Chương 1: tổng quan hệ thống thông tin số doc

Đờ án tớt nghiệp Trang:1 Chương TỞNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số 1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống tin số Hình 1.1 Sơ đồ khối chức hệ thống thông tin số Khối định dạng: hầu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thơng tin số (tiếng nói, hình ảnh, âm thanh…) tín hiệu tương tự nên ta cần có khối định dạng để chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang dãy từ mã số từ mã biểu diễn bit nhị phân, tùy ứng dụng cụ thể mà biễu diễn bit hay nhóm bit dạng thức thích hợp Khối giải định dạng: có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự Việc số hóa tín hiệu tương tự làm tăng băng thơng truyền dẫn tín hiệu cho phép thu hoạt động tỷ số tín hiệu nhiễu thấp Khối mã hóa nguồn: làm giảm số bit nhị phân yêu cầu để truyền tin Việc xem loại bỏ bit dư không cần thiết, giúp cho băng thông đường truyền sử dụng hiệu Khối mật mã hóa: làm nhiệm vụ mật mã hóa tin gốc nhằm mục đích an ninh Nó bao gồm sư riêng tư (đảm bảo người phát có quyền với tin truyền) xác thực (đảm bảo người thu mà người phát yêu cầu nhận tin) Khối mã hóa kênh: làm nhiệm vụ đưa thêm bit dư vào tín hiệu số theo quy luật đấy, nhằm giúp cho bên thu phát chí sửa lỗi xảy kênh truyền Giải mã nguồn, giải mật mã giải mã hóa kênh thực thu, trình ngược với q trình mã hóa bên phát Khối ghép kênh: giúp cho nhiều tuyến thông tin chia sẻ mơt đường truyền vật lý chung cáp, đường truyên vô tuyến… Trong thông tin số, kiểu ghép kênh thường ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tốt nghiệp Trang:2 Khối điều chế: giúp cho dịng tín hiệu số truyền qua phương tiện vật lý cụ thể theo tốc độc cho trước, với mức độ méo chấp nhận được, yêu cầu băng thông tần số cho phép Khối điều chế thay đổi dạng xung, dịch chuyển phổ tần số tín hiệu đến băng thông khác phù hợp Đầu vào điều chế tín hiệu băng gốc đầu điều chế tín hiệu thông dải Khối giải điều chế bên thu chuyển dạng sóng thu ngược lại thành tín hiệu băng gốc Khối đa truy cập: liên quan đến kỹ thuật nguyên tắc Cho phép nhiều cặp thu phát chia phương tiện vật lý chung (như sơi quang, phát đáp vệ tinh…) Đây biện pháp hữu hiệu hợp lý để chia sẻ tài nguyên thông tin hạn chế phương tiện truyền dẫn Có số kiểu đa truy cập, kiểu có ưu điểm khuyết điểm riêng 1.1.2 Mã hóa nguồn: Mã hóa nguồn trình xử lý liệu để giảm bớt dư thừa nguồn tín Nguồn tin hệ thống thông tin số chia làm hai loại nguồn liên tục nguồn rời rạc Cho nên có hai loại mã hóa nguồn mã hóa nguồn liên tục mã hóa nguồn rời rạc Mã hóa nguồn liên tục q trình số hóa tín hiệu liên tục Mã hóa nguồn rời rạc làm cho cấu trúc thống kê nguồn trở nên hợp lý cách tăng entropy ký tự dùng để mã hóa nguồn Nguyên tắc mã hóa nguồn rời rạc mã hóa ký tự có xác suất sinh lớn từ mã ngắn mã hóa ký tự có xác suất sinh bé từ mã dài Loại mã gọi mã hóa thơng kê Kỹ thuật mã thống kê có độ dài trung bình từ mã nhỏ gọi mã thống kê tối ưu Để giải mã tức thời mã phải có tính prefix tức mã khơng có từ mã hồn thành phần đầu từ mã khác dài 1.1.3 Mã hóa kênh Mã hóa kênh q trình mã hóa liệu phát cách đưa thêm độ dư vào liệu nhằm để đạt tốc độ truyền tin theo yều cầu hệ thống với tỷ số BER thời gian trễ chấp nhận Mã hóa kênh bao gồm hai loại mã khối mã chập 1.1.4 Mật mã thông tin Mật mã thông tin việc biến đổi thơng báo cho hiểu ngoại trừ người nhận mong muốn dễ hiểu mật mã thông tin việc ngụy trang hay che giấu thông tin, văn dạng khác người ngồi khơng thể xác định thông tin hay văn gốc Phép mật mã thông tin thường ký hiệu e(m), với m thơng tin cần mật mã hóa Mật mã hóa thuộc dạng bí mật cơng khai Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tớt nghiệp Trang:3 Hệ mật mã hóa bí mật: hay gọi hệ mã đối xứng hệ mã mà việc giải mã mã hóa dùng chung khóa bí mật Hệ mật mã hóa cơng khai: hay gọi hệ mã bất đối xứng, hệ mã việc giải mã mã hóa sử dụng hai khóa khác nhau, từ khóa khơng thể tìm khóa cách dễ dàng Khóa dùng để mã hóa thường thơng báo cơng khai gọi khóa cơng khai (public key), cịn khóa dùng để giả mã giữ bí mật gọi khóa bí mật hay khóa riêng tư (private key) 1.2 Các loại điều chế giải điều chế số Điều chế giải điều chế số phương pháp kỹ thuật để chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu sóng mang băng hẹp, truyền kênh có băng thơng hạn chế Tín hiệu băng hẹp xem tín hiệu có dải băng tần hẹp so với tần số sóng mang Ta có kiểu điều chế số sau: • Điều chế dịch biên ASK • Điều chế dịch pha PSK • Điều chế dịch tần FSK 1.2.1 Điều chế giải điều chế ASK Trong điều chế số dịch biên ASK, biên độ sóng mang hình sin tần số cao bị biến thiên theo mức luận lý chuỗi tín hiệu số Biểu thức tín hiệu ASK Biểu thức tổng quát có dạng (1.1) Trong đó: Ao biên độ tần số sóng mang d(t) = ± tùy theo mức luận lý chuỗi số cao hay thấp độ dịch biên độ Dạng sóng theo thời gian tín hiệu điều chế số dịch biên nhị phân ASK Hình 1.2 Dạng sóng tín hiệu điều chế số ASK Phổ tín hiệu ASK Mật độ phổ cơng suất tín hiệu VASK(t) theo biểu thức (1.1), với : Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tốt nghiệp Trang:4 (1.2) Với Tb = chu kỳ bit chuỗi số Khi cho tín hiệu qua mạch lọc thông dải tần số fo, mật độ phổ công suất (1.3) Hình 1.3 Phổ mật cơng suất tín hiệu điều chế ASK nhị phân Trong mật độ phổ tín hiệu ASK, lượng dải phổ bên chủ yếu tập trung quanh vùng fo ±1/Tb Do dải tần tín hiệu ASK gần là: (1.4) Mạch điều chế giải điều chế ASK kiểu kết hợp Trong biểu thức (1.1) tín hiệu ASK, ΔA=Ao tín hiệu ASK có hai mức biên độ 2Ao ứng với d(t) = +1 mức ứng với d(t) = -1 Lúc dạng sóng v ASK(t) có dạng biên độ “tắt – mở”, kiểu điều chế OOK (On-Off key) Hình 1.4 Mơ hình mạch điều chế tín hiệu OOK Trong cách giải điều chế ASK kiểu kết hợp, tần số sóng mang tái tạo máy thu đồng với tần số nơi phát Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tốt nghiệp Trang:5 Hình 1.5 Mơ hình mạch giải điều chế ASK kết hợp 1.2.2 Điều chế giải điều chế FSK Trong điều chế số dịch tần FSK, chuỗi dư liệu nhị phân dùng để thay đổi dịch chuyển tần số sóng mang hình sin Với phương thức truyền bit nhị phân một, ta có hai tần số sóng mang, gọi điều chế dịch tần nhị phân BFSK Biểu thức BFSK Giả sử hai tần số sóng mang chọn ωH ωL tương ứng với chuỗi bit b(t) sau: ω = ωH b(t) = logic (hoặc d(t) = +1) ω = ωL b(t) = logic (hoặc d(t) = -1) Biểu thức BFSK viết dạng: (1.5) Trong đó: Biểu thức vBFSK(t) viết dạng khác sau: (1.6) (1.7) Trong hàm pH(t) pH(t) có giá trị cho bảng 1.1 Bảng 1.1 Giá trị hàm pH(t) pL(t) tương ứng với trạng thái nhị phân d(t) +1 -1 pH(t) +1 pL(t) +1 Dạng sóng theo thời gian tín hiệu điều chế số dịch tần FSK Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phở Đờ án tớt nghiệp Trang:6 Hình 1.6 Dạng số tín hiệu điều chế FSK Phổ tín hiệu BFSK Từ biểu thức tín hiệu BFSK xem tổng hai tín hiệu ASK có sóng mang ωH ωL phổ BFSK tổng hợp hai phổ ASK Hình 1.7 Phổ tín hiệu BFSK Từ bề rộng phổ tín hiệu ASK suy bề rộng phổ tín hiệu BFSK là: (1.8) Mạch điều chế giải điều chế tín hiệu BFSK: Từ biểu thức (1.7) tín hiệu vBFSK(t) suy sơ đồ khối khối điều chế BFSK sau Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phở Đờ án tớt nghiệp Trang:7 Hình 1.8 Sơ đồ khối điều chế BFSK Tín hiệu VBFSK(t) xem tổng hợp hai tín hiệu ASK hai sóng mang ωH ωL khác nhau, đó, dùng phương pháp tách sóng nhân kết hợp để giải điều chế Hình 1.9 Sơ đồ khối giải điều chế BFSK kiểu kết hợp 1.2.3 Điều chế giải điều chế PSK Trong điều chế số dịch pha PSK, pha sóng mang hình sin tần số cao biến thiên theo mức logic chuỗi số Với phương thức truyền bit nhị phân một, người ta thường chọn hai trạng thái pha ngược (dịch pha 180o) sóng mang sin tương ứng với 1, có kiểu điều chế số BPSK, gọi điều chế dịch pha hai trạng thái Biểu thức BPSK (1.9) Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tớt nghiệp Trang:8 Trong A biên độ; wo tần số Ф góc pha ban đầu sóng mang; d(t) luồng bit nhị phân cần truyền, với qui ước d(t) = +1 bit nhị phân có mức luận lý d(t) = -1 bit có mức luận lý Mối quan hệ biên độ A sóng mang với cơng suất phát sóng mang P S là: (1.10) Do đó, biểu thức (1.9) trở thành: (1.11) Phổ tần số BPSK Từ biểu thức (1.11) tín hiệu vBPSK(t) xem tích số tín hiệu xung với sóng mang Do gọi G(f) hàm mật độ phổ cơng suất (1.12) Thì hàm mật độ phổ công suất vBPSK(t) là: (1.13) Trong Tb chu kỳ bit Hình 1.10 Phổ tần số tín hiệu vBPSK(t) Chương 1: Tởng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tốt nghiệp Trang:9 Do phổ vBPSK(t) trải rộng hai phía đến vơ tận chung quanh tần số sóng mang ±fo Trong thực tế, 90% cơng suất tín hiệu tập trung búp phổ xem dải tần phổ BPSK B = fb Mạch điều chế giải điều chế BPSK Mạch điều chế BPSK dựa nguyên tắc mạch nhân sóng mang Acosω ot với chuỗi số d(t) đặc trưng cho tín hiệu nhị phân (d(t) = ±1) Hình 1.11 Mạch điều chế BPSK Mạch giải điều chế BPSK dựa nguyên tắc mạch nhân tín hiệu v BPSK(t) với sóng mang tái tạo cos ωot, có tần số pha đồng với sóng mang gốc Hình 1.12 Mạch giải điều chế BPSK 1.3 Kênh truyền Đặc tính kênh đóng vai trị quan trọng nghiên cứu, lựa chọn thiết kế trình tự điều chế Các trình tự điều chế nghiên cứu cho kênh khác để biết chất lượng chúng kênh Các trình tự điều chế lựa chọn thiết kế tương ứng với đặc tính kênh để tối ưu chất lượng chúng 1.3.1 Kênh nhiễu trắng Gauss cộng (Additive White Gaussian Noise ChannelAWGN channel) Kênh AWGN mơ hình phổ biến để phân tích trình tự điều chế Trong mơ hình này, kênh khơng làm việc ngồi cộng thêm nhiễu Gauss trắng vào tín hiệu qua Điều nhấn mạnh đáp ứng tần số biên độ kênh phẳng (dù với băng thông giới hạn hay không giới hạn) đáp ứng tần số pha kênh tuyến tính cho tần số cho tín hiệu điều chế qua mà không biên độ méo pha hay thành phần tần số Tín hiệu đầu thu kênh truyền nhiễu trắng Gauss cộng : r(t) = s(t) + n(t) Với n(t) nhiễu AWGN Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ (1.14) Đồ án tớt nghiệp Trang:10 Tính “trắng” n(t) nhấn mạnh có q trình ngẫu nhiên tĩnh với mật độ phổ công suất phẳng (PSD) cho tất tần số Có quy ước giả thiết PSD (1.15) Điều nhấn mạnh trình trắng có cơng suất hữu hạn Điều dĩ nhiên mang tính lí tưởng mặt tốn học Ứng với định lí Wiener-Khinchine, hàm tự tương quan nhiễu AWGN (1.16) Trong hàm delta Dirac Điều mẫu nhiễu không tự tương quan cho dù hiệu thời gian nhỏ tới đâu Các mẫu độc lập trình trình Gauss Tại điểm thời gian, biên độ n(t) tuân theo hàm mật độ xác suất Gauss cho bởi: (1.17) Trong dùng để biểu diễn giá trị trình ngẫu nhiên n(t) độ lệch q trình ngẫu nhiên Có điểm thú vị cần lưu ý với trình AWGN công suất nhiễu, bất định tính “trắng” Tuy nhiên, r(t) lấy tương quan với hàm trực giao , nhiễu đầu có độ lệch hữu hạn Trên thực tế: (1.18) Trong Và Chương 1: Tởng quan hệ thống thông tin trải phổ (1.19) Đồ án tốt nghiệp Trang:13 nhận dạng phía thu Q trình chia sẻ gọi ghép kênh hệ thống truyền thông cáp đa truy nhập truyền thơng vơ tuyến số Có ba hình thức đa truy nhập đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, đa truy nhập theo thời gian TDMA, đa truy nhập theo mã CDMA 1.4.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA Trong hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật FDMA tồn dải thơng băng tần chia thành 2N dải con, dải gọi kênh vô tuyến Như có N kênh dành cho liên lạc hướng lên, sau dải tần phân cách N kênh dành cho liên lạc hướng xuống Mỗi thuê bao cấp phát cặp kênh suốt trình liên lạc.Với kiểu truy nhập kênh phát liên tục đồng thời số sóng mang Do thiết phải cung cấp khoảng bảo vệ dải mà sóng mang chiếm, để tính đến khơng hồn hảo tạo dao động lọc Kỹ thuật FDMA có khả sử dụng với hệ thống truyền dẫn số truyền dẫn tương tự Ưu điểm : • Đơn giản • Khơng cần đồng bên thu bên phát Nhược điểm: • Thiếu linh hoạt trường hợp tái cấu hình • Tổn thất dung lượng số truy nhập tăng lên • Cần phải điều khiển công suất phát trạm 1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Trong hệ thống TDMA kênh vô tuyến chia thành khe thời gian Năng lượng tín hiệu hạn chế khe thời gian Nhiễu kênh kề giới hạn việc sử dụng khoảng thời gian kênh Từng đàm thoại biến đổi thành tín hiệu số, sau gán cho khe thời gian Số lượng khe thời gian kênh vơ tuyến thay đổi tuỳ thuộc vào cách thiết kế hệ thống Có hai khe thời gian cho kênh, thường nhiều Điều có nghĩa TDMA có khả phục vụ số lượng khách hàng nhiều vài lần so với kỹ thuật FDMA với dải thơng Ưu điểm: • Khơng có sản phẩm xuyên điều chế thời điểm khuyếch đại sóng mang • Hiệu suất truyền cao dù số lượng truy nhập lớn • Không cần phải khống chế công suất phát trạm • Đơn giản hố việc điều hưởng phát thu tần số • Việc xử lý tín hiệu số dẫn đến đơn giản hố vận hành Nhược điểm: Chương 1: Tởng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tốt nghiệp Trang:14 • Cần phải đồng hố • Cần phải mở rộng kích thước trạm để phát với hiệu suất cao • Giá thành đắt trang thiết bị phức tạp 1.4.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA hoạt động theo ngun lý trải phổ Nó khơng tìm cách phân bố tiềm tần số thời gian rời rạc cho thuê bao Ngược lại, giải pháp cung cấp tất tiềm đồng thời cho thuê bao, khống chế mức công suất phát từ thuê bao mức tối thiểu đủ để trì tỷ số tín hiệu/tạp âm theo mức chất lượng yêu cầu Mỗi thuê bao sử dụng tín hiệu băng rộng tạp âm chiếm tồn dải tần phân bố Theo cách thuê bao tham gia vào tạp âm tác động tới tất thuê bao khác, phạm vi Can nhiễu bổ xung làm hạn chế dung lượng, phân bố tiềm thời gian dải thông không bị hạn chế dung lượng lớn đáng kể so với hệ thống TDMA FDMA Trong hệ thống thông tin CDMA nhiều thuê bao chiếm kênh vô tuyến đồng thời tiến hành gọi (phát liên tục) Những thuê bao phân biệt thuê bao dùng dãy mã giả ngẫu nhiên riêng không trùng với thuê bao khác Ưu điểm: • Dung lượng cao đáng để, • Khả chống nhiễu tốt, • Bảo mật cao, • Giảm pha đinh đường truyền, • Bảo đảm truyền dẫn chất lượng cao • Cho phép chuyển vùng mềm trạm gốc Nhược điểm: • Phức tạp • Khó đồng 1.5 Kỹ thuật DS_CDMA 1.5.1 Tổng quan hệ thống CDMA: Lý thuyết CDMA xây dựng từ năm 1950 áp dụng thông tin quân từ năm 1960 Cùng với phát triển công nghệ bán dẫn lý thuyết thông tin năm 1980, CDMA thương mại hoá Hệ thống CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nhằm thực cho hệ thống thơng tin có khả chống phá sóng cao Trải phổ kỹ thuật thực cách điều chế lần thứ hai tín hiệu điều chế nhằm tạo dạng sóng nhiễu tín hiệu khác hoạt động băng tần Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tớt nghiệp Trang:15 Tính chất kỹ thuật trải phổ • Băng thơng tín hiệu phát lớn nhiều so với băng thông cần thiết để truyền thông tin chứa tín hiệu • Việc trải phổ thực nhờ tín hiệu trải phổ c(t), thường gọi tín hiệu mã (code) Tín hiệu độc lập với liệu truyền • Ở đầu thu, việc thu lại tín hiệu ban đầu thực nhờ kỹ thuật dồn phổ (despreading) khôi phục liệu nguyên thuỷ cách xét tương quan tín hiệu thu với tín hiệu giống hệt đồng với tín hiệu mã dùng để trải phổ Có kỹ thuật trải phổ: • Chuỗi trực tiếp (DS - Direct Sequence) • Nhảy tần số (FH - Frequency Hopping) • Nhảy thời gian (TH - Time Hopping) Do giới hạn đề tài nên nhóm thực đề tài trình bày hệ thống DS_CDMA 1.5.2 Hệ thống DS_CDMA 1.5.2.1Nguyên lý: Một tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp tín hiệu mà biên độ tín hiệu điều chế trước điều chế lại lần chuỗi nhị phân NRZ có tốc độ cao Giả sử tín hiệu gốc là: (1.23) tín hiệu trải phổ DS là: (1.24) với g(t) chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên PN có giá trị Tốc độ bit g(t) fc >> fb (tốc độ bit chuỗi liệu) Hay nói g(t) phân chia bit d(t) thành chip nên tốc độ g(t) gọi tốc độ chip (chip rate) tốc độ d(t) gọi tốc độ bit (bit rate) Băng thơng tín hiệu v(t) 2fb băng thơng tín hiệu trải phổ 2fc nên phổ tín hiệu trải theo tỷ số fc/fb Vì cơng suất phát hai tín hiệu v(t) s(t) nên mật độ phổ công suất Gs(f) giảm theo tỷ số fb/fc Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tốt nghiệp Trang:16 Hình 1.13 Dạng sóng d(t), g(t) d(t)g(t) Quá trình trải phổ, thu phát Hình 1.14 Sơ đồ thu-phát trải phổ DS 1.5.2.2 Ảnh hưởng nhiễu nhiệt Ở hệ thống trên, dạng sóng liệu d(t) chuỗi bit NRZ có giá trị +1 -1 tốc độ fb dạng sóng chuỗi giả ngẫu nhiên có giá trị +1 -1 tốc độ fc Trên đường truyền, tín hiệu đầu vào hệ thống nhân hai lần với g(t) g(t)g(t) = nên khơng có ảnh hưởng đến tín hiệu nhận Nhiễu n(t) xâm nhập vào kênh máy thu bị trải phổ g(t) trước đến tích phân Điều có nghĩa sau khoảng ngẫu nhiên, cực sóng nhiễu bị đảo ngược lần Sự đảo cực không ảnh hưởng đến mật độ phổ công suất hay hàm mật độ xác suất nhiễu Gauss Do tín hiệu đặc tính nhiễu khơng bị ảnh hưởng kỹ thuật trải phổ xác suất lỗi hệ thống là: (1.25) Trong Eb: lượng bit η/2: mật độ phổ công suất nhiễu Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tốt nghiệp Trang:17 1.5.2.3 Nhiễu băng rộng Trong hệ thống CDMA, giả sử có K user user phân chia chuỗi mã giả ngẫu nhiên riêng biệt, mã không tương quan với Các user truyền liệu tần số sóng mang f c thời gian Tại máy thu user nhận dạng sóng giống bao gồm tất thông tin truyền k user: (1.26) Trong gi(t) di(t) mã giả ngẫu nhiên có tốc độ f c thơng tin truyền có tốc độ fb user i; θi pha ngẫu nhiên độc lập với pha user khác Nếu máy thu muốn nhận K thơng tin từ K user cần phải có K tương quan Giả sử cần nhận tín hiệu user cần tạo mã giả ngẫu nhiên g1(t) thành phần sóng mang Khi đó, ngõ tích phân là: (1.27) Tích g1(t)gi(t) chuỗi giả ngẫu nhiên riêng biệt viết lại g1(t)gi(t)≡g1i(t) Tương tự cos(θi - θ1) ≡ cosθ1i: (1.28) Mật độ phổ công suất tổng cộng K -1 nhiễu độc lập là: (1.29) Với Pj = (K -1) Ps, xác suất lỗi bit là: (1.30) Để đảm bảo xác suất lỗi thấp độ lợi xử lý phải hiệu chỉnh cho: fc/fb >> (k - 1)/2 (1.31) Trong cơng thức (1.26) tín hiệu ngõ vào tài đầu đầu thu, tín hiệu truyền có mức cơng suất Ps đầu thu thực tế, mức công suất Khi truyền đến user có mức cơng suất cao thấp khoảng cách xa-gần khác Khi cơng suất tín hiệu khơng mong muốn lớn nhiều cơng suất tín hiệu mong muốn xuất lỗi Đó vấn đề gầnxa (near-far problem) giới hạn khả sử dụng hệ thống DS 1.5.2.4Đồng Đồng tín hiệu trải phổ đầu thu cần yêu cầu ba loại đồng bộ: • Đồng sóng mang pha (khơi phục sóng mang) • Đồng bit (khơi phục định thời bit) • Đồng chuỗi giả ngẫu nhiên Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đờ án tớt nghiệp Trang:18 Q trình đồng tiến hành qua hai giai đoạn: • Đồng thơ (coarse synchronization) • Tinh chỉnh đồng (fine synchronization) Đồng thơ Đồng thơ q trình tìm kiếm tất pha tín hiệu đến pha chuỗi tín hiệu nhận có pha với chuỗi giả ngẫu nhiên tạo máy thu Kỹ thuật đồng thơ thường sử dụng tìm nối tiếp bước (stepped serial search) Kỹ thuật thực sau: Hình 1.15 Mạch đồng thơ DS Tín hiệu thu có dạng: (1.32) Đầu tiên, cơng tắc S vị trí có điện áp cố định cho phép cổng AND Bộ dao động hoạt động tần số fc cho xung clock điều khiển tạo chuỗi giả ngẫu nhiên Giả sử tạo chuỗi giả ngẫu nhiên máy thu máy phát khơng đồng nên tín hiệu vào BPF có phổ trải rộng Tín hiệu có mật độ phổ cơng suất nhỏ Do mức công suất ngõ BPF mạch tách sóng bao hình mức thấp Sau tín hiệu ngõ tách sóng bao hình cho qua mạch tích phân Nếu tín hiệu chưa đồng ngõ mạch tích phân khơng đủ lớn điện áp ngưỡng mạch so sánh Khi cơng tắc S chuyển sang vị trí cổng AND không hoạt động dừng tạo chuỗi giả ngẫu nhiên Sau cơng tắc S chuyển sang vị trí q trình lặp lại Đồng thơ xác lập tích g(t)g(t - iT c) = g2(t) = 1, lúc ngõ mạch tách sóng hình bao mạch tích phân có mức cao nên ngõ so sánh mức cao Cơng tắc S chuyển sang vị trí hay không làm dừng hoạt động tạo chuỗi giả ngẫu nhiên Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tốt nghiệp Trang:19 Đồng tinh Tín hiệu sau đồng thô đưa vào mạch tinh chỉnh đồng bộ, sử dụng DLL (Delay Locked Loop) sau: Hình 1.16 Mạch tinh chỉnh đồng DS Tín hiệu ngõ vào DLL liên quan đến tốc độ chuỗi giả ngẫu nhiên g(t) chuỗi liệu d(t) Bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên máy thu tạo chuỗi giống chuỗi thu lệch khoảng thời gian, tức g(t + τ) sau tạo hai chuỗi sớm trễ lượng Tc/2: g(t + τ - Tc/2) g(t + τ + Tc/2) (1.33) (1.34) Các tín hiệu cho qua BPF giống có BW = 2f b tần số trung tâm f0 Băng thông BPF nhỏ nhiều so với băng thông chuỗi giả ngẫu nhiên nên cho giá trị trung bình g(t) g(t + τ ± Tc/2) qua Do ngõ mạch lọc là: (1.35) (1.36) Giá trị trung bình tích g(t)g(t + τ ± Tc/2) hàm tự tương quan g(t): (1.37) Mạch tách sóng bao hình loại liệu d(t) nên tín hiệu ngõ là: (1.38) Và (1.39) Ngõ vào VCO là: (1.40) Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đờ án tớt nghiệp Trang:20 Hình 1.17 Ngõ vào VCO Nếu τ > điện áp dương xuất ngõ vào VCO làm tăng tần số VCO làm giảm τ Tương tự, τ < điện áp âm xuất ngõ vào VCO làm giảm tần số VCO làm tăng τ 1.5.3 Chuỗi giả ngẫu nhiên Trong hệ thống CDMA, để thực trải phổ người ta dùng chuỗi giả ngẫu nhiên Chuỗi ngẫu nhiên chuỗi có thay đổi khơng thể đốn trước nghĩa giá trị thời điểm khơng phụ thuộc vào giá trị chuỗi thời điểm trước Sự thay đổi biểu diễn phương pháp thống kê Tuy nhiên chuỗi ngẫu nhiên đơn giản cần đòi hỏi nhớ lớn vô hạn máy phát máy thu Do đó, người ta phải sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên Các chuỗi chuỗi ngẫu nhiên hồn tồn tức lặp lại sau chu kỳ Chuỗi giả ngẫu nhiên chuỗi nhị phân có chu kỳ bit lớn nhiều so với chù kỳ bit liệu nên để phân biệt người ta quy ước gọi chu kỳ bit chuỗi giả ngẫu nhiên chip Các chuỗi giả ngẫu nhiên user khác hệ thống CDMA phải khác Chuỗi giả ngẫu nhiên phải có tính chất sau đây: • Tính cân bằng: tần suất xuất số bit bit chuỗi ½ (nghĩa số lần xuất bit bit chênh lệch tối đa 1) • Tính Run: đường chạy (run length) chuỗi nhị phân định nghĩa chuỗi chứa giá trị hay Nếu xuất số nhị phân khác bắt đầu đường chạy Một chuỗi giả ngẫu nhiên phải có tính Run nghĩa tổng số đường chạy có chiều dài n 1/2n tổng số đường chạy Ví dụ chuỗi 000100110101111 có Run (0,0,00,000) Run (1,1,11,1111) (tổng cộng Run, có Run có chiều dài 1, Run có chiều dài 2, Run có chiều dài Run có chiều dài 4) thoả mãn tính Run Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đờ án tớt nghiệp Trang:21 • Tính tương quan: so sánh chuỗi giả ngẫu nhiên với dịch số bit độ chênh lệch số bit giống khác tối đa (hàm tự tương quan -1) Sự tự tương quan: Hàm tự tương quan chuỗi ngẫu nhiên d(t) với độ rộng bit Tb định nghĩa sau: (1.41) Nếu d(t) = ±1 Rd(τ) có dạng sau: Hình 1.18 Hàm tự tương quan chuỗi ngẫu nhiên d(t) Gọi g(t) chuỗi giả ngẫu nhiên có hàm tự tương quan là: (1.42) Ta xét với τ = nTc với n N với Tc độ rộng chip: (1.43) Ở đây, g(t + kTc) chuỗi giả ngẫu nhiên có giá trị trung bình 1/L Chuỗi g(t) có chu kỳ LTc nên hàm tự tương quan có chu kỳ LTc Hình 1.19 Hàm tự tương tương quan chuỗi giả ngẫu nhiên g(t) Các tính chất chuỗi: • Hai chuỗi giả ngẫu nhiên độc lập với nhân với cho chuỗi giả ngẫu nhiên độc lập với hai chuỗi giả ngẫu nhiên cho • Trong chu kỳ LTc, số bit luôn nhiều số bit Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tớt nghiệp Trang:22 • Nếu đặt cửa sổ có độ dài N bit trượt dọc theo suốt chu kỳ LTc, giá trị có số nhị phân N bit xuất lần lần trừ giá trị 00…0 (N bit) Mật độ phổ cơng suất: Do RPN(τ) có chu kỳ LTc nên GPN(f) bao gồm xung vị trí bội số tần số 1/LTc Ngồi GPN(f) có xung f = 0, giá trị DC chuỗi PN Do số bit lớn số bit nên giá trị DC chuỗi V/L chuỗi g(t) có giá trị ±V cơng suất V2/L2 → GPN(0) = (V2/L2)δ(f) Mật độ phổ công suất GPN(f) là: (1.44) Hình 1.20 Mật độ phổ cơng suất chuỗi giả ngẫu nhiên 1.5.3.1Chuỗi nhị phân có chiều dài cực đại Chuỗi nhị phân có chiều dài cực đại, gọi tắt chuỗi m (m sequence) tạo từ ghi dịch n trạng thái Chuỗi m có chu kỳ n- tạo đa thức h(x): h(x) = h0xn+ h1xn-1+ … + hn-1x1+ hnx0 (1.45) Trong h0 = hn = giá trị hi (i ≠ 0,n) hay theo quan hệ sau: h0aj h1aj-1 h2aj-2 … hnaj-n = (1.46) Trong a thành phần nhờ ghi dịch Từ h0 = 1: aj = h1aj-1 h2aj-2 … hnaj-n (1.47) Như vậy: aj + n = h1aj+n-1 h2aj+n-2 … hnaj (1.48) Q trình tạo chuỗi mô tả sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tốt nghiệp Trang:23 Hình 1.21 Bộ tạo chuỗi ghi dịch tuyến tính Trong hi = khơng có đường liên kết hi = có đường liên kết Các tính chất chuỗi m Chu kỳ chuỗi nhị phân a tạo từ đa thức h(x) tối đa n- n bậc h(x) Nếu a có chiều dài cực đại h(x) đa thức ngun thuỷ Chuỗi m có tính chất sau: • Tính chất 1: Chu kỳ chuỗi 2n-1 • Tính chất 2: Có L = 2n- chuỗi khác tạo từ h(x) chúng chuỗi a, T1a, …, TN-1a (với Tka chuỗi a dịch vòng sang trái k lần) • Tính chất 3: Nếu lấy hai số nguyên khác n p với ≤ n, p ≤ N tồn số nguyên k khác n p cho: T na Tpa = Tka Tính chất gọi tính dịch cộng (shift and add) chuỗi m • Tính chất 4: w(a) = 2n-1= ½(L + 1) Trong w(a) trọng số chuỗi a (weight of the sequence), tức số bit chuỗi • Tính chất 5: Hàm tự tương quan tuần hoàn chuỗi m có hai giá trị ( twovalued) cho ra(k) = • Tính chất 6: Chuỗi a có tính chất = a2i (∀i ∈Z) gọi chuỗi m đặc tính (characteristic) chuỗi tồn N chuỗi tạo đa thức h(x) • Tính chất 7: Gọi q số nguyên dương xét chuỗi u tạo từ a cách lấy mẫu bit thứ q chuỗi a chuỗi u gọi chuỗi chia nhỏ theo q a (decimation), tức ui = aqi ký hiệu a[q] Giả sử a[q] khác khơng, a[q] có chu kỳ L/gcd(L,q) 1.5.3.2Chuỗi gold Xét hai chuỗi m a b có chu kỳ L = n- tạo từ hai đa thức nguyên thuỷ h(x) g(x) hai chuỗi gọi cặp chuỗi m mong muốn thỏa mãn điều kiện: • n mod ≠ • b = a[q] q = 2m - hay q = 22m - 2m + Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tớt nghiệp Trang:24 • gcd(n,m) = Khi tập hợp chuỗi G(a ,b)={a ,b ,a b, a T 1b, …, a TL-1b} gọi tập chuỗi Gold cho cặp chuỗi m mong muốn Ứng với hai chuỗi m mong muốn a b, có tất L + chuỗi Gold Đa thức tạo họ chuỗi Gold f(x) = g(x)h(x) Bất kỳ hai chuỗi tập chuỗi Gold có hàm tương quan chéo có giá trị là: Họ chuỗi Gold có đặc tính tương quan tốt họ chuỗi m có chu kỳ L = - 1.5.3.3Chuỗi kasami Xét a chuỗi m tạo đa thức h(x) có chu kỳ L = n- n số chẵn Ta xét chuỗi b = a[s(n)] = a[2n/2+ 1] có chu kỳ 2n/2- Ta định nghĩa tập: Ks(a) = {a, a b, a T1b, …, a ⊕ b} Kasami chứng minh hàm tương quan chuỗi tập Ks(a) có giá trị -1, -s(n) hay s(n) - Tập gọi tập chuỗi Kasami Tập Ks(a) có tất + L chuỗi 1.5.3.4Chuỗi Walsh Mã trực giao Walsh xây dựng sở ma trận Hadamard Ma trận thường sử dụng hệ thống CDMA H64 Các mã Walsh đánh dấu từ W đến W63 sử dụng để trải phổ, nhận dạng kênh đường xuống điều chế trực giao cho đường lên Người ta sử dụng ma trận khác để tạo mã Walsh W nN n Trong , để nhận dạng kênh cho đường xuống đường lên, N tương ứng với số ma trận, n số mã Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ ... 1.5.1 Tổng quan hệ thống CDMA: Lý thuyết CDMA xây dựng từ năm 1950 áp dụng thông tin quân từ năm 1960 Cùng với phát triển công nghệ bán dẫn lý thuyết thông tin năm 1980, CDMA thương mại hoá Hệ thống. .. hiểu mật mã thông tin việc ngụy trang hay che giấu thông tin, văn dạng khác người ngồi khơng thể xác định thông tin hay văn gốc Phép mật mã thông tin thường ký hiệu e(m), với m thơng tin cần mật... khai Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin trải phổ Đồ án tốt nghiệp Trang:3 Hệ mật mã hóa bí mật: hay cịn gọi hệ mã đối xứng hệ mã mà việc giải mã mã hóa dùng chung khóa bí mật Hệ mật