hệ thống ds-cdma

Loại thứ hai là tín hiệu của người sử dụng khác trong trường hợp nhiều người sử dụng, nhưng tín hiệu này bị bộ giải điều chế loại bỏ, đây là những tín hiệu trực giao với tín hiệu của ngư

Hệ thống DS-CDMA

MỤC LỤC

2.5 Điều chế trong hệ thống DS/SS trường hợp một người sử dụng 5 2.6 Giải điều chế trong hệ thống DS/SS trường hợp một người sử dụng 5

Hệ thống DS-CDMA

I/ LỜI NÓI ĐẦU

Các công nghệ đa truy nhập là nền tảng của các hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng Các công nghệ này cho phép các hệ thống đa truy nhập vô tuyến phân bổ tài nguyên vô tuyến một cách hiệu suất cho các người sử dụng Tùy thuộc vào việc sử dụng tài nguyên vô tuyến để phân bổ cho các người sử dụng mà các công nghệ này được phân chia thành: đa truy nhập phân chai theo tần số (FDMA), đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy nhập phân chai theo mã (CDMA) và đa truy nhập phân chai theo không gian (SDMA) Các hệ thống thông tin di động mới đều sử dụng kết hợp

cả bốn công nghệ đa truy nhập này để phân bổ hiệu quả nhất tài nguyên cho các người sử dụng Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã với nhiều ưu việt so với các công nghệ khác nên ngày càng trở thành công nghệ đa truy nhập chính

Công nghệ đa truy nhập CDMA được xây dựng trên cơ sở kỹ thuật trải phổ Hiện nay CDMA được áp dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 như: 3G UMTS, CDMA 2000,…

Tìm hiểu về Hệ thống DS-CDMA là đề tài mà nhóm chúng em đã lựa chọn trong môn học chuyên đề thông tin vô tuyến Sự bỡ ngỡ cộng thêm “khả năng làm việc theo nhóm” là những khó khăn bước đầu mà chúng em gặp phải, nhưng được sự chỉ bảo, giúp đỡ của thầy giáo Nguyễn Viết Minh, nên chúng em đã hoàn thành được đề tài của mình Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức nên đề tài nhóm chúng em thực hiện không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy, cô giáo để chúng em được hoàn thiện hơn nữa về kiến thức của mình

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo đã chỉ bảo và giúp đỡ nhóm chúng em thực hiện đề tài này

Nhóm thực hiện Nhóm 4 - Lớp H09VT3

Hệ thống DS-CDMA

II/ HỆ THỐNG DS-CDMA

2.1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống

Hệ thống trải phổ DSSS là một trong những công nghệ của hệ thống trải phổ CDMA dựa trên trải phổ trực tiếp bằng mã PN Là hệ thống được biết nhiều nhất trong hệ thống thông tin trải phổ Chúng là loại tương đối đơn giản vì không yêu cầu tính ổn định nhanh và tốc độ tổng hợp tần số cao Ở hệ thống DS/SS nhiều người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời 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 khác xuất hiện ở dạng các nhiễu phổ rộng công suất thấp tựa tạp âm Hệ thống trải phổ DS/SS được ứng dụng nhiều trong các công nghệ CDMA IS-95, CDMA one, W-CDMA và các loại CDMA 3G khác

2.2 Sơ đồ khối

Hình 1.1 thể hiện sơ đồ khối của một hệ thống DS-CDMA Số liệu người sử dụng chưa điều chế du(t) có thể là một dòng bít nhị phân nối tiếp (trong trường hợp một người sử dụng) Dòng số liệu này được điều chế bởi mã p(t) có tốc độ cao hơn Quá trình điều chế sẻ tăng độ rộng băng tần của tín hiệu băng gốc Tín hiệu trải phổ băng gốc dm(t) cuối cùng được điều chế với sóng mang vô tuyến Wc trước khi truyền trên kênh truyền dẫn vô tuyến

Trong quá trình truyền trên kênh truyền, tín hiệu bị gián đoạn bởi nhiễu đa đường, nhiễu ngẫu nhiên và các tín hiệu can nhiễu khác của kênh truyền, ký hiệu là n(t) Tín hiệu thu rrf(t) sau đó được giải điều chế để thu được tín hiệu trải phổ băng gốc rm(t) Khâu xử lý cuối cùng là khôi phục lại tín hiệu trải phổ ban đầu rd (t)

Tín hiệu băng gốc rm(t) thu được có thể chia làm ba loại theo các bộ giải điều chế tín hiệu trải phổ chúng Loại tín hiệu thứ nhất là tín hiệu của người sử dụng cần thu Loại thứ hai là tín hiệu của người sử dụng khác (trong trường hợp nhiều người sử dụng), nhưng tín hiệu này bị

bộ giải điều chế loại bỏ, đây là những tín hiệu trực giao với tín hiệu của người sử dụng cần thu Loại tín hiệu cuối cùng là tất cả các tín hiệu khác như: tạp âm, can nhiễu … Những tín hiệu này làm gián đoạn tín hiệu cần thu

2.3 Trải phổ

Trải phổ là quá trình điều chế với mục đích phân bố năng lượng tín hiệu trên băng tần rộng (rộng hơn nhiều so với tín hiệu chưa điều chế) Trong hệ thống trải phổ trực tiếp, chuỗi

Hệ thống DS-CDMA

giải ngẩu nhiên – PN được sử dụng để điều chế trực tiếp tín hiệu nhằm đạt được tín hiệu có băng tần rộng như trên hình 2 2

Đặc tính ngẩu nhiên của chuỗi PN tạo cho tín hiệu trải phổ có dạng gần giống tạp âm trắng Với băng tần rộng, tín hiệu trải phổ có ưu điểm như sau:

· Khả năng chống can nhiễu bên ngoài và tổn hao đa đường

· Khả năng chống nhiễu băng tần hẹp

· Khả năng tái sử dụng phổ tần

Các nhiễu băng hẹp, các nhiễu xung và các can nhiễu khác chỉ có thể làm gián đoạn một phần của tín hiệu trải phổ Do đó, những can nhiễu này chỉ làm giảm không đáng kể tỷ số hiệu trên nhiễu – SNR Tín hiệu trong hệ thống trải phổ trực tiếp có dạng như nhiễu nền đối với những người sử dụng khác trong cùng băng tần Do vậy nhiều người sử dụng có thể cùng chia

sẻ một phổ tần và họ phân biệt với nhau bởi một mã xác định

2.4 Các chuỗi mã giả ngẫu nhiên

Các chuỗi PN được sử dụng trong quá trình tạo tín hiệu ngẫu nhiên, mã hoá số liệu và trải phổ Viêc tạo chuỗi PN được sử dụng một thanh ghi M bit với các đường hồi tiếp như trên hình 2.3 (trường hợp M=5)

Chiều dài chuỗi số liệu đầu ra có thể đạt cực đại (LMAX)

N=LMAX = 2M-1 Các chuỗi PN có chiều dài cực đại được gọi là các chuỗi mã tuyến tính cực đại Những chuỗi này được sử dụng trong hệ thống trải phổ Chuỗi PN có những đặc trưng sau:

· Cân bằng mã: số lượng bit 1 và số lượng bit 0 chỉ khác nhau 1 đơn vị

Hệ thống DS-CDMA

· Tự tương quan: Với giá trị tín hiệu ±1, hàm tự tương quan của chuỗi PN nhận giá trị bằng -1 với tất cả các tín hiệu cĩ độ sai pha lớn hơn 1bit Với tín hiệu khơng cĩ sai pha, hàm

tự tương quan đạt giá trị bằng N (chiều dài chuỗi PN), (xem hình 2.4)

· Cộng modul 2: Cộng modul 2 của một chuỗi PN với phiên bản dịch bit của chuỗi đĩ sẽ thu được kết quả là một bản dịch bit khác của chính chuỗi đĩ

Hàm tự tương quan liên tục của một chuỗi PN được định nghĩa như sau :

Trong đĩ:

p(t): là chuỗi PN, một hàm biến thời gian với các giá trị ± 1 ;

N: số lượng bít của chuỗi PN

Tc: chu kỳ một bít của PN

N.Tc: độ dài chuỗi PN

Việc đồng bộ trong máy thu DSSS được thực hiện bằng cách tìm giá trị cực đại của hàm tương quan CCA (τ) tại đĩ tín hiệu được đồng bộ hồn hảo(t =0)

2.5 Điều chế trong hệ thống DS/SS trường hợp một người sử dụng

Trong phần này, chúng ta sẽ phân tích trường hợp đơn giản nhất của việc điều chế DS/SS: Phát sinh và thu tín hiệu của một người sử dụng duy nhất Trong trường hợp này, một

mã giải ngẫu nhiên PN điều chế trực tiếp dịng số liệu nhị phân du(t) Băng tần của tín hiệu điều chế được mở rộng là do tốc độ bít cao của mã PN

Hệ số tải phổ (Fs ) được định nghĩa là tỷ số của tớc độ bít mã PN trên tốc độ bít của dịng số liệu, hay tỷ số giữa chu kỳ (Tb) của dịng số liệu trên chu kỳ (Tc) của mã PN

Fs=Tb/Tc Việc điều chế cĩ thể thực hiện theo hai cách tuỳ thuộc vào dạng số liệu đầu vào: nếu tín hiệu vào là tín hiệu lưởng cực (± A) thì việc điều chế sẻ được thực hiện bằng phép nhân tín hiệu, nếu tín hiệu đầu vào là tín hiệu nhị phân (0,1) thì điều chế thực hiện bằng phép cộng modul 2 Thơng thường, độ dài chuỗi mã ngẩu nhiên PN (N.Tc ) lớn hơn hoặc bằng chu kỳ bít của dịng số liệu – Tb

2.6 Giải điều chế trong hệ thống DS/SS trường hợp một người sử dụng

Việc khơi phục lại dịng số liệu ban đầu yêu cầu cĩ đồng bộ giửa mã PN bên trong máy thu với mã PN chứa trong tín hiệu băng gốc thu được – rm (t) Sau đĩ thực hiện giải điều chế

Hệ thống DS-CDMA

(hay nén phổ) tín hiệu thu được và cuối cùng là phát hiện các bít số liệu Quá trình đồng bộ

mã sẻ được phân tích chi tiết ở phần sau, trong phần này ta giả thiết là mã PN được đồng bộ hoàn hảo

Việc giải điều chế của tín hiệu trải phổ trực tiếp chuyển đổi tín hiệu điều chế băng rộng thành tín hiệu băng hẹp Giải điều chế thực hiện chức năng xác định hay chức năng lọc.Chức năng xác định được thực hiện dựa trên giá trị tương quan (tương quan chéo) của tín hiệu rm(t) với mã giả ngẩu nhiên PN

Hình 2.5 thể hiện sơ đồ khối đơn giản của máy thu DSSS, trong đó bộ tương quan được

sử dụng ở bên trong bộ giải điều chế băng gốc Hàm tương quan liên tục (hàm tương quan CT) được định nghĩa như sau :

Chu kỳ tích phân Tb là chu kỳ bít của dòng số liệu gốc tương ứng với độ dài của chuỗi PN Giả sử đường truyền lí tưởng (không có can nhiễu), tín hiệu băng gốc thu được:

Trong đó :

A: biên độ tín hiệu

dm(t): tín hiệu nhị phân băng gốc đã điều chế ;

du(t): tín hiệu ban đầu chưa điều chế

Để đơn giản ta giả thiết A=1 và thực hiện thu đồng bộ Khi đó hàm tương quan chéo CT

sẽ là :

Như vậy đầu ra của bộ tương quan là giá trị bít số liệu ban đầu nhân với một hệ thống trải phổ trong khoảng thời gian Tb Từ dạng sóng đầu ra, ta có thể dể dàng khôi phục tín hiệu ban

Hệ thống DS-CDMA

đầu bằng cách phát hiện dấu tại đầu ra của bộ tương quan theo chu kỳ Tb Biên độ tín hiệu ra không chứa thông tin, tuy nhiên nó thể hiện cường độ tín hiệu có thể được sử dụng để tính SNR sau khi giải điều chế để tính tỉ lổi bít tương quan

Trong thực tế, tín hiệu thu được bị gián đoạn bởi các tín hiệu can nhiễu và tổn hao do các đặc tính của kênh truyền dẩn cao tần Hiệu ứng này làm cho tín hiệu thu rm(t) có một sai số nhất định Tích phân sai số này trong chu kỳ Tb sẽ thu được công suất nhiễu nền Mức công suất nhiễu nền không ảnh hưởng nhiều đến mức công suất của tín hiệu thu Ảnh hưởng của việc lệch đồng bộ trong thực tế có thể làm giảm tương quan đầu ra Bên độ tương quan đầu ra

bị suy giảm do nó chỉ có thể đạt trong trường hợp đồng bộ hoàn hảo Việc mất đồng bộ này làm giảm mức công suất tín hiệu trong khi công suất nhiễu không thay đổi Do đó làm giảm SNR

2.7 Đa truy nhập phân chia theo mã

Trong phần này, chúng ta xem xét việc truyền số liệu của nhiều người sử dụng trong hệ thống CDMA DSSS Nhiều sử dụng có thể cùng truyền và nhận tín hiệu trên cùng phổ tần Số liệu đều chế của mổi người sử dụng được coi như nhiễu đối với người sử dụng khác Việc phân biệt số liệu của mổi người sử dụng được thực hiện bằng cách sử dụng các mã PN khác nhau để điều chế và trải phổ tín hiệu Trong trưỡng hợp lý tưởng K mã trực giao, K người sử dụng có thể truy nhập đồng thời Khái niệm trực giao có nghĩa là giá trị tương quan chéo của tín hiệu điều chế trải phổ trực tiếp của một trong K-1 người sử dụng không mong muốn với

mã trải phổ PN của người cần thu bằng 0 Do vậy chỉ có tín hiệu mong muốn có giá trị tương quan khác 0

Vấn đặt ra là khó có thể tìm được một bộ mã nhị phân trực giao trong môi trường truyền dẫn không đồng bộ của nhiều ngưởi sử dụng Ta xét một ví dụ đơn giản: giá trị tương quan chéo của hai từ mã PN7 chíp: (1110100) và (1100101) hàm tương quan của hai từ mã này được thể hiện trên hình 2.6

Hàm tương quan chỉ đạt giá -1tại 3 vị trí (2,-2,-3) trong khi hai từ mã được coi là trực giao Thông thường hai người sử dụng độc lập có thể truyền dẫn không đồng bộdo vậy không thể đãm bảo là các từ mã trực giao và như vậy hai đường truyền dẫn có thể gây can nhiễu cho nhau.điều này không có nghĩa là việc truyền dẫn nhiều người sử dụng không thể thực hiện được Mà trái lại như đã nói trong các phần trước, các tín hiệu của các người sử dụng khác có dạng như tạp âm trắng và việc loại bỏ các tín hiệu này được thực hiện nhờ cơ chế tăng ích xử

Hệ thống DS-CDMA

lý trong hệ thống thông tin trải phố Việc loại bỏ các tín hiệu can nhiễu không thể thực hiện một cách triệt để bằng cách sử dụng các mã trực giao

Tuy nhiên trong trường hợp truyền dẫn đồng bộ nhiều người sử dụng có thể dùng nguyên

lý trực giao Trong trường hợp này, số liệu truyền dẫn của mổi người sử dụng được điều chế

và được đóng gói trước khi truyền dẫn Yêu cầu đối với các mã trải phổ là các mã này phải trực giao đồng bộ Ví dụ về hàm trực giao đồng bộ là các hàm sin và cos ở cùng một tần số: các hàm này trực giao với nhau với điều kiện là phải duy trì độ sai pha 900 Đối với các từ mã

có độ dài cho trước, có thể tồn tại một số mã trực giao đồng thời để tạo thành một không gian

mã K chiều sử dụng cho việc truyền dẫn đường xuống ở trạm gốc Các hàm Walsh là một bộ

2M mã trực giao đồng bộ được tạo ra từ các biểu thức đệ quy ma trận Hadamard Hình 2.7 thể hiện 7 trong số mã Walsh có chiều dài 16

Trên hình 2.7, từ mã đầu tiên là tín hiệu DC, từ mã 2,3 là các tín hiệu số tương tự như tín hiệu sin và cos ở tần số cơ bản,từ mã 4,5 tương tự tín hiệu sin và cos ở các sóng hài Từ mã thứ 6 không giống với tín hiệu sin hay cos.16 từ mã Walsh trực giao tương hỗ (giá trị tương quan chéo trên 16 chíp bằng 0 )

Việc sử dụng mã trực giao khác nhau được thực hiện để điều chế tín hiệu của mổi người

sử dụng Hình 2.8 là sơ đồ đơn giản của máy phát CDMA Thông thường tốc độ của mã trực giao bằng tốc độ của mã PN do vậy các mã trực giao thực hiện trải phổ người sử dụng Tuy nhiên trong thực tế, các mã trực giao có đặc tính tương quan rất tồi do đó không thể sử dụng cho việc đồng bộ ở máy thu vì vậy vẩn phải sử dụng điều chế PN

Hệ thống DS-CDMA

2.8 Giải điều chế các tín hiệu CDMA

Hình 2.9 là sơ đồ đơn giản của máy thu CDMA Các mã Walsh và các mã PN cĩ thể được trộn trước như trên hình 2.9 Tuy nhiên, các tín hiệu đầu ra khơng thay đổi so với dạng phát ban đầu vì tín hiệu đầu ra của bộ tương quan của người sử dụng khác bằng khơng

Hình 2.9 : Các máy thu CDMA trong trường hợp nhiều người sử dụng

(a) Thực hiện một cách trực tiếp ; (b) Thực hiện trộn trước các mã Walsh và mã PN

Cĩ hai vấn đề quan trọng khi thực hiện giải điều chế:

• Độ tuyến tính của bộ tương quan để duy trì mối quan hệ trực giao của tín hiệu Ví dụ như : đãm bảo tích phân tín hiệu của những người sử dụng khơng mong muốn bằng 0

• Dải động của bộ tương quan để duy trì mối quan hệ trực giao của tín hiệu của một người

sử dụng cĩ thể thu được tín hiệu cĩ nhiều mức khác nhau

2.9 Đặc tính của tín hiệu DS

Hệ thống DS điều chế sĩng mang cĩ dãy mã bằng điều chế AM (xung), FM hay điều chế pha hoặc biên độ, nĩ tương tự như điều chế BPSK1800 Lý do chọn các loại điều chế này khơng thể được giải thích một cách rõ ràng như dạng cơ bản của tín hiệu DS là loại điều chế hai pha đơn giản Độ rộng băng (từ 0 đến 0) của vấu chính gấp đơi tốc độ nhịp của dãy mã dùng cho tín hiệu điều chế và cĩ cùng độ rộng băng như tốc độ nhịp của vấu bên Nghĩa là, nếu dãy mã của sĩng đã điều chế cĩ tốc độ hoạt động là 5Mcps (chip/s) thì đợ rộng băng của vấu chính là 10 Mhzvà mổi vấu bên cĩ độ rộng băng là 5MHz

Hệ thống DS-CDMA

Hình 2.10 miêu tả bộ điều chế DS 2 pha điển hình Dãy mã được đưa vào bộ điều chế cân băng để có đầu ra là sóng mang RF điều chế hai pha Quá trình này được chỉ ra trên hình 2.11 theo trục thời gian Sóng mang có lệch pha 1800 giữa pha 1 và pha 0 theo dãy mã Sự khác nhau không thành vấn đề trong đa số các loại hệ thống điều chế 2 pha, nhưng điều chế cân bằng áp dụng đối với các loại điều chế khác như PAM (điều biên xung ) là quan trong hệ thống DS như miêu tả dưới đây

Hình 2.10 : Điều chế loại DS (2 pha )

(1) Rất khó phát hiện được các sóng mang bị triệt nếu không có các kỹ thuật phức tạp Các bộ thu thông thường rất khó tách được sóng mang vì mức sóng mang nằm bên dưới của múc tạp âm khi điều chế mã

(2) Yêu cầu nhiều côngsuất cho việc truyền thông tin vì công suất phát chỉ được sử dụng đối với việc truyền tín hiệu đã mã

(3) Hiệu quả sử dụng công suất phát trong trường hợp sử dụng hẳng số duy trì độ rộng băng và lớn nhất vì các thành phần tín hiệu có mức giới hạn nhất định Trong hệ PAM với sóng mang được điều chế mã thì phổ công suất [(sin x) /x]2 được tạo ra hoặc yêu cầu công suất đỉnh

Hình 2.11 đưa ra sơ đồ khối của mạch thông tin DS điển hình Nói tương tự như mạch thông tin AM và FM có sóng mang điều chế mã Thực chế thì không điều chế sóng mang trực tiếp từ tín hiệu thông tin bằng gốc mà đưa qua thủ tục điều chế nhờ bộ đếm và tích luỹ bởi dãy

mã tức thời.ở đây sóng mang RF được xem như là chu kỳ đã được điều chếđể điều chế mã đối với thủ tục điều chếvà giải điều chế đơn giản

Tín hiệu thu được khuyếch đại và nhân với mã đồng bộ liên quan tại đầu phát và đầu thu Trong trương hợp đó,nếu các mã tại đầu phát và đầu thu được được đồng bộ thì sóng mang tách pha là lớn hơn 1800 và sóng mang được khôi phục.các sóng mang băng tần hẹp khôi phục này đi qua bộ lọc băng thông được thiết kế sao cho chỉ các sóng mang đã điều chế băng gốc được đi qua

Các sóng mang giả cũng được đi qua cùng một thủ tục nhân tần số nhờ hoạt động của phía thu mà tại đây tín hiệu DS thu được sẽ chuyển thành băng tần sóng mang ban đầu Tín hiệu thu mà không được đồng bộ với tần số liên quan của đầu thu thì được cộng với băng tần liên quan và sau đó trải ra

Bộ lọc băng thôn có thể giới hạn hầu hết các công suất tín hiệu giả vì tín hiệu đầu vào không đồng bộ sẽ trải ra băng tần liên quan của bộ thu