Nghiên cứu chống nhiễu trong hệ thống thông tin di động dscdma_hvktqs

Mục lục Trang Mở đầu. Ch-ơng 1: Cơ sở kỹ thuật trải phổ 1.1 Tổng quan về kỹ thuật trải phổ. 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Phân loại . 1.2 Đặc điểm của kỹ thuật trải phổ 1.2.1 Khả năng chống nhiễu. 1.2.2 Khả năng bảo mật 1.2.3 Khả năng đa truy nhập 1.3 Mô hình loại bỏ nhiễu dùng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp 1.4 Chuỗi giả tạp. 1.4.1 Các tính chất ngẫu nhiên. 1.4.2 Chuỗi ghi dịch. 1.4.3 Hàm tự t-ơng quan giả tạp Ch-ơng 2: Các hệ thống thông tin trải phổ 2.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS) 2.1.1 Điều chế trải phổ và giải điều chế trải phổ trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp 2.1.2 Đồng bộ trong hệ thống trải phổ chuổi trực tiếp. 2.2 Hệ thống nhảy tần (FH/SS) 2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 2.2.2 Đồng bộ trong hệ thống trải phổ nhảy tần FH-SS Ch-ơng 3: Sơ đồ khử nhiễu liên tiếp trong hệ thống ds/cdma . 3.1 Đặt vấn đề 3.2 Sơ đồ bộ giải mã và mô hình hệ thống 01 03 03 03 05 07 07 11 12 13 14 15 16 17 20 20 20 24 44 44 47 56 56 58 3.3 Sơ đồ khử nhiễu liên tiếp với M-QAM 3.4 Phân tích hiệu suất trên kênh dừng 3.4.1 Phân tích hoạt động của sơ đồ khử nhiễu QAM 3.4.2 Một số ví dụ cụ thể 3.5 Phân tích hiệu suất của sơ đồ IC QAM d-ới tác động của fading 3.5.1 Sơ đồ IC với QAM d-ới tác động của fading Rayleigh một đ-ờng 3.5.2 Một số ví dụ cụ thể 3.6 Phân tích hiệu suất của hệ thống điều chế kết hợp 3.6.1 Mô tả mô hình hệ thống DS/CDMA kết hợp 3.6.2 Phân tích hiệu suất trên kênh dừng. 3.6.3 Các hệ thống điều chế kết hợp d-ới tác động của fading Rayleigh 3.6.4 Một số ví dụ cụ thể 3.7 Công suất không đều của ng-ời dùng trong hệ thống. 3.8 Phân tích hiệu suất của các hệ thống kênh song song. 3.8.1 Kênh song song 3.8.2 Kết hợp truyền đồng bộ và không đồng bộ. 3.8.3 Truyền đồng bộ và không đồng bộ d-ới tác động của fading Rayleigh 3.8.4 Một số kết quả cụ thể 3.9 Kết luận Kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục 64 69 70 72 74 74 77 77 77 79 80 81 82 84 84 85 86 87 88 90 i ii Các chữ viết tắt Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ACL Auto-correlation Tự t-ơng quan AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm trắng chuẩn cộng tính BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dch pha nhị phân CCL Cross-correlation T-ơng quan chéo CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã DS/CDMA Direct Sequence Code Division Multiple Access Đa truy nhập trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp E b /I 0 Tỷ số năng l-ợng bit/tạp âm FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FH/CDMA Frequency Hopping Code Division Multiple Access Đa truy nhập trải phổ nhảy tần GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu IC Interference Cancelation Triệt nhiễu IEEE Institute of Electronic and Electrical Engineers Viện thiết kế điện và điện tử IMT-2000 International Mobile Telecomunication 2000 Viễn thông di động quốc tế cho năm 2000 ISI Inter-Symbol-Interfrence Xuyên nhiễu giữa các dấu IS-95 Interim-Standard-95 Chuẩn tạm thời- 95 ITU International Telecomunication Union Liên minh viên thông quốc tế MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập M-QAM M-ary Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu ph-ơng M mức PN Pseudo Noise Giả tạp QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu ph-ơng QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dch pha cầu ph-ơng SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín/tạp SS/CDMA Direct Sequence Code Division Multiple Access Đa truy nhập trải phổ phân chia theo mã TATS Hệ thống vệ tinh thông tin chiến thuật TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TH/CDMA Time Hopping Code Division Multiple Access Đa truy nhập trải phổ nhảy thời gian Mở đầu Thế kỷ 21 sẽ chứng kiến sự bùng nổ của thông tin vô tuyến trong đó thông tin di động đóng vai trò rất quan trọng. Kỹ thuật trải phổ sẽ trở thành nền tảng cho nhiều công nghệ vô tuyến mới. Ra đời và đ-a vào áp dụng trong quân sự từ những năm 1930, tuy nhiên gần đây các kỹ thuật này mới đ-ợc nghiên cứu và áp dụng trong các hệ thống thông tin di động th-ơng mại. Nền tảng cơ bản của mọi hệ thống trải phổ là các chuỗi giả ngẫu nhiên. Có thể coi rằng Sol Golomb là ng-ời đã dành nhiều nghiên cứu toán học cho vấn đề này trong các công trình của ông vào những năm 1950. ý t-ởng đầu tiên về đa truy nhập trải phổ phân chia theo mã đã đ-ợc P.Rice và P.E.Green trình bày trong bài báo của mình năm 1958. Vào đầu những năm 1970 rất nhiều tham luận đã chỉ ra rằng các hệ thống thông tin CDMA có thể đạt đ-ợc dung l-ợng cao hơn hệ thống thông tin đa truy nhập phân chia theo thời gian. Các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp đã đ-ợc xây dựng vào những năm 1950. Thí dụ về các hệ thống đầu tiên là ARC-50 của Magnavox và các hệ thống thông tin vô tuyến vệ tinh OM-55, USC-28. Trong các bài báo của mình (năm 1966) các tác giả J.W.Schwart, W.J.M.Aein và J.Kaiser là những ng-ời đầu tiên so sánh các kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA. Các thí dụ khác về các hệ thống quân sự sử dụng công nghệ CDMA là vệ tinh thông tin chiến thuật TATS và hệ thống định vị toàn cầu GPS. Tại Mỹ, các vấn đề cạn kiệt dung l-ợng thông tin di động đã nảy sinh từ những năm 1980. Tình trạng này đã đặt ra yêu cầu cho các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm ra một ph-ơng án thông tin di động số mới. Để tìm kiếm hệ thống thông tin di động số mới ng-ời ta nghiên cứu công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã trên cơ sở trải phổ. Đ-ợc thành lập năm 1985, Qualcom đã phát triển công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận đ-ợc nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này. Lúc đầu công nghệ này đ-ợc đón nhận một cách dè dặt do quan niệm truyền thống về vô tuyến là mỗi cuộc thoại đòi hỏi một kênh vô tuyến riêng. Qualcom đã đ-a ra phiên bản CDMA đầu tiên đ-ợc gọi là IS-95A. Hiện nay phiên bản mới IS-2000 đã đ-ợc đ-a ra cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3. Châu Âu, Nhật Bản, Hồng Công và đặc biệt là Hàn Quốc cũng đang phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sử dụng công nghệ CDMA. ở Việt Nam, mạng Sfone đã và đang phát triển hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA. Tiếp theo sẽ là sự ra đời của VP Telecom và HanoiTelecom cũng đều sử dụng công nghệ CDMA. CDMA là công nghệ có nhiều -u điểm hơn so với các công nghệ đã sử dụng từ tr-ớc về mặt dung l-ợng cũng nh- chất l-ợng. Tuy nhiên, do môi tr-ờng truyền sóng là không gian, yếu tố địa hình và một vài nguyên nhân khác nên không thể tránh khỏi nhiễu giao thoa, nhiễu đa truy nhậpVì thế đã nảy sinh nhu cầu triệt nhiễu để đảm bảo ổn định chất l-ợng liên lạc và dung l-ợng hệ thống. Do giới hạn về mặt thời gian và khả năng bản thân có hạn, đồ án chỉ tập trung vào Nghiên cứu các giải pháp chống nhiễu liên tiếp cho hệ thống DS/CDMA là dạng đ-ợc sử dụng phổ biến nhất. Nội dung đồ án bao gồm ba ch-ơng: - Ch-ơng 1: cơ sở kỹ thuật trải phổ. - Ch-ơng 2: các hệ thống thông tin trải phổ. - Ch-ơng 3: sơ đồ khử nhiễu liên tiếp trong hệ thống DS/CDMA. Ch-ơng 1 và 2 đi vào tìm hiểu kỹ thuật trải phổ và các hệ thống thông tin trải phổ, đặc biệt là hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp và hệ thống trải phổ nhảy tần. Ch-ơng 3 đi sâu vào nghiên cứu các giải pháp chống nhiễu liên tiếp trong hệ thống DS/CDMA. Ch-ơng I CƠ Sở kỹ thuật TRảI PHổ 1.1 tổng quan về Kỹ THUậT TRảI PHổ 1.1.1 Giới thiệu chung Kỹ thuật trải phổ đầu tiên đ-ợc áp dụng trong lĩnh vực quân sự và hàng hải do nó có nhiều -u điểm trong chống nhiễu, bảo mật và khả năng đa truy nhập phong phú. Đến cuối chiến tranh Thế giới thứ II, kỹ thuật trải phổ nhằm mục đích chống nhiễu đã trở thành một khái niệm quen thuộc đối với các kỹ s- vô tuyến và trong các năm sau đó, với mong muốn đạt đ-ợc các hệ thống có tính chống nhiễu cao đã thúc đẩy các nghiên cứu về trải phổ. Kết quả của việc nghiên cứu đã tìm ra ứng dụng của nó trong một số lĩnh vực khác nh- giảm mật độ năng l-ợng, các hệ thống có độ phân giải cao và trong đa truy nhập. Để hiểu rõ hơn, ta sẽ xem xét kỹ thuật trải phổ trong ch-ơng này. Các hệ thống thông tin trải phổ là các hệ thống sử dụng tín hiệu có băng tần B rất rộng, th-ờng gấp hàng trăm lần tốc độ bit của hệ thống nhờ sử dụng kỹ thuật trải phổ tín hiệu bằng các tín hiệu giả tạp PN. Khi chỉ có một ng-ời sử dụng băng tần trải phổ, sử dụng băng tần nh- vậy là không hiệu quả. Tuy nhiên trong môi tr-ờng nhiều ng-ời sử dụng, những ng-ời sử dụng này có thể sử dụng chung một băng tần trải phổ và hệ thống sử dụng băng tần có hiệu quả mà vẫn giữ đ-ợc các -u điểm của trải phổ. ý t-ởng của kỹ thuật trải phổ trong các hệ thống thông tin là dựa vào định lý Shannon, định lý này đ-ợc phát biểu nh- sau: Với một kênh có tạp âm trắng chuẩn cộng tính (AWGN) thì t-ơng quan giữa dung l-ợng, công suất và độ rộng dải tần cho bởi: C = B log 2 (1+S/N) (1.1) trong đó, C : dung l-ợng của kênh; B : độ rộng dải tần của tín hiệu; S/N : tỷ số tín/ tạp. Nh- vậy, với cùng một dung l-ợng C xác định, nhờ tăng B mà có thể truyền đ-ợc tín hiệu với tỷ số S/N rất thấp, thậm chí <1. Điều đó có thể đạt đ-ợc nhờ thực hiện trải rộng phổ cần truyền ở phần phát và nén phổ ở phần thu. Đây là cơ sở cho phép hệ thống liên lạc làm việc tốt trong các điều kiện có nhiễu mạnh, thậm chí che giấu tín hiệu chìm vào trong nền nhiễu, nhờ đó đối ph-ơng rất khó phát hiện đ-ợc tin tức truyền đi. Hơn nữa, nhờ việc sử dụng các dãy giả ngẫu nhiên để trải phổ nên đối ph-ơng hầu nh- không thể giải mã đ-ợc thông tin, thông tin truyền đi đ-ợc bảo mật gần nh- tuyệt đối. Để khẳng định một hệ thống thông tin đ-ợc gọi là hệ thống trải phổ nó phải thoả mãn 3 yếu tố sau đây: Tín hiệu sau khi trải phổ có bề rộng phổ lớn hơn gấp nhiều lần so với bề rộng phổ ban đầu của nó tr-ớc khi trải phổ. Việc trải phổ đ-ợc thực hiện bởi tín hiệu trải phổ th-ờng đ-ợc gọi là mã trải phổ, mã trải phổ này độc lập với dữ liệu và có tốc độ lớn hơn nhiều lần tốc độ dữ liệu. Tín hiệu trải đ-ợc lựa chọn sao cho tạo ra một phổ tổng cộng gần với phổ của tạp âm. Quá trình nén phổ đ-ợc thực hiện nhờ tính t-ơng quan giữa tín hiệu thu đ-ợc và tín hiệu giải trải phổ là bản sao đồng bộ của tín hiệu trải đã đ-ợc sử dụng ở phần phát. Các phần tử của hệ thống thông tin trải phổ biểu diễn trên hình 1.1: Hình 1.1: Mô hình một hệ thống thông tin trải phổ Chúng ta thấy rằng bộ mã hoá và giải mã, bộ điều chế và giải điều chế là các phần tử cơ sở của một hệ thống thông tin số truyền thống. Ngoài các B mó hoỏ kờnh B iu ch Kờnh B gii mó kờnh B gii iu ch B to chui gi ngu nhiờn B to chui gi ngu nhiờn D liu vo D liu ra phần tử này, một hệ thống thông tin trải phổ còn áp dụng 2 bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên nh- nhau, một trong chúng giao tiếp với điều chế ở đầu phát và bộ kia thì giao tiếp với bộ giải điều chế ở đầu thu. Hai bộ này tạo ra một chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên hay giả tạp PN đ-ợc sử dụng tại bộ điều chế để trải tín hiệu đ-ợc phát đi về phổ và giải trải phổ tín hiệu thu đ-ợc tại bộ giải điều chế ở phía máy thu. Chuỗi giả ngẫu nhiên PN đ-ợc tạo ra ở máy thu phải đồng bộ với chuỗi PN hàm chứa trong tín hiệu thu đ-ợc để giải trải phổ chính xác tín hiệu thu đ-ợc đã đ-ợc trải phổ. Trong một hệ thống thực tế, việc đồng bộ đ-ợc thiết lập tr-ớc khi truyền đ-a thông tin bằng cách truyền một mẫu bit cố định đ-ợc thiết kế sao cho máy thu sẽ tách đ-ợc nó với một xác suất cao ngay cả khi có nhiễu. Sau khi việc đồng bộ thời gian của các bộ tạo chuỗi PN đã thực hiện xong, việc truyền thông tin bắt đầu. Trong chế độ truyền dữ liệu, máy thu th-ờng bám định thời với tín hiệu thu đ-ợc và giữ cho bộ tạo chuỗi PN đ-ợc đồng bộ. Sơ đồ chức năng hệ thống thông tin trải phổ đ-ợc trình bày trên hình 1-2 . Từ sơ đồ ta thấy vị trí của khối trải phổ trong một hệ thống thông tin vô tuyến. Phổ của tín hiệu sau khi đ-ợc xử lý sẽ đ-ợc trải rộng đến độ rộng băng tần cần thiết, sau đó qua bộ điều chế chuyển phổ này tới băng tần truyền dẫn. Tín hiệu đã điều chế đ-ợc khuếch đại và phát trên kênh truyền dẫn-kênh mặt đất hoặc kênh vệ tinh. 1.1.2 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 nh- sau: Trải phổ nhảy tần (FH Frequency Hopping). Trải phổ nhảy thời gian (TH Time Hopping). Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS Direct Sequence). Ngoài ra còn các ph-ơng pháp kết hợp giữa chúng chẳng hạn nh-: FH/DS, TH/FH, TH/DS và DS/FH/TH. Hình 1.2: Sơ đồ khối chức năng hệ thống thông tin trải phổ Trải phổ nhảy tần: Thực chất là sự dịch chuyển tần số đ-ợc chọn theo mã. Thành phần cơ bản của hệ thống là bộ tạo mã PN và bộ tổ hợp tần số. Nộn d liu Mó hoỏ sa sai iu ch K CS Kờnh truyn Tp õm Nhiu To súng mang /c To chui PN Kờnh truyn Trm phỏt v tinh Kờnh truyn Tp õm Nhiu Tp õm Nhiu Gii nộn Gii mó ng b chui To chui PN Gii iu ch K CS A/D A/D Kờnh mt t Kờnh v tinh ng lờn ng xung Tớn hiu tng t Tớn hiu s Tớn hiu s Tớn hiu tng t [...]... Ph-ơng pháp này 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 Trong đó, hai hệ thống th-ờng đ-ợc sử dụng nhất là hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp và hệ thống trải phổ nhảy tần Trải phổ chuỗi trực tiếp th-ờng đ-ợc dùng trong các hệ thống thông tin di động dân dụng, còn nhảy tần th-ờng dùng trong thông tin quân sự 1.2 đặc ĐIểM CủA Kỹ THUậT... chế trải phổ và giải điều chế trải phổ của hệ thống trải phổ và cách đồng bộ mã PN của hai hệ thống trên Đó là những vấn đề mới của các hệ thống thông tin trải phổ so với các hệ thống thông tin số khác 2.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS) 2.1.1 Điều chế trải phổ và giải điều chế trải phổ trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp Các hệ thống thông tin trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS) chủ yếu... thể thấy hiệu quả một hệ thống thông tin trải phổ hay nói cách khác là chất l-ợng một hệ thống thông tin trải phổ phụ thuộc rất nhiều vào khả năng đồng bộ chuỗi PN giữa máy thu và máy phát Cũng nh- các hệ thống thông tin khác hệ thống thông tin trải phổ cũng có khối khôi phục đồng bộ Trong phạm vi đồ án này, chúng ta chỉ quan tâm đến đồng bộ chuỗi PN, dĩ nhiên hệ thống thông tin trải phổ cũng phải... là hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp và hệ thống trải phổ nhảy tần Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp và hệ thống trải phổ nhảy tần cũng là hệ thống thông tin số Nó cũng có đầy đủ các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin số Nh-ng chỉ khác là chúng có thêm bộ điều chế trải phổ đầu phát và giải điều chế trải phổ ở đầu thu Các thành phần của hệ thống đã đ-ợc trình bày trong các giáo trình khác Trong. .. khi ra đời đến nay, các hệ thống thông tin trải phổ đã ngày một phát triển và đã bộc lộ nhiều -u điểm v-ợt trội so với các hệ thống thông tin truyền thống 1.2.1 Khả năng chống nhiễu Ưu điểm lớn nhất của hệ thống thông tin trải phổ là khả năng chống nhiễu cao Tạp âm trắng chuẩn đ-ợc định nghĩa là một mô hình toán học có công suất vô hạn trải đồng đều trên toàn bộ trục tần số Thông tin hiệu dụng có thể... Khả năng bảo mật Song song với việc chống lại chế áp điện tử của đối ph-ơng thì việc bảo đảm tính bí mật của hệ thống thông tin cũng là một vấn đề sống còn trong thông tin quân sự và hiện nay bảo mật thông tin cho khách hàng cũng là yêu cầu không thể thiếu trong các hệ thống thông tin dân dụng Việc bảo đảm tính bảo mật của hệ thống phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Một trong những yếu tố phải kể đến đó... tiên trong lĩnh vực quân sự để tạo ra các đ-ờng truyền thông tin tin cậy khi đối mặt với nhiễu của kẻ thù gây ra Đầu tiên chúng ta tập trung vào khả năng chống nhiễu của hệ thống trải phổ (ứng dụng trong lĩnh vực dân sự của nó sẽ đ-ợc đề cập trong phần riêng) Cơ sở một hệ thống trải phổ chống nhiễu là nh- sau: Giả sử rằng nhiều toạ độ tín hiệu trực giao (hay chiều) có thể sử dụng cho các tuyến thông tin. .. Để tăng tính bảo mật của hệ thống, khả năng chống bị phát hiện và thu trộm, thì công suất tín hiệu phát đi phải rất thấp, thậm chí là chìm trong nền nhiễu Thế nh-ng mật độ năng l-ợng của tín hiệu thấp thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm Eb/No thấp theo, điều này đồng nghĩa với việc chất l-ợng của hệ thống giảm Để giải quyết vấn đề trên, hệ thống thông tin trải phổ ra đời Trong hệ thống trải phổ, phổ của... thiết bị gây nhiễu tác động lên vị trí của một tín hiệu gây nhiễu băng hẹp trong dải thông của thông tin Công việc đầu tiên tại đầu vào máy thu là nhân tín hiệu với một tín hiệu trải vì thế tín hiệu nhiễu đ-ợc trải lên toàn bộ băng thông của tín hiệu trải Bản chất của khả năng loại bỏ nhiễu một hệ thống trải phổ có thể tổng kết lại nh- sau: 1) Nhân với tín hiệu trải lần thứ nhất để trải băng thông tín... thành ý t-ởng trải phổ tín hiệu, ng-ời ta chỉ mong muốn với mục đích chống nhiễu và bảo mật cho hệ thống thông tin Tuy nhiên sau này ng-ời ta còn phát hiện ra một tác dụng to lớn của trải phổ là khả năng đa truy nhập của hệ thống Đây là một -u điểm thực sự hấp dẫn không chỉ cho thông tin quân sự mà đặc biệt là sử dụng trong thông tin th-ơng mại Tr-ớc đây với một băng tần nhất định, ta chỉ có thể đáp . cũng đang phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sử dụng công nghệ CDMA. ở Việt Nam, mạng Sfone đã và đang phát triển hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA. Tiếp theo sẽ. tin di động đã nảy sinh từ những năm 1980. Tình trạng này đã đặt ra yêu cầu cho các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm ra một ph-ơng án thông tin di động số mới. Để tìm kiếm hệ thống thông tin di động. Ch-ơng 2: các hệ thống thông tin trải phổ. - Ch-ơng 3: sơ đồ khử nhiễu liên tiếp trong hệ thống DS/ CDMA. Ch-ơng 1 và 2 đi vào tìm hiểu kỹ thuật trải phổ và các hệ thống thông tin trải phổ,