Chương 4 Các Hệ Thống Trải Phổ Chuỗi Trực Tiếp Giáo Trình Đa Truy Nhập Vô Tuyến.pdf

Ch­ng 3 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 95 CHƯƠNG 4 CÁC HỆ THỐNG TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP 4 1 GIỚI THIỆU CHUNG 4 1 1 Các chủ đề được trình bày trong chương  Mã giả tạp âm sử dụng trong DSSS  Hệ thống DSSS B[.]

TS Nguyễn Phạm Anh Dũng CHƯƠNG CÁC HỆ THỐNG TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 4.1 Các chủ đề trình bày chương       Mã giả tạp âm sử dụng DSSS Hệ thống DSSS-BPSK Hệ thống DSSS-QPSK Đồng mã Ảnh hưởng tạp ân Gauss trắng cộng nhiễu phá Ảnh hưởng nhiễu giao thoa đa đường 4.1.2 Hướng dẫn  Học kỹ tư liệu trình bầy chương  Tham khảo thêm [1] [2]  Trả lời câu hỏi tập cuối chương 4.1.3 Mục đích chương  Hiểu sở hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp  Hiểu nguyên lý làm việc máy phát máy thu DSSS-BPSK QPSK  Hiểu hiệu hệ thống DSSS 4.2 MÃ GIẢ TẠP ÂM SỬ DỤNG TRONG DSSS Như đề cập chương 3, ta dùng mã "ngẫu nhiên" để trải phổ tin phía phát giải trải phổ tín hiệu thu phía thu Mã "ngẫu nhiên" đóng vai trị trung tâm hệ thống SS Tuy nhiên mã thực ngẫu nhiên chí máy thu chủ định khơng thể lấy tin khơng thể biết phương pháp để đồng với mã thực ngẫu nhiên, dẫn đến hệ thống trở nên vô dụng Vì phải thay mã giả ngẫu nhiên Đây mã tất định biết trước máy thu chủ định Nhưng thể 95 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng giống tạp âm máy thu không chủ định Mã thường gọi chuỗi giả tạp âm (PN: Pseudo-Noise) Các chuỗi PN ta khảo sát kỹ chương Chuỗi PN chuỗi số lặp lại theo chu kỳ định Ta sử dụng {ci , i= số nguyên}  { ,c-1 , c0 , c1 , } để biểu thị chuỗi PN Giả sử N chu kỳ cho ci + N = ci Đôi ta gọi N độ dài chuỗi PN chuỗi tuần hoàn mở rộng tuần hồn chuỗi có độ dài N Để chuỗi {ci} chuỗi giả tạp âm tốt, giá trị ci phải độc lập với giá trị cj i  j Để đảm bảo điều lý tưởng chuỗi nói không lặp lại, nghĩa chu kỳ phải  Trong thực tế chuỗi PN phải tuần hồn nên chu kỳ phải lớn để đạt thuộc tính ngẫu nhiên tốt Trong hệ thống DSSS, tín hiệu liên tục theo thời gian gọi tín hiệu PN tạo từ chuỗi PN dùng để trải phổ Giả thiết chuỗi PN số hai, nghĩa c i =  1, tín hiệu PN c(t) c i pT (t c iTc ) (4.1) i pTc(t) xung chữ nhật đơn vị cho phương trình (2.13), ci gọi chip khoảng thời gian Tc giây gọi thời gian chip Lưu ý tín hiệu PN có chu kỳ NTc Một thí dụ chuỗi cho Hình 4.1 N = 15 {ci , i = 0, 1, , 14} = {1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, -1} Tín hiệu (chuỗi) PN cịn gọi tín hiệu (chuỗi) trải phổ, tín hiệu (chuỗi) ngẫu nhiên, dạng sóng (chuỗi) chữ ký (Signature) Mét chu kú c(t) t -1 N=15; {ci , i = 0, , 14} = {1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1} Hình 4.1 Thí dụ tín hiệu PN c(t) tạo từ chuỗi PN có chu kỳ 15 Để tiện cho việc khảo sát, ta lập mơ hình tín hiệu PN tín hiệu số hai giả ngẫu nhiên, nghĩa ta coi ci +1 hay -1 với xác suất nhau, ci cj độc lập với i j Khi hàm tự tương quan : Rc ( ) Tc ( ) , Tc Tc 0, nÕu kh¸c (4.2) 96 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng mật độ phổ công suất (PSD) xác định : c (f) = Tc sinc2(fTc) (4.3) Nói cách chặt chẽ, tín hiệu PN thực chất tín hiệu tất định; nên tính hàm tự tương quan với T = NTc Rc ( ) NTc NTc c t c(t)dt Hàm tự tương quan nhận hàm tuần hồn có chu kỳ NTc Các chuỗi- m chuỗi có độ dài cực đại nghiên cứu kỹ chương Một chuỗi m có chu kỳ N có hàm tự tương quan chuẩn hoá cho biểu thức sau: R c (i) 1, i N 1 N c jc j i N j 0, N, 2N (4.4) , nÕu kh¸c Biểu thức vẽ hình 4.2a a) Hàm tự tương quan cho chuỗi m R c (i) -1/N -N b) Hàm tự tương quan chuỗi PN N i Rc ( ) -1/N -NTc NTc t Hình 4.2 Hàm tự t-ơngquan tín hiệu PN nhận đ-ợc từ chuỗi m Tớn hiu PN tương ứng hàm tự tương quan tuần hoàn với chu kỳ NT c với chu kỳ thứ cho biểu thức: Rc NTc NTc c t c t dt 97 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng T c , N (1 N ), Tc , Tc (4.5) NTc 1  1   Tc (t )  N  N (4.6) Biểu thức có dạng tam giác vẽ hình 4.2b Lưu ý giá trị N lớn, biểu thức (4.6) gần biểu thức (4.2) Vì xét đến thuộc tính tự ngẫu nhiên chuỗi trở thành chuỗi ngẫu nhiên N  Để đơn giản, chủ yếu sử dụng hàm tam giác ptr (4.2) hàm tự tương quan cho tín hiệu PN biểu thức (4.3) cho PSD Các thuộc tính chuỗi m kiểu chuỗi PN khác khảo sát chương 4.3 CÁC HỆ THỐNG DSSS- BPSK 4.3.1 Máy phát DSSS- BPSK Sơ đồ khối máy phát DS/SS sử dụng BPSK cho phần hình 4.3 Ta biểu diễn số liệu hay tin nhận giá trị 1 sau: d(t) d i pT (t b (4.7) iTb ) i di = 1 bit số liệu thứ i Tb độ rộng bit số liệu (tốc độ số liệu Rb= 1/Tb bps) Tín hiệu d(t) trải phổ tín hiệu PN c(t) cách nhân hai tín hiệu với Tín hiệu nhận d(t)c(t) sau điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, kết cho ta tín hiệu DSSS-BPSK xác định theo cơng thức sau: s(t) = 2E b Tb d(t)c(t) cos [2fct + 0+ (t)] (4.8) Eb lượng bit sóng mang, Tb độ rộng bit, fc tần số mang 0 pha ban đầu sóng mang, (t)=+(t) : 98 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 0, , (t) nÕu nÕu c(t)d(t) c(t)d(t) 1, (4.9) Như góc pha (t) nhận giá trị 0 0+ Phần hình 4.3 cho thể dạng tín hiệu xử lý máy phát DSSS-BPSK với giả thiết sau : N=7, Tb=7Tc, fc=1/Tc 0=0 Trong nhiều ứng dụng bit tin chu kỳ tín hiệu PN, nghĩa Tb = NTc Ta sử dụng giả thiết cho hệ thống DSSS toàn giáo trình, khơng có định nghĩa khác Trong trường hợp Hình 4.3 ta sử dụng N = Ta thấy tích d(t)c(t) tín hiệu số hai có biên độ 1, có tần số với tín hiệu PN Tín hiệu DSSS-BPSK nhận được vẽ đồ thị cuối Hình 4.3 Bộ điều chế (BPSK) Bản tin số hai d(t) Tín hiệu PN số hai c(t) s(t) = 2E 2Eb b cos(2 fc t + ) cos(2πf t + φ0 ) c TTb b Tb 2Tb d(t) -1 Tín hiệu DSSS-BPSK d(t)c(t) 2Eb d(t)c(t)cos(2πfc t + 0 ) Tb 3Tb t Một chu kỳ t c(t) -1 Tc NTc (Giả thiết N=7 Tb=NTc) 2NTc t d(t)c(t) -1 Tc NTc 2NTc 2Eb Tb s(t)  2Eb Tb t Tc NTc 2NTc ( hình vẽ cho sóng mang có j0=0 fc=1/Tc) Hình 4.3 Sơ đồ khối máy phát DSSS-BPSK 99 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 4.3.2 Máy thu DSSS-BPSK Sơ đồ khối máy thu DSSS- BPSK cho Hình 4.4 Khơi phục ĐH KH Khôi phục SM cos(2πfc (t - t) + φ) Tb ti ti Lấy mẫu Quyết định ´ y(t) r(t ) n(t) c(t Đồng tín hiệu PN sr (t) U(t) W(t) t i Tb (.)dt z + - ti ) ˆ d(t) Bộ giải điều chế BPSK Bộ tạo TH PN nội 2E b Tb t sr (t) 2E b Tb t0 Tb NTc t1 Tb NTc t2 Tb NTc t3 c(t ) -1 t t0 2E b Tb t w(t) 2E b Tb Tb NTc t1 Tb NTc t2 Tb NTc t3 ĐHKH: Đồng ký hiệu, SM: Sóng mang Hình 4.4 Sơ đồ máy thu DSSS-BPSK Mục đích cuả máy thu lấy tin d(t) (số liệu {di}) từ tín hiệu thu bao gồm tín hiệu phát cộng với tạp âm Do tồn trễ truyền lan t nên tín hiệu thu là: 100 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng r(t)= r(t ) 2E br n(t) Tb d(t )c(t ) cos[2 fc (t ) ] n(t) (4.10) Ebr=Eb/Lp lượng bit bit thu, Lp suy hao đường truyền,  trễ truyền lan, fc , 0 pha ban đầu, n(t) tạp âm kênh đầu vào máy thu Để giải thích q trình khơi phục lại tin ta giả thiết khơng có tạp âm hệ thống đồng mã đồng sóng mang Trước hết tín hiệu thu trải phổ để giảm băng tần rộng vào băng tần hẹp Sau giải điều chế để nhận tín hiệu băng gốc Để giải trải phổ tín hiệu thu nhân với tín hiệu (đồng bộ) PN c(t-t) tạo máy thu, với ký hiệu = 0-2fct ta được: 2E br d(t-t)c2(t-t)cos(2fct +) Tb w(t) = 2E br d(t-t)cos(2fct +) Tb = Vì d(t) 1, (4.11) fc Tín hiệu nhận tín hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần theo Niquist 1/Tb Để giải điều chế ta giả thiết máy thu biết pha 0 (và tần số fc) điểm khởi đầu bit Một giải điều chế BPSK bao gồm tương quan (Correlator) hai lọc phối hợp (Matched Filter) sau thiết bị đánh giá ngưỡng Để tách bit số liệu thứ i, tương quan tính tốn: t i Tb z t i Tb u(t)dt W(t) ti ti E br Tb E br Tb ti cos fc t Tb dt Tb d(t ) cos (2 fc t )dt Ttbi ti d(t )1 cos(4 fc t ) dt ti  E br d( t  t)   E br (4.12) ti = iTb + t thời điểm đầu bit thứ i Vì d(t-t) khơng đổi thời gian bit, nên thành phần thứ tích phân cho ta d(t-t) Thành phần thứ hai thành phần 101 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng nhân đôi tần số nên sau tích phân gần Vậy kết cho zi = E br hay - E br Cho kết qua thiết bị đánh giá ngưỡng (hay so sánh) với ngưỡng 0, ta đầu số hai hay -1 Ngoài thành phần tín hiệu  E br , đầu tích phân có thành phần tạp âm gây lỗi Lưu ý hình 4.4 thứ tự nhân tín hiệu PN nhân sóng mang đổi lẫn mà khơng làm thay đổi kết Tín hiệu PN đóng vai trị "mã" biết trước máy phát lẫn máy thu chủ định Vì máy thu chủ đinh biết trước mã nên giải trải phổ tín hiệu SS để nhận tin Mặt khác máy thu khơng chủ định khơng biết mã, thể điều kiện bình thường khơng thể "giải mã" tin Điều thể rõ phương trình (4.8), c(t) nên máy thu khơng chủ định nhìn thấy tín hiệu ngẫu nhiên 1 Ta giả thiết máy thu biết trước số thông số sau : t, ti , 0 fc Thông thường máy thu biết tần số mang fc, nên tạo cách sử dụng dao động nội Nếu có khác biệt tần số dao động nội tần số sóng mang, tần số gần với fc tạo theo dõi tần số xác mạch vịng hồi tiếp, vịng khố pha chẳng hạn Máy thu phải nhận thông số khác t, ti 0 từ tín hiệu thu Quá trình nhận t gọi trình đồng bộ, thường thực hai bước: bắt bám Quá trình nhận ti gọi trình khơi phục đồng hồ (định thời) ký hiệu (Symbol Timing Recovery) Cịn q trình nhận 0 (cũng fc) gọi q trình khơi phục sóng mang Việc khơi phục sóng mang đồng hồ cần thiết máy thu thông tin số liệu đồng chúng xét hầu hết tài liệu thông tin Khi Tb /Tc = N (chu kỳ chuỗi PN), nhận định thời ký hiệu ti biết t Hình 4.4 cho thấy đồng bộ, khôi phục đồng hồ sóng mang Ta khảo sát cách ngắn gọn trường hợp hệ thống không đồng cách xét ảnh hường sai pha sóng mang sai pha mã máy thu trường hợp Giả thiết máy thu sử dụng cos(2fct +  + ) thay cho cos(2fct + ) cho giải điều chế sử dụng c(t-t') làm tín hiệu PN nội, nghĩa sóng mang có sai pha  tín hiệu PN có sai pha t-t' Khi zi là: 102 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng z 2E br ti Tb E br Tb Tb d t c(t )c t c t c t ' cos fc (t ti ti ) Tb cos fc (t ) dt Tb cos ' dt ti   Ebr cos    Rc (t  t ') (4.13) dịng thứ hai rút tự lập luận d(t-t) không đổi khoảng thời gian lấy tích phân tích phân thành phần tần số nhân đơi Vì |z| cực đại  = t - t' =0 Nếu |t-t'|>Tc hay || = /2, z = máy thu vô dụng Khi |t-t'|