mã trải phổ trong cdma

1 Lời nói đầu Cùng với sự phát triển của các nghành khoa học trong xã hội, nghành công nghệ truyền thông đã và đang chứng tỏ vai trò không thể thiếu đợc trong sự phát triển chung của xã hội. Sự ra đời của các hệ thống truyền tin đã ghóp phần thúc đẩy sự tăng trởng về kinh tế, rút ngắn khoảng cách địa lý mở ra kỷ nguyên mới đối với xã hội loài ngời. Ngày nay nhu cầu trao đổi thông tin bằng điện thoại đã trở lên rất phổ biến và nó đã trở thành vật bất ly thân của hầu hết mọi ngời. Đi kèm với sự ra đời của điện thoại di động là sự phát triển của các kỹ thuật điều chế với sự ra đời của TDMA trong các hệ thống GSM và gần đây là sự xuất hiện của công nghệ CDMA với những u điểm vợt trội đã ghóp phần nâng cao chất lợng cũng nh đáp ứng tốt hơn nhu cầu của ngời sử dụng. Trong công nghệ CDMA thì phần cốt lõi và quan trọng nhất là kỹ thuật tạo mã trải phổ. Trên cơ sở đó, để tìm hiểu rõ hơn về cấu trúc tạo mã trải phổ trong CDMA tôi lựa chọn đề tài mã trải phổ trong CDMA . Mặc dù đây là một công nghệ mới nhng cũng đã và đang đợc ứng dụng rộng rãi nên việc nắm vững công nghệ này là rất cần thiết đối với sinh viên Điện tử viễn thông nói riêng và những ai quan tâm đến lĩnh vực này nói chung. Với khuôn khổ phạm vi nghiên cứu của đề tài, bản thuyết minh này đợc chia thành bốn chơng với nội dung chủ yếu của mỗi chơng nh sau: Chơng 1. Các hệ thống trải phổ trong CDMA Nội dung của chơng này là đi sâu phân tích các hệ thống trải phổ điển hình gồm : hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp, hệ thống trải phổ nhảy tần, hệ thống trải phổ nhảy thời gian và một số các hệ thống lai ghép khác. Mục đích của chơng này nhằm 2 làm sáng tỏ đặc điểm của các hệ thống trải phổ để có thể hiểu rõ đợc vai trò của mã giả ngẫu nhiên đối với từng hệ thống. Chơng 2. Cơ sở toán học của mã trải phổ Chơng này bao gồm một hệ thống các khái niệm toán học, các hàm toán học bổ trợ cho quá trình tìm hiểu về các đặc điểm của mã giả ngẫu nhiên. Mối tơng quan của các chuỗi mã đợc thể hiện bằng các biểu thức toán học là nền tảng để xác định chính xác các chuỗi mã. Chơng 3.Mã trải phổ Nội dung của chơng này trình bày quá trình tạo ra chuỗi mã giả ngẫu nhiên, các thuộc tính, tính chất của chuỗi mã. Bên cạnh đó trình bày một số chuỗi mã đặc biệt đã và đang đợc sử dụng trong các hệ thống trải phổ. Chơng 4 Kết luận và hớng phát triển đề tài 3 Chơng 1 Các hệ thống trải phổ trong cdma 1.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp 1.1.1 Giới thiệu về hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct Sequence Spreading Spectrum). Tín hiệu DSSS nhận đợc khi điều chế (nhân) bản tin bằng một tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng. Tích này trở thành một tín hiệu băng rộng. H thng DS (nói chính xác l s iu ch các dãy mã đã c iu ch thnh dng sóng iu ch trc tip) l h thng c bit n nhiu nht trong các h thng thông tin tri ph. Chúng có dng tng i đơn gin vì chúng không yêu cầu tính n nh nhanh hoc tc tng hp tn s cao. H thng DS ó c áp dng i vi các khoảng cách a dng nh o khong cách JPL bi Golomb (thông tin s vi ng dng khong cách), Ngy nay k thut ny c áp dng cho các thit b o có nhiu s la chn v nhiu phép tính của dãy mã trong h thng thông tin, trong o lng hoc trong phòng thí nghim. Trong hệ thống trải phổ trực tiếp chúng ta nghiên cứu các máy phát và các máy thu cho các hệ thống DSSS sử dụng khoá chuyển pha cơ số hai (BPSK: Binary Phase Shift Keying) và khoá chuyển pha vuông góc (QPSK: Quadrature Phase Shift Keying). Ta cũng xét ảnh hởng của tạp âm và gây nghẽn lên hoạt động của một hệ thống DSSS. Cuối cùng ta cũng nghiên cứu 4 1 -1 c(t) t Một chu kỳ N= 15; {c,i=0, ,14}={1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1} ảnh hởng của việc sử dụng chung kênh của nhiều ngời sử dụng: nhiễu giao thoa của nhiều ngời sử dụng và ảnh hởng của truyền đa tia. Trong một hệ thống DSSS, một tín hiệu liên tục theo thời gian đợc gọi là tín hiệu PN đợc tạo ra từ chuỗi PN dùng để trải phổ. Giả thiết chuỗi PN này là cơ số hai, nghĩa là c i = 1, thì tín hiệu PN này là : )(tc i c c T P )( c iTt (1.1) trong đó c T P là xung chữ nhật đơn vị đợc cho bởi phơng trình : P c T = 1 0 0 0, c c t T t t T (1.2) C i đợc gọi là chíp và khoảng thời gian T c giây đợc gọi là thời gian chíp. Lu ý rằng tín hiệu PN có chu kỳ là NT c . Một thí dụ của chuỗi này đợc cho ở hình 2.1 đối với N = 15 và {c i ,i = 0,1, . . . ., 14} = {1,1,1,-1,1,1,- 1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1}. Tín hiệu (chuỗi) PN còn đợc gọi là tín hiệu (chuỗi) trải phổ, tín hiệu (chuỗi) ngẫu nhiên và dạng sóng (chuỗi) của chữ ký (Signature). Hình 1.1Thí dụ về tín hiệu PN c(t) đợc tạo ra từ chuỗi PN có chu kỳ 15 5 1.1.2 Hệ thống DSSS BPSK a. Máy phát DSSS - BPSK Sơ đồ khối của máy phát DSSS sử dụng BPSK đợc cho ở hình 1.2. Hình1.2 Sơ đồ khối của máy phát DSSS BPSK Ta có thể biểu diễn số liệu hay bản tin nhận các giá trị 1 nh sau: )(td k ) ( ) ( ) b k T b i d i P t iT (1.3) Trong đó d k (i) = 1 là bít số liệu thứ i và T b là độ rộng của một bít số liệu (tốc độ số liệu là 1/T b bít/s). Tín hiệu d k (t) đợc trải phổ bằng tín hiệu PN c(t) bằng cách nhân hai tín hiệu này với nhau. Tín hiệu nhận đợc d(t)c(t) sau đó sẽ điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, kết quả cho ta tín hiệu DSSS - BPSK xác định theo công thức sau: )(ts )tf2cos()t(c)t(d T E2 c b b ( 1.4 ) Trong đó E b là năng lợng trên một bít của sóng mang, T b là độ rộng một bít, f c tần số mang và là pha ban đầu của sóng mang. Thí dụ về các tín hiệu này đợc vẽ trên cùng một hình . Trong rất nhiều ứng dụng một bít bản tin bằng một chu kỳ của tín hiệu PN, nghĩa là T b = NT c . Ta sử dụng giả thiết này cho các hệ thống DSSS trong Bản tin cơ số hai d(t) Tín hiệu PN cơ số hai c(t) b ộ điều chế ( bpsk ) Tín hiệu DSSS-BPSK )tf2cos( t E2 c b b )tf2cos()t(c)t(d t E2 c b b 6 t d(t) -1 1 0 Tb 2Tb 3Tb Một chu kỳ NTc (Giả thiết là N=7; Tb=NTc) 0 1 -1 c(t) t Tc 2NTc 2NTcTc t d(t)c(t) -1 1 0 NTc NTc 0 1 -1 s(t) t Tc 2NTc (Hình vẽ này cho sóng mang có = -/2 và fc=1/Tc) toàn bộ thuyết minh , nếu nh không có định nghĩa khác. Trong trờng hợp hình 1.3 ta sử dụng N = 7. Ta có thể thấy rằng tích của d(t)c(t) cũng là một tín hiệu cơ số hai có biên độ 1, có cùng tần số với tín hiệu PN. Tín hiệu DSSS -BPSK nhận đợc đợc vẽ ở đồ thị cuối cùng của hình1.3. Hình 1.3 Giản đồ của máy phát DSSS BPSK b. Máy thu DSSS - BPSK Sơ đồ khối của máy thu DSSS - BPSK đợc cho ở hình 1.4. Khôi phục đhkh Khôi phục sm Bộ tạo tín hiệu PN nội Đồng bộ tín hiệu PN w(t) bộ giải điều chế bpsk 1 hoặc -1 Z t i i c=(t-) )'tf2cos( T 2 c b bi i Tt t )t(d(.) )'tf2cos(x c ) t(c)t(d T E2 )t(s b br ĐHKH: Đồng hồ ký hiệu SM: Sóng mang 7 Hình 1.4 Sơ đồ máy thu DSSS - BPSK Mục đích của máy thu này là lấy ra bản tin d k (t) (số liệu {di}) từ tín hiệu thu đợc bao gồm tín hiệu đợc phát cộng với tạp âm. Do tồn tại trễ truyền lan nên tín hiệu thu là : )(tr = )()( tnts = )t(n)')t(fc2cos()t(c)t(d T E2 b b (1.5) Trong đó E br là năng lợng trung bình của sóng mang trên một bít, n(t) là tạp âm của kênh và đầu vào máy thu. Hình 1.5 Giản đồ của máy thu DSSS - BPSK Để giải thích quá trình khôi phục lại bản tin ta giả thiết rằng không có tạp âm. Trớc hết tín hiệu thu đợc trải phổ để giảm băng tần rộng vào băng tần hẹp. Sau đó nó đợc giải điều chế để nhận đợc tín hiệu băng gốc. Để giải trải phổ tín hiệu thu đợc nhân với tín hiệu (đồng bộ) PN c(t-) đợc tạo ra ở máy thu, ta đợc: )'tf2cos()t(d T E2 )'fct2cos()t(c)t(d T E2 )t(w c b b 2 b b (1 .6) NT c NT c t s(t - ) - 1 1 0 NT c t 0 t 1 t 2 t 3 t c( t - ) - 1 1 0 t 0 t w(t) - a 8 Vì c(t) bằng 1, trong đó = -2f c . Tín hiệu nhận đợc là một tín hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần theo Niquist là 1/T b . Để giải điều chế ta giả thiết rằng máy thu biết đợc pha (và tần số f c ) cũng nh điểm khởi đầu của từng bít. Một bộ giải điều chế BPSK bao gồm một bộ tơng quan( Correlator) hai bộ lọc phối hợp (Matched Filter) đi sau là một thiết bị đánh giá ngỡng. Để tách ra bít số liệu thứ i, bộ tơng quan tính toán: bi i bi i Tt t c 2 b b Tt t b i )t(d)'tf2(cos)t(d T E2 )t(d)'fct2cos( T 2 )t(wz = 2 ( ) 1 cos (2 2 ') ( ) ( ) i b i t T br c t br br E d t f t d t E d t E (1.7) Trong đó t i = iT b + là thời điểm đầu của bít thứ i. Vì d(t- ) là +1 hoặc -1 trong thời gian một bít, nên thành phần thứ nhất của tích phân sẽ cho ta T b hoặc -T b . Thành phần thứ hai là thành phần nhân đôi tần số nên sau tích phân gần bằng 0. Vậy kết quả cho Z i = br E hay- br E . Cho kết quả này qua thiết bị đánh giá ngỡng (hay bộ so sánh) với ngỡng 0, ta đợc đầu ra cơ số hai 1 hay -1. ngoài thành phần tín hiệu br E , đầu của bộ tích phân cũng có thành phần tạp âm có thể gây ra lỗi. Lu ý rằng ở hình 1.5 thứ tự giữa nhân tín hiệu PN và nhân sóng mang có thể đổi lẫn mà không làm thay đổi kết quả. Tín hiệu PN đóng vai trò nh một mã đợc biết trớc cả ở máy phát lẫn máy thu chủ định. Vì máy thu chủ định biết trớc mã nên có thể giải trải phổ tín hiệu SS để nhận đợc bản tin. Mặt khác một máy thu không chủ định không biết đợc mã, vì thế ở các điều kiện bình thờng nó không thể giải 9 mã bản tin. Điều này thể hiện rõ ở phơng trình (1.4), do c(t) nên máy thu không chủ định chỉ nhìn thấy một tín hiệu ngẫu nhiên 1. Ta đã giả thiết rằng máy thu biết trớc một số thông số sau: , t i , , f c . Thông thờng máy thu biết đợc tần số mang f c , nên nó có thể đợc tạo ra bằng cách sử dụng một bộ dao động nội và tần số sóng mang, thì một tần số gần với f c có thể đợc tạo ra và có thể theo dõi đợc tần số chính xác bằng một mạch vòng hồi tiếp, vòng khoá pha chẳng hạn. Máy thu phải nhận đợc các thông số khác nh , t i và từ tín hiệu thu đợc. Quá trình nhận đợc đợc gọi là quá trình đồng bộ, thờng đợc thực hiện ở hai bớc: bắt và bám. Quá trình nhận đợc t i đợc gọi là quá trình khôi phục đồng hồ(định thời) ký hiệu (Symbol Timing Recovery). Còn quá trình nhận đợc (cũng nh f c )đợc gọi là quá trình khôi phục sóng mang. Việc khôi phục sóng mang và đồng hồ là cần thiết ở mọi máy thu thông tin số liệu đồng bộ và chúng đợc xét ở hầu hết các tài liệu về thông tin. Khi T b /T c =N(chu kỳ của chuỗi PN), có thể nhận đợc định thời của ký hiệu t i một khi đã biết . Hình 1.5 cũng cho thấy đồng bộ, khôi phục đồng hồ và sóng mang. Ta hãy khảo sát một cách ngắn gọn ảnh hởng của sai pha sóng mang và sai pha mã ở máy thu. Giả thiết rằng máy thu sử dụng cos ( ' 2 c f t ) thay cho cos ( ' 2 c f t ) cho bộ giải điều chế và sử dụng c(t- ' ) làm tín hiệu PN nội, nghĩa là sóng mang có sai pha và tín hiệu PN có sai pha - ' . khi này Z i sẽ là: z i = 2 br b E T ' ( ) ( ) ( ) i b i t T t d t c t c t cos ( ' 2 c f t ) x 2 b T cos ( ' 2 c f t dt) 10 )'(R)cos(E )t(d)'t(c)t(c)cos( T E cbr Tt t b br bi i (1 .8) Trong đó dòng thứ hai đợc rút ra tự lập luận là tích phân của thành phần tần số nhân đôi bằng 0. Vì thế | z i | cực đại khi = 0 và - ' = 0. Nếu | | > T c hay | | = /2, thì z i = 0 và máy thu vô dụng . Khi | | < T c và | | < /2, thì | z i | giảm đại lợng, nh vậy tỷ số tín hiệu trên tạp ấm sẽ nhỏ hơn gây ra xác suất lỗi cao hơn. Tuy nhiên nó vẫn có thể hoạt động đúng khi các sai pha |-| và | | nhỏ. 1.1.3 Hệ thống DSSS QPSK Trên hình 1.6 ta sử dụng BPSK cho quá trình điều chế. Các kiểu điều chế khác nh: khoá chuyển pha vuông góc (QPSK: Quadrature Phase Shift Keying) và khoá chuyển cực tiểu (MSK: Minimim Shift Keying) cũng thờng đợc sử dụng ở các hệ thống SS. Sơ đồ khối chức năng cho máy phát của hệ thống DSSS sử dụng điều chế QPSK đợc cho ở hình 1.6 cùng với các dạng sóng ở các điểm khác nhau trên sơ đồ. Sơ đồ bao gồm hai nhánh: một nhánh đồng pha và một nhánh vuông góc. [...]... chất lượng của hệ thống 1.2 Các hệ thống trải phổ nhảy tần 1.2.1 Giới thiệu về hệ thống trải phổ nhảy tần Hệ thống trải phổ nhảy tần FHSS (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 chuỗi 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... Biểu đồ tần số cho một hệ thống nhảy tần chậm điều chế FSK 1.3 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian 1.3.1 Khái niệm hệ thống trải phổ nhảy thời gian Hệ thống trải phổ nhảy thời gian 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 23 gian Khe thời gian được chọn để phát cho mỗi... to mã cung cp các mã vi b trn tn c s dng cung cấp các dng nhy tn s v mt b iu ch cân bng iu ch DS S ng b thc hin gia các mu mã FH/DS biu th rng phn mu DS đã cho c xác nh ti cùng mt v trí có tn s lúc no cng c truyn qua mt kênh tn s nht nh Nhìn chung thì tc mã ca DS phi nhanh hn tc dch tn Do s lng các kênh tn s c s dng nh hn nhiu so vi s lng các chip mã nên tt c các kênh tn s nm trong tng chiu di mã. .. thống trải phổ Như vậy sau khi xem xét từng hệ thống trải phổ một cách chi tiết chúng ta thấy rằng mỗi loại hệ thống đều có những ưu điểm đồng thời cũng bộc lộ những nhược điểm Việc lựa chọn sử dụng hệ thống nào tuỳ thuộc vào các ứng dụng đặc thù Trong phần này chúng ta sẽ so sánh các hệ thống DS, FH và TH Các hệ thống DSSS giảm nhiễu giao thoa bằng cách trải rộng nó ở một phổ tần rộng Trong các hệ... 2 k 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 1 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 WSS Tuy nhiên tính trung bình trên nhiều bước nhảy thì phổ của tín hiệu nhảy tần lại chiếm toàn bộ bề rộng băng trải phổ WSS này Tốc dộ nhảy tần có thể nhanh... thời 23 gian Khe thời gian được chọn để phát cho mỗi cụm được định nghĩa bằng chuỗi PN, ở đây không phải là chuỗi 1 giống như trong hệ thống DSSS, nó chỉ có nhiệm vụ xác định mẫu nhảy khe thời gian 1.3.2 Nguyên lý của hệ thống trải phổ nhảy thời gian Trong một hệ thống trải phổ nhảy thời gian (THSS: Time Hopping Spread Spectrum) số liệu được phát thành các cụm Mỗi cụm gồm k bit số liệu và thời gian... để bắt mã PN ngắn nhất ở các hệ thống FHSS, trong khi đó các hệ thống DSSS và THSS cần thời gian bắt mã lâu hơn Tuy nhiên thực hiện máy phát và máy thu FH đắt tiền hơn vì sự phức tạp của các bộ tổng hợp tần số Các hệ thống FHSS chịu được pha đinh nhiều tia và các nhiễu Các máy thu DS/SS đòi hỏi mạch đặc biệt để làm việc thoả mãn trong các môi trường nói trên 30 chương 2 Cơ sở toán học tính phổ của... W(f), tính phổ của đạo hàm và tích phân của w(t): Tính phổ của đạo hàm cấp 1: W(1) ( ) w' (t ) exp( j 2ft)dt w(t ) exp( j 2ft ) j 2f w(t ) exp( j 2ft )dt j 2fW ( f ) (nếu w(t) thoả mãn điều kiện: lim w(t ) 0 ) t Phổ đạo hàm cấp n của w(t): nếu w(t) thoả mãn điều kiện: d n w(t ) 0 (2.4) t dt n lim W( n ) ( f ) d n w(t ) n dt n exp( j 2ft )dt ( j 2f ) W ( f ) Phổ của tích... trục thời gian Với w(t) có phổ là W(f) thì w(t-) có phổ là: W ( f ) w(t ) exp( j 2ft)dt w( ) exp( j 2f ( ))d exp( j 2f ) w( ) exp( j 2f )d exp( j 2f ).W ( f ) (2.10) tín hiệu dịch chuyển về mặt thời gian sẽ có phổ biên độ dữ nguyên còn phổ pha dịch chuyển một lượng -t 2.2.8.Biến đổi Fourier của tín hiệu thay đổi tỉ lệ Với w(t) có phổ là W(f) thì w(at) có phổ là: Wa ( f ) 1 f W(... 31 Trong đó W ( f ) gọi là phổ biên độ thể hiện sự phân bố của biên độ tín hiệu theo tần số gọi là mật độ phổ, ( f ) gọi là phổ pha 2.2 Một số tính chất của biến đổi Fourier 2.2.1 Tính tuyến tính Nếu tín hiệu w(t) có dạng w(t ) ai wi (t ) thì: i W( f ) ai wi (t ) exp( j 2ft)dt ai wi (t ) exp( j 2ft)dt aiWi ( f ) i i i (2.3) 2.2.2 Biến đổi Fourier của đạo hàm và tích phân Nếu w(t) có phổ . quan trọng nhất là kỹ thuật tạo mã trải phổ. Trên cơ sở đó, để tìm hiểu rõ hơn về cấu trúc tạo mã trải phổ trong CDMA tôi lựa chọn đề tài mã trải phổ trong CDMA . Mặc dù đây là một công. thống trải phổ trong CDMA Nội dung của chơng này là đi sâu phân tích các hệ thống trải phổ điển hình gồm : hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp, hệ thống trải phổ nhảy tần, hệ thống trải phổ nhảy. Chơng 1 Các hệ thống trải phổ trong cdma 1.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp 1.1.1 Giới thiệu về hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct