Tổng quan về thông tin di động
tổng quan về các hệ thống thông tin di động
I.1 lịch sử phát triển của thông tin di động Điện thoại di động ra đời từ những năm 1920, khi đố điện thoại di động đợc sử dụng nh là các phơng tiện thông tin giữa các đơn vị cảnh sát ở Mỹ Mặc dù các khái miệm tổ ong, các kỹ thuật trải phổ, điều chế số và các công nghệ vô tuyến hiện đại khác đã đợc biết đến hơn 50 năm trớc đây, dịch vụ điện thoại di động mãi đến đầu những năm 1960 mới suất hiện ở các dạng sử dụng đợc và khi đó nó chỉ là các sửa đổi thích ứng của hệ thống điều vận Các hệ thông điện thoại di động đầu tiên này ít tiện lợi và dung lợng rất thấp so với các hệ thống hiện nay Cuối cùng, các hệ thống điện thoại tổ ong điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) đã xuất hiện vào những năm 1980 Cuối những năm 1980 ngời ta nhận thấy rằng các hệ thống tổ ong t- ơng tự không thể đáp ứng đợc nhu cầu ngày càng tăng vào thế kỷ sau nếu nh không loại bỏ đợc các hạn chế cố hữu của các hệ thống này
- Phân bố tần số hạn chế, dung lợng thấp
- Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trờng pha đinh đa tia
- Không đáp ứng đợc các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng
- Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di dộng và cơ sở hạ tÇng
- Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi
- Không tơng thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở Châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng đợc máy di động của mình ở nớc khác.
Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với các kỹ thuật đa truy nhập míi.
Hệ thống thông tin di động số sử duụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới đợc ra đời ở Châu Âu và có tên gọi là GSM Ban đầu hệ thống này đợc gọi là “Nhóm đặc trách động” theo tên gọi của nhóm đợc CEPT – Hội nghị các cơ quan quản lý viễn thông và bu chính Châu Âu cử ra để nghiên cứu tiêu chuẩn Sau đó để tiện cho việc thơng mại hoá GSM đợc gọi là “Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM đợc phát triển từ năm 1982khi các nớc bắc ÂU gửi đề nghị đến CEPT để qui định một dịch vụ viễn
35 thông chung châu ÂU ở băng tần 900 Mhz Lúc đầu vào những năm 1982-1985 ngời ta bàn luận về việc nên xây dựng một hệ thống số hay tơng tự Năm 1985 hệ thống số đợc quyết định Bớc tiếp theo là chọn lựa giữa giải pháp băng rộng hay băng hẹp Năm 1986 một cuộc kiểm tra ngoài hiện trờng đã đợc tổ chức tại Paris, các hãng đã đua tài với giải pháp của mình Tháng 5 năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đã đợc lựa chọn đồng thời 13 nớc đã đăng ký vào biên bản ghi nhớ thực hiện các quy định, nh vậy đã mở ra một thị trờng di động số có tiềm năng lớn Tất cả các hãng khai thác ký MoU hứa sẽ có một hệ thống GSM vận hành vào 1/7/1991 Một số nớc đã công bố kết quả phủ sóng các vùng rộng lớn ngay từ đầu, trong khi đó một số nớc khác sẽ bắt đầu phục vụ ở bên trong và xung quanh thủ đô ở Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSM đợc đa vào từ năm 1993, hiện nay đang đợc công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả ở
Mỹ hệ thống AMPS tơng tự sử dụng phơng thức FDMA đợc triển khai vào giữa những năm 1980, các vấn đề về dung lợng đã phát sinh ở các thị trờng di động chính nh: New york, Los Angeles… Mỹ đã có chiến l Mỹ đã có chiến lợc nâng cấp hệ thống này thành hệ thông số: chuyển tới hệ thống TDMA đợc liên hiệp công nghiệp viễn thông –TIA ký hiệu là IS-54 Cuối những năm 1980 mọi việc trở lên rõ ràng là IS-54đã gây thất vọng.Việc khảo sát khách hàng đã cho thấy chất lợng của AMPS tốt hơn Rất nhiều hãng của Mỹ lạnh nhạt với TDMA AT&T là hãng lớn duy nhất sử dụng TDMA Hãng này đã phát triển ra một phiên bản mới: IS -136, còn đợc gọi là amps số (D-AMPS) Nhng không giống nh IS - 54, GSM đã đạt đợc các thành công Có lẽ sự thành công này ở chỗ các nhà phát triển ra hệ thống GSM đã dám thực hiện một hi sinh lớn là để tìm kiếm các thị trờng ở Châu Âu và Châu á họ không thực hiện tơng thích giao diện vô tuyến giữa GSM và AMPS Nh vậy các hãng Ericsson và Nokia trở thành các hãng dẫn đầu ở cơ sở hạ tầng vô tuyến số và bỏ lại các hãng Motorola và Lucent.
Tình trạng trên đã tạo cơ hội cho các nhà nghiên cứu ở mỹ tìm ra một ph- ơng án thông tin di động số mới Để tìm kiếm thông tin di động số mới ngời ta nghiên cứu công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Công nghệ này sử dụng kỹ thuật trải phổ trớc đó đã có các ứng dụng chủ yếu trong quân sự Đ- ợc thành lập vào năm 1985, Qualcom, sau đó đợc gọi là “thông tin Qualcom” đã phát triển công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận đợc nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này Lúc đầu công nghệ này đợc đón nhận một cách dè dặt do quan niệm tuyền thông về vô tuyến là mỗi cuộc thoại đòi hỏi một kênh vô tuyến riêng Đến nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thống trị ở Bắc
Mỹ Qualcom đã đa ra phiên bản CDMA đầu tiên đợc gọi là IS-95
Các mạng CDMA thơng mại đã đợc đa vào khai thác tại hàn Quốc và Hồng Công CDMA cũng đã đợc mua hoặc đa vào thử nghiệm ở Achentina , Braxin Chile, Trung quốc Đức ,Thái Lan , pê ru, Philippin, Ixaren, và mới đây là Nhật Bản Tổng Công Ty Bu Chính Viễn thông Việt Nam cũng đã có kế hoạch thử nghiệm CDMA. ở Nhật bản vào năm 1993, NTT đa ra tiêu chuẩn thông tin di động số đầu tiên của nớc này JPD(Japanese Personal Digital Cellular System - Hệ thống tổ ong số của Nhật Bản ) Để tăng thêm dung lợng cho các hệ thông thông tin di động, tần số của các hệ thống này đang đợc chuyển từ vùng 800-900Mhz vào vùng 1,8-1,9Ghz Một số nớc đã đa vào sử dụng cả hai tần số
Song song với sự phát triển của hệ thống thông tin di động tổ ong nói trên, các hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nôi hạt sử dụng máy cầm tay không dây số cũng đợc nghiên cứu phát triển Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin này là DECT (Digital Enhanced Cordless Telecomunications - Viễn thông không dây số tăng cờng) của Châu Âu và PHS (Personal Handyphone System - Hệ thống máy điện thoại cầm tay cá nhân) của Nhật Bản cũng đã đợc đa vào thơng mại.
Ngoài các hệ thống thông tin di động mặt đất, các hệ thống thông tin di động vệ tinh: Global và Iridium cũng đợc đa vào thơng mại trong năm 1998.
Nh vậy sự kết hợp giữa các hệ thống thông tin di động nói trên sẽ tạo lên một hệ thống thông tin di động cá nhân PSC cho phép mỗi cá nhân thông tin ở mọi thời điểm và ở bất cứ nơi nào mà họ cần thông tin. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng về các dịch vụ viễn thông mới đang tiến tới hệ thông thông tin di động thế hệ 3 đợc gọi là hệ thông thông tin di động băng rộng. ở Việt Nam, GPC và VMS hiện đang khai thác 2 mạng thông tin di động số Vinaphone và Mobiphone theo tiêu chuẩn GSM Công ty SPT liên doanh với công ty SLD dự kiến sẽ đa vào khai thác hệ thống thông tin di dộng theo tiêu chuẩn IS-2000 vào cuối năm2001.
Ngoài ra để đáp ứng các dịch vụ mơi nhất là các dịch vụ truyền số liệu, các hãng khai thác dịch vụ thông tin di động ở Việt Nam đang nghiên cứu chuyển dần sang thông tin di dộng thế hệ ba Trớc mắt công nghệ thông tin di động thế hệ 2,5 đợc đa vào sử dụng hai nhà khai thác mạng Vinaphone và Mobiphone đã đa vào mạng của họ công nghệ WAP và GPRS, còn SPT sử dụng ngay từ đầu
35 tiêu chuẩn IS - 2000 Các công nghệ này cho phép tăng dung lợng truy nhập lên đến 144kbps và truy nhập trực tiếp vào mạng Internet.
I.2 Giới thiệu tổng quan về CDMA
Cho dù các nghiên cứu của CDMA bắt đầu từ rất nhiều năm tr ớc, nhng sự kiện quan trọng nhất cho việc ứng dụng CDMA vào thông tin di động mặt đất là Đại hội toàn thể lần thứ 14 cuả hội Đồng t vấn Vô tuyến Quốc tế (CCIR) tổ chức vào tháng 6 năm 1978 ở TOKYO (Nhật Bản) Hội nghị này đã xem sét kỹ thuật trải phổ nh là một kỹ thuật then chốt đầy hứa hẹn cho hệ thống thông tin di động mặt đất dung lợng lớn Kể từ cuộc gặp này đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng của trải phổ đối với thông tin di động mặt đất Phòng nghiên cứu vô tuyến,
Bộ bu chính viễn thông nhật bản (ngày nay là phòng nghiên cứu thông tin ) đã phát triển các hệ thống thực nghiệm cho chuỗi trải phổ trực tiếp DS/SS (Direct Sequence/Spread Sprectrum) và nhẩy tần FH (Frequency Hopping) vào năm
1981 và thực hiện các thí nghiệm vào các năm 1981-1986 Kết quả là các thí nghiệm cho thấy:
- Một máy thu Rake có thể tổ hợp các đờng trực tiếp và đờng tia trễ một cách hiệu quả trong các điều kiện pha đinh chọn tần
- Nhẩy tần nhanh FFH có tính chống pha đinh chọn tần cao và kỹ thuật này có hiệu quả cao hơn nhiều khi kết hợp với kỹ thuật sửa lỗi trớc (FEC).
Tuy nhiên các kết quả đó cha thúc đẩy đợc vịêc sử dụng trải phổ vào thông tin di động mặt đất bởi vì :
- Công nghệ thiết bị còn non trẻ để có thể tạo ra một thiết bị điều khiển công suất nhanh, một điều cần thiết để giảm các ảnh hởng của các hiệu ứng không mong muốn trong các hệ thống DS/SS.
- Khó có thể sản suất đợc một bộ tổng hợp FFH
- Dung lợng hệ thống khi sử dụng kỹ thuật trải phổ đợc ớc đoán là thấp so với hệ thống chia ô FM tơng tự đang sử dụng
Kết quả là, phần lớn các kỹ s thông tin di động mặt đất kết thúc các nghiên cứu của mình về các hệ thống CDMA vào giữa thập kỷ 80
Truyền sóng và điều chế cao tần1
truyÒn sãng
I Các yếu tố ảnh hởng đến chất lợng truyền
- Tạp âm cộng: là tạp âm đợc chồng lên tín hiệu truyền lan
- Tạp âm nhân: là quá trình điều biến tín hiệu bởi nhiễu
- Tạp âm khí quyển: chủ yếu là do các hiện tợng phóng điện do rông bão gây ra và chỉ ảnh hởng mạnh ở dải tần 20Mhz.
- Tạp âm vũ trụ: chủ yếu là do các bức xạ mặt trời và ảnh hởng mạnh trong dải tần từ (15 đến 100)Mhz.
- Tạp âm nhân tạo: là do các hoạt động thờng ngày của con ngời gây ra nh đèn huỳnh quang, ô tô, mô tô,… Mỹ đã có chiến lnó chỉ ảnh hởng trong vùng đông dân c.
2 NhiÔu a) Nhiễu kênh lân cận (ACI) là do những hạn chế của thiết bị vô tuyến gây ra nh độ ổn định tần số phát, băng thông của máy thu, các bộ lọc phối hợp.
- ACI trong cùng một ô: Nếu các kênh lân cận đợc dùng trong cùnh một ô chúng ta sẽ gặp hiện tợng khi máy di động ở khoảng cách gần trạm gốc sẽ gây ra can nhiễu với các máy di động ở xa trạm gốc Để khắc phục hiện t ợng này là tránh dùng các kênh lân cận trong cùng một ô.
- ACI giữa các ô: Thậm chí trong trờng hợp không dùng các kênh lân cận trong cùng một ô nhng trong các ô lân cận vẫn có thể nhiễu.
VD: Hai máy di động khác ô nhng gần nhau trên cùng một biên của hai ô mỗi máy phát về trạm gốc của mình thông qua các kênh lân cận mỗi máy thu trạm gốc thu tín hiệu cần thiết cộng với tín hiẹu của máy ô bên Một trong những giải pháp đơn giản đẻ khắc phục ACI khác ô là tránh dùng các kênh lân cận trong các ô lân cận b) Nhiễu cùng kênh (CCI)
Thờng có trong hệ thống thông tin di động cấu trúc tế bào Để tăng hiệu quả sử dụng phổ tần các kênh vô tuyến thờng đợc dùng trong nhiều ô với sự phân cách tối thiểu chấp nhận đợc Trạm gốc thu tín hiệu cần thiết từ máy di động bao gồm cả tín hiệu không mong muốn từ các máy khác.
II Các đặc tính truyền dẫn kênhvô tuyến di động
1 Đặc điểm về truyền lan tín hiệu vô tuyến
Khi các hệ thống hoạt động theo các vùng chia ô nhỏ cỡ Picrocell và Microcell thì các điều kiện truyền sóng trực xạ chiếm u thế Khi các hệ thống vô tuyến chỉ hoạt động trong nhà thì xét cả hai điều kiện trực xạ và không trực xạ.
- Có thể chia đặc tính truyền sóng ra làm 3 phần:
2 Suy hao tuyÕn a) Vùng ngoài nhà
Khi không có một vật chớng ngại xung quanh giữa BS và MS thì có thể coi điều kiện truyền sóng là khônng gian tự do Suy hao dọc tuyến trong trờng hợp này đợc tính
L(dB) = 32,44 log10fc+20 log10d Trong đó : fc : là tần số sóng mang( Mhz) d : khoảng cách giữa BS và MS (km)
Khi có nhiều chớng ngại vật giữa BS và MS thì suy hao tuyến sẽ do nhiều yếu tè.
Lp= 69,55 + 26,16 log10fc+(44,9- 6,55log10hb)log10d – 13,82log10hb- a(hm) Trong dã hb Chiều cao ăng ten trạm gốc fc: tÇn sè sãng mang d: khoảng cách MS và BS
- Đối với thành phố lớn a(hm) = 8,29(log10(1,54hm)) 2 -1,1 (fc 200Mhz)
- Đối với thành phố nhỏ
Lps(dB) = Lp- 2(log10fc/28)) 2 - 5,4
Lpo(dB) = Lp- 4,78(log10fc) 2 +18,38log10fc- 40,94 b) Vùng ngoài nhà
1 4 Đợc chia thành các hệ thống vùng siêu rộng, vùng rộng, vùng trung bình, vùng nhỏ, vùng siêu nhỏ. c) các vấn đề gần - xa và điều khiên công suất nhanh
Trong các hệ thống DS/CDMA Cho dù mức công suất thu của mỗi kênh lu l- ợng đợc giữ ở cùng mức trên hớng xuống, chúng không giống nhau trên hớng lên do các vấn đề gần – xa Khi tất cả các thiết bị đầu cuối truyền tính hiệu với cùng công xuất truyền mức tín hiệu đợc thu là mạnh với các thiết bị ở gần và yếu với các thiết bị ở xa do có sự suy giảm đờng truyền Trong trờng hợp này, ví dụ khi mức tín hiệu thu của một thiết bị đầu cuối lớn gần gấp 10 lần một thiết bị khác, thiết bị này truyền tơng đơng 10 kênh, trong khi thực tế nó chỉ truyền dữ liệu cho một kênh duy nhất Kết quả là, sự mất cân bằng công suất thu nh vậy gây ra sự suy giảm nghiêm trọng cho dung lợng hệ thống Để tránh việc giảm dung lợng nh vậy, ở hớng lên kỹ thuật điều khiển công suất nhanh điều chỉnh tất cả các mức tín hiệu thu để bằng nhau tại BS Hình 2.1cho ta khái niệm này khi một thiết bị đầu cuối gần vùng biên nh trong trờng hợp đầu cuối #2 trên hình 2.1, công suất truyền của nó phải tăng lên mặt khác, thiết bị đầu cuối ở gần BS nh thiết bị #1 trên hình 2.1 công suất truyền của no phải giảm đi Với quá trình này, tất cả các công suất thu đợc từ các thiết bị đầu cuối đợc điều khiển bằng nhau tại BS Tuy nhiên cần phải chú ý rằng Cho dù tất cả các mức tín hiệu thu đợc điều khiển để bằng nhau trong phạm vi ô (ô A trên hình 2.1), công suất truyền từ một thiết bị đầu cuối tại vùng biên ( thiết bị #2 trên hình 2.1) có thể là một CCI mạnh đối với ô B bởi vì pha đinh giữa thiết bị
#2 và ô A và pha đinh giữa thiết bị #2và ô B thay đổi độc lập với nhau Kết quả là, điều khiển công suất hoàn chỉnh có thể làm tăng CCI liên ô, cho dù làm giảm nhiễu trong ô.
Trong các hệ thống CDMA đờng lên, yêu cầu cần một dải rộng của điều khiển công suất phát Trớc hết, suy hao đờng truyền do khoảng cách và hiệu ứng §Çu cuèi 1 §Çu cuèi 2 §Çu cuèi 3 ¤ A ¤ A nh iễ u m ạn h § iÒu ki ện xÊ u
(cô ng su ất p há t ca o) Đ iề u ki ện tố t (c ôn g su ất p há t th Êp )
Hình 2.1 khái niệm điều khiển công suất nhanh
25 che chắn ( pha đinh Loga-normal) sẽ làm thay đổi mức tín hiệu thu khoảng 60 dB hoặc hơn Dải rộng này tăng theo khu vực phủ sóng, hơn nữa, nó thay đổi nhanh chóng trong khoảng từ -30 đến +10 dB so với mức tín hiệu trung bình do pha đinh đa đờng Kết quả là, dải động của mức tín hiệu thu bao gồm các biến đổi nhanh sẽ lớn hơn 100 dB.
Hệ thống IS-95 sử dụng hai phơng pháp để đối phó với yêu cầu dải động rộng nh vậy của điều khiển công suất- giảm dải rộng của pha đinh nhanh và điều khiển công suất hai giai đoạn
Giảm dải động của pha đinh nhanh Để giảm dải rộng của biến đổi pha đinh nhanh, các hệ thống IS-95 sử dụng phân tập không gian và phân tập đờng truyền sử dụng máy thu Rake Trớc hết, chỉ xét môi trờng pha đinh Rayleigh phẳng Khi sử dụng tổ hợp phân tập anten hai nhánh với hệ số lớn nhất, 99,99% giá trị của mức tín hiệu thu (xác suất 99,99% mức tín hiệu thu lớn hơn mức này) là -18dB từ mức tín hiệu thu căn trung bình bình phơng(Root Mean Squares ) trong khi giá trị này là -40 dB khi thu một nhánh Điều này có nghĩa là giải động 22dB do thu phân tập hai nhánh. Khi kênh bị pha đinh chọn tần, có thể giảm dải động hơn nữa trong môi trờng pha đinh chọn tần, nếu thờigian trễ của tín hiệu dài khoảng thời gian một chip, có thể phân tích và tổ hợp đờng thứ nhất và các đờng trễ cơ sở tổ hợp hệ số lớn nhất bằng cách sử dụng một máy thu Rake Nói cách khác, nếu chúng ta có thể phân tích L đờng có cùng mức công suất trung bình và sử dụng phân tập hai nhánh, có thể thu đợc phân tập 2L đờng với tổ hợp hệ số lớn nhất Do các ảnh h- ởng phân tập đó, dải động của biến đổi pha đinh nhanh giảm khoảng 10dB. Một kỹ thuật khác để giảm dải rộng là chuyển giao mền, đó là kỹ thuật phân tập macro Bởi vì công suất phát của thiết bị đầu cuối tại biên ô đợc thu bởi nhiều BS và bởi vì chúng đợc tổ hợp bởi phân tập tổ hợp có lựa chọn, dải rộng do suy hao đờng truyền và hiệu ứng che chắn có giảm hơn nữa.
Kỹ thuật điều khiển công suất hai giai đoạn
Hệ thống IS - 95 sử dụng điều khiển công suất hai giai đoạn - điều khiển vòng hở và vòng kín Trong điều khiển vòng hở, suy hao đờng truyền do khoảng cách và pha đinh đợc đo ở đờng xuống và suy hao đờng truyền nh vậy có tơng quan cao giữa đờng truyền xuống và lên, ngay trong các hệ thống thu phát song công phân chia theo tần số FDD Sử dụng điều khiển vòng hở, dải động của biến đổi pha đinh nhanh sau khi phân tập không gian và phân tập đờng truyền.
phơng pháp đa truy nhập
u điểm, nhợc điểm của hệ thống CDMA
• Ưu điểm của hệ thống CDMA
Hệ thống thông tin di động CDMA là hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật trải phổ Trong hệ thống, toàn bộ băng tần đợc sử dụng chúng cho mọi trạm di động. Các u điểm nổi bật của hệ thống này là: Hiệu quả sử dụng tần số, hoạt động tôt trong môi trờng có nhiễu mạnh, khả năng chống pha đinh đa đờng, chuyển vùng mềm, khả năng đảm bảo thông tin. a Hiệu quả sử dụng tần số.
Trong hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật trải phổ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA thì cho phép mọi trạm di động sử dụng chung toàn bộ phổ tần
3 0 số Tín hiệu đợc điều chế sóng mạng và trải phổ tại phía phát đồng thời giải điều chế sóng mang và giải trải phổ tại phía thu Trong hệ thống thì mỗi trạm di động chỉ khác nhau mã trải phổ Theo nguyên lý đó, hệ số tái sử dụng tần số trong hệ thống CDMA thì luôn đạt giá trị cao nhất là 1 Toàn bộ phổ tần số đợc sử dụng cho mọi tế bào và mọi trạm di động Đây là một trong những u điểm lớn của hệ thống thông tin di động tế bào số CDMA so với hệ thống khác. b Khả năng chống nhiễu của hệ thống CDMA.
Khả năng chống nhiễu của hệ thống CDMA là rất tốt Đối với nhiễu đờng truyền băng hẹp thì khi thu trải phổ chúng không ảnh hởng lớn tới chất lợng thông tin Bởi vì công suất nhiễu băng hẹp đã bị trải phổ đo đó phổ thu đợc là rất nhỏ so với phổ tín hiệu mong muốn cho nên ta coi nh không đáng kể Đối với hệ thống là băng rộng thì mức độ ảnh hởng của nhiễu lên hệ thống tuỳ thuộc vào từng loại nhiễu băng rộng khác nhau Nhng các nguồn nhiễu tác động đến thông tin của hệ thống thờng có phổ thấp hơn nhiều so với tín hiệu mong muốn Do đó sự ảnh hởng của nó trong hệ thống cũng không đáng kể Để tăng hiệu quả hoạt động, tăng dung lợng và chất lợng của hệ thống, giảm tối thiểu nhiễu cho các tế bào khác nhau ở hai ô lân cận nhau nh :sử dụng anten định hớng, giám sát chu kỳ hoạt động tích cực của tín hiệu thoại, điều khiển công suất. c Khả năng chống pha đinh đa đờng.
Fading đa đờng do các ảnh hởng của kênh truyền có thể gây ra các tổn thất rất lớn đến chế độ của tín hiệu có ích Để chống lại fading đa đờng ta có thể sử dụng các mã sửa sại hay bộ thu đa đờng thích ứng Rate khi đó tín hiệu sẽ đợc bù đắp do tổn thất fading đa đờng.
Mã tích chập: đợc sử dụng rất hiệu quả trong việc chống lại các lỗi kênh truyền ngẫu nhiên bởi khi mã hoá các bít dữ liệu đợc tráo trật tự truyền.
Mã Reed – Solomon: là một bộ mã hoá khối truyền khối tuyến tính Có thể sử dụng kết hợp hai loại mã này để tăng hiệu quả chống nhiễu.
+ Bộ thu đa đờng thích ứng Rake: để thu phân tập tín hiệu nhiễu đờng (đã trình bày ở phần trên). d Khả năng bảo mật thông tin.
Trong hệ thống thông tin CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nhờ mã trải phổ cho nên trên đờng truyền dẫn thì phổ tín hiệu thờng chìm trong nhiễu Có nghĩa là phổ của thông tin hữu ích nằm trong phổ của nhiễu Do đó, những trạm di động khác khi không có mã trải phổ hợp lý thi không có khả năng nhận biết và thu đợc thông tin hu ích đó Nhờ đó mà CDMA có khả năng bảo mật thông tin, chống nghe trộm và chống truy nhập trái phép tốt.
35 e Chuyển vùng trong hệ thống thông tin CDMA rất linh hoạt thực hiện cả hai quá trình chuyển vùng cứng và chuyển vùng mềm khi nó du chuyển qua bờ tế bào hay sector mà vẫn đảm bảo chất lợng thông tin không xảy ra gián đoạn hay mất thông tin đó là một u điểm nổi bật của kỹ thuật CDMA.
Bên cạnh nhng u điểm thì hệ thống thông tin di động sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA con có những nhợc điểm là: Hiệu ứng gần – xa và hiệu ứng nhiễu.
• Nhợc điểm của hệ thống CDMA
+ Hiệu ứng xa là hiệu ứng mà tín hiệu thu đợc của máy di động phía xa của trạm gốc bị tín hiệu thu đợc của máy di động ở gần trạm gốc có công suất lớn chèn ép cho nên ảnh hởng tới thông tin đối với thông tin di động ở xa Để khắc phục nhợc điểm này ngời ta sử dụng phơng pháp điều khiển công suất sao cho tín hiệu thu đợc tại trạm gốc của tất cả các trạm di động trong vùng phuc vụ là nh nhau Quá trình này đồng thời tiết kiệm đợc nguồn pin cho máy di động, làm tăng thời gian đàm thoại của máy di động.
+ Hiệu ứng tự nhiễn gây bởi dãy mã không trực giao Tuy nhiên không có dãy mã nào là hoàn toàn trực giao cả Các thành phần không trực giao trong tín hiệu của những ngời sử dụng khác nhau sẽ xuất hiện nh là nhiễu trong tín hiệu đều mong muốn.
Khái niệm cơ bản về CDMA
Hình 3.1 cho thấy cấu hình máy phát và máy thu cho hệ thống CDMA Giả thiết tốc độ bit tín hiệu nguồn thu là R bit/s.ở máy phát tín hiệu nguồn đợc nhân với một mã chỉ định ban đầu (mã #1 trong hình 3.1)với tốc độ chíp là R chip/s và sau đố đa vào một bộ điều chế cầu phơng Kết quả là dải thông tín hiệu nguồn rộng gấp G = R / R lần so với tin hiệu ban đầu Bởi vì tất cả các thiết bị đầu cuối sử dụng cùng một tần số sóng mang và tốc độ chíp (dải thông), tất cả các tín hiệu khác tín hiệu nguồn đều đợc coi là tín hiệu CCI
Tại máy thu CDMA, tín hiệu mong muốn đợc tách ra do tính tơng quan giữa tín hiệu thu đợc và một mã dùng ở máy phát (mã #1trong hình 3.1) Khi chuỗi trải phổ của máy thu và máy phát đồng bộ, phổ tín hiệu thu đợc gần giống nh phổ tín hiệu nguồn Mặt khác, dải thông tín hiệu của tín hiệu nhiễu vẫn giữ nguyên độ rộng ngay cả sau khi lấy tín hiệu tơng quan Kết quả là, tỷ số công suất sóng mang trên CCI (C/I ) cho đầu ra bộ tơng quan đợc cải thiện là 10log G(dB) khi so với đầu vào bộ tơng quan theo công thức
Khi trạng thái đờng truyền đợc xem là có pha đinh chọn tần và trễ thời gian của sóng trễ dài hơn khoảng thời gian 1 chíp, chúng ta có thể tách thành phần đ- ờng truyền thứ nhất nếu định thời mã trải phổ đợc đồng bộ với đờng thứ nhất bởi vì tơng quan giữa đờng thứ nhất và các đờng khác sẽ nhỏ tới mức có thể bỏ qua do giá trị tự tơng quan thấp khi thời gian trễ dài hơn khoảng thời gian 1 chíp.
Hình 3.1: Cấu hình của máy phát và máy thu trong hệ thống các hệ thống CDMA
Tin hiệu cần tách Nhiễu
Bộ tơng quan §iÒu chÕ
Mặt khác, khi định thời mã trải phổ đồng bộ với một trong các định thời đờng tín hiệu trễ, chúng ta có thể tách thành phần đờng trễ Do đó chúng ta có thể đạt đợc phân tập đờng truyền khi chúng ta thực hiện đồng bộ mã trải phổ với từng định thời đờng truyền
Hình 3.2 Khái niện về hệ thống CDMA (a) Phổ tần của hệ thống CDMA
(b) Mô hình khởi đầu và duy trì cuộc gọi với 5 ngời dùng (c) Phân bố kênh
Hình 3.2(a) cho ta thấy phổ của hệ thống CDMA Đặc điểm có tính phân biệt lớn nhất của hệ thống CDMA là tất cả các thiết bị đầu cuối chia sẻ toàn bộ băng thông của hệ thống và mỗi tín hiệu của thiết bị đầu cuối đợc phân biệt bởi mã. Khi mỗi ngời dùng gửi một yêu cầu tới BS, BS sẽ chỉ định một trong các mã trải phổ cho ngời dùng Khi 5 ngời dùng khởi đầu và duy trì các cuộc gọi nh trên hình 3.2(b), thì thời gian và tần số bị chiếm dụng nh trên hình 3.2(c)
3 4 Đ 3.4 Đồng bộ cho CDMA III.4.1 Đồng bộ mã hoá vi sai trải phổ
Có nhiều phơng pháp đợc đa ra để đồng bộ mã trải phổ :
- Bộ lọc ghép kết hợp
Bộ lọc ghép kết hợp là phơng pháp phổ biến nhất để đồng bộ mã trải phổ.
Hinh 3.3 Cấu hình bộ lọc ghép cho đồng bộ mã
(b) Bộ lọc tách ghép kiểu quá điều chế
Hình 3.3 cho thấy cấu hình bộ lọc ghép Khi đã đồng bộ định thời chíp trớc khi đồng bộ mã trải phổ, có thể sử dụng cấu hình nh trên hinh 3.3(a) Giả thiết chuỗi PN với dộ dài đợc sử dụng, biên độ của mỗi chíp là 1hoặc –1và khoảng thời gian một chip là Chuỗi đợc biểu diễn nh là vector mắt lọc và vector tăng ích mắt lọc củ bộ lọc ghép cho bởi
Tín hiệu dẫn thu đ Ư ợc
Tín hiệu dẫn thu đ Ư ợc
Khi tất cả các thành phần lu trữ trong véc tơ mắt lọc bằng các thành phần của tăng ích mắt lọc tơng ứng, đầu ra của bộ lọc ghép đợc cho bởi công thức: sẽ trở thành Mặt khác khi véc tơ mắt lọc không bằng vectơ tăng ích mắt lọc , trở thành –1do tính tự tơng quan của mã PN Do đó khi đợc chuẩn hoá bởi bằng 1chỉ khi vectơ mắt lọc và vectơ tăng tích mắt lọc bằng nhau; nếu không, nó bằng Bởi vì mã trải phổ đợc lập với chu kỳ là khoảng thời gian chip nh trên hình 3.3(a) Chúng ta có thể phát hiện định thời đồng bộ bằng cách tìm định thời đỉnh xuất hiện thờng xuyên của đầu ra bộ lọc ghép. Tuy nhiên chúng ta có thể sử dụng kiểu mạch đồng bộ mã trải phổ của hình 3.3(a) chỉ khi đã thực hiện đồng bộ định thời chíp trớc khi đồng bộ này Thật không may điều này không thể do C/Ic thấp trớc khi nén phổ của hệ thống CDMA Do đó chúng ta phải sử dụng một kỹ thuật lấy mẫu quá để thực hiện đồng bộ mã trải phổ
Hình 3.3(b) là mạch đồng bộ mã trải phổ dùng kỹ thuật lấy mẫu quá trong đó ví dụ tốc độ lấy mẫu là 4 lần tốc độ chip Trong trờng hợp này vectơ mắt lọc và vectơ tăng ích mắt lọc đợc cho bởi và đầu ra của bộ lọc ghép đợc cho bởi biêu thức
Dạng sóng của đầu ra của bộ tơng quan đợc chỉ ra ở trên hình 6.18(b) Nh ta thấy trên hình điểm lấy mẫu tối u ứng với định thời chíp Do đó chúng ta có thể thực hiện định thời chíp nếu ta tìm điểm cực đại phơng xuất hiện thờng xuyên với chu kỳ là khoảng thời gian 1 chip
III.4.2 Đồng bộ định thời chip trong hệ thống CDMA n
3 6 Đói với CDMA đồng bộ định thời chíp khó hơn so với đồng bộ định thời ký tự do các hệ thống TDMA băng hẹp, bởi vì ISI gây ra bởi pha đinh chọn tần làm đóng hoàn toàn đồ thị mắt của mỗi chíp
Một phơng pháp để đồng bộ định thời chip là phát hiện điểm cực đại địa ph- ơng trung bình của mặt cắt trễ Mặt cắt trễ của kênh thu đợc bằng cách tính tơng quan giữa tín hiệu băng gốc thu đợc của kênh dẫn và mã trải phổ
Cho thấy cấu hình đồng bộ định thời chip có thể sử dụng mặt cắt trễ và hoạt động của nó Giả thiết rằng định thời lấy mấu với các bộ chuyển đổi A/đợc định nghĩa nh sau:
Trong đó là khoảng thời gian chip
Tần số lấy mẫu cho chuyển đổi A/D là là khoảng thời gian tích luỹ cho việc tính tơng quan k=0,1,2,… Mỹ đã có chiến l, là số chíp trong 1 chu kỳ của mã trải trễ ) m=0,1,2,… Mỹ đã có chiến l,M-1.
Cứ mỗi Tc giây có thể thu đợc đỉnh địa phơng của mặt cắt trễ này một lần, và điểm này ứng với định thời chíp một cách chính xác Ví dụ m = 3 ứng với thời điểm này Do đó khi thu đợc tín hiệu đầu ra của bộ lọc phối hợp tại
Tính giá trị khả năng tức thời tho biêu thức và tích luỹ giá trị đó trong bộ tích kuỹ chu kỳ M, hàm khả năng dạng lôgarit sau dó thu đợc trong bộ tích luỹ thứ m nh sau: kết quả là có thể thu đợc định thời chíp bằng cách tìm một bộ tích luỹ mã vòng có giá trị tích luỹ cực đại
Đồng bộ định thời chip trong hệ thống CDMA
3 6 Đói với CDMA đồng bộ định thời chíp khó hơn so với đồng bộ định thời ký tự do các hệ thống TDMA băng hẹp, bởi vì ISI gây ra bởi pha đinh chọn tần làm đóng hoàn toàn đồ thị mắt của mỗi chíp
Một phơng pháp để đồng bộ định thời chip là phát hiện điểm cực đại địa ph- ơng trung bình của mặt cắt trễ Mặt cắt trễ của kênh thu đợc bằng cách tính tơng quan giữa tín hiệu băng gốc thu đợc của kênh dẫn và mã trải phổ
Cho thấy cấu hình đồng bộ định thời chip có thể sử dụng mặt cắt trễ và hoạt động của nó Giả thiết rằng định thời lấy mấu với các bộ chuyển đổi A/đợc định nghĩa nh sau:
Trong đó là khoảng thời gian chip
Tần số lấy mẫu cho chuyển đổi A/D là là khoảng thời gian tích luỹ cho việc tính tơng quan k=0,1,2,… Mỹ đã có chiến l, là số chíp trong 1 chu kỳ của mã trải trễ ) m=0,1,2,… Mỹ đã có chiến l,M-1.
Cứ mỗi Tc giây có thể thu đợc đỉnh địa phơng của mặt cắt trễ này một lần, và điểm này ứng với định thời chíp một cách chính xác Ví dụ m = 3 ứng với thời điểm này Do đó khi thu đợc tín hiệu đầu ra của bộ lọc phối hợp tại
Tính giá trị khả năng tức thời tho biêu thức và tích luỹ giá trị đó trong bộ tích kuỹ chu kỳ M, hàm khả năng dạng lôgarit sau dó thu đợc trong bộ tích luỹ thứ m nh sau: kết quả là có thể thu đợc định thời chíp bằng cách tìm một bộ tích luỹ mã vòng có giá trị tích luỹ cực đại
Chỉ tiêu BER của hệ thống DS/CDMA sử dụng kỹ thuật dò âm hỗ trợ kênh đã nén sóng dẫn, và sơ đồ đồng bộ định thời chip trong các điều kiện pha đinh
Rayleigh phẳng và pha đinh lựa chọn tần số , trong đó c c f m l k T
, Giả thiết mô hình Rayleigh 2 tia là kênh pha đinh lựa chọn tần số Từ hình vẽ này ta có thể khảng định rằng sơ đồ đồng bộ định thời chip làm việc rất tốt thậm chí trong các điều kiện pha đinh Rayleigh phẳng và pha đinh chọn tần.
Đồng bộ tần số sóng mang (bù dịch tần)
Dịch tần là nguyên nhân không thể tránh đợc, làm giảm hiệu quả trong các hệ thống thông tin vô tuyến, bởi vì tần số sóng mang thay đổi liên tục theo nhiệt độ.
Nếu dịch tần tần tại giữa tần số sóng mang và tần số của bộ giao động nội hạt tại máy thu ( ), thì có thể theo rõi mật độ phổ công suất của kênh bởi máy thu nh sau: Điều này có nghĩa là sự biến đổi kênh, gồm có tác động của , đợc xác định bơỉ Nếu các kỹ thuật bù pha đinh cũng có thể bù sự biến đổi pha đinh do dịch tần, chúng ta không phải sử dụng mạch AFC, nh vậy sẽ làm cấu hình mạch máy thu đơn giản hơn Tuy nhiên đó không phải là trờng hợp thờng gặp Do đó chúng ta cần AFC để làm giảm dịch tần tới một giá trị nhỏ hơn mà có thể bù đợc bằng các kỹ thuật bù pha đinh.
Trớc tiên, xét khoảng có thể bù của dịch tần bằng các kỹ thuật bù pha đinh.
Cho thấy BER theo chỉ tiêu đối với 16 QAM khi , trong đó sử dụng kỹ thuật bù pha đinh hỗ trợ ký tự dẫn Có thể thấy các kỹ thuật bù pha đinh có thể bù nếu nhỏ hơn tốc độ biến đổi kênh cực đại có thể chấp nhận đợc đối với kỹ thuật này Ví dụ khi thành phần tần số cao tần có thể chấp nhận đợc của biến đổi kênh là 150 Hz và giá trị cực đại của là 80 Hz, chúng ta có thể chấp nhận nhỏ hơn 70 Hz.
Trong các hệ thống thực tế, sự tồn tại tần số có điều chỉnh của bộ giao động nội khoảng 3 x Điều này có nghĩa là, ví dụ nếu tần số sóng mang là khoảng
) ( f off d off f f d off f f E b / N 0 40 dB f off f d f off f d f off
1 Ghz, tần số sóng mang có thể có một sự không chính xác tới 3 Khz Do đó trong máy thu cần có một vài chức năng AFC. a)Phơng pháp xác định quay pha sử dụng một từ mã đặc biệt
Một trong các phơng phap AFC đơn giản là phát hiện việc chuyển pha trung bình giữa các từ mã đặc biệt liên tiếp trong các ký tự Giả thiết chuyển pha giữa ký tự (k-1) và ký tự thứ k trong rừ mã đặc biệt đợc truyền là Lỗi chuyển pha đợc xác định bởi:
Thực tế, cũng thu đợc theo cách này.
Giả thiết tín hiệu băng gốc thu đợc của ký tự từ mã đặc biệt thứ k đợc biểu diễn là : và đợc xác định nh sau: đợc tính theo công thức:
Trong đó là số ký tự từ mã đặc biệt.
Trong phơng pháp này, chuyển pha giữa hai ký tự liên tiếp phải bằng - , 0 hoặc bởi vì chúng ta không thể phát hiện hớng quay pha trong trờng hợp
20 chuyển pha hoặc Hơn nữa cực đại có thể phát hiện bị hạn chế bởi bởi vì là liên tục trong khoảng
Ví dụ :khi một hệ thống áp dụng tốc độ ký tự là 20000ký tự /s, có thể phát hiện lớn nhất là 5khz. b)Phơng pháp phát hiện quay mặt cắt trễ sử dụng kênh dẫn trong hệ thèng CDMA
Trong hệ thống CDMA, một kênh dẫn đợc ghép vào đờng xuống để đo mặt cắt trễ cho đờng xuống tại từng thiết bị đầu cuối Do đó nếu một bộ giao động nội trong của mỗi thiết bị đầu cuối có thể đồng bộ với tần số sóng mang của đ- ờng xuống, mỗi thiết bị đầu cuối có thể tạo ra tần số sóng mang đờng lên của nó đồng bộ với BS Từ đó có thể loại bỏ dịch tần giữa BS với thiết bị đầu cuối ở cả đờng xuống lẫn đờng lên.
Bởi vì pha của kênh dẫn không điều chế trên toàn giải nên có thể chọn một cách tuỳ ý khoảng thời gian ( )để đo pha trung bình mà không cần phải quan tâm đến tốc độ ký tự của kênh lu lợng
Giả thiết rằng định thời chip và định thời đồng bộ PN đã đợc thực hiện Khi chúng ta nhân tín hiệu băng gốc thu đợc với chuỗi Pn đồng bộ và lấy tích phân trong dải có thể thu đợc pha tín hiệu thu Bởi vì kênh dẫn mang một tín hiệu không điều chế, sự khác pha biểu diễn quay pha trong khoảng thời gian Do đó khi lấy trung bình trong một khoảng xác định có thể thu đợc tơng tự nh phơng pháp phát hiện quay pha.
Đồng bộ khung
Đồng bộ khung trong hệ thống thông tin di động mặt đất số dựa trên công nghệ TDMA Mỗi khe trong khung chứa một SL có thể lập thành bộ khung. Hình 3.4 là mạch đồng bộ khung trong có nhiệm vụ tính độ tơng quan giữa tín hiệu thu đợc ở băng tần gốc và SLSW Tuy nhiên, chúng ta có thể thu đợc các đỉnh tơng quan tại các thời điểm ngẫu nhiên khác do việc phát hiện sai tại các thời điểm đó Cho dù có thể loại bỏ các đỉnh tơng quan xuất hiện do phát hiện sai bằng các bộ sai hiện ngỡng, ta không thể loại bỏ các các đỉnh đó một cách
4 0 hoàn toàn do đó, ngời ta cần sử dụng các mạch bảo vệ trớc và sau phải đi kèm các bộ phát hiện ngỡng để loại bỏ các đỉnh ngẫu nhiên nh vậy, nh hình
Trong quá trình thu ban đầu đối với các đồng bộ khung, đồng bộ khung đợc thiết lập khi thiết bị thu phát hiện ra NB đỉnh liên tiếp với khoảng thời gian là một chu kỳ khung (Tf) quá trình này đợc gọi là bảo vệ sau NB trạng thái Ngay cả khi hệ thống đã đồng bộ khung, do ảnh hởng của nhiễu và pha đinh mà trong nhiều trrờng hợp ta không thể phát hiện đỉnh tơng quan từ SLSW.
Mất đồng bộ khi không phát hiện đợc các đỉnh tơng quan trong NF lần liên tiếp tại thời điểm mà lẽ ra đỉnh đo phải xuất hiện Quá trình này là bảo vệ tr ớc
NF trạng thái Hình 3.5 cho thấy sơ đồ trạng thái của mạch bảo vệ trớc và sau, trong đó giả thiết NF và NB là N.
Trong phần trớc, chúng ta đã giả thiết chỉ có một đỉnh tơng quan trong mỗi khe nếu không có đỉnh phát hiện sai Điều này đúng khi kênh truyền chịu ảnh h-
HINH 3.4: Khái niệm mạch đồng bộ khung
Tách nhầm Tách nhầm tín hiệu Thu đ Ư ợc ở B¨ng gèc
T Ư ơng quan Lây ng Ư ỡng Mạch bảo vệ
Tr Ư ớc và sau định thời khung
K ho ản g xu ng đ ồn g bộ T f
K ho ản g xu ng đ ồn g bộ T f Bả o vệ s au
Trạng thái mất đồng bộ
Hình 3.5 ví dụ về sơ đồ trạng thái của mạch bảo vệ truớc và sau
20 ởng của AWGN hoặc pha đinh Rayleigh phẳng Tuy nhiên, trong các điều kiện truyền thực tế, có thể có một vài đỉnh tơng quan xung quanh SLSW do các đờng tín hiệu trễ.
Cho thấy một ví dụ về hoạt động mạch đồng bộ định thời khung, trong đó đ- ờng truyền dẫn gồm ba đờng bị tác động độc lập bởi pha đinh Rayleigh Nh ta thấy trên hình 3.6, có ba đỉnh tơng quan đợc đa vào bộ phát hiện ngỡng, một vài đỉnh trong nhóm đỉnh có thể đợc phát hiện Tất nhiên, số các đỉnh phát hiện đợc trong nhóm phụ thuộc vào mức ngỡng Kết quả là, khoảng thời gian đỉnh thời gian cã rung pha.
Ngoài ra việc định thời khung quyết định chọn đờng nào phụ thuộc vào các kỹ thuật bù pha đinh Khi chúng ta sử dụng một bộ cân bằng thích nghi chúng ta phải khoá định thời khung vào đờng thứ nhất Mặt khác khi chúng ta sử dụng kỹ thuật bù pha đinh Rayleigh phẳng chúng ta phải khoá định thời khung vao đ- ờng mạnh nhất Để đáp ứng các yêu cầu này, cần chia mạch đồng bộ định thừi khung thành các mạch điều chỉnh thô và điều chỉnh tinh nh hình 3.6 Trong giai đoạn điều chỉnh thô , định thời trung bình cho nhóm đỉnh tơng quan SLSW đợc phát hiện với khoảng gao động là , trong đó d là một số nguyên dơng, là khoảng thời gian một ký tự và độ rộng của khoảng này là( ) đợc gọi là cửa sổ phát hiện.Trong trờng hợp này, đồng bộ khung đạt đợc khi đỉnh liên tiếp với một
Ph Ư ơng pháp tách tuyến mạnh nhất định thời tuyÕn 2 định thời tuyÕn 1
Các ph Ư ơng pháp khác
Tín hiệu Thu ở B¨ng gèc
Hình 3.6: ví dụ về hoạt động của mạch đồng bộ định thời khung, trong đó đờng truyền dẫn gồm 3 đƯờng truyền dẫn gồm 3 đƯờng bị ảnh hƯởng bởi pha đinh Rayleigh một cách độc lập. dT s
4 2 khoảng thời gim là đợc phát hiện Trong thủ tục bảo vệ trớc sự mất đồng bộ đợc phát hiện chỉ khi đỉnh liên tiếp tại định thời khung với khỏang dao động định thời là không thể phát hiện đợc.
Trong quá trình diều chỉnh tinh, ngời ta tìm điểm định thời khung tối u bằng cách sử lý mặt cắt trễ xung quanh định thời khung d dã đợc phát hiện trong giai đoạn điều chỉnh thô bằng cách sử dụng kỹ thuật phù hợp với kỹ thuật chống pha đinh tơng ứng. Đ 3.5 Nguyên lý và kỹ thuật trải phổ trong cdma
Nguyên lý chung
III.5.1.1 Khái niệm về kỹ thuật trải phổ
Kỹ thuật trái phổ đợc sử dụng lần đầu tiên trong các hệ thống thông tin trong quân đội Mỹ vào những năm 1940, nhằm che dấu những thông tin và nhiễu cố ý Gần đây kỹ thuật trải phổ đã đợc ứng dụng trong lĩnh vực dân sự trong hệ thống thông tin viễn thông vô tuyến ý tởng của kỹ thuật trải phổ trong các hệ thống thông tin di động là dựa vào định lý Shannon Định lí này đ ợc phát biểu nh sau : Với một kênh thông tin có tạp âm trắng cộng tính (AWGN) thì t- ơng quan giữa dung lợng, cộng suất và độ rộng dải tần cho bởi công thức sau:
Trong đó : C là dung lợng của kênh truyền.
B là độ rộng dải tần của tín hiệu
S/N là tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu.
Nh vậy với cùng một dung lợng C ta có thể truyền tín hiệu qua kênh với tỉ số tín hiệu trên tạp âm rất thấp nếu tín hiệu đó có phổ rất rộng Điểm này có thể thực hiện đợc nhờ kỹ thuật trải phổ tín hiệu cần truyền về phía phát và nén phổ thu đợc ở phía thu.Hệ thống thông tin dùng kỹ thuật trải phổ cho phép làm việc tốt ở các điều kiện truyền thông tin trong môi trờng có nhiễu mạnh , thậm chí có thể che giấu đợc tín hiêu chìm trong nền nhiễu.Nhờ đó không những tín hiệu đ- ợc truyền chính xác mà còn lam đối phơng rất khó có thể nhận ra đợc tin tức m×nh ®ang truyÒn ®i
Hơn nữa, nhờ việc sử dung các mã trải phổ ( mã giả ngẫu nhiên ) trong các kỹ thuật trải phổ nên đối phơng không thể giải mã đợc thông thin.
Hệ thống thông tin trải phổ la hệ thông thông tin có băng tần phát lớn hơn rất nhiêu so với băng tần tín hiệu gốc Băng tần phát của hệ thống đợc trải phổ độc s f dT
Sn 1 () Sn b(t) b(t) lập với tín hiệu Tuy vậy,không phải hệ thống thông tin nào có dải rộng đều là hệ thông thông tin trải phổ Một hệ thống thông tin đợc gọi là trải phổ nếu thoả mãn ba yếu tô sau:
- Yếu tố 1: Tín hiệu sau khi trải phổ có độ rộng băng tần lớn hơn gấp nhiêu lân so với tín hiệu gốc của nó.
- Yếu tố 2: Sự trai phổ thờng đợc thc hiện bởi tín hiệu trải phổ gọi là mã trải phổ.Mã trải phổ nay thờng độc lập với tín hiêu mà nó có tốc độ lớp hơn nhiều với tốc đoc dữ liệu.
- Yếu tố 3: Tại phía thu, giả trải phổ đơc thực hiên bởi sự tơng quan với tín hiệu thu với bản sao các mã trải phổ đã đơc sử dụng ở phía phát
Chú ý : Một hệ thống thông tin sử dụng các kỹ thuật điều chế và giải điều chế truyền thông nh điều pha, điều tần, điều chế xung mã … Mỹ đã có chiến l Tuy có độ rộng băng truyền dẫn lớn hơn độ rộng băng truyền của tín hiệu dũ liêu nhng không phải là hệ thống trải phổ vì lý do là trong các hệ thống thông thin không thoả mãn yếu tố 2 và yếu tố 3 của định nghĩa hệ thống thông tin trải phổ.
Mô hình khái quát của hệ thống thông tin trải phổ đợc biểu diễn trong hình (3-7).
Hình 3-7 : Mô hình khái quát hệ thống thông tin trải phổ
Những thành tựu trong thông tin và truyền thông đợc đa trên nền tảng ý tởng phat càng nhiều thông tin trên một băng tần hẹp càng tốt Các hệ thống thông tin này đơc gọi là hệ thống thông tin băng hẹp (Sn) Trong các hệ thống thông tin trải phổ hình3-7), hoạt động của máy thu và máy phat đơc chia lam 2 bớc :
+ Bớc 1: Chúng ta cs thể xem nh là điều chế cấp 1,khi đó tín hiệu nhị phân b(t)đàu vào đợc chuyển vào tín hiệu băng hẹp Sn.
+ Bớc 2: chúng ta coi nh điều chế cấp 2 là nơi áp dụng kỹ thuật trải phổ kí hiệu () Kết quả của điều chế này là mở rộng phổ của băng tần tín hiệu thành băng tần rọng Sau khi đợc trải phổ bằng mã trải phổ thì thu đơc tín hiệu đàu ra phía phat là Sn. b Tại phía thu:
+ Bớc 1: Là quá trình đơc nén phổ ký hiệu là () Thực chất là quá trình nén phổ là sự tơng quan của tín hiệu thu đợc Swvới bản sao mã trải phổ đợc đồng bộ.Sau khi trải phổ tín hiệu băng rộng Sw đợc tín hiệu dạng gốc Sncủa tín hiệu băng hẹp
+ Bớc 2: Tín hiệu băng hẹp sau khi qua giải điều chế, tín hiệu băng hẹp đợc khôi phục trở lại dang dữ liệu ban đầu b(t) tín hiệu trải phổ áp dụng rất hiệu quả trong hệ thống thông tin dải rộng do có các u điểm lớn: chống nhiễu cải thiện chất lợng thông tin Tăng dung lợng, bảo mật.
III.5.1.2 Phân loại kỹ thuật trải phổ. Để nâng cao chất lợng của hệ thống thông tin dựa vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) đối với hệ thống tơng tự và tỷ số lỗi bít( BER)đối với hệ thống thông tin số,chúng ta có thể thực hiện đợc thông qua kỹ thuật trái phổ.Do các đặc điểm riêng biệt mà ngời ta có phổ rộng
W(Hz)và thời gian tồn tại T thì ta có số phân lợng phổ là 2WT.để tăng số phân lợng phổ ta có thể tăng W hoặc tăng thời gian Tnhờ ktx thuật nhảy thời gian(Time hopping).
Căn cứ vào cấu trúc và phơng pháp điều chế ngời ta phân ra các loại sau:
-Trải phổ trực tiếp(DS-Direct Sequense): Đây là phơng pháp đơn giản nhất trong kỹ thuật trải phổ và đợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin di động, vệ tinh, rada, Tín hiệu bị trải phổ rộng ra nhờ cộng modul 2 của tín hiệu gốc với mã trải phổ PN.
Kỹ thuật trải phổ trực tiếp DS/SS
III.5.2.1 Nguyên tắc triệt nhiễu trong hệ thống thông tin trải phổ trực tiếp.
Tại bộ điều chế tín hiệu cần phát đi sau điều chế là S(t) Tín hiệu này có tốc độ là R(pbs) Tốc độ trải phổ PN (C(t))có tốc độ lớn hơn nhiều tốc độ giữ liệu cÇn truyÒn ®i.
Giả sử bề rộng phổ của tín hiệu dữ liệu S(t) là X(w) và bề rộng của tín hiệu trải phổ là G(w) Tín hiệu nhân đại số của tín hiệu dữ liệu và trải phổ biến đổi thao thời gian S (t).C(t) tơng đơng với việc nhân chập độ rông phổ tần số của hai phổ tần số tín hiệu dữ liệu và mã phổ là X(w) và G(w):
Nếu tín hieụ dữ liệu là tín hiệu dữ liệu băng hẹp so với mã trải phổ thì phổ của tín hiệu dữ liệu là nhỏ so với phổ cuả mã trải phổ.Do đó phổ của tín hiệu tích S (t).C(t) có độ rộng phổ gần nh độ rộng mã trải phổ.
Tại bộ điều chế,tín hiệu hận đợc nhân với bản sao mã rải phổ (mã trải phổ tại máy thu).Giả sủ nhận tín hiệu là lý tởng và tín hiệu truyền tới máy thu không có
S(t) nhiễu Phổ tín hiệu nén lại Nừu có bất kỳ một tín hiệu không mong muốn nào ( nhiễu băng hẹp) thì tại máy thu do nhân vơí mã trải phổ đã đợc đồng boọ với máy phát thif phổ của nhiễu sẽ đợc trải rộng ra giống nh trải phổ tín hiệu dữ liệu phát.
Nh vậy tín hiệu thu mong muốn đợc nén phổ lại sau đó đợc loc để thu tín hiệu cần thiết Trong đó phổ của tín hiệu không mong muốn bị trải rộng phổ ra. Hay nói cách khác mật độ phổ công suất tín hiệu sau khi nén đợc tăng lên còn mật độ phổ công suất của các tín hiệu không mong muốn bị làm giảm đi.
Nh vậy, qua quá trình nén phổ nếu so sánh tỉ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu vào máy thu và sau bộ nén phổ ta thấy tỉ số tín hiêụ trên tạp âm (S/N) ở đầu ra tăng lên rõ rệt Tóm lại bản chất và khả năng triệt nhiễu của hệ thống trải phổ có thể trình bày nắn gọn lại nh đợc, minh hoạ ở hình (3-11). t?n hiệu
Hình 3-11: Trải phổ nén trong hệ thống trải phổ DS.
Tại máy phát việc nhân tín hiệu dữ liệu với mã trải phổ chính và việc trải phổ cảu tín hiệu dữ liệu trên nền phổ của mã trải phổ (mã trải phổ có độ rộng rất lớn so với tín hiệu dữ liệu)
Tại máy thu tín hiệu thu đựo nén phổ nhờ việc nhân tín hiệu thu đợc với bản sao mã trải phổ phía thu đã đợc đồng bộ.Sau khi nhân với bản sao mã trải phổ đó thì phổ tín hiậu đã đợc nén lại Sau đó nhờ quá trình lọc mà tín hiệu mong muốn đợc tách ra.
Nh vậy, tín hiệu mong muốn đợc phục hồi sau khi nhân với mã trải phổ lần thứ hai tại máy thu.Trong khi đó các tín hiệu không maong muốn khác (nhiễu) chỉ đợc nhân với mã trải phổ có một lần nên phổ bị trải rộng ra Do đó, mật độ công suất bị giảm sút Chính vì vậy, hệ thống thông tin dùng kỹ thuật trải phổ thì hoạt động tốt hơn trong môi trờng có nhiễu mạn
III.5.2.2 Kỹ thuật trải phổ trực tiếp kiểu BPSK(DS - BPSK).
Dạng cơ bản nhất trong hệ thống thông tin trải phổ trực tiếp là giải thuật điều chế trải phổ dịch pha nhị phân (DS - BPSK) Thờng gọi tắt là kỹ thuật trải phổ BSPK
Kỹ thuật trải phổ có sơ đồ sau: t?n hiệu
Hình (3-12): Sơ đồ trải phổ trực tiếp BPSK(DS - BPSK).
Tín hiệu đầu ra Sm(t) tại phía đầu ra của bộ điều chế pha thì có công suất là p, tần số góc của tín hiệu là đợc điều chế pha bởi tín hiệu đầu vào m(t) có dịch pha là
Tín hiệu Sm(t) có độ rộngbăng thôngtruyềndẫn tốithiểu làR/n với r là tốc độcủa bít dữ liệu m(t), n là ssố bít thông tin trong một ký hiệu.
(3-6) Tín hiệu Sm(t) ở phía đầu ra của bộ điều chế pha tiếp tục đợc trải phổ bằng việc nhân
(3-7) với mã trải phổ PN(C(t))thì thu đợc tín hiệu băng rộng St(t) Tín hiệu St(t) có độ rộngbăng tần rất lớn so với độ rộng băng tần của tín hiệu Sm(t).
Tín hiệu St(t) đợc mang ra phát và đợc truyền theo kênh truyền tới máy thu. Trên kênh truyền, tín hiệu băng rộng tín hiệu st(t) không những bị làm trễ mà còn đợc cộng thêm nhiễu của tín hiệu không mong muốn Nừu máy thu,tín hiệu thu đợc là r(t) có mang một độ trễ và nhiễu nhất định Máy thu nhận đợc tín hiệu sau một khoảng thời gian trễ Td và cộng thêm một lợng nhiễu Giải phổ tín hiệu thu đợc r(t) đơc thực hiện cũng nhờ mã trải phổ PN Mã trải phổ tại phía thu đợc đồng bộ với phía phát Tín hiệu thu r(t) đợc nhân với mã phổ PN: C( t - Td). Trong đó Td là thời gian truyền dẫn do máy thu đánh giá.
Tín hiệu sau khi trải phổ sẽ là X(t):
Trong đó là pha ngẫu nhiên gây ra bởi tạp âm và nhiễu Khi máy thu đợc đồng bộ với máy phát thì Td = T’d , và C(t) là các bít nhị phân ±1 thì1 thì
Khi đó biểu thức (3-8) trở thành: