổ và sau trải phổ ..............................16  Hình 1.8. Phổ của tín hiệu FH - SS ...........................................................................16  Hình 1.9 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH - SS ..............................................17  Hình 1.10. Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian..............................17  Hình 1.11. Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH - SS ...........................................19  Hình 1.12. Sơ đồ mạch tạo chuỗi ngẫu nhiên ...........................................................20  Hình 1.13. Đồ thị hàm tự tương quan của chuỗi PRBS ............................................21  Hình 1.14. Bộ tạo mã GOLD ....................................................................................24  Hình 1.15. Sơ đồ khối máy phát và máy thu DS/SS - BPSK....................................25 Hình 2.1. Nguyên tắc chung của MC – CDMA và MC – DS – CDMA...................27  Hình 2.2. Sơ đồ khối mô hình hệ thống MC – CMDA .............................................29  Hình 2.3. Máy phát MC - CDMA .............................................................................30  Hình 2.4. Máy thu MC - CDMA ...............................................................................34  Hình 2.5. Tạo ra tín hiệu MC - CDMA .....................................................................36  Hình 2.6. Bộ phát MC – CDMA hướng xuống.........................................................37  Hình 2.7. Trải phổ một chiều và hai chiều ................................................................44  Hình 2.8. Bộ thu MC-CDMA ở thuê bao..................................................................46  Hình 2.9. Tách đơn người dùng ở MC-CDMA ........................................................47  Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 4     LUẬN VĂN CAO HỌC  Hình 2.10. Loại trừ giao thoa cứng ...........................................................................53  Hình 2.11. Loại trừ giao thoa mềm ...........................................................................53 Hình 3.1. Hệ thống đánh giá pha và sai số ................................................................60  Hình 3.2. Vùng bất định pha và tần số ......................................................................61  Hình 3.3. Các cấu hình bám mã ................................................................................63  Hình 3.4. Sơ đồ khối hệ thống bắt mã đơn bước với sự tách không kết hợp............64  Hình 3.5. Biểu diễn tương đương thông thấp của hệ thống bắt mã PN đơn bước. ...64  Hình 3.6. Lưu đồ hàm sinh cho thời gian bắt đồng bộ..............................................67  Hình 3.7. Xác suất lỗi cảnh báo và phát hiện với γ = -20dB ....................................71  Hình 3.8. Hệ thống đồng bộ nối tiếp N-bước dò tìm 1/2 chip. .................................73  Hình 3.9. Sơ đồ khối hệ thống bắt mã PN N bước với các bộ tách kết hợp .............74  Hình 3.10. Lưu đồ hàm sinh cho thời gian bắt đồng bộ của quá trình đa bước. .......75  Hình 3.11. Các lưu đồ cho tác động giữa các cell trong quá trình N bước. ..............76  Hình 3.12 Hệ thống bắt đồng bộ lọc phù hợp thông dải ...........................................80  Hình 3.13 Hệ thống bắt đồng bộ lọc phù hợp lọc thông thấp ...................................80  Hình 3.14. Bộ lọc phù hợp cho chuỗi PN M-chip thực hiện bằng đường trễ ..........82  Hình 3.15(a). Thực hiện tương quan tương tự của bộ lọc phùhợp. ..........................84  Hình 3.15(b). Thực hiện tương quan số của bộ lọc phù hợp ....................................84  Hình 3.16. Chiến thuật tìm kiếm/khóa ......................................................................86  Hình 3.17. Mô hình chuỗi Markov của chiến thuật tìm kiếm/khóa ..........................87  Hình 3.18. Thời gian kiểm tra trung bình theo xác suất phát hiện cảnh báo lỗi .......90  Hình 3.19. Chiến thuật tìm kiếm/khóa khác .............................................................91 Hình 4.1. Kiến trúc hệ thống .....................................................................................94  Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 5     LUẬN VĂN CAO HỌC  CÁC TỪ VIẾT TẮT AWGN Additive white gaussian noise Nhiễu cộng chuẩn trắng CP Cyclic Prefix Tiếp đầu khung theo chu kỳ CDMA Code division multiplex access Đa truy nhập theo mã FSK Frequency shift keying Khoá dịch tần số FFT Fast fourier transform Biến đổi fourier nhanh ICI Inter-carrier interference Giao thoa liên sóng mang ICI Inter-channel interference Giao thoa liên kênh MMSE Minimum Mean Square Error Sai lệch trung bình bình phương tối thiểu MC Multicarrier Đa sóng mang MCM Multicarrier modulation Điều chế đa sóng mang OFDM Othorgonal frequency division Ghép kênh theo tần số trực giao multiplexing PN Pseudo noise Giả ngẫu nhiên PSK Phase shift keying Khoá dịch pha (điều pha tín hiệu số) PG Processing Gain Tăng ích xử lý pdf Probability density function Hàm mật độ xác suất SS Spread Spectrum Trải phổ STFT Short time fourier Transform Biến đổi fourier thời gian ngắn Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 6     LUẬN VĂN CAO HỌC  CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG Một giới hạn cơ bản của các hệ thống thông tin trải phổ là thời gian đồng bộ. Thời gian đồng bộ là thời gian cần thiết để tiến hành đồng bộ mã giả ngẫu nhiên được tạo tại bộ thu với tín hiệu trải phổ nhận được. Đồng bộ mã trong các bộ thu của các hệ thống thông tin trải phổ được chia thành hai bước: Đồng bộ sơ bộ (bắt đồng bộ - acquisition) và đồng bộ tính (bám đồng bộ - tracking). Bắt đồng bộ tín hiệu trải phổ là một vấn đề lớn trong việc thiết kế hệ thống thông tin trải phổ. Bắt đồng bộ có thể thực hiện bằng các phương pháp tích cực, thụ động hoặc kết hợp. Ở phương pháp tích cực (nối tiếp hoặc song song), tín hiệu nhận được được nhân với bản sao mã giả ngẫu nhiên đồng nhất với bên phát tại tại bộ thu. Kết quả được lấy tích phân (tương quan) trong một khoảng thời gian quan sát nhất định, sau đó được so sánh với một ngưỡng đặt trước. Nếu lớn hơn thì đã đạt được đồng bộ mã giả ngẫu nhiên còn nếu không thì ta lại thực hiện phép nhân và tích phân với một pha mã khác. Phép tương quan được thực hiện từng bước để kiểm tra từng pha mã. Ở phương pháp thụ động, người ta sử dụng một bộ lọc phù hợp với tín hiệu trải phổ. Bộ lọc này có đáp ứng xung là phiên bản trễ, đảo ngược thời gian của tín hiệu trải phổ. Bộ lọc phù hợp này chờ (thụ động) cho đến khi tín hiệu trải phổ nhận được chứa một pha mã xác định từ trước. Khi đó bộ tạo mã giả ngẫu nhiên nội sẽ được khởi động với điều kiện ban đầu tương ứng với pha mã này. Phương pháp này có thời gian đồng bộ ngắn hơn nhiều so với phương pháp tích cực ở trên. Ngoài ra để thực hiện đồng bộ nhanh người ta còn giải điều chế trực tiếp dòng ký hiệu mã sau đó nạp vào thanh ghi dịch của bộ tạo mã giả ngẫu nhiên. Kỹ thuật này được gọi là “Bắt đồng bộ nhanh bằng cách đánh giá tuần tự có trợ giúp đệ quy” (RASE). Trong khuôn khổ luận văn, tác giả xin giới thiệu phương pháp bắt đồng bộ tín hiệu MC – CDMA sử dụng kỹ thuật lọc phù hợp. Trước hết, trong chương 1, tác giả xin trình bày về hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA và các khái niệm cơ bản của hệ thống thông tin trải phổ, bao gồm các cấu hình của Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 7     LUẬN VĂN CAO HỌC  hệ thống thông tin trải phổ, các phương thức điều chế trải phổ, các ưu điểm của hệ thống thông tin trải phổ. 1.1.1. Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Các hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA được mở rộng từ các hệ thống SS-DS và SS-FH, cho phép thực hiện thông tin đa truy nhập. Trong hệ thống CDMA mỗi người sử dụng được cung cấp một mã người dùng (User Code) là dãy giả ngẫu nhiên riêng biệt. Nếu những mã này không tương quan với nhau, thì trong mỗi cell có U người sử dụng độc lập có thể truyền tin trong cùng một khoảng thời gian và cùng trên cùng một băng tần vô tuyến. Bộ thu giải tương quan (giải trải-despread) tin tức và tái tạo lại chỉ duy nhất với dãy dữ liệu mong muốn di(t), i = 1, 2, 3, ... U. Hình 1.1 minh họa hệ thống CDMA với U = 10. BASE RECEIVER MU MU d1(t), g1(t) MU d10(t), g10(t) MU d2(t), g2(t) MU d3(t), g3(t) d7(t), g7(t) Hình 1.1. Hệ thống CDMA với 10 thuê bao di động Giả thiết rằng U = 10 là số đơn vị thuê bao có trong cell này được truyền tin đi trong cùng một đơn vị thời gian. Trạm cơ sở nhận được 10 tín hiệu có phổ chồng lên nhau và trong cùng một khoảng thời gian. Nếu năng lượng của tất cả các tín hiệu nhận được là bằng nhau và cùng bằng PS, một trong các tín hiệu mong muốn sẽ bị chín tín hiệu còn lại tác động trong hệ thống CDMA. Cửa sổ của bộ thu tần số vô tuyến (RF - Radio Frequency) có tỷ số sóng mang mong muốn trên nhiễu (C/I) là 1/9 hay C/I = -9,54dB. Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 8     LUẬN VĂN CAO HỌC  Trong cùng một khoảng thời gian U người sử dụng cùng truyền dữ liệu cùng truyền dữ liệu DS-SS trên cùng băng tần RF với tần số trung tâm f0 và với pha bất kỳ φi độc lập nhau - gọi là pha của người sử dụng. Mỗi thuê bao di động có một dãy mã trải phổ giả ngẫu nhiên gi(t). Giả thiết rằng điều khiển công suất thích nghi được sử dụng, trạm cơ sở nhận được U tín hiệu radio có công suất bằng nhau, tốc độ dữ liệu là fb và tốc độ chip là fc của tất cả người sử dụng là xấp xỉ như nhau. Mỗi người sử dụng có một bản tin khác nhau hoặc một tin tức khác nhau, có nghĩa là di(t) khác nhau cho tất cả các thuê bao di động truyền tin đi. Trạm cơ sở RF nhận được r(t), tín hiệu RF được định nghĩa bằng công thức sau: k ( r (t ) = ∑ 2P gi (t )di (t ) cosϖ 0t + θi ) S (1.1) i =1 Trạm cơ sở phải tiến hành giải trải phổ và giải điều chế các bản tin độc lập nhau. Tập U bản tin này được minh hoạ ở hình 1.1. DC LNA PSK demod Bộ tổng hợp tần số Bộ tương quan PSK r03 BW=2fB BPF Bộ tương quan r02 BW=2fB BPF Bộ tương quan r01 PSK integr. BPF BW=2fB Hình 1.2. Trải phổ (tương quan) trước điều chế băng hẹp DC LNA Học LPF viên thực hiện: Hoàng CR PSKKhang Minh Bộ tổng hợp tần số Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 mod. wide BPF Bộ tương quan BW=2fB BPF V01 9     LUẬN VĂN CAO HỌC  Hình 1.3. Trải phổ (tương quan) sau điều chế băng rộng Tín hiệu RF được chuyển đổi thành trung tần, ví dụ là 70MHz được giải điều chế một cách bình thường nhờ bộ giải điều chế băng rộng kết hợp. Bộ lọc thông thấp của bộ giải điều chế cho độ rộng vừa đủ với tốc độ tín hiệu chip fc đi qua. U bản tin được chia ra thành các băng cơ bản ở đầu ra. Cả hai kiến trúc của ứng dụng được minh hoạ ở hình 1.2, 1.3. Đầu ra của bộ giải điều chế trên hình 1.2 được đi theo bộ lọc thông thấp đi đến bộ giải điều chế PSK. Ta được: k r1 = ∑ PS g1 (t )g i (t )d i (t ) cos(θ i − θ1 ) i =1 k = PS d1 (t ) + ∑ PS g1 (t )g i (t )d i (t ) cos(θ i − θ1 ) (1.2) i =2 Toán tử CDMA này tương tự như đầu ra băng cơ bản của DS-SS. Tổng mật độ phổ công suất của (k-1) nhiễu là: G J ( f ) ≅ ( k − 1) PS 4fc | f | ≤ fb (1.3) Tổng công suất nhiễu được định nghĩa: PJ = (k-1)PS Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 (1.4) 10     LUẬN VĂN CAO HỌC  Xác xuất lỗi Pe gây ra bởi “nhiễu tự thân” (self-interference) của U công suất đồng thời bằng nhau của tín hiệu nhận được. Pe được tính bằng công thức sau: Pe = ở đây: 1 ⎛ 1 ⎞⎛ fc ⎞ erfc 2⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ k − 1⎠ ⎝ f b ⎠ 2 erfc( x ) = 2 Π ∞ ∫e −ω 2 (1.5) dω x fc là tốc độ chip, còn fb là tốc độ bit. 1.1.2. Hệ thống thông tin trải phổ 1.1.2.1. 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 được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt. Tuy nhiên, ở các hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm trước khi phát. Khi chỉ có một người sử dụng trong băng tần trải phổ, sử dụng như vậy sẽ không hiệu quả. Nhưng ở môi trường nhiều người sử dụng, họ có thể sử dụng chung băng tần và hệ thống sử dụng băng tần có hiệu suất mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ. Kỹ thuật trải phổ ra đời từ nhu cầu bảo mật thông tin trong quân sự. Mục đích của kỹ thuật trải phổ là làm cho tín hiệu được phát giống như tạp âm đối với các máy thu không mong muốn, làm cho các máy thu này khó khăn trong việc tách và lấy ra được bản tin. Để biến đổi bản tin thành tín hiệu tựa tạp âm, ta sử dụng mã ngẫu nhiên để mã hoá bản tin. Tuy nhiên, máy thu chủ định phải biết mã này để có thể tạo ra bản sao mã này một cách chính xác, đồng bộ với mã được phát và lấy ra bản tin. Vì vậy ta phải sử dụng mã “giả” ngẫu nhiên. Mã này phải được thiết kế để có độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần của bản tin. Bản tin được mã hóa sao cho tín hiệu sau khi mã hoá có độ rộng phổ gần bằng độ rộng phổ của tín hiệu giả ngẫu nhiên. Quá trình này được gọi là “quá trình trải phổ”. Ở máy thu thực hiện quá trình nén phổ tín hiệu thu được để trả lại độ rộng phổ bằng độ rộng phổ ban đầu của bản tin. Hình 1.4 minh họa một hệ thống thông tin trải phổ, trong đó i(t) là tín hiệu tin tức có tốc độ dữ liệu là Ri và băng thông Bi, c(t) là chuỗi trải phổ có tốc độ ký Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 11     LUẬN VĂN CAO HỌC  hiệu là Rc, còn gọi là tốc độ chip. Tỷ số băng thông Bs của tín hiệu trải phổ so với băng thông tin tức Bi được định nghĩa là độ lợi xử lý: GS = BS Bi (1.6) Hình 1.4. Hệ thống thông tin trải phổ Một hệ thống thông tin được xem là trải phổ khi thỏa mãn 2 điều kiện: + Băng thông tín hiệu đã trải phổ lớn hơn rất nhiều so với băng thông tín hiệu thông tin. + Mã dùng để trải phổ độc lập với tín hiệu thông tin. Ưu điểm của kỹ thuật thông tin trải phổ: + Khả năng đa truy cập Cho phép nhiều user cùng hoạt động trên một dải tần, trong cùng một khoảng thời gian mà máy thu vẫn tách riêng được tín hiệu cần thu. Đó là do mỗi user đã Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 12     LUẬN VĂN CAO HỌC  được cấp một mã trải phổ riêng biệt, khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều user, nó tiến hành giải mã và tách ra tín hiệu mong muốn. + Tính bảo mật thông tin cao Mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ rất thấp, gần như mức nhiễu nền. Do đó, các máy thu không mong muốn khó phát hiện được sự tồn tại của tin tức đang được truyền đi trên nền nhiễu. Chỉ máy thu biết được chính xác quy luật của chuỗi giả ngẫu nhiên mà máy phát sử dụng mới có thể thu nhận được tin tức. + Bảo vệ chống nhiễu đa đường Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ … của tín hiệu trên kênh truyền vô tuyến. Các tín hiệu được truyền theo các đường khác nhau này đều là bản sao của tín hiệu phát đi nhưng đã bị suy hao về biên độ và bị trễ so với tín hiệu được truyền thẳng (Line of Sight). Vì vậy tín hiệu thu được ở máy thu đã bị sai lệch, không giống tín hiệu phát đi. Sử dụng kỹ thuật trải phổ có thể tránh được nhiễu đa đường khi tín hiệu trải phổ sử dụng tốt tính chất tự tương quan của nó. 1.1.2.2. Các kỹ thuật trải phổ cơ bản a. Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS: Direct Sequence Spread Spectrum): Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 13     LUẬN VĂN CAO HỌC  Nguyên lý cơ bản: Máy thu Máy phát d(t) Bộ tạo mã PN c(t) Bộ điều chế băng rộng Bộ tạo sóng mang Bộ tạo sóng mang dr(t) Bộ giải điều chế dữ liệu Bộ tạo mã PN cr(t) Hình 1.5. Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế DS - SS Hệ thống DS/SS đạt được trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với tín hiệu giả ngẫu nhiên. Ở hệ thống DS/SS nhiều người sử dụng cùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy đi tín hiệu mong muốn bằng cách trải phổ. Đây là hệ thống được biết đến nhiều nhất trong các hệ thống thông tin trải phổ. Chúng có dạng tương đối đơn giản vì chúng không yêu cầu tính ổn định nhanh hoặc tốc độ tổng hợp tần số cao. Tín hiệu truyền đi được biểu diễn dưới dạng lưỡng cực, sau đó nhân trực tiếp với chuỗi giả ngẫu nhiên. Ở máy thu, tín hiệu thu được nhân với chuỗi trải phổ lần nữa để tạo lại tín hiệu tin tức. Tín hiệu cần truyền đi là d(t), có dạng NRZ với d(t) = ±1, tốc độ bit fb. Thực hiện nhân d(t) với chuỗi giả ngẫu nhiên c(t) có tốc độ bit fc với fc >> fb. Như vậy: d(t).c(t) = c(t) , d(t) = +1 (1.7) – c(t) , d(t) = –1 Vì tốc độ bit fc của chuỗi giả ngẫu nhiên lớn hơn nhiều so với tốc độ bit fb của chuỗi tín hiệu truyền đi, nên tín hiệu d(t) sẽ bị chia nhỏ với tần số rất cao. Tần số này được gọi là tốc độ chip. Sau đó, chuỗi tích số d(t).c(t) được điều chế BPSK hoặc QPSK. Giả sử ta dùng điều chế BPSK, tín hiệu sau điều chế có biểu thức: VDS − SS (t ) = 2 PS d (t ).c(t ).cosw 0 t Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 (1.8) 14     LUẬN VĂN CAO HỌC  Trong đó: PS là công suất phát [W] wo là tần số sóng mang [rad/s] Nếu so sánh (1.8) với biểu thức của BPSK: VBPSK (t ) = 2PS d (t ).cosw0 t (1.9) Power Tín hiệu chưa trải phổ Tín hiệu đã trải phổ Frequency - fC - fS fS fC Hình 1.6. Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ Ta nhận thấy: Với cùng công suất phát PS, chuỗi số d(t).c(t) có tốc độ chip fc chiếm dải phổ tần rộng hơn rất nhiều so với tín hiệu VBPSK có tốc độ bit fb, vì vậy, mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ trải phổ VDS-SS thấp hơn nhiều so với mật độ phổ công suất của tín hiệu không trải phổ VBPSK. Nếu fc đủ lớn, mật độ phổ này sẽ rất thấp và xen lẫn với mức nhiễu nền khiến cho các máy thu thông thường rất khó khăn trong việc tách và lấy ra tín hiệu tin tức. Tại máy thu, tín hiệu VDS-SS được nhân với tín hiệu giả ngẫu nhiên cr(t) được tái tạo ở máy thu, giải điều chế BPSK để thu lại tín hiệu tin tức ban đầu. Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 15     LUẬN VĂN CAO HỌC  Hình 1.7. Dạng sóng của tín hiệu trước trải phổ và sau trải phổ b. Kỹ thuật trải phổ bằng cách phương pháp nhảy tần số (FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum ): Hình 1.8. Phổ của tín hiệu FH - SS Kỹ thuật FH – SS phát triển dựa trên điều chế BFSK. Hệ thống này có nghĩa là chuyển đổi sóng mang ở tập hợp các tần số theo mẫu được xác định bằng chuỗi mã PN (chuỗi mã giả ngẫu nhiên). Chuỗi mã ở đây chỉ có tác dụng xác định mẫu nhảy tần. Tốc độ nhảy tần có thể nhanh hoặc chậm hơn tốc độ số liệu. Trong đó, tần số sóng mang được thay đổi liên tục theo một quy luật giả ngẫu nhiên (dựa trên chuỗi mã ngẫu nhiên sử dụng), nhờ vậy mà phổ của tín hiệu FH – SS được trải rộng trên trục tần số. Trong trường hợp thứ nhất gọi là nhảy tần nhanh, trong trường hợp thứ hai gọi là nhảy tần chậm. Thật vậy, ứng với một tần số sóng mang, dải tần số của tín hiệu BFSK là B, vậy với tín hiệu FH – SS dùng L (L = 2N-1, với N là chiều Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 16     LUẬN VĂN CAO HỌC  dài chuỗi mã) trạng thái nhảy tần, phổ tần của tín hiệu FH – SS sẽ trải rộng đến BFH = B x L như hình 1.7. Máy phát Máy thu d(t) Điều chế băng gốc Bộ tạo mã PN c(t) Trộn, biến đổi Giải điều dr(t) chế dữ Trộn, biến đổi tần Tổng hợp tần số Tổng hợp tần số Đồng bộ Bộ tạo mã PN cr(t) Hình 1.9 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH - SS Tín hiệu FH – SS được tạo bởi mạch tổng hợp tần số điều khiển bởi N+1 bit, trong đó bao gồm N bits của từ mã giả ngẫu nhiên và 1 bit số d(t) của tín hiệu thông tin cần truyền. c. Kỹ thuật trải phổ bằng cách phương pháp nhảy thời gian (TH – SS: Time Hopping Spread Spectrum): slot Frequency Time frame Hình 1.10. Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 17     LUẬN VĂN CAO HỌC  Nhảy thời gian tương tự như điều chế xung. Nghĩa là dãy mã đóng mở bộ phát, thời gian đóng mở bộ phát được chuyển đổi thành dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên theo mã và đạt được 50% yếu tố tác động truyền dẫn trung bình. Sự khác nhau nhỏ so với hệ thống FH/SS đơn giản là trong khi tần số truyền dẫn biến đổi theo mỗi thời gian chip mã trong hệ thống FH/SS thì sự nhảy tần xảy ra trong trạng thái dịch chuyển dãy mã trong hệ thống TH/SS. Hình 1.9 là sơ đồ khối của hệ thống TH/SS. Bộ điều chế đơn giản và bất kỳ dạng sóng cho phép điều chế xung theo mã đều có thể sử dụng đối với bộ điều chế TH/SS. TH/SS có thể làm giảm giao diện giữa các hệ thống trong hệ thống ghép kênh theo thời gian. Vì mục đích này mà sự chính xác theo thời gian được yêu cầu trong hệ thống nhằm tối thiểu hóa độ dư giữa các máy phát. Mã hóa cần được sử dụng cẩn thận vì sự tương đồng các đặc tính nếu sử dụng cùng một phương pháp như các hệ thống thông tin mã hóa khác. Do hệ thống TH/SS có thể bị ảnh hưởng dễ dàng bởi giao thoa nên cần sử dụng hệ thống tổ hợp giữa hệ thống này với hệ thống FH/SS để loại trừ giao thoa có khả năng gây nên sự suy giảm đối với tần số đơn. Trục thời gian được chia thành các khung (frame). Mỗi khung lại được chia thành 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. Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 18     LUẬN VĂN CAO HỌC  Máy phát Máy thu Buffer d(t) slow in fast out Bộ tạo mã PN c(t) Buffer Bộ điều chế dữ liệu Bộ giải điều chế dữ liệu Bộ tạo sóng mang Bộ tạo sóng mang fast in dr(t) slow out Bộ tạo mã PN cr(t) Hình 1.11. Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH - SS d. So sánh các hệ thống trải phổ: Các hệ thống DS/SS giảm nhiễu giao thoa bằng cách trải rộng nó ở một phổ tần rộng. Trong các hệ thống FH/SS ở mọi thời điểm cho trước, những người sử dụng phát ở tần số khác nhau vì thế có thể tránh nhiễu giao thoa. Các hệ thống TH/SS tránh nhiễu giao thoa bằng cách tránh không để nhiều hơn một người sử dụng phát trong cùng một thời điểm. Có thể thiết kế các hệ thống DS/SS với giải điều chế nhất quán và không nhất quán. Tuy nhiên, do sự nhảy chuyển tần số phát nhanh rất khó duy trì đồng bộ pha ở các hệ thống FH/SS vì thế chúng thường đòi hỏi giải điều chế không nhất quán. Trong thực tế, các hệ thống DS/SS có chất lượng tốt hơn do sử dụng giải điều chế nhất quán nhưng giá thành mạch khóa pha sóng không đắt. Với cùng tốc độ đồng hồ của bộ tạo mã PN, FH/SS có thể nhảy trên băng tần rộng hơn nhiều so với băng tần của tín hiệu DS/SS. Ngoài ra có thể tạo ra tín hiệu TH/SS có độ rộng băng tần rộng hơn nhiều độ rộng băng tần của DS/SS khi bộ tạo chuỗi của hai hệ thống này cùng tốc độ đồng hồ. FH/SS cũng loại trừ được các kênh tần số gây nhiễu giao thoa mạnh thường xuyên. DS/SS nhạy cảm nhất với vấn đề gần xa. Các hệ thống FH/SS dễ bị thu trộm hơn so với hệ thống DS/SS. Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 19     LUẬN VĂN CAO HỌC  Thời gian bắt mã ở các hệ thống FH/SS ngắn nhất, tuy nhiên máy phát và máy thu ở hệ thống FH/SS đắt do sự phức tạp của bộ tổng hợp tần số. Các hệ thống FH/SS chịu được fading và nhiễu. Các máy thu DS/SS đòi hỏi mạch đặc biệt để làm việc thỏa mãn trong môi trường nói trên. 1.1.2.3. Các chuỗi trải phổ cơ bản Có sáu chuỗi trải phổ cơ bản sau: Chuỗi giả ngẫu nhiên PN (Pseudo-random Noise), chuỗi Gold, chuỗi Gold trực giao (Orthogonal Gold), chuỗi Kasami, chuỗi Hadamarh Walsh và chuỗi GOLAY bù. a. Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên: Hình 1.12. Sơ đồ mạch tạo chuỗi ngẫu nhiên Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên là chuỗi tín hiệu nhị phân tuần hoàn nhưng có chu kỳ lặp lại rất lớn, do đó nếu không được biết trước quy luật của nó, người quan sát khó nhận biết được quy luật. Ta gọi đó là chuỗi giả ngẫu nhiên (PRBS: Pseudo Random Binary Sequence). Chuỗi PRBS được tạo ra từ mạch chuỗi gồm ND-FlipFlop ghép liên tiếp nhau như hình 1.12. RPRBS( ) 1/L - TC TC 0 Học viên thực hiện: Hoàng Minh Khang Lớp: 10B CH ĐTVT1 - 2010 (L-1)TC (L+1)TC LTC 20