Kỹ thuật trải phổ trong thông tin di động CDMA _HVKT

3 Mục lục Lời nói đầu 4 ch-ơng 1 Tổng quan về kỹ thuật trải phổ 6 1.1 Tín hiệu và phổ của tín hiệu 6 1.1.1 Khái niệm tín hiệu và phân loại tín hiệu 6 1.1.2 Phổ của tín hiệu liên tục 8 1.1.3 Phổ của tín hiệu rời rạc 9 1.2 Mối liên hệ giữa phổ của tín hiệu liên tục và phổ của tín hiệu rời rạc 10 1.3 Kỹ thuật trải phổ 14 1.3.1 Phân loại kỹ thuật trải phổ 17 1.3.2 Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ 21 1.3.3 Đa truy nhập theo mã 24 1.4 So sánh -u nh-ợc điểm của các hệ thống thông tin trải phổ 24 1.4.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp 24 1.4.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần 26 1.4.3 Hệ thống trải phổ nhảy thời gian 28 ch-ơng 2 Hệ thống thông tin trải phổ 30 2.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS 31 2.1.1 Hệ thống DS/SS-BPSK 31 2.1.2 Các hệ thống DS/SS-QPSK 35 2.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần(FH-SS) 38 2.3 Đồng bộ ở các hệ thống thông tin trải phổ 40 ch-ơng 3 Kỹ thuật trải phổ trong thông tin di động cdma 43 3.1 Ph-ơng pháp đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 43 3.2 Các tính năng kỹ thuật chính của CDMA One 46 3.3 Thiết kế giao diện vô tuyến CDMA One 47 3.3.1 Đ-ờng xuống CDMA One 47 3.3.2 Đ-ờng lên CDMA One 72 Kết luận 82 Tài liệu tham khảo 83 4 Lời nói đầu Quản lý việc sử dụng phổ tần là một nhiệm vụ hết sức phức tạp do tính đa dạng của các dịch vụ và các công nghệ liên quan. Tr-ớc dây vấn đề này đ-ợc giải quyết bằng cách cấp phát các băng hay các khối phổ tần cho các dịch vụ khác nhau nh-: thông tin quảng bá, di động, vệ tinh, hàng không Mới đây đã xuất hiện một ph-ơng pháp khác để giải quyết vấn đề này. Ph-ơng pháp này dựa trên khả năng một số ph-ơng pháp điều chế có thể sử dụng chung tần số mà không gây ra mức độ nhiễu đáng kể. Ph-ơng pháp này đ-ợc gọi là điều chế trải phổ (Spread Spectrum - SS). Trải phổ là công nghệ truyền dẫn tín hiệu đã đ-ợc nghiên cứu và đ-a vào ứng dụng hơn nửa thế kỷ. Qua các ứng dụng mới đây của công nghệ trải phổ trong thông tin di động đã đổi mới và tăng thêm sự quan tâm về lý thuyết cũng nh- ứng dụng của công nghệ này. Hệ thống thông tin trải phổ đã đ-ợc sử dụng trong quân đội hơn nửa thế kỷ qua với hai mục đích chủ yếu là chống lại tác động gây nhiễu mạnh và bảo mật. Đạt đ-ợc hai mục đích đó là nhờ dãn rộng phổ tín hiệu để không phân biệt đ-ợc với tạp âm nền. Ngày nay, công nghệ CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ đã đ-ợc sử dụng rộng rãi cho thông tin di động và thông tin cá nhân trên toàn thế giới. Công nghệ này đã đạt đ-ợc hiệu quả sử dụng dải thông lớn hơn so với các công nghệ analog hoặc digital khác, do vậy phục vụ đ-ợc số l-ợng thuê bao đa truy nhập lớn hơn nhiều. Các mạng thông tin vô tuyến sử dụng công nghệ trải phổ cũng có đ-ợc những tính chất quan trọng nh- tái sử dụng tần số, điều khiển công suất nhanh chóng và chính xác, bảo đảm truyền dẫn chất l-ợng cao, giảm fading đ-ờng truyền và cho phép chuyển vùng mềm giữa các trạm gốc. Phạm vi đồ án này nghiên cứu ba kỹ thuật trải phổ cơ bản: trải phổ chuỗi trực tiếp, trải phổ nhảy tần và trải phổ nhảy thời gian trên các khía 5 cạnh: cách điều chế trải phổ và đồng bộ hệ thống, ứng dụng kỹ thuật trải phổ cho thông tin di động CDMA. Đồ án đ-ợc chia thành 3 ch-ơng: Ch-ơng 1: Tổng quan về kỹ thuật trải phổ. Ch-ơng này giới thiệu sơ l-ợc về kỹ thuật trải phổ, phân loại kỹ thuật trải phổ, nguyên tắc trải phổ và dạng phổ của chúng, các -u điểm, nh-ợc điểm của các hệ thống trải phổ cơ bản. Ch-ơng 2: Các Hệ thống thông tin trải phổ. Ch-ơng này sẽ trình bày các cách điều chế trải phổ tín hiệu, các ph-ơng pháp, sơ đồ đồng bộ của các hệ thống trải phổ cơ bản. Ch-ơng 3: Kỹ thuật trải phổ trong thông tin di động CDMA. Ch-ơng này trình bày về thiết kế giao diện vô tuyến cho hệ thống thông tin di động CDMA one. Do thời gian hạn chế, tài liệu ít và các vấn đề còn mới mẻ và bao quát khá rộng nên trong phạm vi đồ án này chắc chắn không thể tránh khỏi thiếu sót. Kính mong nhận đ-ợc sự chỉ bảo của các thầy giáo để đồ án đ-ợc hoàn thiện hơn. 6 Ch-ơng 1 Tổng quan về kỹ thuật trải phổ Sau chiến tranh thế giới thứ II, xuất phát từ vấn đề bảo mật và chống nhiễu cố ý đặt ra đối với thông tin vô tuyến và rađa, từ cuối những năm 1940 quân đội Mỹ, đặt biệt là các chuyên gia nghiên cứu ITT (international telephone Telegraph) đã xúc tiến một nguyên tắc thông tin hoàn toàn mới dựa trên công trình của Claude Elwood Shannon: thông tin dựa trên nguyên tắc trải phổ tín hiệu. Nguyên tắc thông tin này cho phép che dấu tín hiệu trong nền tạp âm bằng cách phát nó với công suất thấp và dãn phổ tín hiệu rộng hơn. Ngày nay kỹ thuật này đang đ-ợc sử dụng trong một loạt ứng dụng th-ơng mại bao gồm thông tin trên xe di dộng, thông tin vô tuyến liên sở và đặc biệt là trong thông tin di động CDMA. Ch-ơng này tập chung giới thiệu tổng quan về phổ và trải phổ tín hiệu, các ph-ơng pháp trải phổ và so sánh -u nh-ợc điểm của các ph-ơng pháp đó. 1.1 Tín hiệu và phổ của tín hiệu 1.1.1 Khái niệm tín hiệu và phân loại tín hiệu Tín hiệu - hiểu theo nghĩa khái quát - đó là một quá trình vật lý có chứa đựng tin tức, hay một quá trình vật lý mang tin tức. Quá trình tác động hệ thống kỹ thuật vào tín hiệu đ-ợc gọi là xử lý tín hiệu. Tín hiệu th-ờng đ-ợc phân chia thành hai loại: tín hiệu tiền định và tín hiệu ngẫu nhiên. Tín hiệu tiên định là các tín hiệu mà ta có thể biết tr-ớc đ-ợc các tham số hoặc các quy luật biến thiên của các tham số của nó. Còn tín hiệu ngẫu nhiên là các tín hiệu mà ta không thể biết tr-ớc đ-ợc các tham số hoặc các quy luật biến thiên của các tham số của nó, mà chỉ có thể đánh giá nó bằng các lý thuyết xác suất. 7 Tín hiệu tiền định có thể là tín hiệu tuần hoàn hoặc không tuần hoàn. Xét trong miền thời gian t tín hiệu s(t) đ-ợc gọi là tuần hoàn nếu nó thoả mãn s(t) = s(t+nT) (1.1) trong đó T có giá trị hữu hạn và đ-ợc gọi là chu kỳ của tín hiệu, n là số nguyên bất kỳ. Các tín hiệu không thoả mãn điều kiện (1.1) đ-ợc gọi là các tín hiệu không tuần hoàn. Biên độ liên tụcBiên độ rời rạc Tớn hiu tng t Tớn hiu ri rc Tớn hiu c lng t hoỏ Tớn hiu s Thi gian liờn tc Thi gian ri rc x t x t x t x t Hình 1.1 Phân loại tín hiệu Tín hiệu tiền định có thể là tín hiệu liên tục hoặc tín rời rạc. Tín hiệu s(t) đ-ợc gọi là tín hiệu liên tục nếu nó là một hàm số liên tục theo biến thời 8 gian t. Còn các tín hiệu s(t) chỉ có giá trị xác định ở các thời điểm nhất định còn lại có giá trị bằng 0 thì đ-ợc gọi là tín hiệu rời rạc. 1.1.2 Phổ của tín hiệu liên tục Xét tín hiệu tuần hoàn s(t) = s(t+T), T là chu kỳ của tín hiệu và có giá trị T=2/ 1 . Chọn hệ hàm trực giao: 1, cos 1 t, sin 1 t, sin2 1 t cos2 1 t, , cosn 1 t, sinn 1 t trực giao trong khoảng 0 T và là hệ hàm trực giao chuẩn hoá. Theo định lý Fourier s(t) phân tích thành chuỗi 0 k 1 k 1 k1 s(t) A (a cosk t b sin t) (1.2) 0 k 1 k k1 A A cos(k t ) (1.3) trong đó 22 k k k A a b (1.4) k k k b arctg a (1.5) T / 2 0 T / 2 1 A s(t)dt T (1.6) T / 2 k1 T / 2 2 a s(t)cosk tdt T (1.7) T / 2 k1 T / 2 2 b s(t)sink tdt T (1.8) Khi đó đồ thị phổ biên độ và phổ pha của tín hiệu tuần hoàn có dạng nh- sau: 9 n 1 1 2 1 0 A A A A 0 1 2 n Hình 1.2 Đồ thị phổ biên độ của s(t) 1 2 1 1 2 3 1 3 n n 1 Hình 1.2 Đồ thị phổ pha của s(t) Vậy phổ của tín hiệu là sự đặc tr-ng của tín hiệu trên miền tần số, là sự biểu diễn biên độ và pha của các thành phần tín hiệu đ-ợc phân tích thành chuỗi Fourier trên trục tần số. 1.1.3 Phổ của tín hiệu rời rạc Tín hiệu rời rạc x(n) đ-ợc tạo thành từ tín hiệu liên tục x(t) tại các thời điểm t=nT trong đó T là chu kỳ của tín hiệu liên tục x(t). Đối với dãy x(n) bất kỳ ta có phép biến đổi Fourier của tín hiệu rời rạc: j j n n X(e ) x(n)e (1.9) Ví dụ ta xét dãy x(n)=(1/2) n u(n). Khi đó ta có: n j j n n 1 X(e ) u(n)e 2 10 n jn n0 1 e 2 n j n0 1 e 2 1 1 1 cos +jsin 2 j 22 1 X(e ) 11 (1 cos ) ( sin ) 22 sin ( ) arctg 2 cos Vì X(e j ) tuần hoàn nên ta chỉ khảo sát với : 0 2 Ta có đồ thị phổ biên độ của dãy x(n) với miền tần số là liên tục, chu kỳ 0 2 j X(e ) 2 2/3 2 1.2 Mối liên hệ giữa phổ của tín hiệu liên tục và phổ của tín hiệu rời rạc Trong thực tế, các dãy rời rạc x(n) đ-ợc tạo thành từ tín hiệu liên tục x(t) bằng cách lấy mẫu các giá trị của tín hiệu x(t) tại các thời điểm t = nT trong đó n = 0, 1, 2 ; T là chu kỳ lấy mẫu. 11 Giữa tín hiệu x(t) và hàm phổ của nó X(j) đ-ợc liên hệ với nhau bởi cặp tích phân Fourier: jt jt X(j ) x(t)e dt 1 x(t) X(j t)e d 2 Còn với dãy x(nT) và phổ của nó X(e j ) cũng đ-ợc liên hệ với nhau bởi cặp biểu thức: j j nT n /T j j nt /T X(e ) x(nT)e 1 x(t) X(e )e d 2 Vì x(nT) = x (t) nên trong biểu thức (1.10) nếu ta thay t = nT thì ta phải thay dấu tích phân bằng dấu tổng từ - đến + của các tích phân trong khoảng 2 / T, nghĩa là (2m 1) / T jj m (2m 1) / T /T j nT m /T 1 x(nT) X(e )e d 2 T 1 2 X[j( m)]e d 2 T T Từ các biểu thức (1.12) và (1.13) ta có j m 12 X(e ) X[j( m)] TT (1.10) (1.11) (1.12) (1.13) t=nT (1.14) (1.15) 12 Biểu thức (1.15) chứng tỏ rằng phổ của dãy x(nT) là tổng của vô số các thành phần phổ của tín hiệu liên tục x(t) chu kỳ T. Nếu phổ của tín hiệu liên tục x(t) giới hạn trong dải tần T nghĩa là X(j) = 0 thì từ (1.15) ta có X(e j ) = X(j) / T . Trong tr-ờng hợp này phổ của dãy x(nT) liên quan trực tiếp với phổ của dãy x(t). Hình 1.3 vẽ phổ X(j) của tín hiệu x(t) và phổ X(e j ) của tín hiệu x(nT) giới hạn trong dải T T T X(e jw ) X(jw) w w Hình 1.3 Phổ của tín hiệu x(t) : X(jw) và phổ của tín hiệu x(nT): X(e jw ) giới hạn trong dải T Nếu phổ X(j) của tín hiệu x(t) không giới hạn trong dải tần T , mối liên hệ giữa phổ X(e j ) của dãy x(nT) và phổ X(j) của tín hiệu x(t) sẽ rất phức tạp. Thí dụ: giả sử phổ X(j) của tín hiệu x(t) giới hạn trong dải 3 T thì từ (1.6) dễ dàng thấy rằng các thành phần m = 1, 2 sẽ bổ sung vào hàm T [...]... Trạm phát vệ tinh Kênh truyền Kênh truyền Tín hiệu số Tạp âm KĐ CS Tạp âm Nhiễu Đ-ờng xuống Đồng bộ chuỗi Hình 1.6: Sơ đồ khối chức năng hệ thống thông tin trải phổ 1.3.1 Phân loại kỹ thuật trải phổ Căn cứ vào cấu trúc và ph-ơng pháp điều chế, ng-ời ta phân loại kỹ thuật trải phổ bao gồm: trải phổ thuần túy và trải phổ kết hợp Trong trải phổ thuần túy bao gồm: - Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS- Direct Sequence)... thời gian một bít) tín hiệu trải phổ đ-ợc mô tả trên hình 1.7 Do Tc nhỏ hơn rất nhiều so với Tb cho nên phổ đ-ợc trải rộng ra Tc càng nhỏ thì phổ càng rộng, nh-ng khi đó đồng bộ lại gặp khó khăn Tỷ số Tb /Tc đ-ợc gọi là độ tăng ích trải phổ Ph-ơng pháp trải phổ chuỗi trực tiếp là dạng đơn giản nhất trong kỹ thuật trải phổ và đ-ợc sử dụng rộng rãi trong thông tin di động, vệ tinh và ra đa Hình 1.7 thể... hệ thống thông tin nào có phổ rộng cũng đ-ợc gọi là hệ thống thông tin trải phổ Một hệ thống thông tin đ-ợc định nghĩa là hệ thống thông tin trải phổ nếu nó thỏa mãn ba điều kiện sau đây: 1 Tín hiệu truyền đi chiếm một độ rộng băng tần truyền dẫn W lớn hơn rất nhiều bề rộng băng tần truyền dẫn tối thiểu Bi cần thiết để truyền thông tin 14 2 Việc trải phổ tín hiệu đ-ợc thực hiện nhờ tín hiệu trải th-ờng... của trải phổ Tóm lại một hệ thống thông tin số đ-ợc coi là trải phổ nếu: - Tín hiệu đ-ợc phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiếu cần thiết - Trải phổ đ-ợc thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu Có ba kiểu hệ thống thông tin trải phổ cơ bản: - Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS Direct Sequency Spread Spectrum) - Trải phổ nhảy tần (FH/SS Frequency Hopping Spread Spectrum) - Trải. .. truyền thông tin bắt đầu Trong chế độ truyền dữ liệu, hệ thống thông tin th-ờng bám định thời với tín hiệu thu đ-ợc và giữ cho bộ PN đ-ợc đồng bộ 15 Sơ đồ chức năng của một hệ thống thông tin trải phổ đ-ợc trình bày trong hình 1.6 d-ới đây Từ sơ đồ khối trải phổ trong một hệ thống thông tin vô tuyến ta thấy rằng: phổ của tín hiệu số sau khi đ-ợc xử lý: nén dữ liệu, mã hóa sửa sai, sau đó sẽ đ-ợc trải. .. w Hình 1.4 Phổ của tín hiệu x(t) : X(jw) và phổ của tín hiệu x(nT): X(ejw) nằm trong dải 3 T Kết luận: Vậy để khôi phục tín hiệu tại mày thu trong hệ thống thông tin số thì chu kỳ lấy mẫu của tín hiệu liên tục phải 1/2fmax (fmax là tần số cực đại của tín hiệu liên tục) hoặc phổ của tín hiệu liên tục phải giới hạn trong dải tần T 13 1.3 Kỹ thuật trải phổ Các hệ thống thông tin trải phổ là các... mã trải phổ độc lập với dữ liệu cần truyền Tín hiệu trải th-ờng đ-ợc chọn nhằm tạo ra một phổ tổng cộng gần giống phổ tạp âm 3 Quá trình nén phổ đ-ợc thực hiện nhờ tính t-ơng quan giữa tín hiệu thu đ-ợc và tín hiệu giải trải là bản sao đồng bộ của tín hiệu đã trải đã sử dụng ở phần phát Các phần tử cơ sở của một hệ thống thông tin trải phổ đ-ợc minh họa ở hình 1.5 Trong mô hình hệ thống thông tin trải. .. thống Để giải quyết vấn đề này, hệ thống thông tin trải phổ ra đời Trong hệ thống thông tin trải phổ, phổ của tín hiệu đ-ợc trải ra trên một băng tần rất rộng Do đó mật độ năng l-ợng của tín hiệu khá thấp có thể thấp hơn tạp âm AWGN và nh- vậy tín hiệu chìm trong tạp âm cho nên rất khó phát hiện đ-ợc Tuy nhiên phổ tín hiệu lại đ-ợc khôi phục nhờ việc giải trải phổ, do đó tỷ số tín hiệu trên tạp Eb/N0... hấp dẫn không những cho thông tin quân sự mà còn trong thông tin th-ơng mại Tr-ớc đây với một băng tần nhất định, chỉ có thể đáp ứng một số ng-ời sử dụng Còn đối với kỹ thuật trải phổ, về mặt lý thuyết ta có thể đáp ứng một số l-ợng ng-ời rất lớn bằng cách phân bố cho mỗi một ng-ời sử dụng một mã trải phổ riêng biệt 1.4 So sánh -u nh-ợc điểm của các hệ thống thông tin trải phổ Trên đây vừa trình bày... Ch-ơng 2 Hệ thống thông tin trải phổ ở các hệ thống thông tin thông th-ờng, độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này đ-ợc thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt Tuy nhiên, ở hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần tín hiệu đ-ợc mở rộng, thông th-ờng hàng trăm lần tr-ớc khi phát Khi chỉ có một ng-ời sử dụng trong băng tần SS (Spread Spectrum Trải phổ) , sử dụng . phổ 14 1.3.1 Phân loại kỹ thuật trải phổ 17 1.3.2 Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ 21 1.3.3 Đa truy nhập theo mã 24 1 .4 So sánh -u nh-ợc điểm của các hệ thống thông tin trải phổ 24 1 .4. 1 Hệ. tin trải phổ 40 ch-ơng 3 Kỹ thuật trải phổ trong thông tin di động cdma 43 3.1 Ph-ơng pháp đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 43 3.2 Các tính năng kỹ thuật chính của CDMA One 46 3.3 Thiết. các hệ thống thông tin trải phổ 24 1 .4. 1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp 24 1 .4. 2 Hệ thống trải phổ nhảy tần 26 1 .4. 3 Hệ thống trải phổ nhảy thời gian 28 ch-ơng 2 Hệ thống thông tin trải phổ