kỹ thuật trải phổ

HC VIN CÔNG NGH BU CHÍNH VIN THÔNG LÝ THUYT TRI PH VÀ A TRUY NHP VÔ TUYN (Dùng cho sinh viên h đào to đi hc t xa) Lu hành ni b HÀ NI - 2006 HC VIN CÔNG NGH BU CHÍNH VIN THÔNG LÝ THUYT TRI PH VÀ A TRUY NHP VÔ TUYN Biên son : TS. NGUYN PHM ANH DNG Li nói đu i LI NÓI U Các công ngh đa truy nhp là nn tng ca các h thng thông tin đa truy nhp vô tuyn nói chung và thông tin di đng nói riêng. Các công ngh này cho phép các h thng đa truy nhp vô tuyn phân b tài nguyên vô tuyn mt cách hiu sut cho các ngi s dng. Tu thuc vào vic s dng tài nguyên vô tuyn đ phân b cho các ngi s dng mà các công ngh này đc phân chia thành: đa truy nhp phân chia theo tn s (FDMA), đa truy nhp phân chia theo thi gian (TDMA), đa truy nh p phân chia theo mà (CDMA) và đa truy nhp phân chia theo không gian (SDMA). Các h thng thông tin di đng mi đu s dng kt hp c bn công ngh đa truy nhp này đ phân b hiu qu nht tài nguyên cho các ngi s dng. Công ngh đa truy nhp phân chia theo mã vi nhiu u vit so vi các công ngh khác nên ngày càng tr thành công ngh đa truy nhp chính. Công ngh đa truy nhp CDMA đc xây dng trên c s k thut tri ph . K thut tri ph đã đc nghiên cu và áp dng trong quân s t nhng nm 1930, tuy nhiên gn đây các k thut này mi đc nghiên cu và áp dng thành công trong các h thng tin vô tuyn t ong. Các phn t c bn ca mi h thng tri ph là các chui gi ngu nhiên. Có th coi rng Sol Golomb là ngi đã dành nhiu nghiên cu toán hc cho vn đ này trong các công trình ca ông vào nh ng nm 1950. Ý nim đu tiên v đa truy nhp tri ph phân chia theo mã (SSCDMA: Spread Spectrum Code Division Multiple Access) đã đc R.Price và P.E.Green trình by trong bài báo ca mình nm 1958. Vào đu nhng nm 1970 rt nhiu bài báo đã ch ra rng các h thng thông tin CDMA có th đt đc dung lng cao hn các h thng thông tin đa truy nhp phân chia theo thi gian (TDMA: Time Division Multiple Access).Các h thng tri ph chui trc tip đã đc xây dng vào nhng nm 1950. Thí d v các h thng đu tiên là: ARC-50 ca Magnavox và các h thng thông tin vô tuyn v tinh OM-55, USC-28. Trong các bài báo ca mình (nm 1966) các tác gi J.W.Schwartz, W.J.M.Aein và J. Kaiser là nhng ngi đu tiên so sánh các k thut đa truy nhp FDMA, TDMA và CDMA. Các thí d khác v các h thng quân s s dng công ngh CDMA là v tinh thông tin chin thut TATS và h thng đnh v toàn cu GPS.  M các vn đ v cn kit dung lng thông tin di đng đã ny sinh t nhng nm 1980. Tình trng này đã to c hi cho các nhà nghiên cu  M tìm ra mt phng án thông tin di đng s mí.  tìm kim h thng thng tin di đng s mi ngi ta nghiên cu công ngh đa thâm nhp phân chia theo mã trên c s tri ph (CDMA). c thành lp vào nm 1985, Qualcom, sau đó đc gi là "Thông tin Qualcom" (Qualcom Communications) đã phát trin công ngh CDMA cho thông tin di đng và đã nhn đc nhiu bng phát minh trong lnh vc này. Lúc đu công ngh này đc đón nhn mt cách dè dt do quan nim truyn thng v vô tuyn là mi cuc thai đòi hi mt kênh vô tuyn riêng. n nay công ngh này đã tr thành công ngh thng tr  Bc M và nn tng ca thông tin di đng th h ba. Qualcom đã đa ra phiên bn CDMA đu tiên đc gi là IS-95A. Hin nay phiên bn mi IS-2000 và W-CDMA đã đc đa ra cho h thng thông tin di đng th 3. Trong lnh vc thông tin di đng v tinh càng ngày càng nhiu h thng tip nhn s dng công ngh CDMA. Các thí d đin hình v vic s dng công ngh này cho thông tin v tinh là: H thng thông tin di đng v tinh qu đo thp (LEO: Low Earth Orbit) Loral/Qualcom Global Li nói đu ii Star s dng 48 v tinh, H thng thông tin di đng v tinh qu đo trung bình (MEO: Medium Earth Orbit) TRW s dng 12 v tinh. Mt trong các hn ch chính ca các h thng CDMA hin này là hiu nng ca chúng ph thuc vào nhiu ca các ngi s dng cùng tn s, MUI (Multi user Interference). ây là lý do dn đn gim dung lng và đòi hi phi điu khin công sut nhanh. Các máy thu liên kt đa ngi s d ng (MUD: Multi User Detector) s cho phép các h thng CDMA mi dn khc phc đc các nhc đim này và cho phép CDMA t rõ đc u đim vt tri ca nó. Gn đây mt s công ngh đa truy nhp mi nh: đa truy nhp phân chia theo tn s trc giao (OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access) và CDMA đa sóng mang (MC CDMA: Multicarrier CDMA) cng tr thành đ tài nghiên cu ca nhiu trng đi hc và các phòng thí nghim trên th gii. ây là các phng pháp đa truy nhp mi đy trin vng. iu ch OFDM là c s đ xây dng OFDMA đã đc công nhn là tiêu chun cho WLAN 802.11 và HIPERLAN. Trong tng lai hai công ngh đa truy nhp này rt có th s tìm đc các ng dng mi trong các h thng thông tin đa truy nhp vô tuyn bng rng đa phng tin và di đng th h sau. Tài liu bao gm các bài ging v môn hc "Lý thuyt tri ph và đa truy nhp vô tuyn" đc biên son theo chng trình đi hc công ngh vin thông ca Hc vin Công ngh Bu chính Vin thông. Mc đích ca tài liu là cung cp cho sinh viên các kin thc cn bn nht v các phng pháp đa truy nhp vô tuyn và lý thuyt tri ph đ có th tip cn các công ngh thông tin vô tuyn di đng mi đang và s phát trin rt nhanh. Tài liu này đc xây d ng trên c s sinh viên đã hc các môn: Anten và truyn sóng, Truyn dn vô tuun s. Tài liu là c s đ sinh viên hc các môn hc: Thông tin di đng, Thông tin v tinh và các H thng thông tin đa truy nhp vô tuyn khác nh WLAN. Do hn ch ca thi lng nên tài liu này ch bao gm các phn cn bn liên quan đn các kin thc c s v lý thuyt tri ph và đa truy nhp. Tuy nhiên hc k tài liu này sinh viên có th hoàn chnh thêm kin thc cu môn hc bng cách đc các tài liu tham kho dn ra  cui tài liu này. Tài liu này đc chia làm sáu chng. c kt cu hp lý đ sinh viên có th t hc. Mi chng đu có phn gii thiu chung, ni dung, tng kt, câu hi vài bài tp. Cui tài liu là đáp án cho các bài tp. Ngi biên son: TS. Nguyn Phm Anh Dng Chng 1. Tng quan các phng pháp đa truy nhp vô tuyn 1 CHNG 1 TNG QUAN CÁC PHNG PHÁP A TRUY NHP VÔ TUYNVÀ K THUT TRI PH 1.1. GII THIU CHUNG 1.1.1. Các ch đ đc trình by trong chng • Tng quan FDMA • Tng quan TDMA • Tng quan CDMA • Tng quan SDMA • So sánh dung lng các h thng FDMA, TDMA và CDMA 1.1.2. Hng dn • Hc k các t liu đc trình by trong chng này • Tham kho thêm [2] • Tr li các câu hi và bài tp cui chng 1.1.3. Mc đích chng • Hiu đc tng quan các phng pháp đa truy nhp • Hiu cách so sánh đc dung lng ca các h thng đa truy nhp khác nhau 1.2. M U Các phng thc đa truy nhp vô tuyn đc s dng rng rãi trong các mng thông tin di đng. Trong chng này ta s xét tng quan các phng pháp đa truy nhp đc s dng trong thông tin vô tuyn. Ngoài ra ta cng xét k thut tri ph nh là k thut c s cho các h thng thông tin di đng CDMA. Mô hình ca mt h thng đa truy nhp đc cho  hình 1.1. Chng 1. Tng quan các phng pháp đa truy nhp vô tuyn 2 Hình 1.1. Các h thng đa truy nhp: a) các đu cui mt đt và b phát đáp, b) các trm di đng và các trm gc. Thông thng  mt h thng thông tin đa truy nhp vô tuyn có nhiu trm đu cui và mt s các trm có nhim v kt ni các trm đu cui này vi mng hoc chuyn tip các tín hiu t các trm đu cui đn m t trm khác. Các trm đu cui  trong các h thng thng tin di đng mt đt là các máy di đng còn các trm đu cui trong các h thng thông tin v tinh là các trm thông tin v tinh mt đt. Các trm kt ni các trm đu cui vi mng hoc chuyn tip các tín hiu t các trm đu cui đn các trm khác là các trm gc trong thông tin di đng mt đt hoc các b phát đáp trên v tinh trong các h thng thông tin v tinh. Do vai trò ca trm gc trong thông tin di đng mt đt và b phát đáp v tinh cng nh máy di đng và trm mt đt ging nhau  các h thng đa truy nhp vô tuyn nên trong phn này ta s xét chúng đi ln cho nhau. Trong các h thng thông tin đa truy nhp vô tuyn bao gi cng có hai đng truyn: mt đng t các trm đu cui đn các trm gc hoc các tr m phát đáp, còn đng khi theo chiu ngc li. Theo quy c chung đng th nht đc là đng lên còn đng th hai đc gi là đng xung. Các phng pháp đa truy nhp đc chia thành bn loi chính: ̇ a truy nhp phân chia theo tn s (FDMA: Frequency Division Multiple Access). ̇ a truy nhp phân chia theo thi gian (TDMA: Time Division Multiple Access). ̇ a truy nhp phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiple Access). ̇ a truy nhp phân chia theo không gian (SDMA: Space Division Access). Các phng pháp đa truy nhp c bn nói trên có th kt hp vi nhau đ to thành m t phng pháp đa truy nhp mi. Các phng pháp đa truy nhp đc xây dng trên c s phân chia tài nguyên vô tuyn cho các ngun s dng (các kênh truyn dn) khác nhau. Chng 1. Tng quan các phng pháp đa truy nhp vô tuyn 3 Nguyên lý ca ba phng pháp đa truy nhp c bn đu tiên đc cho  hình 1.2. Mi kênh ngi s dng vô tuyn trong h thng vô tuyn t ong mt đt hay mt tram đu cui trong h thng thông tin v tinh đa trm s dng mt sóng mang có ph nm trong bng tn ca kênh vào thi đim hot đng ca kênh. Tài nguyên dành cho kênh có th đc trình by  dng mt hình ch  nht trong mt phng thi gian và tn s. Hình ch nht này th hin đ rng ca kênh và thi gian hot đng ca nó (hình 1.2). Khi không có mt quy đnh trc các sóng mang đng thi chim hình ch nht này và gây nhiu cho nhau.  tránh đc can nhiu này các máy thu ca trm gc (hay các pháy thu cu các trm phát đáp trên v tinh) và các máy thu ca các trm đu cui phi có kh nng phân bit các sóng mang thu đc.  đt đc s  phân bit này các tài nguyên phi đc phân chia: ̇ Nh là hàm s ca v trí nng lng sóng mang  vùng tn s. Nu ph ca sóng mang chim các bng tn con khác nhau, máy thu có th phân bit các sóng mang bng cách lc. ây là nguyên lý đa truy nhp phân chia theo tn s (FDMA: Frequency Division Multiple Access, hình 1.2a). ̇ Nh là hàm v trí thi gian ca các nng lng sóng mang. Máy thu thu ln lt các sóng mang cùng tn s theo thi gian và phân tách chúng bng cách m cng ln lt theo thi gian thm chí c khi các sóng mang này chim cùng mt bng tn s. ây là nguyên lý đa truy nhp phân chia theo thi gian (TDMA: Time Division Multiple Access; hình 1.2b). ̇ Nh là hàm ph thuc mã ca các nng lng sóng mang. Máy thu thu đng thi các sóng mang cùng tn s và phân tách chúng bng cách gii mã các sóng mang này theo mã mà chúng đc phát. Do mi kênh hay ngun phát có mt mã riêng nên máy thu có th phân bit đc sóng mang thm chí tt c các sóng mang đng thi chim cùng mt tn s. Mã phân bit kênh hay ngun phát thng đc thc hin bng các mã gi tp âm (PN: Pseudo Noise Code). Phng pháp này đc gi là đa truy nhp phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiple Access; hình 1.2c). Vic s dng các mã này dn đn s m rng đáng k ph tn ca sóng mang so vi ph mà nó có th có khi ch đc điu ch bi thông tin hu ích. ây cng là lý do mà CDMA còn đc gi là đa truy nhp tri ph (SSMA: Spread Spectrum Multiple Access). ̇ Nh là hàm ph thuc vào không gian ca các nng lng sóng mang. Nng lng sóng mang c a các kênh hay các ngun phát khác nhau đc phân b hp lý trong không gian đ chúng không gây nhiu cho nhau. Vì các kênh hay các ngun phát ch s dng không gian đc quy đnh trc nên máy thu có th thu đc sóng mang ca ngun phát cn thu thm chí khi tt c các sóng mang khác đng thi phát và phát trong cùng mt bng tn. Phng pháp này đc gi là phng pháp đa truy nhp theo không gian (SDMA: Space Division Multiple Access). Có nhiu bin pháp đ thc hin SDMA nh: Chng 1. Tng quan các phng pháp đa truy nhp vô tuyn 4 t t t 1 2 N Tn s Thi gian Trm gc FDMA t t t 1 2 N 1 2 N Trm gc TDMA Thi gian Tn s 1 2 N FDMA TDMA B N 2 1 B 1 2 N Trm gc 1 N Mã f t Mã f t N Mã 1 2 Tn s CDMA Thi gian CDMA f f f f 1 2 f N f a) b) c) Hình 1.2. Nguyên lý đa truy nhp: a) a truy nhp phân chia theo tn s (FDMA); b) a truy nhp phân chia theo thi gian (TDMA); c) a truy nhp phân cha theo mã (CDMA) 1. S dng lp tn s cho các ngun phát ti các khong cách đ ln trong không gian đ chúng không gây nhiu cho nhau. Phng pháp này thng đc gi là phng pháp tái s dng tn s và khong cách cn thit đ các ngun phát cùng tn s không gây nhiu cho nhau đc gi là khong cách tái s dng t n s. Cn lu ý rng thut ng tái s dng tn s cng đc s dng cho trng hp hai ngun phát hay hai kênh truyn dn s dng chung tn s nhng đc phát đi  hai phân cc khác nhau. Chng 1. Tng quan các phng pháp đa truy nhp vô tuyn 5 2. S dng các anten thông minh (Smart Anten). Các anten này cho phép tp trung nng lng sóng mang ca ngun phát vào hng có li nht cho máy thu ch đnh và tránh gây nhiu cho các máy thu khác. Các phng pháp đa truy nhp nói trên có th kt hp vi nhau. Hình 1.3 cho thy các cách kt hp ca ba phng pháp đa truy nhp đu tiên. K thut c s FDMA TDMA Chu k khung B (bng thông h thng) Tn s Thi gian Mt phng chim kênh thi gian- tn s Phân chia theo tn s/mã (FD/CDMA) Phân chia theo tn s/thì gian/mã (FD/TD/CDMA) Phân chia theo tn s/thi gian (FD/TDMA) Phân chia theo thi gian/mã (TD/CDMA) CDMA Hình 1.3. Kt hp ba dng đa truy nhp c s thành các dng đa truy nhp lai ghép 1.3. A TRUY NHP PHÂN CHIA THEO TN S, FDMA 1.3.1. Nguyên lý FDMA Trong phng pháp đa truy nhp này đ rng bng tn cp phát cho h thng B Mhz đc chia thành n bng tn con, mi bng tn con đc n đnh cho mt kênh riêng có đ rng bng tn là B/n MHz (hình 1.4). Trong dng đa truy nhp này các máy vô tuyn đu cui phát liên tc mt s sóng mang đng thi trên các tn s khác nhau. Cn đm bo các khong bo v gia tng kênh b sóng mang chim đ phòng ng a s không hoàn thin ca các b lc và các b dao đng. Máy thu đng xung hoc dng lên chn sóng mang cn thit theo tn s phù hp. Nh vy FDMA là phng thc đa truy nhp mà trong đó mi kênh đc cp phát mt tn s c đnh.  đm bo FDMA tt tn s phi đc phân chia và quy hoch thng nht trên toàn th gii. Chng 1. Tng quan các phng pháp đa truy nhp vô tuyn 6 Hình 1.4. FDMA và nhiu giao thoa kênh lân cn  đm bo thông tin song công tín hiu phát thu ca mt máy thuê bao phi hoc đc phát  hai tn s khác nhau hay  mt tn s nhng khong thi gian phát thu khác nhau. Phng pháp th nht đc gi là ghép song công theo tn s (FDMA/FDD, FDD: Frequency Division Duplex) còn phng pháp th hai đc gi là ghép song công theo thi gian (FDMA/TDD, TDD: Time Division Duplex). Phng pháp th nht đc mô t  hình 1.5. Trong phng pháp này bng tn dành cho h thng đc chia thành hai na: mt na th p (Lower Half Band) và mt na cao (Upper Half Band). Trong mi na bng tn ngi ta b trí các tn s cho các kênh (xem hình 1.5a) . Trong hình 1.5a các cp tn s  na bng thp và na bng cao có cùng ch s đc gi là cp tn s thu phát hay song công, mt tn s s đc s dng cho máy phát còn mt tn s đc s dng cho máy thu ca cùng mt kênh, khong cách gia hai tn s này đc gi là khong cách thu phát hay song công. Khong cách gn nht gia hai tn s trong cùng mt na bng đc gi là khong cách gia hai kênh lân cn (Δx), khong cách này phi đc chn đ ln đ đi vi mt t s tín hiu trên tp âm cho trc (SNR: Signal to Noise Ratio) hai kênh cnh nhau không th gây nhiu cho nhau. Nh vy mi kênh bao gm mt cp tn s: mt tn s  bng tn thp và mt tn s  bng tn cao đ đm bo thu phát song công. Thông thng  đng phát đi t trm gc (hay b phát đáp) xung trm đu cui (thu  trm đu cui) đc gi là đng xung, còn đng phát đi t trm đu cui đn trm gc (hay trm phát đáp) đc gi là đng lên. Khong cách gia hai tn s đng xu ng và đng lên là ∆Y nh thy trên hình v. Trong thông tin di dng tn s đng xung bao gi cng cao hn tn s đng lên đ suy hao  đng lên thp hn đng xung do công sut phát t máy cm tay không th ln. Trong trong thông tin v tinh thì tu thuc vào h thng, tn s đng xung có th thp hoc cao hn tn s đng lên, chng hn  các h th ng s dng các trm thông tin v tinh mt đt ln ngi ta thng s đng tn s đng lên cao hn đng xung, ngc li  các h thng thông tin v tinh (nh di đng chng hn) do trm mt đt nh nên tn s đng lên đc s dng thp hn tn s đng xung. [...]... cựng m t t n s súng mang fc v i u ch BPSK 16 Ch ng 1 T ng quan cỏc ph Rx1 Tx1 Bộ chuyển đổi mức b1 ( t ) 0 1 {0,1} Rb ng phỏp a truy nh p vụ tuy n 1 1 1 Tb Bộ tạo mã PN Giải điều chế Điều chế Trải phổ d(t) Giải trải phổ Tb (.)dt {+1,-1} 1 Rb Tb Mạch quyết định 0 2 cos( 2 f c t ) Tb 2E b cos( 2 f c t ) Tb c1 ( t ) Rb c1 ( t ) {+1,-1} 1 Rc Tc {+1,-1} 1 Rc Tc Bộ tạo mã PN b1(t) {0.1} 1 Tb Rx2 Tx2 c 2 ( t... u n t cỏc mỏy phỏt khỏc b lo i b ang k v m t cỏch g n ỳng cú th coi nhi u cũn l i c a chỳng nh t p õm Gauss tr ng c ng 21 Ch ng 1 T ng quan cỏc ph ng phỏp a truy nh p vụ tuy n Pkr Rb PSD, W/Hz k (f ) Phổ tín hiệu sau bộ lọc băng thông có độ rộng B W P jr k 1 Tb R b , Hz (f ) Rc 1 Tc 3 Tb 2 Tb Hỡnh 1.18 Ph tớn hi u nh n 1 Tb 0 1 Tb 2 Tb 3 Tb f f c , Hz 1 Tc c sau b l c b ng thụng 1.5.4 CDMA/FDD H th