kỹ thuật trải phổ trong cdma

Tuy nhiên, trong tương lai đã và đang phát triển lên hệ thống mới sử dụng công nghệ CDMA, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về số lượng cũng như chất lượng của dịch vụ trên hệ thống.Cô

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG I

- -BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN

CDMA

NGUYỄN VĂN LÊ

LÊ VĂN THANH

Hà Nội 08/2011

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 2

I - KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRỰC TIẾP ( H À T HỊ H ỒNG ) 4

1.1 Giới thiệu 4

1.2 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp 4

II - KỸ THUẬT TRẢI PHỔ NHẢY TẦN – FHSS ( N GUYỄN V ĂN L Ê ) 8

2.1 Nguyên lý chung 8

2.1.1: Máy phát FHSS 9

2.1.2: Máy thu FHSS 11

2.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh 12

2.3 Hệ thống trải phổ nhảy tần chậm 14

2.4 Kết luận 16

III - KỸ THUẬT TRẢI PHỔ NHẢY THỜI GIAN – THSS ( L Ê V ĂN T HANH ) 17

3.1 Giới thiệu kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian - THSS 17

3.2 Nguyên lý của hệ thống THSS 17

3.3 Kết luận 19

IV - CÁC HỆ THỐNG LAI GHÉP 19

4.1 Giới thiệu về hệ thống lai ghép 19

4.2 Nhảy tần chuỗi trực tiếp FH/DS 19

4.3 Hệ thống TH/FH 21

4.4 Hệ thống TH/DS 22

KẾT LUẬN 24

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm vừa qua, hệ thống thông tin di động Việt Nam đã sử dụng công nghệ GSM Tuy nhiên, trong tương lai đã và đang phát triển lên hệ thống mới sử dụng công nghệ CDMA, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về số lượng cũng như chất lượng của dịch vụ trên hệ thống.

Công nghệ CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ đã đạt được hiệu quả sử dụng dải thông lớn hơn nhiều lần so với các công nghệ tương tự hoặc số khác, do đó số lượng thuê bao đa truy nhập lớn hơn rất nhiều Nhờ việc dãn rộng phổ tín hiệu mà có thể chống lại được các tác động nhiễu và bảo mật tín hiệu Các hệ thống sử dụng công nghệ CDMA đã đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di động trong tương lai Việc nắm bắt được công nghệ này là rất cần thiết Trong công nghệ CDMA, kỹ thuật trải phổ đóng vai trò quan trọng nhất Từ lý do đó, sau quá trình tìm hiểu nhóm chúng em đã lựa chọn đề tài: “Kỹ thuật trải phổ trong CDMA” để nghiên cứu

Do thời gian tìm hiểu và trình độ còn hạn chế Trong phạm vi báo cáo này, chúng

em tập chung nghiên cứu 3 kỹ thuật trải phổ và một số hệ thống lại ghép Nội dung báo cáo gồm 3 phần chính:

T/m nhóm sinh viên thực hiện

Trưởng nhóm

Hà Thị Hồng

I - KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRỰC TIẾP ( Hà Thị Hồng )

1.1 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 thường được thiết kế sao cho sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt Tuy nhiên, ở hệ thống thông tin trải phổ ( SS : Spread Spectrum), độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng gấp nhiều lần trước khi phát Khi chỉ có 1 người sử dụng trong băng tần trải phổ thì không có hiệu quả sử dụng băng tần Nhưng ở môi trường nhiều người dùng, họ có thể sử dụng chung một băng tần trải phổ và hệ thống khi đó đạt được hiệu quả sử dụng băng tần cao mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ như:

• Chống nhiễu tốt

• Chia sẻ cùng tần số với nhiều người sử dụng

• Bảo mật tốt do có chuỗi mã giả ngẫu nhiên

• Do sử dụng mã giả ngẫu nhiên nên nó khó bị nghe trộm

• Hạn chế và làm giảm hiệu ứng đa đường truyền

Như vậy, một hệ thống thông tin được coi là hệ thống trải phổ khi:

- Tín hiệu được phát có độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần

tối thiểu cần thiết.

- Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu.

Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cách giải trải phổ Các tín hiệu còn lại xuất hiện ở dạng các nhiễu phổ rộng công suất thấp như tạp âm

1.2 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp

Trong CDMA, kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS: Direct Sequence/Spread Spectrum) được sử dụng Mỗi một người sử dụng được cấp một mã riêng biệt Mã được

sử dụng thường là một chuỗi giả tạp âm (PN-Pseudo Noise) hay giả ngẫu nhiên, có tốc độ rất lớn, lớn hơn tốc độ bít dữ liệu, tức là phần tử của chuỗi có độ rộng thời gian rất nhỏ, nhỏ hơn độ rộng của bit dữ liệu và được gọi là chip

Hình 1: Nguyên lý trải phổ

Hệ thống DS-SS đạt được bằng cách nhân trực tiếp tín hiệu cần trải phổ với tín hiệu giả ngẫu nhiên Tín hiệu sau khi trải phổ sẽ điều chế sóng mang theo BPSK hoặc QPSK… trước khi truyền đi Phía thu sẽ dùng mã PN để giải trải phổ lấy ra tín hiệu mong muốn

Hình minh họa tín hiệu trải phổ

Hình 2: Biểu diễn tín hiệu trải phổ

- Фd(f) mật độ phổ công suất của tín hiệu trước khi trải phổ

- Фdc(f) mật độ phổ công suất của tín hiệu sau khi trải phổ

Tín hiệu phát của người thứ k là luồng số thông tin của người sử dụng dk(t) có tốc

dk(t) là luồng bít lưỡng cực với hia mức giá trị {+ 1,-1}

Luồng tín hiệu dk(t) được trải phổ bằng cách nhân với mã trải phổ (gọi là mã giả

tạp âm PN ) c(t) , có tốc độ Rc= 1/Tc lớn hơn nhiều lần so với Rb Phần tử nhị phân của

chuỗi c(t) được gọi là một chip để phân biệt nó với phần tử nhị phân (bit) của bản tin

Mã trải phổ này làm cho băng tần tín hiệu sau khi trải phổ sẽ lớn lên rất nhiều khi

truyền đi đồng thời cũng dùng để phân biệt các thuê bao khi tận dụng đường truyền cho

quá trình đa truy nhập, mã trải phổ không phải là ngẫu nhiên mà chúng có chu kì xác

định và được biết trước đối với máy thu chủ định Mã trải phổ là chuỗi chip nhận các giá

trị {+ 1,-1} gần như đồng xác suất và được biểu diễn như sau:

Trong đó c(i) = ± 1,là chuỗi xung nhận giá trị +1 hoặc -1 và Tc là độ rộng của một

chip và Tc = NTb (N số chip trong một bít) , pTc là hàm xung vuông được xác định như

sau:

1,0 ( )

0,

c Tc

Sau trải phổ tín hiệu có tốc độ chip Rc đuợc đưa lên điều chế sóng mang bằng cách

nhân với tín hiệu sóng mang:

( ).

2 ( ) b k( ) ( ) os(2k c ), 0 b

Trong đó Eb năng lượng bít , Tb là độ bit và fc là tần số sóng mang

Tại phía thu , để các máy thu có thể phân biệt được các mã trải phổ, các mã này phải là các mã trực giao chu kỳ Tb thoả mãn điều kiện sau:

1, 1

( ) ( )

0, 0

b

k j b

c t c t dt

k j T

1

2 ( ) K br ( ) ( ) os(2 )

b j

E

=

= ∑Trong đó Ebr = Eb/Lp là năng lượng bit thu, Lp là suy hao đường truyền Tín hiệu thu được đưa lên phần đầu của quá trình giải điều chế để nhân với sóng mang:

Ở trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp có hai cách trải phổ là:

+ trải phổ DS/SS_ BPSK (Trải phổ trực tiếp BPSK)

+ trải phổ DS/SS_QPSK (Trải phổ trực tiếp QPSK)

II - KỸ THUẬT TRẢI PHỔ NHẢY TẦN – FHSS ( Nguyễn Văn Lê )

2.1 Nguyên lý chung

Hệ thống trải phổ nhảy tần – 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 chuổi 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 sóng mang đã được điều chế, nhưng nó được sử dụng để điều khiển bộ tổng hợp tần số Ở mỗi thời điểm nhảy tần, bộ tạo mã giả tạp âm đưa ra một đoạn k chip mã để điều khiển bộ tổng hợp tần số, theo điều khiển của đoạn k chip mã này, bộ tổng hợp tần số sẽ nhảy sang hoạt động ở tần số tương ứng thuộc tập 2k các tần số

Mỗi đoạn gồm k chíp mã được gọi là một từ tần số, bởi vậy sẽ có 2k từ tần số Do các từ tần số xuất hiện ngẫu nhiên nên tần số dao động do bộ tổng hợp tần số tạo ra nhận một giá trị thuộc tập 2k 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 một 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 Tuy nhiên, tính trung bình trên nhiều bước sóng nhảy thì phổ tín hiệu nhảy tần lại chiếm toàn bộ bề rộng băng trải phổ

Hình 2.1: Mô phỏng mật độ phổ công suất của tín hiệu FHSS trên toàn bộ băng tần

Tốc độ nhảy tần có thể nhanh hay chậm hơn tốc độ số liệu Từ đó ta có 2 loại hệ thống trải phổ nhảy tần, đó là hệ thống nhảy tần nhanh và hệ thống nhảy tần chậm

2.1.1: Máy phát FHSS

Sơ đồ khối máy phát FHSS được mô tả như hình vẽ:

Tín hiệu dữ liệu b(t) đưa vào được điều chế FSK thành tín hiệu x(t) Trong khoảng thời gian mỗi bít x(t) có một trong hai tần số f’ và f’+∆f, tương ứng với bít 0 và 1 của dữ

liệu Tín hiệu này được trộn với tín hiệu y(t) từ bộ tổng hợp tần số Cứ mỗi Th giây, tần số y(t) lại được thay đổi theo các giá trị của k bit nhận được từ bộ tạo mã PN Do có 2 tổ hợp k bit nên ta có thể có 2k các tần số khác nhau được tạo ra bởi bộ tổng hợp tần số Bộ trộn tạo ra tần số của tổng và hiệu, một trong hai tần số này được lọc ra ở bộ lọc băng thông (BPF)

Ta có thể viết tín hiệu đầu ra của bộ tổng hợp tần số trong đoạn nhảy 1 như sau:

y(t) = 2A cos [ 2π (f g + i l ∆f)t + θ ] ; với T h <t<(l+1)T h

Trong đó:

+ i l Є {0, 2, 4, 2(2k – 1)} – là số nguyên chẵn.

+ f g : là một tần số không đổi

+ θ: là giá trị pha.

Giá trị của il được xác định bởi k bit nhận được từ bộ tạo chuỗi giả tạp âm Giả thiết rằng

bộ lọc BPF lấy ra tần số tổng ở ở đầu ra của bộ trộn Khi này ta có thể viết tín hiệu ở đầu

ra bộ lọc BPF trong bước nhảy như sau:

y(t) = 2A cos [ 2π (f 0 + i l f + b l ∆f)t + θ 1 ] ; với l<t< (l+1)T h

Trong đó:

+ b 1 Є {0, 1} – là giá trị của số liệu ở l<t< (l+1)T h và f 0 = f + f g

Ta thấy rằng tần số phát sẽ bằng f0 + ilf khi b1 = 0 và bằng f0 + ilf + ∆f khi bl = 1

B FH = K.∆f

Để tính toán độ lợi xử lý, ta đã biết rằng độ rộng băng tần kênh cần thiết để truyền

số liệu bằng 2/Tb , nên Gp là tỷ số giữa độ rộng băng tần kênh để truyền dữ liệu trải phổ

và độ rộng băng tần cần thiết để truyền tín hiệu băng tần gốc như sau:

G p = K.∆f / (2/T b ) = KT b / 2T h

Trong đó ta giả thiết rằng phân cách tần số bằng 1/Tb Nếu ta sử dụng thêm bộ nhân tần có hệ số β thì phổ của tín hiệu FH sẽ mở rộng β lần Vì thế độ rộng băng tần tổng hợp của tín hiệu FH này là β.K∆f (Hz) và khi đó độ lợi sẽ tính bằng:

G p = β.K.∆f / (2/T b ) = β.KT b / 2T h

2.1.2: Máy thu FHSS

Sơ đồ khối máy thu FHSS được mô tả như hình vẽ:

Tín hiệu của máy thu được lọc bởi bộ loc băng thông BPF có độ rộng băng thông bằng độ rộng của băng tín hiệu FHSS nghĩa là vào khoảng f0-0,5∆f (Hz) đến f0+(K - 0,5)∆f (Hz) Hình 2.3 mô tả các hệ thống con thực hiện khôi phục định thời ký hiệu và đồng bộ chuỗi PN, ở đây không cần khôi phục sóng mang vì máy thu sử dụng giải điều chế không liên kết và do tốc độ nhảy tần nhanh máy thu rất khó theo dõi được pha của sóng mang khi pha này thay đổi ở mỗi bước nhảy Bộ tạo chuỗi PN tại phía phát tạo ra một chuỗi PN đồng bộ với chuỗi thu, đầu ra của bộ tổng hợp tần số sẽ là:

g(t) = Acos [2π (f g + i l ∆f)t + θ’] ; với lT h < t < (l+1)T h

Bỏ qua tạp âm, đầu vào BPF sẽ là:

g(t).s(t) = Acos [2π (f g + i l ∆f)t +θ’].Acos [2π (f 0 + i l ∆f + b l ∆f)t + θ]

Với: lT h < t < (l+1)T h

g(t).s(t) = A/2 {cos [2π (f g + f0 + 2il∆f + b l ∆f)t + θ’ + θ ] + cos [2π (f g – f0 + b l ∆f)t + θ’ – θ ] }

Thành phần tần số cao bị bộ lọc BPF loại bỏ và chỉ còn lại thành phần tần số thấp

Ta ký hiệu f0 = fg + f’ Vậy đầu vào bộ giải điều chế FSK sẽ là:

os 2 ' ' ; 02

w( )

os 2 ' ' ; 12

l l l

l l l

A

c f t b t

Đầu này chứa hoặc tần số f’ hoặc (f’ + ∆f) Vì b không thay đổi trong thời gian Tb

của một bit, nên trong khoảng thời gian này tín hiệu w(t) có tần số không đổi Như vậy trong khoảng thời gian Tb giây bộ giải điều chế FSK tách ra tần số này và tạo ra đầu ra cơ

số 2 là 0 hoặc là 1 Nói cách khác ta có thể tách ra tần số chứa trong w(t) cho từng đoạn nhảy để nhận được Tb/Th các giá trị cho từng bước nhảy Từ các giá trị này, sử dụng nguyên tắc đa số ta có thể quyết định bit dữ liệu là 0 hay là 1

2.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh

Ở hệ thống FHSS nhanh, có ít nhất một lần nhảy tần số ứng với một bit dữ liệu Với

Tb là chu kỳ của tín hiệu dữ liệu, Th là thời gian của một đoạn nhảy tần thì Tb≥Th Trong khoảng thời gian Th giây của mỗi lần nhảy tần, một trong số các 2k tần số (f 0 , f 0 + ∆f, f 0 +

2∆f, … , f 0 +(K – 1)∆f) được phát Trong đó ∆f là khoảng cách giữa các tần số lân cận, thường được chọn băng 1/Th Hình 2.4 biểu diễn cho hệ thống FH với tốc độ nhảy tần bằng 3 lần tốc độ số liệu

Nhảy tần nhanh với điều chế M-FSK

Để hiểu cụ thể hơn ta đi tìm hiểu hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh với điều chế FSK Dạng tổng quát của FSK cơ số 2 là FSK M trạng thái, trong đó M tần số được sử dụng để biểu thị Log2(M) bit số liệu Với trải phổ FH, tần số phát nhảy trên một lượng lớn các tần số ( 2k.M tần số), trong đó k là số bit đư ra từ bộ tạo mã PN đến bộ tổng hợp tần số Hình 2.5 biểu thị cụ thể hệ thống trải phổ FH nhanh với điều chế FSK M trạng thái

M-Với giả thiết M = 4, nghĩa là ở mỗi thời điểm hai bit số liệu được xem xét và giả thiết là ba bước nhảy ở mỗi ký hiệu (mỗi ký hiệu bằng Log2(M) bit số liệu), ở đây ta sử dụng Ts = Log2(M)Tb để biểu diễn thời gian của một ký hiệu, Th biểu diễn thời gian của một bước nhảy tần

Trục tần số được chia thành 2k nhóm 4 tần số, k bit của chuỗi PN sẽ xác định tần số trong nhóm nào sẽ được sử dụng Vì thế 2 bit từ luồng số liệu và k bit từ chuỗi PN sẽ xác định chính xác tần số nào sẽ được phát trong đoạn nhảy tần Do tần số được phát thay đổi

cứ Th giây một lần nên để điều chế được trực giao khoảng cách tần số tối thiểu phải là 1/Th Độ rộng băng tần tổng hợp khoảng 2k.M/Th(Hz)

2.3 Hệ thống trải phổ nhảy tần chậm

Khi Tb/Th <1 ta được hệ thống nhảy tần chậm Sơ đồ khối máy phát và thu tương tự như ở hệ thống nhảy tần nhanh Hình 2.6 mô tả biểu đồ của một hệ thống nhảy tần chậm với Tb/Th = 1/2 nghĩa là một lần nhảy tần ở 2 bit, ở mỗi lần nhảy tần số liệu thay đổi giữa

0 và 1 Vì tần số phát có thể thay đổi Th giây một lần nên để điều chế trực giao khoảng cách phải là ∆f = m/Tb Trong đó m là số nguyên khác 0 Nếu ta chọn ∆f = 1/Tb và nếu

bộ tổng hợp tần số tạo ra 2k tần số, độ rộng băng tần sẽ là K.∆f = K/Tb (Hz) Trong đó K

= 2k+1 Độ đợi xử lý là K/2 Khi sử dụng bộ nhân tần với hệ số nhân β ở máy phát, phân cách tần số ở đầu ra cuối cùng trở thành β.∆f và G = β.K/2

Nhảy tần chậm với điều chế M – PSK

Tìm hiểu cụ thể hơn về hệ thống nhảy tần chậm ta xét ví dụ với hệ thống nhảy tần

nhảy có 3 ký hiệu dữ liệu Độ rộng băng tần lớn nhất hệ thống đạt được là 2k.M/Ts (Hz)

Tương tự như hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh Trục tần số được chia thành 2k

nhóm 4 tần số, k bit của chuỗi PN sẽ xác định tần số trong nhóm nào sẽ được sử dụng Vì thế 2 bit từ luồng số liệu và k bit từ chuỗi PN sẽ xác định chính xác tần số nào sẽ được phát trong đoạn nhảy tần

2.4 Kết luận

Hệ thống trải phổ nhảy tần có nhiều ưu điểm vượt trội về tốc độ chuỗi PN cũng như tốc độ xung nhịp Hệ thống FHSS có thể hoạt động trên dải tần số rộng (cỡ GHz) hơn nhiều so với các hệ thống trải phổ dùng các kỹ thuật khác, ngoài ra tín hiệu FHSS cũng

có thể trải rộng hơn nhiều so với hệt hống DSSS với cùng tốc độ đồng hồ

Tuy nhiên, hệ thống FHSS cùng còn một số hạn chế nhất định đó là tính phức tạp của bộ tổng hợp tần số dẫn đến giá thành đắt Mặc dù hạn chế được nhiễu giao thoa nhưng hệ thống FHSS lại dễ bị thu trộm hơn hệ thống DSSS.

Việc phát triển các hệ thống FHSS hiện nay đang được nghiên cứu mạnh mẽ Tương lai sẽ có những hệ thống FHSS với tầm hoạt động trên các băng tần rộng hơn nữa

Kỹ thuật của công nghệ này sẽ ngày càng hoàn thiện, khắc phục những hạn chế hiện nay

III - KỸ THUẬT TRẢI PHỔ NHẢY THỜI GIAN – THSS ( Lê Văn Thanh )

3.1 Giới thiệu kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian - THSS

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 nó có nhiệm vụ xác định mẫu nhảy khe thời gian

Hình 3.1: Trải phổ nhảy thời gian ( THSS )

Trong đó: M là số khe thời gian

T =Tf /M

3.2 Nguyên lý của hệ thống THSS

Trong một hệ thống trải phổ nhảy thời gian số liệu được phát thành các cụm Mỗi cụm gồm k bit số liệu và thời gian chính xác để phát mỗi cụm được xác định bởi một chuỗi mã PN Giả sử thang thời gian được chia thành các Tf giây Mỗi khung lại được chia tiếp thành J các khe thời gian Vì thế mỗi khe thời gian chiếm độ rộng Ts= Tf /J giây Biểu đồ thời gian được thể hiện như sau: