Luận văn: đề tài " Mã trải phổ trong CDMA" pptx

http://www.ebook.edu.vn 1 LUẬN VĂN ĐỀ TÀI " Mã trải phổ trong CDMA" http://www.ebook.edu.vn 2 Lời nói đầu Cùng với sự phát triển của cá c nghành khoa học trong xã hội , nghành côn g nghệ truyền thông đã và đang chứng tỏ vai trò không thể thiếu đ ư ợc trong sự phát triển c hun g của xã hội. Sự ra đời của c ác hệ thống truyền tin đã ghóp phần thúc đ ẩy sự tăng trưởng về kinh t ế, rút n gắn khoảng cách địa lý mở r a kỷ nguyên mới đối với xã hội loài ng ư ời. Ngày nay nhu cầu tra o đổi thông tin bằng điệ n thoại đ ã trở lên rất phổ biến và nó đ ã trở thành vật bất ly thân của hầu hết mọi người. Đi kèm với sự ra đời của điện thoại di động là sự phát tri ển của c á c kỹ thuật điều ch ế với sự ra đời c ủ a TDMA trong cá c hệ thống GS M và gần đây là sự xuất hiện của công nghệ CDMA với những ưu điể m vượt trội đ ã ghóp phần nâng cao chất lư ợn g cũng nh ư đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người sử dụng. Trong công n ghệ CDMA thì phần cốt lõi và quan trọng nhất là kỹ thuật tạo mã trải phổ. Trên cơ sở đó, để tìm hiểu rõ hơn về cấu trúc tạo mã trải phổ trong CDMA tôi lựa chọn đề tài “ m ã trải phổ trong CDMA ” . Mặc dù đây là một công nghệ mới nhưng cũng đã và đang được ứng dụng rộng rã i nên vi ệ c nắm vững công nghệ này là rất cầ n thiết đối với sinh viên Điện tử viễn thông nói riêng và những ai quan tâm đế n lĩnh vực này nói c hun g. Với khuôn khổ phạm vi nghiên cứu của đề tài , b ản thuyết minh này đ ược chi a thành bốn chương với nội dung chủ yếu của mỗi chương như sau: Chương 1. Các hệ thống trải phổ trong CDMA Nội dung của chương này là đ i sâ u phân tí ch c ác hệ thống trải phổ điể n hình gồm : hệ thống trải phổ chuỗi trực t iếp, hệ thống trải phổ nhảy tần, hệ thống trải p hổ nhảy thời gian và một số các hệ thống lai ghép khá c. Mụ c đích của c hươn g này nhằm http://www.ebook.edu.vn 3 làm sáng tỏ đặc điể m của cá c hệ thống trải phổ để có thể hiểu rõ đ ư ợc vai trò của m ã giả ngẫu nhiên đối với từng hệ thốn g. Chương 2. Cơ sở toán học của m ã trải phổ Chương này bao gồm một hệ thống c ác khái niệm toán học, các hàm to án học bổ trợ cho quá t rì nh tì m hiểu về các đặc điể m của mã giả ngẫu nhiên. Mối tư ơng quan của cá c chuỗi mã được thể hiện bằng cá c biểu thức toán học là nề n tảng để xá c đ ịnh chính xác các chuỗi mã . Chương 3.Mã trải p hổ Nội dung của ch ư ơng này trình bày quá trình t ạ o ra chuỗi mã giả ngẫu nhiên, cá c thuộc tính, tính chất của chuỗi mã . Bên cạnh đó trình bày một số chuỗi mã đặc biệt đ ã và đang được sử dụng trong cá c h ệ thống trải p hổ. Chương 4 Kết luận và hướng phát triển đề tài http://www.ebook.edu.vn 4 Chương 1 Các hệ thống trả i phổ t ron g c dma 1.1 Hệ thống t rải phổ chuỗi trực t iế p 1.1.1 Giới thiệu về hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct Sequence Spreading Spectrum). Tín hiệu DSSS nhận được khi điều chế (nhân) bản tin bằng một tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng. Tích này trở thành một tí n hiệu băng rộng. Hệ thống DS (nói chính xác là sự điều chế các dãy mã đã được điều chế thành dạng sóng điều chế trực tiếp) là hệ thống được biết đến nhiều nhất trong các hệ thống thông tin trải phổ. Chúng có dạng tương đối đ ơn giản vì chúng không yêu cầu tính ổn định nhanh hoặc tốc độ tổng hợp tần số cao. Hệ thống DS đó được áp dụng đối với các khoảng cách đa dạng như đo khoảng cách JPL bởi Golomb (thông tin số với ứng dụng khoảng cách ), Ngày nay kỹ thuật này được áp dụng cho các thiết bị đo có nhiều sự lựa chọn và nhiều phép t ính của dãy mã trong hệ thống thông tin, trong đo lường hoặc trong phòng thí nghiệm. Trong hệ thống trải phổ trực tiếp chúng ta nghiên cứu các máy phát và các máy thu cho các hệ thống DSSS sử dụng khoá chuyển pha cơ số hai (BPSK: Binary Phase Shift Keying) và khoá chuyển pha vuông góc (QPSK: Quadrature Phase Shift Keying). Ta cũng xét ảnh hưởng của tạp âm và gâ y nghẽn lên hoạt động của một hệ thống DSSS. Cuối cùng ta cũng nghiên cứu T c c http://www.ebook.edu.vn 5 ảnh hưởng của việc sử dụng chung kênh của nhiều người sử dụng: nhiễu giao thoa của nhiều người sử dụng và ảnh hưởng của truyền đa tia. Trong một hệ thống DSSS, một tí n hiệu liên tục theo thời gian được gọ i là tín hiệu PN được tạo ra từ chuỗi PN dùng để trải phổ. Giả thiết chuỗi PN này là cơ số hai, nghĩa là c i =± 1, thì tín hiệu PN này là : c(t)   c i P (t  iT ) c (1.1) trong đó P T là xung chữ nhật đơn vị được cho bởi phương trình : P T c   1  0  t  T c  =  0  t0, tT  (1.2) c C i được gọi là chíp và khoảng thời gian T c giây được gọi là thời gian chíp. Lưu ý rằng tín hiệu PN có chu kỳ là NT c . Một thí dụ của chuỗi này được cho ở hình 2.1 đối với N = 15 và {c i ,i = 0,1, . . . ., 14} = {1,1,1,-1,1,1,- 1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1}. Tín hiệu (chuỗi) PN còn được gọi là tín hiệu (chuỗi ) trải phổ, t ín hiệu (chuỗi) ngẫu nhiên và dạng sóng (chuỗi) của chữ ký (Signature). c(t) 1 -1 Một chu kỳ t N= 15; {c,i=0, ,14}={1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1} Hình 1.1Thí dụ về tín hiệu PN c(t) được tạo ra từ chuỗi PN có chu kỳ 15 c c 1.1.2 Hệ thống DSSS – BPSK a. Máy phát DSSS - BPSK Sơ đồ khối của máy phát DSSS sử dụng BPSK được cho ở hình 1.2. Bản tin cơ số hai d(t) bộ đ i ề u ch ế ( bp sk ) Tín hiệu DSSS-BPSK 2E Tín hiệu PN cơ số hai c(t) 2 E b b d(t)c(t) cos(2f t b t  ) cos( 2 f c t  ) t b Hình1.2 Sơ đồ khối của máy phát DSSS – BPSK Ta có thể biểu diễn số liệu hay bản tin nhận các giá trị ± 1 như sau: d k (t)    i   d k (i) P T b (t  iT b ) ) (1.3) Trong đó d k (i) = ± 1 là bít số liệu thứ i và T b là độ rộng của một bít s ố liệu (tốc đ ộ số liệu là 1/ T b bít/s). Tín hiệu d k (t) được trải phổ bằng t ín hiệ u PN c(t) bằng cách nhân hai tín hiệu này với nhau. Tín hiệu nhận được d(t)c(t) sau đó sẽ điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, kết quả cho ta tín hiệu DSSS - BPSK xác định theo công thức sau: s(t)  2E b d( t ) c ( t ) cos(2f T b t  ) ( 1.4 ) Trong đó E b là năng lượng trên một b ít của sóng mang, T b là độ rộng một bít, f c tần số mang và Ө là pha ban đầu của sóng mang. Thí dụ về các tín hiệu này được vẽ trên cùng một hình . Trong rất nhiều ứng dụng một bít bản tin bằng một chu kỳ của tín h iệu PN, nghĩa là T b = NT c . Ta sử dụng giả thiết này cho các hệ thống DSSS trong c=(t- Đồng b ộ tín hiệu PN Bộ t ạ o t í n hiệu PN n ội ) c i toàn bộ thuyết minh , nếu như không có đị nh nghĩa khác. Trong trường hợp hình 1.3 ta sử dụng N = 7. Ta có thể thấy rằng tích của d(t)c(t) cũng là mộ t tín hiệu cơ số hai có biên độ ± 1, có cùng tần số với tín hiệu PN. Tín hiệ u DSSS -BPSK nhận được được vẽ ở đồ thị cuối cùng của hình1.3. d(t) 1 0 -1 c(t) 1 0 t Tb 2Tb 3Tb Một chu kỳ t -1 Tc d(t)c(t 1 0 -1 Tc NTc (Giả thiết là N=7; Tb=NTc) NTc 2NTc t 2NTc s(t) 1 0 -1 Tc NTc t 2NTc (Hình vẽ này cho sóng mang có = -/2 và fc=1/Tc) Hình 1.3 Giản đồ của máy phát DSSS – BPSK b. Máy thu DSSS - BPSK Sơ đồ khối của máy thu DSSS - BPSK đ ược cho ở hình 1.4. ĐHKH: Đồng hồ ký hiệu SM: Sóng mang Khôi phụ c đ hkh 2 cos(2f T b t  ' ) s( t  )  2E br T b d(t  )c(t  ) Khôi phục t sm x cos(2f c t  ' ) w( t ) t i T b  Z i (.)d(t) t ) 1 hoặc -1 bộ giải điề u chế bpsk c Hình 1.4 Sơ đồ máy thu DSSS - BPSK Mục đích của máy thu này là lấy ra bản tin d k (t) (số liệu {di}) từ tí n hiệu thu được bao gồm tín hiệu được phát cộng v ới tạp âm. Do tồn tại t rễ truyền lan ụ nên tín hiệu thu là : r(t) = s(t   )  n(t) = 2E b d(t  )c(t  ) cos(2fc(t  )  ' ) T b  n(t ) (1.5) Trong đó E br là năng l ượng trung bình của sóng mang trên một bít, n(t) là tạp âm của kênh và đầ u vào máy thu. s(t- ) 1 0 -1 NTc NTc t NTc t 0 t 1 t 2 t 3 c(t- ) 1 0 t -1 t 0 w(t) t - a Hình 1.5 Giản đồ của máy thu DSSS - BPSK Để giải thích qu á trình khôi phục lại bản tin ta giả thiết rằng không c ó tạp âm. Tr ước hết tín hiệu thu đ ược trải phổ để giảm băng tần rộng vào băng tần hẹp. Sau đó nó được giải điều chế để nhận được tín hiệu băng gốc. Để giải trải phổ tín hiệu thu được nhân với tín hiệu (đồng bộ) PN c(t-ụ) được tạo ra ở máy thu, ta được: w(t)  2E b d(t  )c 2 (t  ) cos(2fct  ' ) T b (1.6)  2E b d(t  ) cos(2f T b t  ' ) c = Vì c(t) bằng ± 1, trong đó Ө’= Ө -2ðf c ụ. Tín hiệu nhận được là một tí n hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần theo Niquist là 1/T b . Để giải điều chế ta giả thiết rằng máy thu biết được pha Ө’ (và tần số f c ) cũng như điểm khởi đầu của từng b ít. Một bộ giải điều chế BPSK bao gồm một bộ tương quan( Correlator) hai bộ lọc phối hợp (Matched Filter) đi sau là một thiết bị đ ánh giá ngưỡng. Để tách ra bít số liệu thứ i, bộ tương quan tính toán: z i  t i T b  t i w(t) 2 cos(2fct  ' ) d(t) T b  ( 2E b T b t i T b  d(t  ) cos 2 (2f t i t  ' )d(t) t i  T b E  d (t   )   1  cos 2 (2 f t  2  ') d ( t ) br c t i (1.7)  E br d (t   )   E br Trong đó t i = iT b + ụ là thời điểm đầ u của bít thứ i. Vì d(t- ụ ) là +1 hoặ c -1 trong thời gian một b ít, nên thành phần thứ nhất của tích phân sẽ cho ta T b hoặc -T b . Thành phần thứ hai là thành phần nhân đôi tần số nên sau tích phân gần bằng 0. Vậy kết quả cho Z i = E b r hay- E br . Cho kết quả này qua thiết bị đánh giá ngưỡng (hay bộ so sánh) với ngưỡng 0, ta được đầu ra cơ số hai 1 hay -1. ngoài thành phần tín hiệu ± E br , đầu của bộ tích phân cũng c ó thành phần tạp âm có thể gây ra lỗi. Lưu ý rằng ở hình 1.5 thứ tự giữa nhân tín hiệu PN và nhân sóng mang có thể đ ổ i lẫn mà không làm thay đổi kết quả. T ín hiệu PN đóng vai trò như một “ mã” đ ược biết t rước cả ở máy ph át lẫn máy thu chủ định. Vì máy thu chủ định biết tr ước mã nên có thể giải [...]... chất lượng của hệ thống 1.2 Các hệ thống trải phổ nhảy tần 1.2.1 Giới thiệu về hệ thống trải phổ nhảy tần Hệ thống trải phổ nhảy tần FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Được định nghĩa là nhảy hay chuyển đổi tần số sóng mang ở một tập hợp các tần số theo mẫu được xác định bởi chuỗi giả tạp âm PN Trong các hệ thống thông tin kiểu trải phổ nhảy tần FH, mã trải phổ giả tạp âm không trực tiếp điều chế... thống trải phổ nhảy thời gian 1.3.1 Khái niệm hệ thống trải phổ nhảy thời gian Hệ thống trải phổ nhảy thời gian THSS (Time Hopping Spread Spectrum) Đó là hệ thống mà bit cần truyền được chia thành các khối k bit, mỗi khối được phát đi một cách ngẫu nhiên trong các cụm của các khe thời gian Khe thời gian được chọn để phát cho mỗi cụm được định nghĩa bằng chuỗi PN, ở đây không phải là chuỗi ±1 giống như trong. .. 2 k tần số cũng mang tính ngẫu nhiên Phổ của tín hiệu nhảy tần có bề rộng như của sóng mang đã được điều chế chỉ khác là nó bị dịch tần đi 1 khoảng bằng tần số dao động do bộ tổng hợp tần số tạo ra và nhỏ hơn rất nhiều so với độ rộng băng trải phổ WSS Tuy nhiên tính trung bình trên nhiều bước nhảy thì phổ của tín hiệu nhảy tần lại chiếm toàn bộ bề rộng băng trải phổ WSS này Tốc dộ nhảy tần có thể nhanh... liệu là ‘0’ hay ‘1’ 1.2.2 Nhảy tần nhanh với điều chế M- FSK Dạng tổng quát của FSK cơ hai là FSK M trạng thái trong đó M tần số được sử dụng để biểu thị log2(M) bit số hiệu Với trải phổ FH, tần số phát nhảy trên một luợng lớn các tần số, chẳng hạn 2 j M tần số, trong đó j là số bit đưa từ bộ tạo mã PN đến bộ tổng hợp tần số Có thể sử dụng cùng máy phát và máy thu như ở hình (1.4), trừ trường hợp bộ điều... mỗi cụm được định nghĩa bằng chuỗi PN, ở đây không phải là chuỗi ±1 giống như trong hệ thống DSSS, nó chỉ có nhiệm vụ xác định mẫu nhảy khe thời gian 1.3.2 Nguyên lý của hệ thống trải phổ nhảy thời gian Trong một hệ thống trải phổ nhảy thời gian (THSS: Time Hopping Spread Spectrum) số liệu được phát thành các cụm Mỗi cụm gồm k bit số liệu và thời gian chính xác để phát mỗi cụm đuợc xác định bởi một chuỗi... Đầu này chứa hoặc tần số f’ (Hz )hoặc f’ + f (Hz) Vì b không thay đổi trong thời gian T của một bit, nên trong khoảng thời gian này tín hiệu w(t) có tần số không đổi Như vậy trong khoảng thời gian T giây bộ giải điều chế FSK tách ra tần số này và tạo ra đầu ra cơ số 2 hoặc là 0 hoặc 1 Một cách khác ta có thể tách ra tần số chứa trong w(t) cho từng đoạn nhảy để nhận được T/Th các giá trị cho từng bước... chế, nhưng nó được sử dụng để điều khiển bộ tổng hợp tần số Tại mỗi thời điểm nhảy tần bộ tạo mã giả tạp âm đưa ra 1 đoạn k chip mã để điều khiển bộ tổng hợp tần số, dưới sự điều khiển của đoạn k chip mã này bộ tổng hợp tần số sẽ nhảy sang và làm việc tại tần số tương ứng thuộc tập 2k tần số Mỗi đoạn gồm k chip mã được gọi là một từ tần số, bởi vậy sẽ có 2 k từ tần số Do các từ tần số suất hiện ngẫu nhiên... M/Th Thời gian Th Ts Số liệu (Sau trải phổ) 0 00 11 1 1 0 1 1 M/Th Thời gian Hình1.11Biểu đồ cho hệ thống nhảy tần nhanh với điều chế M-FSK với M=4 Tần số trục đứng được chia thành 2j nhóm 4 tần số, j bit của chuỗi PN sẽ xác định tần số nào trong 4 tần số của nhóm sẽ được sử dụng Vì thế 2 bit từ luồng số liệu và j bit chuỗi PN sẽ xác định chính xác tần số nào sẽ được phát trong mỗi đoạn nhảy Do tần số.. .trải phổ tín hiệu SS để nhận được bản tin Mặt khác một máy thu không chủ định không biết được mã, vì thế ở các điều kiện bình thường nó không thể “giải mã bản tin Điều này thể hiện rõ ở phương trình (1.4), do c(t) nên máy thu không chủ định chỉ nhìn thấy một tín hiệu ngẫu nhiên... tần : Tần số của FH không thay đổi trong một đoạn nhảy Trong toàn bộ khoảng thời gian, tín hiệu phát nhảy ở tất cả J tần số, vì thế nó chiếm độ rộng băng tần là: BFFH  jf (Hz) (1.17) Để tính toán độ lợi xử lý ta đã biết rằng độ rộng băng tần kênh cần thiết để truyền số liệu bằng 1 T b , nên G p là tỷ số giữa độ rộng băng tần kênh cần thiết để truyền tín hiệu trải phổ với độ rộng băng tần kênh cần . http://www.ebook.edu.vn 1 LUẬN VĂN ĐỀ TÀI " Mã trải phổ trong CDMA" http://www.ebook.edu.vn 2 Lời nói đầu Cùng với sự phát triển của cá c nghành khoa học trong. đó, để tìm hiểu rõ hơn về cấu trúc tạo mã trải phổ trong CDMA tôi lựa chọn đề tài “ m ã trải phổ trong CDMA ” . Mặc dù đây là một công