thông tin trải phổ và kĩ thuật cdma.

thông tin trải phổ và kĩ thuật cdma. tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tất cả các...

LỜI NÓI ĐẦU

Lý thuyết trải phổ được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong các hệthống thông tin quân sự hơn nửa thế kỉ qua với mục đích hạn chế tác động củaviệc gây nhiễu tín hiệu và che dấu tín hiệu tránh để đối phương thu trộm.Điều này có thể thực hiện bằng cách trải phổ tín hiệu tới độ rộng băng tần cầnthiết làm cho tín hiệu bị che lấp bởi tạp âm

Điều chế trải phổ khi được sử dụng kết hợp với kĩ thuật đa truy nhậpphân chia theo mã đang được đề xuất cho việc sử dụng hoặc ứng dụng trongnhiều lĩnh vực mới và đặc biệt cho hiệu quả tốt ở các hệ thống thông tin diđộng tế bào Hệ thống này cho hiệu quả sử dụng dải tần hơn hẳn so với các hệthống FDMA và TDMA Khi áp dụng công nghệ CDMA cho hệ thống thôngtin di động tế bào sẽ đạt được dung lượng hệ thống cao hơn nhờ đặc tính mềmdẻo về dung lượng, nó cho phép cải thiện chất lượng truyền dẫn trong môitrường pha đinh nhiều tia đồng thời giảm thiểu xuyên nhiễu trong môi trườngnhiều người sử dụng và giải quyết tốt vấn đề gần xa

Ngoài ra, nó còn cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức độ cao vàkhả năng chuyển giao mềm dựa trên nguyên tắc kết nối “nối trước khi cắt”đảm bảo không xảy ra gián đoạn thông tin trong quá trình chuyển giao

Các mạng CDMA thương mại đã được đưa vào khai thác tại nhiều nướctrên thế giới cũng như trong khu vực Ở nước ta hiện nay kĩ thuật trải phổ và

hệ thống thông tin di động sử dụng kĩ thuật CDMA mới chỉ được đưa vào thửnghiệm Do vậy, đồ án này sẽ tập trung vào nghiên cứu các đặc trưng cơ bảncủa thông tin trải phổ và khả năng ứng dụng trong hệ thống thông tin di động

tế bào CDMA

Nội dung đồ án được trình bày thành 3 chương, chương I đi vào trìnhbày những khái quát chung nhất về thông tin trải phổ là các khái niệm và đặctính của kĩ thuật trải phổ và nghiên cứu sâu hơn vào kĩ thuật trải phổ chuỗitrực tiếp

Chương II trình bày cơ sở của hệ thống thông tin di động CDMA trong

đó đưa ra so sánh giữa ba phương thức đa truy nhập dùng trong thông tin diđộng CDMA, TDMA và FDMA Đồng thời đi khảo sát một số vấn đề trongCDMA là giải điều chế, vấn đề dung lượng của hệ thống, các hiệu ứng phađinh và dịch tần Doppler và thu phân tập trên máy thu RAKE

Chương III đi xem xét dung lượng của hệ thống CDMA đa tế bào, đượctính toán trên cơ sở bảo đảm được điều khiển công suất để chống lại hiệu ứng

xa gần nhằm khắc phục ảnh hưởng của nhiễu tới dung lượng của hệ thống, từ

đó đưa ra lưu đồ thuật toán tính toán dung lượng của hệ thống

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Thạc sĩ Vũ Văn Quyết và các thầy

cô giáo trong Khoa Vô Tuyến Điện Tử đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ emhoàn thành nội dung của đồ án Do trình độ và thời gian có hạn nên trong quátrình thực hiện còn có nhiều sai sót Kính mong được sự đóng góp ý kiến củacác thầy giáo và bạn bè xa gần có quan tâm đến lĩnh vực thông tin trải phổ và

kĩ thuật CDMA

Hà nội 9- 06- 2003

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ

1.1 Khái niệm về hệ thống trải phổ

Thông tin trải phổ là một hệ thống thông tin để truyền các tín hiệu nhờtrải phổ của các tín hiệu số liệu thông tin có sử dụng mã với độ rộng băngrộng hơn độ rộng băng của các tín hiệu số liệu thông tin Trong đó các mã sửdụng độc lập với số liệu thông tin Ở phía thu, thực hiện việc nén phổ tín hiệuthu được khi dùng phép tương quan nó với bản sao của tín hiệu trải phổ tạo ra

ở bên thu đồng bộ với bên phát

Mô hình tổng quan nhất về các hệ thống trải phổ được thể hiện như hìnhvẽ

Hình 1.1 Hệ thống thông tin trải phổ

Từ mô hình của hệ thống ta thấy ở phần phát tín hiệu được điều chế sơcấp tạo thành tín hiệu băng hẹp sn sau đó phổ của nó được trải ra trên mộtbăng tần rộng nhờ phép toán ξ(.), tín hiệu này được kí hiệu là sw và được phátqua kênh truyền dẫn Những kênh này có thể gây ra các suy giảm chất lượng

do nhiễu, tạp âm và suy hao đường truyền Tại phía thu, tín hiệu thu đượcđưa qua bộ giải điều chế tín hiệu, sau đó nén phổ bằng phép toán ξ-1(.)=ξ(.).Như vậy, sau khi nén phổ tín hiệu băng rộng sw được biến đổi trở lại thành tínhiệu băng hẹp sn Cuối cùng là giải mã và giãn tín hiệu để nhận lại tín hiệu số

ban đầu Nếu nguồn là tương tự thì tín hiệu số được biến đổi thành tín hiệutương tự qua bộ biến đổi D/A.

1.2 Các ưu điểm của hệ thống trải phổ

1.2.1 Khả năng chống nhiễu

Ở các hệ thống thông tin thông thường truyền tín hiệu băng hẹp khinhiễu băng hẹp cùng tần số với tín hiệu và có cường độ lớn thì có thể gây ảnhhưởng rất nghiêm trọng đến chất lượng truyền tin thậm chí phía thu không thểkhôi phục lại được tín hiệu

Đối với hệ thống thông tin trải phổ ngay cả trong trường hợp có nhiễumạnh tác động vẫn có thể thu tín hiệu một cách tin cậy Nói một cách khác, hệthống thông tin trải phổ có thể loại trừ được nhiễu băng hẹp Giả thiết rằng, ởphía thu tín hiệu thu được gồm sw và nhiễu mạnh in(t), quá trình nén phổ đượcthực hiện :

ξ-1(sw +in(t)) =ξ-1(ξ(sn)) + ξ-1 (in(t)) = sn +iw

Như vậy, quá trình nén phổ thực hiện biến đổi ngược tín hiệu đầu vàothành tổng của tín hiệu băng hẹp có ích và các tín hiệu nhiễu băng rộng Saukhi qua bộ lọc băng hẹp có dải thông là Bn bằng độ rộng phổ tín hiệu sn thì chỉ

có một phần nhỏ năng lượng nhiễu đi qua bộ lọc là iwr do băng tần Bw củanhiễu iw lớn hơn Bn rất nhiều

Ta thấy rằng, công suất nhiễu đi qua bộ lọc P(iwr) = ηi.Bn so với côngsuất toàn bộ nhiễu là :

Tuy nhiên, việc tạo khe hẹp nhằm nén nhiễu sẽ làm một phần tín hiệu cóích trong cùng băng tần sẽ bị mất đi, độ suy giảm tín hiệu là chấp nhận đượckhi độ rộng băng tần nhiễu loại bỏ nhỏ hơn 20% độ rộng băng tần tín hiệu

1.2.2 Khả năng loại trừ ảnh hưởng của truyền sóng nhiều tia

Trong môi trường truyền đa tia, tín hiệu thu bao gồm thành phần truyềnthẳng và các thành phần phản xạ từ môi trường truyền do các công trình nhântạo hoặc địa hình tự nhiên Nói chung các thành phần tín hiệu này sẽ tươngtác với nhau dẫn đến làm giảm chất lượng của hệ thống Giả sử rằng chỉ cómột tia không đi thẳng, ta có thể sử dụng mô hình có phương trình :

r(t) = A.b(t)c(t).cos(2πfct ) + A’b’(t - τ).c’(t - τ).cos[2π fc(t - τ) + θ’] (1.2)

với τ’ là trễ truyền lan, A’= kA với k là hệ số suy giảm Do đó, nhiễu dothành phần không đi thẳng là

s0’=

2

1 cos (θ’)T∫kAb t− c t− c t dt

0

/ /) ( ) ( )

=± cos( ) ( )

2

/ / φ τ

Ta có thể giải thích kết quả trên quan điểm tần số, tín hiệu truyền thẳng

và các bản sao bị trễ của nó đều là tín hiệu băng rộng Tín hiệu PN nội được đồng bộ đến tín hiệu đi thẳng do đó tín hiệu truyền thẳng được giải trải phổ còn tín hiệu trễ thì bị trải phổ Sau bộ lọc băng hẹp chỉ một phần nhỏ tín hiệu không truyền thẳng lọt qua và trở thành nhiễu Như vậy tín hiệu không truyền thẳng chỉ làm giảm SNR một ít

1.2.3 Đa truy nhập phân chia theo mã

Đa truy nhập là một trong các đặc tính quan trọng của các hệ thốngthông tin trải phổ đang được sử dụng hoặc đang được đề xuất cho việc sửdụng trong nhiều lĩnh vực như mạng thông tin cá nhân PCN, các mạng vùngnội hạt vô tuyến …và đặc biệt là đối với hệ thống thông tin di động tế bào

Các ứng dụng đa truy nhập giúp cho việc sử dụng băng tần một cách có

hiệu quả trong đó nhiều người sử dụng cùng chia xẻ một độ rộng băng tầntruyền dẫn Ở hệ thống DS/SS máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chínhxác để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cách giải trải phổ Ở các hệ thốngFH/SS và TH/SS mỗi người sử dụng được ấn định một mã giả ngẫu nhiên saocho không có cặp máy phát nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian.Giả sử rằng, có n người sử dụng cùng dùng chung một băng tần, khi nàytín hiệu mà mỗi máy thu thu được có thể biểu diễn:

Từ phương trình ta thấy, việc nén phổ sẽ tạo ra tín hiệu phổ hẹp khi i ≡ j

và tín hiệu phổ rộng s wi j khi i ≠ j, qua lọc dải tín hiệu ban đầu được khôiphục cùng với thành phần nhiễu mức thấp s ri j

Như vậy, nhờ việc phân bổ mã duy nhất PN có thuộc tính tương quanchéo thấp cho phép nhiều người sử dụng dùng chung một băng tần, các tínhiệu của người sử dụng khác trở thành nhiễu giống tạp âm

1.2.4 Dung lượng của hệ thống CDMA

Ở các hệ thống FDMA, TDMA tồn tại giới hạn cứng đối với số người sửdụng cực đại nên hiệu suất của toàn hệ thống thấp Ngược lại, với hệ thốngCDMA dung lượng của nó chỉ bị giới hạn mềm, nghĩa là số người sử dụng

cực đại không được giới hạn rõ ràng Khi số người sử dụng tăng lên thì xác

-1(swj) =-1((snj )) = snj với i ≡ j

swij với i ≠ j

suất lỗi bít càng tăng, tức có thể thoả mãn được cuộc gọi thêm vào nhờ việctăng tỉ lệ lỗi bít cho tới khi các cuộc gọi hoàn thành.

Giả sử có K tín hiệu có cùng công suất Pk tồn tại trên một băng tần, bỏqua tạp âm nhiệt và các thành phần nhiễu của những người sử dụng khác bịnén bởi hệ số G thì tại đầu vào của máy thu bất kì là :

ρ+

−

=

)1

(K

P

G P

G

K =1+ ≈ (1.9)

với yb là tỉ số tín trên tạp với tỉ số lỗi bít xác định của hệ thống Như vậy,dung lượng của hệ thống phụ thuộc vào mức tín hiệu nhiễu

1.3 Các hệ thống thông tin trải phổ

Đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin trải phổ là phổ của tín hiệu được

mở rộng hàng trăm lần trước khi phát đi Một hệ thống được coi là hệ thốngthông tin trải phổ nếu nó thoả mãn hai yêu cầu sau:

• Tín hiệu truyền đi chiếm một độ rộng băng truyền dẫn W lớn hơnrất nhiều bề rộng băng tần tối thiểu Bi cần thiết để truyền thôngtin

• Việc trải phổ tín hiệu được thực hiện nhờ một mã độc lập với sốliệu

Với các tín hiệu có độ rộng băng tần là W (Hz) và khoảng thời gian tồntại là T thì phân lượng phổ của nó là 2WT Để tăng phân lượng phổ của nó cóthể thực hiện bằng hai cách là tăng độ rộng băng tần hoặc tăng khoảng thờigian T

Khi tăng độ rộng băng tần W có nghĩa là mở rộng phổ tần tín hiệu trướckhi phát đi, có nhiều cách thực hiện khác nhau nhưng về cơ bản có haiphương pháp chính : trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS) và trải phổ nhảy tần(FH/SS).

• Trải phổ chuỗi trực tiếp thực hiện bằng cách nhân tín hiệu nguồnvới tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng, tích này trở thành một tínhiệu băng rộng

• Trải phổ nhảy tần thực hiện được bằng cách nhảy tần số sóng mangtrên một tập lớn các tần số

Khi tăng khoảng thời gian, có nghĩa là một khối các bit số liệu được nén

và được phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian của một khungchứa số lượng lớn các khe thời gian Một mẫu nhảy thời gian sẽ xác định cáckhe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung Do vậy, cóthể nói các khối bit bị trải theo thời gian và phương pháp này gọi là trải phổnhảy thời gian (TH/SS)

Ngoài ra, người ta có thể xây dựng các hệ thống lai ghép bằng cách kếthợp các kỹ thuật DS, FH, TH để tận dụng các ưu điểm của từng kỹ thuật trảiphổ như DS/FH, FH/TH … Các hệ thống lai ghép này khá phức tạp nênthường ứng dụng trong các hệ thống thông tin quân sự

1.3.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS

Tín hiệu DS/SS nhận được khi điều chế (nhân) bản tin bằng một tín hiệugiả ngẫu nhiên băng rộng, tích này trở thành một tín hiệu băng rộng Tín hiệungẫu nhiên này được xem như là một dạng mã (mã ngẫu nhiên) hay còn gọi làchuỗi giả tạp âm PN

Từ sơ đồ khối của hệ thống, thấy rằng tại máy phát phổ của tín hiệu x(t)được trải rộng nhờ nhân với mã trải phổ c(t) trước khi được phát đi Tại máythu, quá trình khôi phục lại tín hiệu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệuthu được với bản sao của mã trải phổ c(t) rồi qua lọc dải thông để tách ra tín

hiệu mong muốn Mô hình tổng quát của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếpđược cho trên hình 1.4.

Quá trình nén phổ tín hiệu làm cho mật độ công suất của tín hiệu thutăng lên, do đó tỉ số S/N cũng tăng Đồng thời cũng trải rộng phổ của tín hiệunhiễu đầu vào làm cho mật độ công suất của nhiễu giảm xuống Như vậy, trảiphổ tín hiệu làm tăng khả năng chống nhiễu cho tín hiệu trải phổ

Ở hệ thống DS/SS, tín hiệu dùng để trải phổ được tạo ra từ chuỗi giảngẫu nhiên PN Giả thiết chuỗi PN này là cơ số hai, thì tín hiệu PN có dạng :

c(t)=∑+∞c kΠTc(t−kT c)

∞

− (1.10)Trong đó ΠT(t) là xung chữ nhật đơn vị, ck gọi là chíp và khoảng thờigian Tc giây được gọi là thời gian chíp Để đơn giản ta mô hình hoá tín hiệu

PN là tín hiệu cơ số hai giả ngẫu nhiên, khi này ta xác định được hàm tựtương quan tuần hoàn của nó với chu kì đầu là:

Tín hiệu không mong muốn Tín hiệu trải phổ

Hình 1.4 Mô hình của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp

Ta đi xét phương thức trải phổ trực tiếp cho một số dạng tín hiệu điềuchế khác nhau

1.3.1.1 Trải phổ dẫy trực tiếp tín hiệu điều chế pha nhị phân (DS/SS _BPSK)

Một dạng đơn giản của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp là dữ liệu pha nhịphân liên kết (BPSK) được nhân trực tiếp với dẫy mã trải phổ PN.Sơ đồ khốimáy phát DS/SS sử dụng BPSK mô tả ở hình 1.5

Số liệu vào nhận các giá trị ±1 được biểu diễn bằng biểu thức sau :

Sóng mang

A cos(2fct +)

Tín hiệu DS/SS_BPSK s(t)= A.b(t).c(t).cos(2fct + )

(giả thiết sóng mang có và fc=1/Tc)

Hình 1.5 Sơ đồ khối của máy phát DS/SS_BPSK

trong đó b = k ±1 : bít số liệu thứ k và T là độ rộng một bít số liệu Tín hiệu

b(t) được trải phổ bằng các tín hiệu PN {c(t)}bằng cách nhân hai tín hiệu này

với nhau Tín hiệu nhận được b(t).c(t) sẽ điều chế cho sóng mang sử dụngBPSK, tín hiệu DS/SS_BPSK nhận được là :

s(t)= A.b(t-τ).c(t-τ).

cos(2fct + )

c(t- τ )

w(t) cos(2fct + )

Hình 1.6 Sơ đồ máy thu DS/SS _BPSK

vì c(t)= ±1, θ’ = θ - 2π fc τ Tín hiệu nhận được là tín hiệu băng hẹp với độ

rộng băng tần là 2/T, sau đó tín hiệu này được đưa qua bộ giải điều chế BPSK

để lấy ra tín hiệu băng gốc

1.3.1.2 Trải phổ trực tiếp tín hiệu khoá chuyển pha vuông góc (QPSK)

Ngoài việc sử dụng BPSK cho quá trình điều chế người ta còn dùng cáckiểu điều chế khác như dùng khoá chuyển pha vuông góc QPSK, khoáchuyển cực tiểu MSK

Với hệ thống DS/SS khi sử dụng kiểu điều chế QPSK với cùng một đầuvào số liệu hoặc hai đầu vào độc lập điều chế các tín hiệu PN c1(t) và c2(t) ở

cả hai nhánh, tín hiệu DS/SS_QPSK có dạng :

s(t)= s1(t) + s2(t) = -A.b(t),c1(t).sin(2πfct + θ) + A.b(t)c2(t).cos(2π fct + θ) = 2.Acos(2π fct + θ + γ(t)) (1.16)

(

)()

(

2

1

t b t c

t b t c

* Ưu điểm của các hệ thống DS/SS_QPSK so với DS/SS_BPSK thể hiện

là độ rộng băng tần được sử dụng, PG tổng và tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR :

• Cùng một tín hiệu phát đi hệ thống DS/SS_QPSK chỉ sử dụng mộtnửa băng tần so với DS/SS_BPSK với cùng PG và SNR, SNR0

• Cùng một tín hiệu phát đi với cùng độ rộng băng tần và PG thìDS/SS_QPSK ưu việt hơn DS/SS_BPSK về SNR dẫn đến xácsuất lỗi thấp hơn

Ưu điểm của DS/SS_QPSK đạt được so với BPSK là nhờ tính trực giaocủa các sóng mang sin(2π +f c t θ) và cos(2π +f c t θ) ở các nhánh đồng pha vàvuông góc.

Tuy vậy hệ thống DS/SS_QPSK khá phức tạp và đòi hỏi đồng bộ cao ởphần thu nếu không sẽ xảy ra xuyên âm giữ hai nhánh làm giảm chất lượngcủa hệ thống

Trong thực tế ở một số hệ thống như IS –95 nhằm tăng tối đa dunglượng của hệ thống trước khi tín hiệu đưa vào thực hiện trải phổ nó được mãhoá bằng mã xoắn, điều chế trực giao bằng hàm Walsh để tăng khả năngchống nhiễu và sử dụng tín hiệu PN có hai thành phần:

• Mã dài cl(t) dùng để phân biệt các tế bào là tăng tính ngẫu nhiên

• Mã ngắn cs(t) dùng tăng khả năng đồng bộ

1.3.1.3 Hiệu năng của các hệ thống DS/SS

* Ảnh hưởng của tạp âm trắng cộng(AWGN)

Ta đi xem xét hiệu năng của hệ thống DS/SS trong môi trường tạp âmGausse trắng cộng và nhiễu đồng thời khảo sát nhiễu giao thoa nhiều người

sử dụng gây ra do các tín hiệu DS khác và nhiễu tự gây do truyền nhiều tia.Một cách tổng quát ta coi tín hiệu thu được bao gồm các thành phần :r(t) = A.b(t)c(t).cos(2πfct ) + A’b’(t - τ).c’(t - τ).cos[2πfc(t - τ) + θ’] +n(t)+j(t) (1.17)

Để đánh giá được tỉ số công suất trên công suất tạp âm (SNR0) ta giảthiết rằng trễ truyền lan τ bằng không, không có nhiễu phá j(t) và nhiễu giaothoa, tạp âm là tạp âm Gause (AWGN) có PSD bằng N0/2, tạp âm của kênh làn0, s0 là tín hiệu mong muốn

s0 cho mỗi bít số liệu là :

s0=±

2

AT

(1.18)

Do giả thiết tạp âm là tạp âm Gause nên n0 là một biến ngẫu nhiên cótrung bình không và phương sai là :

E[n02]=

4

0T N

(1.19)SNR0 được tính là :

SNR0= [ ]2

0

2 0

n E

=(1/2)SNR0 (1.21)

* Ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và truyền đa tia

Khi xét đến ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và truyền đa tia ta coi tínhiệu thu bao gồm thành phần tín hiệu mong muốn và thành phần nhiễu giaothoa từ các DS khác :

r(t) = A.b(t)c(t).cos(2πfct ) + A’b’(t - τ).c’(t - τ).cos[2πfc(t - τ) + θ’] + +n(t) (1.22)

Ta giả thiết b(t), b’ (t), c’ (t) là ±1 và b(t) độc lập với b’(t) Tín hiệu nhậnđược giải trải phổ bằng cách nhân với c(t) cos(2π fct ) và lấy tích phân, ta có :

c t c

/ /

0

()(.1

τ

τ

τ

Hai thành phần trong ngoặc vuông ± ∫ −

/ 0

/)(

)(

1 τ

τ dt t

c t c

τ là hàm tương quan chéo từng phần được chuẩn hoá của

c(t) và c’(t) Tương quan chéo nhỏ gây nhiễu giao thoa cũng nhỏ, do đó trong môi trường đa người sử dụng đòi hỏi phải tạo được tập hợp các tín hiệu PN sao cho chúng có tương quan chéo nhỏ nhất

Trong môi trường truyền đa tia, tín hiệu thu bao gồm thành phần truyềnthẳng và các thành phần phản xạ từ môi trường Giả sử rằng chỉ có một tiakhông đi thẳng, ta có thể sử dụng mô hình ở phương trình (1.22) với τ’ là trễtruyền lan, A’=kA với k là hệ số suy giảm Do đó, nhiễu do thành phần không

= ± cos( ) ( )

2

/ / φ τ

* Hiệu ứng gần- xa (Near-Far)

Ngoài ra đối với hệ thống có nhiều người sử dụng còn xảy ra hiệu ứnggần xa Ta xét hệ thống đa truy nhập DS/SS, giả thiết có M người sử dụngphát tín hiệu trên cùng một kênh Ở phía thu, tín hiệu thu được bị nhiễu do tạp

âm và của M-1 người sử dụng khác Giả sử Pk là công suất trung bình củatừng tín hiệu, PSD của từng người sử dụng là (PkTc/2)[sinc 2((f-fc)Tc)+sinc2((f+fc)Tc)] nên PSD kết hợp được xấp xỉ hoá bằng (M-1)Pk.Tc /2

0 +P T M −

N

T P

c k

k

(1.26)Trường hợp có một trong M-1 người rất gần máy thu thì tín hiệu củangười gây nhiễu sẽ ảnh hưởng rất nhiều tới máy thu, giả sử Pk/ =aPk trong đó atăng bình phương khi người gây nhiễu tiến đến gần máy thu

SNR tương đương là :

/ 0

N

E b

=

)2(

0 +aP T +P T M −

N

T P

c k c k

Với trình độ khoa học công nghệ ngày nay độ rộng băng tần của tín hiệutrải phổ nhảy tần có thể đạt tới vài GHz Tuy nhiên, do việc thay đổi nhanhtần số sóng mang nên máy thu khó theo kịp sự thay đổi pha của sóng mang, vìvậy điều chế FSK thường được sử dụng với phương pháp giải điều chế khôngnhất quán trong các hệ thống FH/SS

Ta kí hiệu Th là thời gian của một đoạn nhảy và T là thời gian của mộtbit số liệu Sơ đồ khối cho máy phát và máy thu của các hệ thống FH/SS được

mô tả trên hình 1.7

Từ sơ đồ khối máy phát, ta thấy tín hiệu FSK cơ số hai sn(t) được tạo ra

từ luồng số liệu Trong khoảng thời gian mỗi bít sn(t) có một trong hai tần số fhoặc (f + ∆f) tương ứng với bít 0 hay bít 1 của dữ liệu vào b(t), nó có dạng :

sn(t) = cos 2π[ f0 +b(t)∆f ]t (1.28)Quá trình trải phổ tín hiệu sn(t) được trộn với tín hiệu sr(t) từ bộ tổ hợptần số, cứ Th giây tần số của sr(t) lại thay đổi theo các giá trị j bít nhận được

từ bộ tạo chuỗi PN Do đó ở đầu ra bộ tổng hợp tần số có thể có tới 2j các tần

số khác nhau, tín hiệu trên đó tính trong đoạn nhảy λ có thể được viết là:

sr(t) = Acos[2π(fg +iλ∆f)t + θ] (1.29) với λTh < t < (λ +1)Th ;iλ∈ {0, 2, …2(2j -1) ; fg là tần số không đổiTín hiệu trên đầu ra bộ lọc BPF trong bước nhảy λ được tính :

sw(t) = Acos[2π(fg +iλ∆f +mλ.∆f)t + θλ] (1.30)với λTh < t < (λ +1)Th

Trong đó mλ∈{0, 1} là giá trị của số liệu ở λTh < t < (λ +1)Th và f0 = f’+ fg Tần số có thể được phát đi là {f0, f0 +∆f , … , f0 +(J-1)∆f } với J=2j+1 vàpha θλ có thể thay đổi từ bước nhảy này đến bước nhảy khác

Do tần số của tín hiệu FH/SS không thay đổi trong một đoạn nhảy tần,trong toàn bộ khoảng thời gian tín hiệu phát ở cả J tần số nên độ rộng băngtần nó chiếm là:

Bộ tổng hợp tần số

Trường hợp thời gian bit T >Th hệ thống là nhảy tần nhanh còn khi T <

Th hệ thống là nhảy tần chậm, ta tính được độ lợi xử lí bằng :

(1.32)

=

T

f J

/2

Ở phía thu, tín hiệu thu được đưa qua bộ lọc băng thông BPF băng rộngsau đó thực hiện nén phổ Giả thiết rằng, chuỗi PN tạo ra ở phía thu đồng bộvới bên phát Tín hiệu đưa ra đầu ra của bộ tổng hợp tần số trên đoạn nhảy λ

là :

sr’ (t) = cos[2π(fg +iλ∆f)t + θ’] (1.34) với λTh < t < (λ +1)Th

Tín hiệu ở đầu vào bộ lọc khi bỏ qua tạp âm là :

PG =

BPF băng

rộng

BPF băng rộng (f, f+ ∆ f)

Bộ giải điều chế FSK không nhất quán

Bộ tổng hợp tần số

Tín hiệu ở đầu vào bộ giải điều chế FSK chỉ có thành phần tần số thấp

Nếu chuỗi PN phí thu không đồng bộ với bên phát thì sau khi nén phổtín hiệu nhận được là băng rộng

Khi xét đến môi trường đa truy nhập có k người sử dụng với iλk số khácnhau để tạo ra các chuỗi PN thì tín hiệu thu tại máy thu thứ j là :

[f b k i k f]t

k

∆++

∑ cos2π // λ (1.37)

bỏ qua sự phụ thuộc vào thời gian của bk và iλk để đơn giản khi đánh giá

hệ thống

Ưu điểm của hệ thống FH so với DS là tốc độ đồng hồ ở bộ tạo chuỗi

PN không cần cao như ở hệ thống DS để đạt được cùng độ rộng băng tần Ta

đi xét hệ thống DS/SS-BPSK có tốc độ đồng hồ bằng tốc độ chíp 1/Tc ,độrộng băng tần là 2/Tc (Hz) Ở hệ thống FH nhanh bộ tạo chuỗi có khả năngtạo ra j bit trong Th giây hay j/Th bit.giây thì tốc độ đồng hồ là j/Th (Hz) Độrộng băng tần của hệ thống là :

1 1

2 + ∆ = + ⇔ = j+

h h

j j

T T T

1.3.3 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian và lai ghép

1.3.3.1 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian

Trong hệ thống trải phổ nhảy thời gian, số liệu được phát thành các cụm.Mỗi cụm gồm k bit số liệu và thời gian chính xác để phát mỗi cụm được xácđịnh bởi một chuỗi PN Giả sử thang thời gian được chia thành các khung Tcgiây, mỗi khung lại được chia tiếp thành j khe thời gian vì vây mỗi khe thờigian có độ rộng là Ts = Tc/j giây

Khe thời gian sử dụng để phát được xác định bởi chuỗi PN Mỗi bit chỉchiếm T0 = Ts/k giây Tín hiệu TH/SS có thể được biểu diễn :

1, … , J-1} thể hiện số khe thời gian với J=2j , là số thứ tự bít trong mỗicụm

Tốc độ bit khi phát cụm là 1/T0, để truyền băng gốc độ rộng băng tần là1/T0 (Hz) còn để truyền băng thông độ rộng băng tần là 2/T0

Thứ hai, các hệ thống DS/SS có chất lượng tốt hơn (SNR hơn khoảng3dB) so với FH/SS nhờ giải điều chế nhất quán nhưng đòi hỏi cao ở mạchkhoá pha sóng mang

Thứ ba, với cùng tốc độ đồng hồ của bộ tạo mã PN, FH/SS có thể nhảytrên băng tần rộng hơn nhiều so với băng tần của tín hiệu DS/SS Ngoài ra có

thể tạo tín hiệu TH/SS có độ rộng băng tần gấp nhiều lần so với DS/SS khicùng tốc độ đồng hồ Các hệ thống DS/SS nhạy cảm với vấn đề gần xa cònFH/SS nhạy cảm với việc bảo mật thông tin.

Thứ tư là thời gian bắt mã PN ở FH/SS ngắn nhất còn với DS/SS vàTH/SS đòi hỏi dài hơn Ngoài ra, các hệ thống FH/SS chịu được fading nhiềutia và nhiễu trong khi DS/SS lại chịu tác động khá nhiều

* Nhảy tần/chuỗi trực tiếp FH/DS

Tín hiệu có dạng:

SFH/DS(t)=A.c(t).sFH(t) (1.41)

Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu gây nghẽn và phađinh nhiều tia đồng thời cho phép trải phổ trên băng tần không liên tục

và ít nhạy cảm với hiện tượng gần-xa

* Hệ thống nhảy tần-thời gian lai ghép

Tín hiệu có dạng như sau:

STFH(t)=A.sTH(t)sTH(t) (1.42)

Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa nhiềungười sử dụng theo thời gian cũng như tần số, giải quyết tốt vấn đề gầnxa

* Hệ thống nhảy thời gian/chuỗi trực tiếp

Tín hiệu có dạng :

STH/DS(t)=A.sTH(t)c(t)cos(2πfct+ θ) (1.43)

Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa nhiềungười sử dụng theo thời gian và giảm ảnh hưởng của nhiễu gần.

* Hệ thống nhảy thời gian-tần số/chuỗi trực tiếp TFH/DS

Trong chương này ta nghiên cứu sâu hơn vào kỹ thuật trải phổ chuỗi trựctiếp khi xem xét đến các hệ thống trải phổ dẫy trực tiếp tín hiệu điều chế phanhị phân (DS/SS_BPSK) và trải phổ trực tiếp tín hiệu khoá chuyển pha vuônggóc (DS/SS _QPSK), so sánh để thấy được ưu nhược điểm của các hệ thốngnày Sau cùng là đánh giá hiệu năng của hệ thống (DS/SS) trong môi trườngtạp âm Gausse trắng cộng và nhiễu đồng thời khảo sát nhiễu giao thoa nhiềungười sử dụng gây ra do các tín hiệu DS khác và nhiễu tự gây do truyền nhiềutia

Phần cuối là so sánh các hệ thống trải phổ để thấy được ưu điểm vànhược điểm của mỗi hệ thống làm cơ sở cho việc nghiên cứu và ứng dụng nótrong các hệ thống thông tin di động tế bào mà ta xét ở các chương sau

kĩ thuật đa truy nhập chính được sử dụng trong thông tin di động số như sau:

- Đa truy nhập theo tần số (FDMA)

- Đa truy nhập theo thời gian (TDMA)

- Đa truy nhập theo mã (CDMA)

Ở các sơ đồ ứng dụng kĩ thuật FDMA, toàn bộ dải tần của hệ thốngđược chia nhỏ thành 2N băng tần con, mỗi băng tần con được gán cho mộtngười sử dụng và nó bị chiếm dụng trong suốt quá trình cuộc gọi Trong sơ đồTDMA mỗi người sử dụng được cấp cho một khe thời gian trong suốt quátrình gọi Ở cả hai hệ thống này số lượng người dùng được quyết định bởi sốlượng các tần số hoặc các khe thời gian có sẵn Với sơ đồ CDMA tất cảnhững người sử dụng cùng phát trên một kênh vô tuyến Tín hiệu phát đichiếm toàn bộ dải thông của hệ thống và các mã được sử dụng để phân biệtcác người dùng với nhau

Trên kênh Gaussian các sơ đồ đa truy nhập trên cho dung lượng tươngđương nhau với giả thiết dãy mã trong CDMA là trực giao Còn trong các hệthống thông tin di động tế bào và thông tin vệ tinh thì CDMA hơn hẳn so vớicác kĩ thuật khác

Thứ nhất là giảm ảnh hưởng của fading nhiều tia tới SNR của hệ thốngnhờ kĩ thuật thu kết hợp phân tập Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều

chế FM analog sử dụng trong hệ thống điện thoại tế bào thế hệ đầu tiên thìfading nhiều tia có thể gây tổn hao rất lớn SNR Tính nghiêm trọng của vấn

đề fading đa đường được giảm đi trong điều chế CDMA băng rộng vì các tínhiệu qua các đường khác nhau được thu một cách độc lập Phân tập theo tần

số, thời gian và theo đường truyền làm giảm đáng kể fading trong CDMA.Trong đó phân tập theo đường truyền được áp dụng hiệu qủa đối với CDMAdãy trực tiếp và mức độ phân tập cao tạo nên khả năng hoạt động tốt hơntrong môi trường MUI (xuyên nhiễu đa người sử dụng) lớn

Thứ hai là nhờ có điều chỉnh công suất mà hệ thống thông tin di động tếbào CDMA trong môi trường đa người sử dụng hạn chế được hiệu ứng gần-xa

và giảm thiểu nhiễu lên dung lượng hệ thống tức làm giảm giao thoa với cáctrạm gốc khác (tế bào lân cận) Việc công suất phát thấp tức giảm tỉ số Eb/N0không chỉ làm tăng dung lượng hệ thống mà còn giảm thiểu được tạp âm vànhiễu giao thoa đồng thời giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động.Hơn nữa việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng khả năng phục vụ dẫnđến làm giảm giá thành và cho phép hoạt động trong các vùng rộng lớn hơnvới công suất thấp khi so với hệ thống TDMA và FDMA có công suất tươngtự Ngoài ra ưu điểm của việc điều khiển công suất trong CDMA là việcgiảm công suất phát trung bình, trong hệ thống FDMA hay các hệ thống bănghẹp thì công suất phát cao luôn được yêu cầu để khắc phục fading theo thờigian, còn ở CDMA công phát tăng chỉ khi có fading và công suất yêu cầu chỉphát khi có điều khiển công suất

Thứ ba là hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức

độ cao nên việc sử dụng máy thu tìm kiếm và sử dụng bất hợp pháp kênh RF

là khó khăn đối với hệ thống tế bào số CDMA bởi vì tín hiệu CDMA đã đượctrộn bởi chuỗi giả ngẫu nhiên nên máy thu không chủ định rất khó thu đượcnếu không biết được mã

Thứ tư là nhờ có chuyển giao mềm chỉ có ở hệ thống thông tin di động tếbào CDMA mà việc xảy ra rớt cuộc gọi là không có Chuyển giao mềm dựatrên nguyên tắc kết nối “nối trước khi cắt” và chỉ làm việc ở vùng sử dụngchung tần số tức trạm BS mới và BS cũ có cùng tần số nên trạm không cầnthay đổi tần số khi nó chuyển đến cell khác Quá trình chuyển giao mềm xảy

ra từ từ kết hợp cùng với sự trao đổi thông tin chuyển đổi liên tục giữa trạm diđộng và BS khi có tín hiệu cho phép mới chuyển đổi thực sự Trong khi hệthống di động tế bào FDMA và TDMA chấp nhận chuyển giao cứng theonguyên tắc “cắt trước khi nối” nên có thể xảy ra rớt cuộc gọi do chất lượngkênh mới chuyển đến trở nên quá xấu trong khi kênh cũ bị cắt

Thứ năm là CDMA đặc biệt vượt trội hơn so với FDMA và TDMA vàcác hệ thống khác trong môi trường đa tế bào nhờ khả năng tái sử dụng tần số,một người sử dụng tích cực có thể sử dụng toàn bộ băng tần và người này cóthể tự do truyền trong mọi thời điểm Nhờ có điều khiển công suất mà hạn chếđược mức giao thoa, việc điều khiển giao thoa hiệu quả hơn so với hệ thốngFDMA và TDMA Do các hệ thống điều chế băng hẹp này yêu cầu tỉ số sóngmang/nhiễu vào khoảng 18dB nên việc tái sử dụng tần số còn hạn chế khi đómột kênh sử dụng cho một BS sẽ không được sử dụng cho một BS khác Hơnthế nữa, trong các hệ thống FDMA, TDMA các băng tần hay các khe thờigian được phân cách nhau bởi các băng bảo vệ hay thời gian bảo vệ, cáckhoảng cách này làm lãng phí số phần trăm nào đó của tổng độ rộng băng tần(hay thời gian) vì thế dung lượng nhỏ hơn N Ngoài ra, khi một người sử dụngtích cực đã được dành một băng tần hay một khe thời gian người này sẽchiếm dụng hoàn toàn môi trường truyền dẫn trong suốt thời gian diễn ra cuộcthoại Do đó hiệu quả sử dụng băng tần hay khe thời gian kém, dung lượngkênh sẽ không vượt qua quá N(N: số băng tần hay số khe thời gian) Hệ số tái

sử dụng của FDMA kém hơn so với CDMA bởi thừa số tái sử dụng tần số F,

nó được tính là:

KFDMA=

F

N

(máy di động/cell)Việc sử dụng lại tần số ở tế bào khác phải đảm bảo đủ xa để tín hiệutrong hai tế bào này không gây nhiễu lên nhau Trong khi đó, đối với CDMAcác trạm di động sử dụng cùng băng tần và không có sử dụng lại tần số nên cóthể coi hệ số tái sử dụng trong hệ thống tế bào CDMA bằng 1 Tỉ số KCDMA

với KFDMA bằng

v

F N K

sử dụng lớp dịch vụ cao so với người sử dụng thông thường

Hơn thế nữa, trong thông tin thoại ta có thể tăng dung lượng của hệthống CDMA nhờ đặc tính tích cực của thoại, mức MUI hiệu dụng giảm nhờthừa số tích cực tiếng (≈3/8) vì người ta thường dừng khi nói chuyện Bằngcách giám sát tính tích cực tiếng nói sẽ loại bỏ sóng mang ở thời gian không

có tiếng nói và các nhiễu giao thoa xuyên đường giảm Điều này dẫn đến việctăng dung lượng hệ thống lên 8/3 lần Đối với FDMA và TDMA khó áp dụngđược yếu tố tích cực thoại bởi vì các hệ thống này không có tranh chấp nênquá trình làm im lặng không tăng dung lượng và thời gian định vị lại kênh

tiếp theo là quá dài Nhờ có bộ mã hoá tiếng có tốc độ thay đổi sử dụng trong

hệ thống CDMA nên một số kiểu dịch vụ chất lượng thoại chịu các yêu cầukhác nhau có thể được cung cấp Bộ mã hoá tiếng nói được MSC điều khiểntheo tốc độ khác nhau để chúng có thể sử dụng chung Một số kiểu dịch vụthoại (số liệu, fax, video, ISDN…) hoạt động với tốc độ bộ mã hoá tiếng nóikhác nhau Các yêu cầu của kênh dịch vụ này có thể đáp ứng đầy đủ Khi sửdụng bộ mã hoá hoạt động với tốc độ thấp 4kps, tăng dung lượng gấp 1,7lần( dung lượng hệ thống không gấp đôi bởi vì truyền dẫn tốc độ thấp yêu cầu

để trống trong thoại)

Do các tính năng vượt trội trên cùng với các thiết bị nhỏ gọn hệ thốngCDMA ngày càng được sử dụng rộng dãi trong hệ thống di động tế bào Hệthống CDMA IS-95 phát triển mở rộng tiêu chuẩn hóa W-CDMA với độ rộngbăng tần lớn làm cho dung lượng cao hơn, sử dụng nhiều dịch vụ với tốc độcao như truyền hình ảnh, fax,… Ngoài ra nó còn hoạt động không cần cấpgiấy phép ở 3 lĩnh vực công nghiệp, khoa học và y tế với công suất 1W chồnglấn băng tần mà không gây nhiễu

Bên cạnh đó hệ thống CDMA có một số nhược điểm chính đó là nhiễugiao thoa nhiều người sử dụng và hiệu ứng xa gần Nhiễu giao thoa nhiềungười sử dụng phát sinh do các dãy mã không trực giao Nguyên nhân làtrong hệ thống thông tin di động ngoài tín hiệu thu mong muốn còn có cácthành phần tín hiệu của những người sử dụng khác Các tín hiệu này đượcphát độc lập với nhau (tần số sóng mang giống nhau nhưng pha của sóngmang khác nhau) và ảnh hưởng của trễ truyền lan nên đến trạm gốc là khôngcùng lúc Do trễ thời gian của chúng phân bố ngẫu nhiên nên tự tương quanchéo giữa các tín hiệu thu được từ những người sử dụng khác nhau là kháckhông Tương quan chéo nhỏ gây ít nhiễu, vì vậy trong môi trường đa người

sử dụng để giảm nhiễu giao thoa người ta phải thiết kế các tín hiệu PN saocho chúng có tương quan chéo nhỏ

Hạn chế cơ bản đối với hệ thống CDMA là hiệu ứng xa gần Hiện tượngnày xuất hiện khi tín hiệu thu được tại trạm gốc khá yếu từ một máy di động ở

xa bị chèn ép bởi tín hiệu mạnh của nguồn nhiễu gần đó Tín hiệu nhiễu vớicông suất lớn hơn n lần so với tín hiệu mong muốn sẽ có tác động tươngđương với n tín hiệu nhiễu có công suất bằng công suất của tín hiệu Khinguồn gây nhiễu tiến đến gần máy thu tác động của nguồn nhiễu tăng rấtmạnh làm cho SNR giảm mạnh và xác suất lỗi trở lên quá lớn làm giảm dunglượng của hệ thống Để khắc phục hiện tượng này trong các hệ thống CDMAngười ta sử dụng các sơ đồ điều khiển công suất ở cả đường lên và đườngxuống nhằm giảm thiểu tác động của nhiễu đến dung lượng của hệ thống

Ở hệ thống CDMA tế bào vấn đề điều khiển công suất đòi hỏi rất khắtkhe để bảo đảm mức công suất mà trạm gốc thu được từ các trạm di động gầngiống nhau Đối với CDMA đường xuống có thể sử dụng điều chế nhất quánnhư QPSK hay MSK, còn CDMA đường lên thường sử dụng điều chế khôngnhất quán như DPSK, FSK cho hiệu quả tốt hơn

Trong chương này ta xem xét hiệu năng của hệ thống CDMA Mô hình

hệ thống di động tế bào được cho như hình vẽ sau

Trạm gốc

Máy di động

Hình 2.1 Hệ thống thông tin di động tế bào

2.2 Nguyên lý CDMA

Trong trải phổ chuỗi trực tiếp, phổ của tín hiệu số băng gốc được mở rộng nhờ một mã giả ngẫu nhiên (PN) hay mã trải phổ Tín hiệu trải phổ có mật độ phổ công suất thấp (đo bằng W/Hz) Đối với một máy thu thông

thường nó thể hiện gần giống như tạp âm nền và thường ít gây nhiễu Khi các tín hịu trải phổ sử dụng cùng một băng tần sẽ có một lượng xuyên âm nhất định hay giao thoa tương hỗ, tuy nhiên không như ở truyền dẫn băng hẹp nhiễu không gây nguy hiểm Điều này có thể thực hiện được là vì có thể thiết

kế các mã trải phổ tốt với các giá trị tương quan chéo thấp để chúng hầu như trực giao Nhờ vậy, nhiều tín hiệu trải phổ có thể sử dụng chung kênh tần số

mà không gây nhiễu tương hỗ nghiêm trọng Tuy nhiên hiệu năng của hệ thống sẽ giảm đáng kể khi tăng số người sử dụng

Chương này sẽ tập trung vào trải phổ chuỗi trực tiếp và nghiên cứu một ứng dụng đặc biệt đó là thông tin đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

mà chủ yếu là DS/CDMA

2.2.1 Giải điều chế trong hệ thống CDMA

Ta đi xét hệ thống DS/CDMA một cách chi tiết, sơ đồ khối điển hìnhđược mô tả ở hình 2.2

k (t)

r(t) n(t)

cos(

) 2

cos(

) 2

cos(

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống DS/CDMA

Từ sơ đồ khối, giả thiết rằng có K người sử dụng độc lập dùng chungmột tần số sóng mang và có thể phát đồng thời tới máy thu Mỗi tín hiệu phátđược gán một chỉ số k, k =1, 2, …,K Dạng sóng số liệu cơ số hai bk(t) là hàmchữ nhật có biên độ ±1và có thể đổi dấu sau T giây, nó được biểu diễn bởi:

b ( ) (2.1)

Dạng sóng trải phổ ck(t) cũng có dạng hàm chữ nhật nhưng nó tuần hoàn

và có tốc độ cao hơn nhiều so với tốc độ bit số liệu, nó được biểu diễn bởi:

c ( ) (2.2)

Ta giả thiết rằng, thời gian một bit số liệu (T giây) chứa đúng một chu

kì (N chíp) mã trải phổ sao cho tốc độ chíp bằng

c

T T

Công suất trung bình của s(t) bằng P và coi rằng các tín hiệu thu được cócông suất là như nhau (điều này đúng khi có điều khiển công suất), thông số

k

θ là pha của sóng mang Nếu mô hình hoá kênh thu bởi tạp âm n(t) là tạp

âm trắng cộng Gaussian (AWGN) có phương sai là σn2, trên kênh chỉ cónhiễu đa truy nhập gây ra bởi những người sử dụng khác và bản chất kênh làcộng thì tất cả các tín hiệu phát đều trễ và tạp âm cộng với nhau ở máy thu.Tại đầu vào của máy thu thứ nhất tín hiệu thu được là tổng các tín hiệucủa K người sử dụng đã phát đi và tạp âm trên kênh truyền :

r(t) = ( ) ( ) 2 cos(2 ) ( )

1

t n t

f P

t c t b a

K

++

∑

=

θ

π (2.4)

trong đó ak là hệ số suy giảm của tín hiệu thứ k khi truyền trên kênh

Tín hiệu này được nén phổ bằng cách nhân với mã trải phổ c1(t) được tạo

ra ở máy thu thứ nhất (giả thiết mã trải phổ tạo ra ở máy thu đồng bộ với mãtrải phổ bên phát), loại bỏ sóng mang bằng phương pháp nhất quán (nhân với

)2

cos( π +f c t θ1' ) Sau đó lấy tích phân trong khoảng thời gian T giây để khôiphục lại năng lượng kí hiệu số liệu và đồng thời loại bỏ tạp âm ngoài băng.Người ta đưa ra mô hình máy thu tương quan nhất quán ở hình 2.3

Máy thu tương quan thực hiện tương quan tích cực, ta có thể thực hiện

nó ở dạng một bộ lọc thích ứng là phần tử thụ động, tuy vậy thực hiện đượcđiều này rất khó nếu độ dài của chuỗi trải phổ khá lớn Đầu ra của bộ tươngquan được lấy mẫu sau đó đưa đến mạch ngưỡng để nhận lại các bit số liệu

Ta xét đến xác suất lỗi bit là một hàm của E0/N0 , giả thiết ta mô hình(K-1) tín hiệu nhiễu băng rộng như là AWGN, nhiễu giao thoa nhiều người sửdụng MUI sẽ tạo nên tạp âm bổ sung có PDF hai biên bằng :

B

P K

I

2

)1(2

0 = − (2.5)

với (K-1)P là công suất kết hợp của (K-1) tín hiệu nhiễu

Khi này SNR mới thu được là :

SNR= N E b I N (K E b 1)P/B

0 0

Mặt khác, đối với BPSK, B=2/Tc nên ta có :

14

12

o

E N

K Q SNR (2.7)

trong đó Eb=PT là năng lượng bit trung bình, N=T/Tc ,s

và Q(x)= e y dy

x

2 / 2

Ở phần trên ta mô hình hoá nhiễu giao thoa như tạp âm trắng, trong thực

tế PDS của nó không phẳng Phần sau ta nghiên cứu và đưa ra biểu thức chínhxác hơn cho p.b.e

2.2.2 Xác suất lỗi bit, p.b.e

Một cách tổng quát, ta có thể viết biến quyết định Z ở đầu ra của bộtương quan tại thời điểm t = T là tổng của các thành phần tín hiệu, tạp âm vànhiễu giao thoa :

Z= P/2T +η+I (2.9)Thành phần tạp âm η là một biến Gaussian độc lập, thành phần MUI với

2

(2.10)

Để đơn giản cho tính toán ta coi K là lớn và MUI có phân bố ngẫu nhiên

Gaussian độc lập Do đó, trung bình của ∑

=

I I

2

bằng không và mỗi Ik có

trung bình bằng không Phương sai của I bằng tổng phương sai của Ik và đượcxác định:

Var(Ik)= E(I ) –[E(I k2 k)] 2 (2.11)Xác suất trung bình lỗi bit có thể được tính là:

2

110

(2/

N T

0

6

12

K

b

r N

r là một thông số của nhiễu giao thoa

Công thức (2.12) chỉ phụ thuộc vào việc chọn K chuỗi, với PN dài ta cóthể mô hình hoá chúng như các chuỗi ngẫu nhiên trong đó mỗi chip của chuỗi

là một biên ngẫu nhiên rời rạc độc lập nhận các giá trị “-1” hay “+1” với xácsuất như nhau Khi đó Pb chỉ còn phụ thuộc vào tỉ số Eb/N0, K và N Côngthức (2.13) đạt khá chính xác khi K lớn còn với K nhỏ ta chưa xác định được

Do đó ta sẽ đưa ra công thức tính Pb chính xác hơn

0 /4)(

(2

P

Q V (2.14)

Để tìm kì vọng ở (2.14) ta sử dụng khai triển Taylor với cách đặt:

g(V) = ( [ ] 1 / 2)

0 /4)(

2/ T N T +V −P

6

1)(3

2

σµ

σµ

3

12

2 − (2.17)

2

2 2

1)36

220

1(360

23)[

1

N N

23

1

b

N N

K Q

P (2.20)

2.2.3 Dung lượng cực đại của CDMA một tế bào

Dung lượng của các hệ thống CDMA bị hạn chế bởi nhiễu đa truy nhập

do đó ta cần xem xét đến khả năng dung lượng lớn nhất của hệ thống có thểđạt được phục vụ trong quá trình thiết kế hệ thống

Giả sử có K tín hiệu có cùng công suất Pk tồn tại trên một băng tần, thìtập âm tại đầu vào của máy thu bất kì là :

s

P K

I =( −1) (2.21)

Tỉ số năng lượng tín hiệu trên tạp âm là:

1(

.)

1(

N P

K

P N P

K

E I

E

s

s s

b b

với N là hệ số trải phổ

Khi xét đến tạp âm nhiệt có công suất là ρthì :

ρ+

−

=

)1(

P N I

E

s

s b

N K

độ định hướng cao Trong một tế bào nếu sử dụng 3 an ten thì dung lượngtăng lên khoảng 3 lần

Một phương pháp khác để tăng dung lượng là giám sát độ tích cực củatiếng nói Khi áp dụng cả 3 biện pháp trên thì giới hạn dung lượng của hệthống (số người sử dụng trong một khu vực ) là:

α

)

/(

1

0

N E

N K

b

với α là hệ số tích cực tiếng nói

Số người sử dụng trong một tế bào là:

Q(x)= ( 2) exp( /2)/( 2 )

2

x x

2.3 CDMA ở các kênh fading nhiều tia

Truyền dẫn vô tuyến qua các kênh thông tin thực tế chịu ảnh hưởng rấtlớn của fading nhiều tia Khi một tín hiệu hình sin được truyền qua một kênhfading nhiều tia, các bản sao của của tín hiệu gốc thu được do sự tán xạ cũngnhư phản xạ trong môi trường Biên độ cũng như thời gian trễ của các tín hiệunày có thể thay đổi Do đó, để đánh giá nó một cách chính xác ta xét đặctrưng của kênh có fading nhiều tia

2.3.1 Đặc trưng của kênh fading nhiều tia

Khi truyền một xung tín hiệu có độ rộng rất nhỏ qua một kênh đađường thay đổi theo thời gian thì tín hiệu nhận được có thể là một dãy xungđược mô tả như ở hình 2.4 Như vậy, một đặc trưng của kênh đa đường là sựtrải rộng theo thời gian đối với tín hiệu truyền qua kênh

Một đặc trưng thứ hai là do sự thay đổi theo thời gian trong cấu trúcđường truyền Sự thay đổi theo thời gian làm tính chất của các đường truyềncũng thay đổi theo thời gian Như vậy nếu lặp lại việc truyền xung thêm nhiềulần thì các xung nhận được sẽ có sự thay đổi Sự thay đổi này gồm có thay đổi

về độ lớn của xung, độ trễ giữa các xung và có thể còn là số xung nhận đượctrong một lần truyền

Hình 2.4 Đáp ứng của kênh thay đổi theo thời gian với xung có độ rộng rất

hẹpTổng quát, ta xét tín hiệu truyền có dạng sau:

s(t)= [ j f c t]

l t e

s ( ) 2 .

Re π (2.29)Giả thiết rằng, tín hiệu phát đi theo nhiều đường khác nhau tới phía thu

và ứng với mỗi đường truyền có một khoảng thời gian trễ và độ suy hao thayđổi theo thời gian Tín hiệu thu có thể được có dạng:

=

t t

s t t

.)

()

(t t e 2 () s t t

n

t n c f j

∑ −

t n c f j

t

c(τ; ) α ( ) 2π τ ( )δ(τ τ ( )) (2.33)

Đối với nhiều kênh thì tín hiệu nhận được bao gồm vô số các đường có

độ suy hao biến đổi liên tục và tín hiệu nhận được có thể biến đổi thành dạng:

x( ) α(τ; ) 2π τ ( τ) τ 2π (2.35)

Từ công thức này dẫn tới :

τ π

τα

n

t n c f j n

r ( ) α ( ) 2π τ ( ) α ( ) θ ( ) (2.37)

trong đó :

θn(t) =2πf cτn(t) (2.38) Như vậy tín hiệu nhận được là tổng các véc tơ có biên độ αn(t) Chú ýrằng cần phải có một sự thay đổi lớn đối với đường truyền mới đủ để αn(t)thay đổi đáng kể trong tín hiệu nhận được

Mặt khác, θn(t) thay đổi 2π khi τn thay đổi 1/fc Do 1/fc nhỏ nên θn(t) sẽthay đổi 2π rad khi có một sự thay đổi nhỏ trong đường truyền Do τn(t) cũngthay đổi một cách ngẫu nhiên nên tín hiệu nhận được rl(t) trong (2.37) có thể

mô hình hoá bằng một quá trình ngẫu nhiên Khi có rất nhiều đường truyềnkhác nhau thì ta có thể sử dụng định lý giới hạn trung tâm Như vậy ta có thể

mô hình hoá rl(t) bởi một quá trình ngẫu nhiên Gaussianian giá trị phức vàđiều đó có nghĩa là đáp ứng xung thay đổi theo thời gian c(τ;t) cũng là mộtquá trình ngẫu nhiên giá trị phức theo biến thời gian t

Tín hiệu nhận được rl(t) do quá trình truyền theo nhiều đường truyềnkhác nhau từ phía phát tới phía thu gọi là tín hiệu fading Hiện tượng fadingchủ yếu là do sự thay đổi theo thời gian trong tập hợp pha {θn(t)} Do hiệntượng fading nên các thành phần tín hiệu nhận được có thể làm suy yếu nhauhay tăng cường nhau gây ra sự thay đổi về biên độ của tín hiệu nhận được,hay tính fading của tín hiệu nhận được là do sự thay đổi về các thông số củacác đường truyền

2.3.2 Fading nhiều tia

Trong các hệ thống thông tin trải phổ, các tín hiệu nhiều tia có thời giantrễ tương đối nhỏ hơn thời gian của một chip (Tc giây) thì không thể phân giảiđược Giả sử có rất nhiều các tín hiệu nhiều tia đến điểm thu trong khoảng Tcgiây Các tín hiệu này sẽ cộng với nhau ở điểm thu và sự đóng góp chung củachúng ở đầu ra của máy thu có thể mô hình kiểu Gaussian theo định lý giớihạn trung tâm Do sự khác nhau về pha, một số tín hiệu có thể được cộng vàmột số có thể bị trừ Kết quả cho ta một hình bao tín hiệu ngẫu nhiên thay đổitheo thời gian và hiện tượng này được gọi là fadinh tín hiệu Có thể mô hìnhhoá fadinh cho các tín hiệu nhiều tia không phân giải thu được trong khoảngthời gian Tc như sau:

))

(2sin(

2)

)(2cos(