BÀI TẬP LỚN - HỆ THỐNG VIỄN THÔNG - Đề tài - TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG DS-CDMA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG **** BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MƠN HỆ THỐNG VIỄN THƠNG Đề tài: TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG DS-CDMA Mục Lụcc Lục Lụcc Lời nói đầu 1 Hệ thống DS-CDMA .4 1.1 Giới thiệu hệ thống DS-CDMA: 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số với trải phổ: .5 1.3 Mơ hình cấu trúc đơn giản hệ thống trải phổ trực tiếp DSSS: .6 Phổ trải phổ: .7 2.1 Phổ tín hiệu: 2.2 Trải phổ: 10 Mã trải phổ: 12 3.1 Mã giả tạp âm PN: 12 3.2 Mã trải phổ: .13 Đa truy nhập phân chia theo mã: 15 Nguyên lí CDMA: 17 5.1 Giải điều chế tín hiệu CDMA 18 Ta xét hệ thống DS CDMA cách chi tiết, sơ đồ khối điển hình: 18 5.2 Xác suất lỗi bit p.b.e: .20 Đặc tính của tín hiệu DS: 23 Độ rộng băng RF hệ thống DS 25 Tăng ích xử lí 27 Hiệu hệ thống: 28 9.1 Ảnh hưởng tạp âm trắng nhiễu gây nghẽn: 28 9.2 Ảnh hưởng nhiễu giao thoa truyền đa tia: .30 10 Mô tả hoạt động hệ thống DS-CDMA, áp dụng mã m-sequence GOLD-sequence: 31 10.1 Điều chế pha nhị phân (DS/SS_BPSK) 31 10.2 Trải phổ trực tiếp tín hiệu khố chuyển pha vng góc (QPSK) 33 10.3 Chuổi m (m-sequence) 35 10.4 Chuỗi GOLD (GOLD-sequence) 39 11 Kết luận: 42 Tài liệu tham khảo: 42 Lời nói đầu Phần lớn điện thoại di động hữu sử dụng công nghệ GSM, Global System for Mobile communications, Hệ thống thông tin di động tồn cầu Mỗi kênh thơng tin cơng nghệ sử dụng tần số cố định Khi có gọi, tần số rảnh cấp phát, tương tự địa IP động internet CDMA (Code Division Multiple Access)- đa truy nhập đồng thời phân phối theo mã, công nghệ mới, có nhiều ưu điểm GSM CDMA sử dụng giải tần mạnh, thông tin truyền giải tần Khi gọi thực hiện, liền cấp mã khóa ngẫu nhiên để mã hóa tín hiệu thoại, sau giải mã máy đích Có nhiều mã khóa khác để bảo đảm khơng có trùng lẫn Ưu điểm bật cơng nghệ tính bảo mật cao, khơng có chuyện ăn trộm tần số để nghe lén, ngồi cho phép giảm khối lượng dung lượng pin máy điện thoại di động cách đáng kể Khả bù cơng suất tín hiệu di chuyển địa hình tốt GSM nên nhiễu Đặc biệt tốc độ truyền cao, truy cập internet, gởi mail CDMA phương thức đa truy nhập mà kênh cung caaso cặp tần số mã Đây phương thức đa truy nhập mới, phương thức dựa nguyên lí trải phổ Tồn ba phương pháp trải phổ:  Trải phổ theo chuỗi trực tiếp (DS: Direct Sequency)  Trải phổ theo nhẩy tần (FH: Frequency Hopping)  Trải phổ theo nhẩy thời gian (TH: Time Hopping) Áp dụng lí thuyết truyền thơng trải phổ(spread spectrum), CDMA đưa hàng loạt ưu điểm mà nhiều công nghệ khác chưa thể đạt Hiện CDMA áp dụng phổ biến hệ thống thông tin di động hệ như: 3G UMTS, CDMA 2000… Hiện Việt Nam có nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động Trong đó, S-Telecom (S-Fone), EVN Telecom sử dụng cơng nghệ CDMA, Mobifone, Vinaphone, GTel Vietel sử dụng công nghệ GSM, Hà Nội Telecom(HT Mobile) chuyển từ công nghệ CDMA sang eGSM Kĩ thuật truyền thông trải phổ trực tiếp (DS-CDMA) dạng kĩ thuật CDMA, với ưu điểm vượt trội áp dụng phổ biến hệ thống thơng tin di động, nhóm em định lựa chọn đề tài tìm hiểu kĩ thuật trải phổ trực tiếp DS-CDMA khuôn khổ môn học Hệ Thống Viễn Thơng Qua giúp chúng em hiểu thêm kĩ thuật truyền thông quan trọng phổ biến nhất, cho chúng em thêm kiến thức truyền thông, trau dồi kĩ làm việc, tinh thần làm việc nhóm… Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn thầy Nguyễn Thành Chuyên giúp đỡ, hướng dẫn chúng em hoàn thành đề tài Hệ thống DS-CDMA 1.1 Giới thiệu hệ thống DS-CDMA: Có ba kiểu hệ thống SS bản: chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence Spreading Spectrum), nhẩy tần (FHSS: Frequency-Hopping Spreading Spectrum) nhẩy thời gian (THSS: Time-Hopping Spreading Spectrum) (hình 1.12, 1.13 1.14) Cũng nhận hệ thống lai ghép từ hệ thống nói Hệ thống DSSS đạt trải phổ cách nhân tín hiệu nguồn với tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip (R c=1/Tc, Tc thời gian chip) cao hơnnhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb thời gian bit) luồng số cần phát Hệ thống đa truy nhập trải phổ trực tiếp (DS-CDMA)là kiểu hệ thống đa truy nhập phân phối theo mã (CDMA) sử dụng công nghệ DSSS, dựa trải phổ trực tiếp mã PN Là hệ thống biết đến sử dụng phổ biến hệ thống thông tin trải phổ Là hệ thống tương đối đơn giản khơng u cầu q cao tính ổn định, tốc độ tổng hợp tần số cao Ở hệ thống này, nhiều người sử dụng chung băng tần phát tín hiệu họ đồng thời Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên xác để lấy tín hiệu mong muốn cách giải trải phổ Các tín hiệu khác xuất dạng nhiễu phổ rộng công suất thấp tựa tạp âm Hệ thống trải phổ DSSS ứng dụng nhiều công nghệ như: CSMA IS-95, W-CDMA, CDMA one loại CDMA3g khác 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số với trải phổ: Kí hiệu: KĐGD: khuyếch đại giao diện A/D: Tương tự/số MHK: Mã hóa kênh ĐC: Điều chế KĐCD: Khuyếch đại công suất PN: Giả tạp âm TT: Tương tự D/A: Số/tương tự GMK: Giải mã kênh SM: Sóng mang KTD: Kênh truyền dẫn ĐB: Đồng Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống thông tin số điển hình với trải phổ (hệ thống trạm mặt đất vệ tinh) 1.3 Mơ hình cấu trúc đơn giản hệ thống trải phổ trực tiếp DSSS: Sơ đồ khối hệ thống DS-CDMA: Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống DS-CDMA Với hệ thống DSSS cho K người sử dụng chung băng tần có sóng mang f c, sử dụng điều chế BPSK: Hình 1.3: Mơ hình cấu trúc đơn giản hệ thống DSSS gồm K người sử dụng chung băng tần f c, sử dụng điều chế BPSK Mơ hình xét hình 1.3 gồm K máy phát K máy thu kí hiệu Txk Rxk tương ứng với k=1… K, cấu trúc chúng giống nên ta vẽ chi tiết cho khối (Tx1 Rx1), khối lại vẽ dạng hộp đen với thông số riêng cho khối như: b k(t) thể chuỗi bít phát, c k (t) thể mã trải phổ b^k(t) thể chuỗi bit thu Tín hiệu đầu vào máy phát k luồng số thông tin người sử dụng b k (t) có tốc độ bit Rb = T Đây tín hiệu số hai đơn cực với hai mức giá trị b {0,1} đồng xác suất biểu diễn sau: b k(t) = ∞ bk (i ) pTb (t−iT b ) ∑ i=−∞ (1.1) Trong pTb(t) hàm xung vuông xác định sau: pTb(t) = 0≤ t ≤ T {1nếu khác b (1.2) Vàb k(i) = {0,1} với xuất đồng xác suất Sau chuyển đổi mức ta luồng bít ngẫu nhiên lưỡng cực d(t) với hai mức {+1,-1} đồng xác suất biểu diễn sau: d k (t) = ∞ ∑ i=−∞ d k (t) p Tb (t−i T b ) (1.3) Trong p(t) xác định theo (1.2) vàd k (i) = {+1,-1} với xuất +1 -1 đồng xác suất Sau luồng bit lưỡng cực đưa lên trải phổ cách nhân với mã trải phổ gọi mã tạp âm với tốc độ gọi tốc độ chip Rc = T Các mã c T T T có chu kì bvà thông thường b = N cvới N lớn Để máy thu phân biệt mã trải phổ, mã phải mã trực giao chu kỳ T bthỏa mãn điều kiện sau: Tb 1nếu k= j c k (t) c j (t) dt = (1.4) ∫ k ≠ j Tb { Và tích hai mã trực giao tích mã trực giao tập mã trực giao tích hai mã khác nhau: k = j c k (t )c j(t) = c i ( t ) k ≠ j { (1.5) Phổ trải phổ: 2.1 Phổ tín hiệu: Để hiểu rõ ý nghĩa trải phổ hệ thống thông tin vô tuyến trải phổ, ta xét dạng phổ tín hiệu mơ hình hình 1.3 Tương tự ta xét phổ hệ thống hệ thống thu phát Txk Rxk làm thí dụ Phổ số luồng đơn cựcb k(t) xác định công thức sau Φ b ( t )= : 1 b2ℑ b2 T b Sinc ( f T b ) + ℑ δ (t)= T b Sinc ( f T b ) + δ ( t) (2.1) 4 4 Nếu xét phổ dương không ta được: 1 Φ b ( f )= T b Sinc ( f T b ) + δ (f ) sin Π x Trong hàm sincx= Π x (2.2) , δ (f ) hàm delta xác định sau: +∞ δ (f )=0 f≠ (2.3) ∫ δ ( f ) df =1 −∞ Phổ luồng số lưỡng cực xác đinh sau: Φ d ( f ) =d 2i T b Sinc ( f T b ) =T b Sinc (f T b) (2.4) Nếu xét cho phổ dương ta được: (2.5) Φ d ( f ) =2T b Sinc ( f T b ) Phổ luồng số sau trải phổ xác định sau: Φ dc ( f )=( d i c i )2 T c Sinc ( f T c ) =T c Sinc 2(t T c ) (2.6) Nếu xét cho phổ dương ta được: Φ dc ( f )=2T c Sinc (t T c ) (2.7) Phổ tín hiệu sau điều chế xác định sau: Φ s ( f )= PTc PTc 2 Sinc [ ( f −f c ) T c ] + Sinc [ ( f +f c ) T c ] (2.8) 2 Nếu xét phổ dương ta được: Φ s ( f )= P Sinc [(f −f c )T c ] Rc (2.9) Trong P= Eb /T b cơng suất trung bình sóng mang Phổ tín hiệu thu đầu vào máy thu k gồm xác định sau: k Φ r ( f ) =∑ j=1 P jr Sinc [(f −f c )T c ] Rc (2.10) Trong P jr =P j / L p công suất thu từ máy thu j Lp suy hao truyền sóng Sau giải trải phổ máy thu k có tín hiệu đến từ máy thu k trải phổ tín hiệu đến từ máy thu khác lại bị trải phổ mã trải phổ khác mật độ phổ công suất xác định sau: Φ u ( f )= k Pkr P jr Sinc [ ( f −f c ) T b ]+ ∑ Sinc [(f −f c )T c ] Rb j=1 ;k ≠ j Rc (2.11) Trong thành phần thứ phổ tín hiệu thu từ máy phát k thành phần thứ hai tổng phổ tín hiệu thu từ máy phát cịn lại Hình 2.1 cho thấy mật độ phổ cơng suất(PSD) luồng bit lưỡng cực Φ d ( f ) , phổ tín hiệu sau trải phổ Φ c ( f ) (cho trường hợp T b=5 T c ¿ Hình 2.2 cho thấy mật độ phổ cơng suất (PSD) tín hiệu thu gồm hai thành phần: phổ nhận từ Txk(kí hiêu Φ k ( f ) phổ từ tất máy phát khác trừ máy k cho trường hợp Tb=NTc Hình 2.1 Mật độ phổ công suất luồng bit lưỡng cực Φ d ( f ) luồng sốsau trải phổ Φ dc ( f ) Tb=5Tc Hình 2.2: Mật độ phổ công suất thu từ máy phát k tất cac máy trừ máy phát k Để loại bỏ nhiễu máy phát khác phổ tín hiệu sua trải phổ máy thu đưa qua lọc băng thơng, kết cho ta phổ hình 2.3.Từ hình 2.3 ta thấy nhờ có trải phổ, cơng suất nhiễu đến từ máy phát khác bi loại bỏ đáng kể cách gần coi nhiễu lại chúng tạp âm Gaus trắng cộng Hình 2.3: Phổ tín hiệu sau lọc băng thông 10