Luận văn viễn thông Khảo sát một số đặc tính của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DSSS sử dụng MATLAB

MụC lục Lời nói đầu 2 1.1. Tổng quan kỹ thuật trải phổ 2 1.1.1. Khái niệm hệ thống trải phổ 2 1.1.2. Các đặc điểm cơ bản của tín hiệu trải phổ 5 1.2. Các hệ thống trải phổ 9 1.2.1. Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp 10 1.2.2. Hệ thống trải phổ nhảy tần 19 1.2.3. Một số hệ thống trải phổ kết hợp khác 22 1.3. Mã giả tạp âm PN 22 1.3.1. Tạo chuỗi giả tạp âm 22 1.3.2. Các thuộc tính của chuỗi -m 26 1.3.3. Hàm tự tơng quan của chuỗi -m 26 1.3.4. Chuỗi Gold 29 1.4. Một số ứng dụng của kĩ thuật trải phổ 31 1.4.1. Hệ thống định vị toàn cầu GPS 31 1.4.2. Đa truy nhập phân chia theo mã 32 Chơng 2 35 2.1. Giới thiệu chung 35 2.1.1. Không gian làm việc của MATLAB 35 2.1.2. Làm việc với matrận 36 2.1.3. Chức năng đồ hoạ 37 2.1.4. Lập trình với MATLAB 39 2.2. Các Toolbox của MATLAB 42 2.3. Một số Blockset sử dụng cho mô phỏng hệ thống thông tin 45 2.3.1. CDMA reference Blockset 45 2.3.2. Communications Blockset 45 2.3.3. DSP Blockset 46 Chơng 3 47 3.1. Phơng pháp mô phỏng Monte-Carlo 47 3.2. Tính chống nhiễu của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp 50 3.2.1. ảnh hởng của nhiễu xung đối với hệ thống DS/BPSK 50 3.2.2. Bài thực hiện mô phỏng 53 3.3. Mô phỏng Monte-Carlo cho một hệ thống trải phổ DS thực hiện truyền thông tin bằng điều chế BPSK qua kênh AWGN 57 3.4. Tạo chuỗi Gold 60 Chơng 4 63 Phụ lục 65 Tài liệu tham khảo 71 1 Lời nói đầu Kĩ thuật trải phổ là một kĩ thuật điều chế và giải điều chế đợc áp dụng cho các hệ thống thông tin số nhằm đảm bảo cho quá trình truyền phát thông tin đạt chất lợng cao với các u điểm nổi bật về khả năng chống lại ảnh hởng mạnh của nhiễu cố ý, yếu tố bảo mật thông tin, khả năng đa truy nhập trải phổ đều có thể đạt đợc bằng kĩ thuật này. Vậy làm thế nào có thể phân tích đánh giá chất lợng thông tin của một hệ thống thông tin ?, thực tế có ba phơng pháp chủ yếu đó là: phơng pháp giải tích, dựa trên các công thức toán học; phơng pháp chế thử mẫu và đo lờng, dựa trên cơ sở chế tạo mẫu thử và tiến hành đo kiểm tra các chỉ tiêu chất lợng; và cuỗi cùng, là phơng pháp mô phỏng đợc đánh giá là một công cụ hết sức mềm dẻo, hiệu quả và khá kinh tế trong phân tích và đánh giá các hệ thống thông tin. Với sự trợ giúp của phần mềm MATLAB, một công cụ tính toán, lập trình và mô phỏng rất mạnh cùng với việc sử dụng phơng pháp mô phỏng hệ thống Monte- Carlo, đề tài tiến hành khảo sát và đánh giá chất lợng của một số trong số các u điểm trên của hệ thống trải phổ với độ tin cậy gần với hệ thống thực nhất. Nội dung của bản luận văn này tiến hành "Khảo sát một số đặc tính của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DS-SS sử dụng MALAB". Luận văn bao gồm bốn chơng: Chơng 1: Kĩ thuật trải phổ Chơng 2: Phần mềm MATLAB Chơng 3: Khảo sát một số đặc tính của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DS- SS Chơng 4: Kết luận Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, em đã nhận đợc sự hớng dẫn chỉ bảo rất nhiệt tình của thầy giáo hớng dẫn và em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy, Th.S Trần Xuân Việt. Bên cạnh đó, em cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo trong khoa Điện - Điện tử tàu biển. Tuy nhiên, do trình độ kiến thức và thời gian còn hạn chế, bản luận văn còn gặp nhiều thiếu sót, cha đáp ứng đợc hết các yêu cầu đặt ra. Rất mong nhận đợc ý kiến đóng góp của các thầy giáo và các bạn. Hải phòng ngày 12 - 1 - 2004 Sinh viên Vũ Thị Ngọc Quý Chơng 1 kỹ thuật trải phổ 1.1. Tổng quan kỹ thuật trải phổ 1.1.1. Khái niệm hệ thống trải phổ Kỹ thuật trải phổ đầu tiên đợc phát triển và ứng dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960 với mục đích chống lại việc gây nhiễu của địch và tạo khả năng phát hiện thấp đối với những đối tợng thu không mong muốn. Tuy 2 nhiên, ngày nay các tín hiệu trải phổ đã đợc sử dụng nhằm cho phép truyền tin tin cậy trong một loạt các ứng dụng thơng mại, bao gồm cả thông tin trên xe di động và thông tin vô tuyến liên sở. Tín hiệu trải phổ đợc sử dụng trong việc truyền phát thông tin số và đợc đặc trng bởi đặc tính độ rộng băng thông W lớn hơn rất nhiều so với tốc độ thông tin R tính theo bits/s. Điều đó có nghĩa là yếu tố mở rộng băng thông B c =W/R đối với một tín hiệu trải phổ lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng thông tối thiểu cần thiết để truyền đi tín hiệu số. Nh vậy để đợc coi là một hệ thống trải phổ thì hệ thống phải có các đặc điểm sau: 1. Tín hiệu sau trải phổ chiếm một độ rộng băng truyền dẫn lớn hơn gấp nhiều lần bề rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền đi thông tin. Sự trải phổ này độc lập với dữ liệu. 2. Tại phía thu việc nén phổ (nhằm khôi phục lại thông tin ban đầu) đợc thực hiện bởi sự tơng quan giữa tín hiệu thu đợc với bản sao đợc đồng bộ của mã trải phổ đã đợc sử dụng ở phía phát. Một số công nghệ điều chế sử dụng băng tần truyền dẫn lớn hơn rất nhiều bề rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền dẫn thông tin, song những phơng pháp điều chế này không đợc gọi là điều chế trải phổ. Ví dụ, mã hoá tốc độ thấp cũng làm tăng độ rộng băng truyền nhng lại không thoả mãn các điều kiện nêu trên nên cũng không đợc gọi là trải phổ; điều chế tần số băng rộng cũng dẫn đến độ rộng băng truyền lớn nhng cũng không đợc gọi là kỹ thuật trải phổ. 3 Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số trải phổ nh sau: Mô hình trên cho ta thấy các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin số trải phổ gồm có: dãy dữ liệu (nhị phân) ở đầu vào với đầu cuối phát và dãy dữ liệu lối ra ở đầu cuối thu, khối mã hoá và giải mã kênh, khối điều chế và giải điều chế là các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin số truyền thống, bên cạnh đó còn có hai bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên giống nhau trong đó một bộ kết nối với bộ điều chế ở đầu cuối phát và bộ còn lại kết nối với bộ giải điều chế ở đầu cuối thu. Hai bộ tạo mẫu giả này tạo ra chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên hay chuỗi giả tạp âm PN đợc sử dụng tại bộ điều chế để trải tín hiệu đợc phát đi về phổ và giải trải tín hiệu thu đợc (nén phổ) tại bộ giải điều chế. Chuỗi PN đợc tạo ra ở phía thu phải đồng bộ với chuỗi PN đợc tách ra từ tín hiệu thu đợc để giải trải chính xác tín hiệu thu đã đợc trải phổ. Trên thực tế, việc đồng bộ đợc thiết lập trớc khi truyền phát thông tin bằng cách truyền một mẫu bit PN xác định mà phía thu sẽ có thể tách đợc nó với một xác suất cao ngay cả khi có nhiễu. Sau khi việc đồng bộ thời gian của bộ tạo chuỗi PN đợc thực hiện xong, quá trình truyền tin bắt đầu. Việc trải rộng phổ của tín hiệu sẽ có tác dụng khắc phục đợc các tác nhân gây nhiễu mạnh bắt gặp trong quá trình truyền phát tin tức qua sóng vô tuyến cũng nh qua các kênh thông tin vệ tinh. Yếu tố quan trọng thứ hai đợc sử dụng trong việc tạo tín hiệu trải phổ là quá trình giả ngẫu nhiên, quá trình này sẽ làm cho tín hiệu có dạng nh tạp âm ngẫu nhiên và sẽ gây khó khăn lớn cho quá trình giải điều chế đối với những đối tợng thu không phải là những ngời thu đã định. Yếu tố này liên quan mật thiết tới mục đích ứng dụng của tín hiệu trải phổ này. Tín hiệu trải phổ đợc đặc biệt sử dụng cho: - Triệt khử những tác động của nhiễu gây ra từ những ngời sử dụng cùng kênh khác, và nhiễu gây ra do fadinh nhiều tia. - Dấu tín hiệu bằng cách phát ở mức công suất thấp và do đó làm cho những đối tợng thu không mong muốn không thể phát hiện đợc tín hiệu trong nền tạp âm thấp. - Đảm bảo tính bảo mật trong sự hiện diện của những đối tợng nghe khác. Thứ nhất, trong vấn đề chống những tác nhân gây nhiễu không mong muốn, đối với một hệ thống, điều quan trọng là tác nhân gây nhiễu làm gián đoạn thông tin phải không có hiểu biết gì về đặc tính của tín hiệu ngoại trừ độ 4 Dãy dữ liệu Bộ mã hoá kênh Bộ điều chế Kênh Bộ giải mã kênh Dữ liệu lối ra Bộ giải điều chế Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên Hình.1.1 Mô hình một hệ thống thông tin số trải phổ Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên rộng băng kênh và phơng pháp điều chế đã đợc sử dụng. Để phá vỡ khả năng này, đài phát sử dụng dạng sóng của tín hiệu mã hoá đợc phát đi với đặc tính không thể dự đoán trớc và tính ngẫu nhiên mà chỉ có đài thu đã định mới biết đợc những đặc điểm này. Kết quả là đài gây nhiễu phải tổng hợp và phát tín hiệu gây nhiễu mà không biết gì về mẫu giả ngẫu nhiên. Đối với nhiễu gây ra do nhiều ngời sử dụng dùng chung một kênh truyền trong hệ thống đa truy nhập, trong đó ở cùng một thời điểm có thể có nhiều ngời cùng phát thông tin qua một kênh truyền chung tới những đối tợng thu t- ơng ứng. Giả sử tất cả ngời sử dụng đều dùng chung một bộ mã để mã hoá và giải mã cho chuỗi thông tin của họ thì tín hiệu phát ở trong phổ chung có thể đợc phân biệt với những tín hiệu khác bằng cách thêm vào một thành phần giả ngẫu nhiên, mà nó cũng đợc gọi là một loại mã trong mỗi tín hiệu đợc phát. Nhờ đó, từng ngời thu riêng biệt có thể khôi phục lại thông tin khi biết đợc thành phần giả ngẫu nhiên Vấn đề đa đờng truyền gây ra do quá trình truyền giãn cách thời gian qua một kênh thông tin có thể đợc cho nh là một dạng tự gây nhiễu. Loại nhiễu này cũng có thể bị triệt khử bằng cách đa vào một thành phần giả ngẫu nhiên trong chuỗi tín hiệu phát. Thứ hai, tin tức có thể đợc dấu đi trong nền tạp âm bằng cách trải độ rộng băng tần kết hợp mã hoá và phát tín hiệu tổng hợp với mức công suất trung bình rất thấp. Bởi vì với mức công suất phát thấp, tín hiệu phát đi sẽ có xác suất bị chặn (phát hiện) thấp và do đó tín hiệu trải phổ cũng đợc gọi là có đặc tính LPI. Và cuối cùng, tính riêng t của thông tin có thể đạt đợc bằng cách thêm vào tín hiệu đợc phát thành phần giả ngẫu nhiên. Bất kì một đài thu nào không biết thành phần giả ngẫu nhiên này thì không thể thu đợc thông tin ngoại trừ đài thu hợp lệ. 1.1.2. Các đặc điểm cơ bản của tín hiệu trải phổ 1.1.2.1. Khả năng chống nhiễu Máy thu có thể khắc phục đợc các ảnh hởng của các loại nhiễu đợc gây ra cố ý nh thế nào, đặc biệt trong trờng hợp công suất nhiễu lớn hơn rất nhiều so với công suất tín hiệu đã phát đi? Các nghiên cứu lý thuyết thông tin cổ điển về kênh tap âm trắng cộng Gauss đã gợi ý để trả lời cho câu hỏi này. Tạp âm trắng Gauss là một mô hình toán học, theo định nghĩa có phổ năng lợng phân bố đều vô hạn trên tất cả các tần số. Việc thông tin có hiệu quả vẫn có thể đạt đợc vì tạp âm trắng cộng có phổ năng lợng phân bố đều trên tất cả các tần số, song chỉ có các thành phần tạp âm trong không gian tín hiệu mới gây ra các ảnh hởng có hại. Lấy ví dụ nh với một tín hiệu băng hẹp, thì điều đó có nghĩa là chỉ có các thành phần tạp âm trong bề rộng phổ tín hiệu mới có khả năng gây ra ảnh hởng giảm đặc tính của hệ thống. Ta có thể hiểu ý tởng của hệ thống trải phổ chống nhiễu nh sau: nhận xét rằng sẵn có nhiều toạ độ tín hiệu trực giao hay các phân lợng phổ để thiết lập liên kết thông tin và chỉ có một tập con của các toạ độ tín hiệu này đợc sử dụng tại bất cứ lúc nào. Ta giả thiết 5 rằng phía gây nhiễu không xác định đợc tập con tín hiệu hiện đang đợc sử dụng. Với các tín hiệu có bề rộng phổ bằng W và thời gian tồn tại là T, số phân lợng phổ xấp xỉ là 2WT. Nếu xét riêng với một loại tín hiệu cho trớc, đặc tính lỗi của hệ thống là một hàm của tỷ số năng lợng bit trên tạp âm- ký hiệu là E b /N 0 . Để chống lại tạp âm trắng Gauss với năng lợng vô hạn, sử dụng trải phổ không cho phép cải thiện đặc tính của hệ thống. Tuy nhiên khi tạp âm có công suất cố định và phía gây nhiễu lại không biết chắc chắn tập con tín hiệu nào hiện liên kết thông tin đang sử dụng, rõ ràng rằng trong trờng hợp này phía gây nhiễu sẽ phải chọn một trong hai cách: thứ nhất, phía gây nhiễu gây nhiễu tất cả các toạ độ tín hiệu của hệ thống, với năng lợng nhiễu gây ra nh nhau tại mỗi toạ độ tín hiệu. Lựa chọn cách này sẽ dẫn tới kết quả là mỗi một toạ độ tín hiệu chỉ bị nhiễu với công suất nhiễu nhỏ; cách thứ hai, gây nhiễu một số ít các toạ độ với công suất nhiễu đợc tăng lên đối với mỗi toạ độ bị nhiễu. 6 So sánh hiệu quả của việc trải phổ trong trờng hợp chỉ có mặt tạp âm trắng với việc trải phổ trong trờng hợp có nhiễu cố ý (Hình 1.2). Mật độ phổ năng l- ợng của tín hiệu trớc khi trải phổ đợc biểu thị là G(f) và sau khi trải phổ là G ss (f). Để đơn giản, hình vẽ chỉ mô tả theo không gian tần số. Theo Hình 1.2 a, mật độ phổ công suất một biên của tạp âm trắng là N 0 không thay đổi khi ta thực hiện trải phổ của tín hiệu từ W thành W ss . Công suất trung bình của tạp âm trắng (vùng phía dới đờng cong mật độ phổ) là vô hạn. Do đó, trong trờng hợp này trải phổ không cho phép cải thiện đặc tính của hệ thống. Hình 1.2 b trình bày trờng hợp công suất nhiễu thu đợc là J, nh thế mật độ phổ công suất nhiễu sẽ là J 0 =J/W. Nh vậy, để chống lại nhiễu cố ý ta phải lựa chọn sự phân bố tín hiệu sao cho phía gây nhiễu khó có thể thiết lập đợc tỷ số công suất tạp âm nhiễu trên tín hiệu có giá trị lớn trong phân bố tín hiệu này. 1.1.2.2. Khả năng phát hiện thấp Do việc truyền phát thông tin giữa các đài theo kiểu quảng bá nên có thể có những đối tợng thu không mong muốn. Để đảm bảo tính bảo mật trong việc truyền phát thông tin thì một hệ thống nên đợc thiết kế sao cho khả năng tách sóng là thấp nhất để việc tách sóng là khó có thể thực hiện đợc ngoại trừ đối t- ợng thu đã định. Hệ thống có đặc điểm này đợc gọi là hệ thống có xác suất tách sóng thấp (Low Probability of Detection_LPD) hay xác suất bị chặn thấp (Low Probability of being Intercepted). 7 G ss (f) W ss Sau khi trải phổ 0 N f G ss (f) W ss Phía gây nhiễu chon cách 2 sau khi trải phổ pJ 0 f G(f) Tr ớc khi trải phổ W WJJ / 0 = Tr ớc khi trải phổ G(f) N o f W G ss (f) W ss J 0 =J/W ss f Phía gây nhiễu chọn cách gây nhiễu 1 sau trải phổ lần 1 Hình 1.2 Hiệu quả của việc trải phổ a) Trải phổ với sự có mặt của tạp âm trắng b) Trải phổ với sự có mặt của nhiễu cố ý Đối với hệ thống trải phổ, tín hiệu đợc phát chủ ý với mức công suất rất thấp gần với tạp âm nền của kênh và tạp âm nhiệt phát sinh trong máy thu đầu cuối. Nếu tín hiệu trải phổ DS chiếm độ rộng băng thông là W và mật độ phổ công suất của tạp âm cộng là N 0 (W/Hz) thì công suất tạp âm trung bình trong độ rộng băng W là P N =WN o . Công suất tín hiệu thu đợc trung bình tại máy thu là P R . Nếu muốn đảm bảo thông tin không bị phát hiện bởi những đối tợng thu không mong muốn đang có mặt trong vùng lân cận với máy thu đã định thì tín hiệu phải đợc phát ở mức công suất thấp sao cho: P R /P N <<1. Máy thu đã định có thể khôi phục lại tín hiệu mang tin yếu trên nền tạp âm với sự trợ giúp của tăng ích sử lí và tăng ích mã, nh vậy bất kì máy thu không biết chuỗi PN cũng nh tăng ích sử lí và tăng ích mã thì không thể thu và tách đợc tín hiệu mang tin. Do đó ta có thể nói tín hiệu đã có xác suất bị chặn thu thấp LPI (Low Probability of being Intercepted) và nó đợc gọi là tín hiệu LPI, đây chính là u điểm thứ hai của tín hiệu trải phổ. 1.1.2.3 Đa truy nhập phân chia theo mã Sự cải thiện về chất lợng đã đạt đợc thông qua tăng ích xử lí và tăng ích mã tín hiệu trải phổ DS dẫn đến nhiều tín hiệu trải phổ có thể chiếm dụng chung một độ rộng băng kênh, miễn là mỗi tín hiệu có một chuỗi PN riêng biệt. Do đó có thể có nhiều ngời sử dụng đồng thời truyền tin trên cùng một độ rộng băng kênh. Phơng thức thông tin này trong đó mỗi ngời sử dụng (một cặp phát thu) có một mã PN riêng truyền tin trên cùng một độ rộng băng kênh đợc gọi là đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) hoặc đa truy nhập trải phổ (SSMA). Trong quá trình giải điều chế mỗi tín hiệu PN, tín hiệu từ những ngời sử dụng đồng thời trên cùng kênh truyền xuất hiện nh là nhiễu cộng. Các mức nhiễu khác nhau thay đổi phụ thuộc vào số lợng ngời sử dụng tại từng thời điểm. Một thuận lợi chính của hệ thống CDMA là một số lợng lớn ngời sử dụng có thể đợc xem xét tham gia hoà mạng nếu mỗi ngời sử dụng chỉ phát thông tin đi trong một thời gian ngắn. Đối với một hệ thống đa truy nhập nh vậy thì có thể dễ dàng kết nối thêm hoặc cắt giảm bớt số lợng ngời sử dụng mà không làm gián đoạn hệ thống. Trong thông tin tế bào số, một trạm gốc truyền các tín hiệu tới N u máy thu di động bằng cách sử dụng N u chuỗi PN trực giao, mỗi một mã dành cho một máy thu đã định. N u tín hiệu này đợc truyền hoàn toàn đồng bộ sao cho chúng tới từng máy thu di động một cách đồng bộ. Hệ quả là, do tính trực giao của N u chuỗi PN, mỗi một máy thu đã định có thể giải điều chế tín hiệu của riêng mình mà không bị nhiễu từ các tín hiệu đã phát khác đang cùng chia sẻ độ rộng băng. Tuy nhiên, loại đồng bộ nh vậy không thể duy trì đợc đối với các tín hiệu đợc phát đi từ các máy phát di động tới trạm gốc (đờng lên hay đờng về). Khi giải điều chế từng tín hiệu trải phổ DS tại trạm gốc, các tín hiệu từ những ngời sử dụng đồng thời khác nhau xuất hiện nh nhiễu cộng. Ta hãy xác định số các tín hiệu đồng thời có thể hoà đợc trong một hệ thống CDMA. Giả sử rằng tất cả các tín hiệu đều có công suất trung bình nh 8 nhau tại trạm gốc. Trong nhiều hệ thống thực tế, mức công suất tín hiệu thu đ- ợc từ từng ngời sử dụng đợc giám sát tại trạm gốc và điều khiển công suất đợc thực hiện đối với mọi ngời sử dụng đồng thời bằng cách sử dụng một kênh điều khiển nhằm chỉ dẫn cho các ngời sử dụng để tăng hay giảm mức công suất của họ. Với điều khiển công suất nh thế, nếu có N u ngời sử dụng đồng thời thì tỉ số công suất tín hiệu trên tạp nhiễu tại một máy thu dã cho là: ( ) 1 1 1 = = uSu S N S NPN P P P (1.1) Từ mối quan hệ này, chúng ta có thể xác định đợc số ngời sử dụng có thể hoà mạng động thời. Khi xác định số ngòi sử dụng cực đại của kênh, chúng ta đã giả thiết cho đơn giản rằng các chuỗi mã PN đợc sử dụng bởi những ngời sử dụng khác nhau thì trực giao với nhau còn nhiễu từ các ngời sử dụng khác thì đợc cộng lại chỉ dựa trên cơ sở công suất. Tuy nhiên tính trực giao của các chuỗi giả ngẫu nhiên giữa N u ngời sử dụng thì rất khó đạt đợc, đặc biệt khi N u lớn. 1.1.2.4. Khả năng phân giải theo thời gian lớn Trải phổ các tín hiệu có thể đợc sử dụng cho việc xác định cự ly hoặc vị trí với độ chính xác cao. Việc xác định khoảng cách đợc thực hiện bằng cách đo thời gian xung thăm dò truyền từ nơi phát, qua kênh truyền dẫn, tới mục tiêu và quay trở về. Sai số của phép đo thời gian trễ tỷ lệ nghịch với độ rộng của băng tín hiệu, sai số của phép đo thời gian t tỷ lệ nghịch với bề rộng phổ của xung nghĩa là: t 1/W (1.2) Rõ ràng với độ rộng băng càng lớn thì phép đo càng chính xác. Nếu sử dụng kỹ thụât trải phổ để đo lờng cự ly: thay cho việc phát đi xung thăm dò duy nhất ta sử dụng một dãy xung. Trớc khi phát đi chùm xung này đợc điều chế trải phổ. ở phía thu, nhờ việc tơng quan giữa tín hiệu thu đợc với bản sao mã trải phổ mà dãy xung thăm dò đợc phục hồi. Bằng việc đo chênh lệch giữa thời điểm phát và thời điểm thu nhận chùm xung thăm dò ta sẽ xác định đợc thời gian trễ truyền dẫn của chùm xung. Do: - Tín hiệu sau trải phổ (tín hiệu phát đi) có bề rộng phổ rất lớn do vậy sẽ giảm đợc sai số t. - Bằng việc sử dụng một dãy xung thăm dò, cùng một lúc ta thực hiện đợc nhiều phép đo liên tiếp, vừa giảm đợc thời gian đo, vừa giảm sai số giữa các lần đo, nên phép đo càng chính xác hơn. 1.2. Các hệ thống trải phổ Để tăng chất lợng thông tin của hệ thống, ngời ta thờng tìm cách nâng cao tỉ số tín hiệu trên tạp âm và giảm thiểu xác suất lỗi. Dựa trên các kết quả nghiên cứu về lý thuyết thông tin, ngời ta đã chỉ rõ rằng với một mức tạp âm đã cho, việc nâng cao tỉ số tín hiệu trên tạp âm chỉ đợc thực hiện theo một trong ba cách: tăng công suất của nguồn tín hiệu, hoặc tăng độ dài của tín hiệu 9 (kéo dài thời gian làm việc của hệ thống thông tin), hoặc trải rộng phổ của tín hiệu. Thực tế cho thấy việc áp dụng phơng pháp thứ ba là có tính khả thi và hiệu quả nhất. Với tín hiệu có bề rộng phổ là W(Hz) và thời gian tồn tại là T thì sẽ có phân lợng phổ xấp xỉ 2WT. Để tăng số phân lợng phổ ta có thể hoặc tăng bề rộng phổ tín hiệu nhờ sử dụng kỹ thuật trải phổ, hoặc tăng thời gian T nhờ kỹ thuật nhảy thời gian. Tín hiệu trải phổ băng rộng đợc tạo ra bằng cách điều chế dữ liệu vào sóng mang sử dụng tín hiệu đợc trải ra với độ rộng băng thông rất lớn. Quá trình điều chế trải phổ có thể đợc thực hiện bằng phơng pháp điều chế pha hoặc cũng có thể thay đổi tần số sóng mang với tốc độ lớn hoặc kết hợp các phơng pháp này và một số phơng pháp khác nữa. Khi trải phổ đợc thực hiện bằng điều chế pha thì tín hiệu đợc gọi là tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp (DS). Khi trải phổ đợc thực hiện bằng cách thay đổi tần số sóng mang thì ta có tín hiệu trải phổ nhảy tần (FH). Với kỹ thuật nhảy thời gian (Time Hopping), ta có hệ thống trải phổ nhảy thời gian TH-SS. Khi kết hợp các phơng pháp trải phổ trên thì ta đợc phơng pháp trải phổ kết hợp ví dụ:DS/FH, FH/TH, DS/FH/TH Tuy nhiên, các phơng kỹ thuật này đợc xem nh sự mở rộng đơn giản của hai kỹ thuật DS và FH nên thực tế ta chỉ quan tâm tới hai kỹ thuật trải phổ cơ bản: 1. Trải phổ dãy trực tiếp (Direct Sequence-DS) 2. Trải phổ nhảy tần số (Frequency Hop-FH) 1.2.1. Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp Một trong các phơng pháp trải phổ tín hiệu đã đợc điều chế bởi dữ liệu là điều chế lần thứ hai sử dụng mã trải phổ băng thông rất rộng. Thông thờng lần điều chế thứ hai có dạng điều chế pha số. Mã trải phổ đợc lựa chọn sao cho có đặc tính: với máy thu hợp lệ thì việc giải điều chế đợc thực hiện một cách dễ dàng còn đối với máy thu không hợp lệ thì càng khó càng tốt. Các đặc tính nh vậy của mã trải phổ cũng sẽ tạo thuận lợi cho phía máy thu hợp lệ dễ dàng phân biệt đợc tín hiệu hữu ích và nhiễu. Nếu phổ tần của tín hiệu trải phổ là t- ơng đối lớn so với phổ tần của dữ liệu thì độ rộng băng thông yêu cầu để truyền dẫn tín hiệu sau trải phổ sẽ lớn hơn gấp nhiều lần so với trớc khi trải phổ và hoàn toàn độc lập với tín hiệu dữ liệu. Xét việc truyền dẫn một dãy thông tin nhị phân bằng điều chế PSK. Tốc độ thông tin là R bit trong một giây, độ rộng một bit là T b =1/R giây. Độ rộng băng kênh có sẵn là B c (Hz), trong đó B c >>R. Tại bộ điều chế, độ rộng băng của tín hiệu thông tin đợc trải rộng ra thành W=B c (Hz) nhờ dịch pha của sóng mang đi một cách giả ngẫu nhiên với một tốc độ W lần trong một giây theo mẫu tín hiệu ra của bộ tạo chuỗi PN. Tín hiệu đã điều chế có đợc đợc gọi là tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp (DS). Tín hiệu băng gốc mang thông tin đợc ký hiệu là v(t) và biểu diễn đợc theo: = = n bTn nTtgatv )()( (1.3) 10 [...]... với một hệ thống PN 1.2.3 Một số hệ thống trải phổ kết hợp khác Hệ thống trải phổ trực tiếp DS và hệ thống trải phổ nhảy tần FH là hai hệ thống cơ bản nhất ứng dụng kỹ thuật trải phổ thờng đợc sử dụng trong thực tế Tuy nhiên một số phơng pháp khác cũng đợc sử dụng bởi vì những u điểm riêng biệt của chúng Một trong những hệ thống đó là hệ thống trải phổ nhảy thời gian TH- SS Trong hệ thống trải phổ. .. thờng đợc sử dụng cho tín hiệu trải phổ FH nhiều hơn Tín hiệu trải phổ nhảy tần đợc sử dụng cơ bản tín hiệu hệ thống thông tin số và trong CDMA, trong đó nhiều ngời sử dụng cùng chia sẻ một băng tần chung Trong hầu hết các trờng hợp, tín hiệu trải phổ FH đợc sử dụng nhiều hơn so với tín hiệu trải phổ trực tiếp DS bởi vì yêu cầu đồng bộ khắt khe vốn là thuộc tính cố hữu của trải phổ dãy trực tiếp Đặc biệt... này là: Lc = Tb Tc (1.7) Khi đó, Lc là số chip của chuỗi mã PN có trong một bit Một cách hiểu khác nữa là Lc biểu thị số các chuyển dịch pha 180 0 có thể có trong tín hiệu phát trong một khoảng bit Tb Sau đây sẽ xét đến hệ thống trải phổ áp dụng điều chế PSK nhị phân Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp BPSK Kỹ thuật điều chế sử dụng trong hệ thống trải phổ dãy trực tiếp thờng là kỹ thuật điều chế dịch pha... còn có một số loại chuỗi nhị phân khác cũng phù hợp cho các ứng dụng của CDMA 30 1.4 Một số ứng dụng của kĩ thuật trải phổ 1.4.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS Một trong số rất nhiều ứng dụng của kĩ thuật trải phổ dãy trực tiếp đó là xác định cự ly hoặc vị trí với độ chính xác cao Nếu trễ truyền dẫn đã biết thì khoảng cách từ máy phát tới máy thu có thể đợc xác định Hệ thống GPS cho phép ngời sử dụng. .. sử dụng các chuỗi mã giả tạp âm (pseudo noise) hay giả ngẫu nhiên Trong các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp, dạng sóng của trải phổ giả tạp âm là một hàm thời gian của một chuỗi PN Trong các hệ thống trải phổ nhảy tần, các mẫu nhảy tần có thể đợc tạo ra từ một mã PN Lu ý là các chuỗi PN phải đợc tạo ra 22 một cách xác định, nếu không sẽ không thể trao đổi thông tin hữu ích ở đờng thông tin trải phổ. .. mới khảo sát lại ứng dụng của trải phổ cho vô tuyến tế bào và phát triển lên nền tảng cho công nghệ CDMA bây giờ Sau đó tiêu chuẩn IS-95 ra đời và đợc sử dụng đầu tiên ở bắc Mĩ Dới đây sẽ xem xét những ứng dụng cụ thể của kĩ thuật trải phổ trong hệ thống CDMA theo chuẩn IS-95 Bỏ qua việc sử dụng lại tần số trong một thời điểm và xem xét khả năng chia sẻ phổ trong nội bộ một tế bào đơn Phổ của một tế... kỳ của một symbol mã trải phổ hay Tc thờng đợc cho là chu kỳ của một chíp mã trải phổ Hình 1.10 mô tả mật độ phổ công suất của st(t) trong trờng hợp Tc=T/3 Rõ ràng là tác động của quá trình điều chế mã trải phổ là trải rộng phổ tần của tín hiệu bị điều chế lên 3 lần, điều đó còn có ý nghĩa là hoạt động trải phổ còn làm giảm biên độ phổ công suất tín hiệu bị điều chế đi 3 lần Trong các hệ thống trải phổ. .. ngời sử dụng khác nhau có thể đồng thời phát tín hiệu trên cùng một băng tần mà không gây nhiễu cho nhau Mã hoá bằng cách nhân dữ liệu với dạng sóng trực giao wi(t) là một ví dụ điển hình của ứng dụng mã trải phổ trực tiếp Việc sử dụng trải phổ nh là một phơng thức đa truy nhập đã đợc biết đến và sử dụng trong nhiều năm và ứng dụng của nó cho hệ thống tế bào chỉ với yêu cầu sự phát triển phù hợp của. .. chế trực giao này thực hiện trải phổ dãy trực tiếp sử dụng mã dài có tốc độ chip 1,2288 ì 106 cps nh đã đợc sử dụng trong kênh đờng xuống Mỗi một ngời sử dụng sẽ đợc ấn định một đoạn mã (một pha duy nhất) trong từ mã dài 242 - 1 này Pha riêng biệt này là làm chức năng của số seri điện tử ấn định cho mỗi ngời sử dụng Có tất cả 1,2288 ì 106 / (307,2 ì 103) = 4 chip mã trải phổ trên một symbol đầu ra của. .. Spectrum) và hệ thống trải phổ nhảy tần không liên kết (Noncoherent Frequency Hop Spread Spectrum) Hình 1.12 mô tả sơ đồ khối của một hệ thống trải phổ nhảy tần Trong các hệ thống thông tin kiểu trải phổ nhảy tần số, mã trải phổ giả tạp âm không trực tiếp điều chế tín hiệu sóng mang, nhng nó đợc sử dụng để điều khiển bộ tổng hợp tần số Tại mỗi thời điểm nhảy tần, bộ tạo mã giả tạp âm đa ra một đoạn k chip