KỸ THUẬT CDMA VÀ MÁY THU RAKE

Đề tài 1: Nghiên cứu, ứng dụng giải mã lặp trong hệ thống dùng máy thu RAKE Chương 1: Hệ thống CDMA và máy thu RAKE 1.1 Hệ thống CDMA 1.2 Máy thu RAKE 1.3 Ứng dụng hệ thống CDMA Chương 2: Mã hóa và giải mã lặp 2.1 Các kỹ thuật mã hóa và giải mã 2.2 Kỹ thuật Giải mã lặp 2.3 Sử dụng giải mã lặp trong hệ thống thông tin số Chương 3: Ứng dụng kỹ thuật giải mã lặp trong hệ thống dùng máy thu RAKE 3.1 Ứng dụng giải mã lặp trong hệ thống thông tin số 3.2 Mô phỏng hệ thống giải mã lặp trong hệ thống thông tin số 3.3 Mô phỏng hệ thống giải mã lặp trong hệ thống dùng máy thu RAKE 3.4 Các kết quả mô phỏng

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG CDMA VÀ MÁY THU RAKE 1.1 HỆ THỐNG CDMA 1.1.1 Giới thiệu Trong bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến nào, dải băng tần được cho phép sử dụng là luôn bị giới hạn. Vì vậy, việc chia sẻ kênh truyền để nhiều người có thể sử dụng đồng thời là một nhu cầu cấp thiết. Các kỹ thuật đa truy nhập ra đời từ đó. Kỹ thuật FDMA ra đời đầu tiên sau đó đến kỹ thuật TDMA và ngày nay, kỹ thuật CDMA đã ra đời, dựa trên nguyên lý trải phổ và được sử dụng rộng rãi cho thông tin vô tuyến trên toàn thế giới. CDMA đã chứng tỏ được khả năng vượt trội so với các kỹ thuật analog hoặc digital khác. Vì thế, trong chương này sẽ giới thiệu về nguyên lý CDMA, ba kỹ thuật trải phổ trong CDMA, chuỗi mã trải phổ PN và chuỗi mã trải phổ Walsh-Hardamard. Chúng được sử dụng phổ biến trong hệ thống DS-CDMA và hệ thống MC- CDMA. Chương này đề tài cũng nguyên cứu các vấn đề liên quan tới hệ thống DS-CDMA. 1.1.2 Nguyên lý của kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Trang: 12 Hình 1.1: Quá trình trải phổ và nén phổ trong kỹ thuật CDMA Trong hệ thống CDMA, mỗi người dùng được gán cho một chuỗi mã xác định, và tất cả các người dùng có thể sử dụng chung khoảng băng tần trong cùng một khoảng thời gian. Do CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ, do đó ở mỗi trạm phát sẽ sử dụng một chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên tác động vào tín hiệu tin tức. Khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều trạm phát khác nhau, nó sẽ lấy tín hiệu mong muốn bằng cách giải mã tín hiệu bằng chuỗi mã riêng của chính tín hiệu đó (hình 2.1). Ta có được kết quả này là do tính tự tương quan và tương quan chéo của các chuỗi mã trải phổ. Trong hình 1.1, máy thu mong muốn nhận được tín hiệu tin tức từ người dùng A nên đã sử dụng chuỗi mã dành riêng cho A để giải mã. Khi đó, các tín hiệu nhận được từ các người dùng không mong muốn (B, C) trở thành nhiễu đối với tín hiệu từ A (do tính tương quan chéo thấp), và từ đó ta có thể thu được tín hiệu từ A một cách dễ dàng. 1.1.3 Kỹ thuật trải phổ 1.1.3.1 Giới thiệu Trang: 13 Kỹ thuật trải phổ ra đời từ nhu cầu bảo mật thông tin trong quân sự. Mục đích của kỹ thuật trải phổ là làm cho tín hiệu được phát giống như tạp âm đối với các máy thu không mong muốn, làm cho các máy thu này khó khăn trong việc tách và lấy ra được bản tin. Để biến đổi bản tin thành tín hiệu tựa tạp âm, ta sử dụng mã ngẫu nhiên để mã hoá bản tin. Tuy nhiên, máy thu chủ định phải biết mã này để có thể tạo ra bản sao mã này một cách chính xác, đồng bộ với mã được phát và lấy ra bản tin. Vì vậy ta phải sử dụng mã “giả” ngẫu nhiên. Mã này phải được thiết kế để có độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần của bản tin. Bản tin được mã hóa sao cho tín hiệu sau khi mã hoá có độ rộng phổ gần bằng độ rộng phổ của tín hiệu giả ngẫu nhiên. Quá trình này được gọi là “quá trình trải phổ”. Ở máy thu thực hiện quá trình nén phổ tín hiệu thu được để trả lại độ rộng phổ bằng độ rộng phổ ban đầu của bản tin. HìnH 1.2 minh họa một hệ thống thông tin trải phổ, trong đó i(t) là tín hiệu tin tức có tốc độ dữ liệu là R i và băng thông B i , c(t) là chuỗi trải phổ có tốc độ ký hiệu là R c , còn gọi là tốc độ chip. Tỷ số băng thông B s của tín hiệu trải phổ so với băng thông tin tức B i được định nghĩa là độ lợi xử lý: i S S B B G = (1.1) Trang: 14 Hình 1.2: Hệ thống thông tin trải phổ Một hệ thống thông tin được xem là trải phổ khi thỏa 2 điều kiện + Băng thông tín hiệu đã trải phổ lớn hơn rất nhiều so với băng thông tín hiệu thông tin. + Mã dùng để trải phổ độc lập với tín hiệu thông tin. Ưu điểm của kỹ thuật thông tin trải phổ + Khả năng đa truy cập Cho phép nhiều user cùng hoạt động trên một dải tần, trong cùng một khoảng thời gian mà máy thu vẫn tách riêng được tín hiệu cần thu. Đó là do mỗi user đã được cấp một mã trải phổ riêng biệt, khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều user, nó tiến hành giải mã và tách ra tín hiệu mong muốn. + Tính bảo mật thông tin cao Mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ rất thấp, gần như mức nhiễu nền. Do đó, các máy thu không mong muốn khó phát hiện được sự tồn tại của tin tức đang được truyền đi trên nền nhiễu. Chỉ máy thu biết được chính xác quy luật của chuỗi giả ngẫu nhiên mà máy phát sử dụng mới có thể thu nhận được tin tức. Trang: 15 + Bảo vệ chống nhiễu đa đường Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ … của tín hiệu trên kênh truyền vô tuyến. Các tín hiệu được truyền theo các đường khác nhau này đều là bản sao của tín hiệu phát đi nhưng đã bị suy hao về biên độ và bị trễ so với tín hiệu được truyền thẳng (Line of Sight). Vì vậy tín hiệu thu được ở máy thu đã bị sai lệch, không giống tín hiệu phát đi. Sử dụng kỹ thuật trải phổ có thể tránh được nhiễu đa đường khi tín hiệu trải phổ sử dụng tốt tính chất tự tương quan của nó. 1.1.3.2 Các kỹ thuật trải phổ cơ bản Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian 1.1.3.2.1 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS: Direct Sequence Spread Spectrum) Nguyên lý cơ bản Tín hiệu truyền đi được biểu diễn dưới dạng lưỡng cực, sau đó nhân trực tiếp với chuỗi giả ngẫu nhiên. Ở máy thu, tín hiệu thu được nhân với chuỗi Trang: 16 Bộ điều chế băng rộng d(t) Bộ tạo mã PN c(t) Bộ tạo sóng mang Máy phát Bộ giải điều chế dữ liệu Bộ tạo sóng mang Bộ tạo mã PN c r (t) d r (t) Máy thu Hình 1.3: Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS trải phổ lần nữa để tạo lại tín hiệu tin tức. Tín hiệu cần truyền đi là d(t), có dạng NRZ với d(t) = ±1, tốc độ bit f b . Thực hiện nhân d(t) với chuỗi giả ngẫu nhiên c(t) có tốc độ bit f c với f c >> f b . Như vậy: d(t).c(t) = (2.2) Vì tốc độ bit f c của chuỗi giả ngẫu nhiên lớn hơn nhiều so với tốc độ bit f b của chuỗi tín hiệu truyền đi, nên tín hiệu d(t) sẽ bị chia nhỏ với tần số rất cao. Tần số này được gọi là tốc độ chip. Sau đó, chuỗi tích số d(t).c(t) được điều chế BPSK hoặc QPSK. Giả sử ta dùng điều chế BPSK, tín hiệu sau điều chế có biểu thức[1][2]: tcosw).().(2)( 0 tctdPtV SSSDS = − (2.3) Trong đó: P S là công suất phát [W] w o là tần số sóng mang [rad/s] Nếu so sánh (2.3) với biểu thức của BPSK: tcosw).(2)( 0 tdPtV SBPSK = (2.4) Trang: 17 c(t) , d(t) = +1 – c(t) , d(t) = –1 Hình 1.4: Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ Ta nhận thấy: Với cùng công suất phát P S , chuỗi số d(t).c(t) có tốc độ chip f c chiếm dải phổ tần rộng hơn rất nhiều so với tín hiệu V BPSK có tốc độ bit f b , vì vậy, mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ trải phổ V DS-SS thấp hơn nhiều so với mật độ phổ công suất của tín hiệu không trải phổ V BPSK . Nếu f c đủ lớn, mật độ phổ này sẽ rất thấp và xen lẫn với mức nhiễu nền khiến cho các máy thu thông thường rất khó khăn trong việc tách và lấy ra tín hiệu tin tức. Tại máy thu, tín hiệu V DS-SS được nhân với tín hiệu giả ngẫu nhiên c r (t) được tái tạo ở máy thu, giải điều chế BPSK để thu lại tín hiệu tin tức ban đầu. Hình 1.5: Dạng sóng của tín hiệu trước trải phổ và sau trải phổ 1.1.3.2.2 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số (FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum) Hình 1.6: Phổ của tín hiệu FH – SS Trang: 18 Kỹ thuật FH – SS phát triển dựa trên điều chế BFSK. Trong đó, tần số sóng mang được thay đổi liên tục theo một quy luật giả ngẫu nhiên (dựa trên chuỗi mã ngẫu nhiên sử dụng), nhờ vậy mà phổ của tín hiệu FH – SS được trải rộng trên trục tần số. Thật vậy, ứng với một tần số sóng mang, dải tần số của tín hiệu BFSK là B, vậy với tín hiệu FH – SS dùng L (L = 2 N -1, với N là chiều dài chuỗi mã) trạng thái nhảy tần, phổ tần của tín hiệu FH – SS sẽ trải rộng đến B FH = B x L như hình 2.6 Tín hiệu FH – SS được tạo bởi mạch tổng hợp tần số điều khiển bởi N+1 bit, trong đó bao gồm N bits của từ mã giả ngẫu nhiên và 1 bit số d(t) của tín hiệu thông tin cần truyền. 1.1.3.2.3 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (TH – SS: Time Hopping Spread Spectrum ) Trang: 19 Hình 1.7: Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH – SS Trộn, biến đổi tần lên d(t) Bộ tạo mã PN c(t) Tổng hợp tần số Máy phát Điều chế băng gốc Trộn, biến đổi tần xuống Tổng hợp tần số Bộ tạo mã PN c r (t) d r (t) Máy thu Đồng bộ Giải điều chế dữ liệu Hình 1.8: Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian Trục thời gian được chia thành các khung (frame). Mỗi khung lại được chia thành k khe thời gian (slot). Trong một khung, tùy theo mã của từng user mà nó sẽ sử dụng một trong k khe thời gian của khung. Tín hiệu được truyền trong mỗi khe có tốc độ gấp k lần so với tín hiệu truyền trong toàn bộ khung nhưng tần số cần thiết để truyền tăng gấp k lần. 1.1.3.3 Các chuỗi trải phổ cơ bản Trang: 20 Hình 1.9: Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH – SS Bộ điều chế dữ liệu d(t) Bộ tạo mã PN c(t) Bộ tạo sóng mang Máy phát slow in fast out Buffer Bộ giải điều chế dữ liệu Bộ tạo sóng mang Bộ tạo mã PN c r (t) d r (t ) Máy thu fast in slow out Buffer Có sáu chuỗi trải phổ cơ bản sau: Chuỗi giả ngẫu nhiên PN (Pseudo- random Noise), chuỗi Gold, chuỗi Gold trực giao (Orthogonal Gold), chuỗi Kasami, chuỗi Hadamarh Walsh và chuỗi GOLAY bù. Do trong phạm vi đề tài này chỉ sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên PN và chuỗi Hadamarh Walsh nên ta chỉ đi sâu về hai chuỗi này. 1.1.3.3.1Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên Hình 1.10 Sơ đồ mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên là chuỗi tín hiệu nhị phân tuần hoàn nhưng có chu kỳ lặp lại rất lớn, do đó nếu không được biết trước quy luật của nó, người quan sát khó nhận biết được quy luật. Ta gọi đó là chuỗi giả ngẫu nhiên (PRBS: Pseudo Random Binary Sequence)[1],[2]. Chuỗi PRBS được tạo ra từ mạch chuỗi gồm ND-FlipFlop ghép liên tiếp nhau như hình 2.9 Hình 1.11 Đồ thị hàm tự tương quan của chuỗi PRBS Tùy theo vị trí đóng mở của các khoá mà ta có các tín hiệu hồi tiếp về Trang: 21 [...]... rộng bít và fc là tần số sóng mang Bây giờ ta xét quá trình xẩy ra ở máy thu Để đơn giản ta coi rằng máy thu được đồng bộ sóng mang và mã trải phổ với máy phát, nghĩa là tần số, pha sóng mang và mã trải phổ của máy thu giống như máy phát Ngoài ra nếu Trang: 28 bỏ qua tạp âm nhiệt của đường truyền và chỉ xét nhiễu của K-1 người sử dụng trong hệ thống, giả sử công suất tín hiệu thu tại máy thu k của... tin liên quan tới nó, đó là tìm hiểu nguyên lý CDMA, ba kỹ thu t trải phổ đó là: Kỹ thu t trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp, kỹ thu t trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số, kỹ thu t trải phổ Trang: 29 bằng phương pháp nhảy thời gian và hai chuỗi trải cơ bản nhất được sử dụng trong đồ án này, hai chuỗi này là chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên và chuỗi Hadamarh Walsh Bên cạnh đó các hiệu năng... bổ sung ở đường không đi thẳng 1.1.5 Hệ thống DS – CDMA (Direct Spread – Code Division Multiple Access) Hình 1.13: Mô hình đơn giản của một hệ thống DSSS gồm K người sử dụng chung một băng tần với cùng một sóng mang fc và điều chế BPSK Hệ thống DS – CDMA dựa trên kỹ thu t trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp và các lý thuyết cơ bản về kỹ thu t CDMA Mô hình đơn giản của một hệ thống trải phổ gồm... thoa và truyền đa tia trong hệ thống để từ đó chúng ta tìm cách khắc phục chúng Quan trọng nhất của chương này là đã khái quát hệ thống DS -CDMA Để từ đây chúng ta nắm bắt được quá trình phát và thu của hệ thống 1.2 MÁY THU RAKE Chuỗi tín hiệu giả ngẫu nhiên được phát điở CDMA có đặc điểm là các phiên bản dịch thời gian của nó hầu như không tương quan Như vậy môt tín hiệu được truyền từ máy phát sang máy. .. 1.2.1: Cấu trúc máy thu RAKE Ở máy thu RAKE để nhận được các phiên bản dịch thời của chuỗi ngẫu nhiên , tín hiệu phải đi qua đường trễ trước khi được lấy tương quan và được kết hợp Đường trễn bao gồm nhiều mắt trễn có thời gian trễn bằng thời gian một chip Tc Máy thu dịch định thời bản sao mã trải phổ từng chip cho từng ký hiệu thông tin để trải phổ ký hiệu trong cùng một ký hiệu và tạo nên lý lịch... trễn này , máy thu chọn các đường truyền để kết hợp RAKE theo thứ tự giảm dần công suất thu đường trên cơ sở số lượng bộ tương quan,bộ ước tính kênh và bộ bù trừ biến đổi pha (gọi là các ngón máy thu RAKE) Trong thực tế, vì các tín hiệu trải phổ có cả nhiễu của người sử dụng khác và các tín hiệu đa đường của kênh người sử dụng nên giá trị ngưỡng được lập dựa trên cơ sở công suất tạp âm nền và các đường... f c t ) b(t)c(t) c(t) Sóng mang (a) Máy phát r (t ) = Ab(t )c(t )cos(2π f c t) b′ (t ) T + n(t ) + j (t ) ∫ (.) dt 0 s 0 + n0 + j 0 Thiết bị đánh giá ngưỡng (hạn biên cứng) B.c(t )cos(2π f c t) A= 2 E b / Tb B= 2 / Tb Ức tính của b(t) (b) Máy thu Hình 1.12: Sơ đồ khối máy phát và máy thu DS/SS-BPSK Ta có thể thiết lập quan hệ giữa tỷ số tín hiệu trên tạp âm đầu vào SNRi với tỷ số tín hiệu trên tạp... FDMA và TDMA Tuy nhiên việc tái sử dụng tần số không phải là giải pháp thích hợp trong các hệ thống CDMA Ở các hệ thống này điều khiển công suất chính xác và phân tập các đường truyền sử dụng để chống lại các ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh từ nhiều người sử dụng khác thậm chí ở một ô đơn Trong hệ thống CDMA để tăng dung lượng đường xuống ta có thể sử dụng các kỹ thu t như phát không liên tục dựa vào... hợp RAKE cũng sẽ thường xuyên thay đổi Máy phải định thời cập nhật lý lịch trễ đường truyền trên cơ sở lý lịch mới (quá trình này được gọi là tìm kiếm đường truyền vì nó Trang: 31 liên quan đến tìm kiếm đường truyền để kết hợp RAKE) Vì các đường truyền tách biệt được thu từ các đường truyền song độc lập, nên chúng bị thăng giáng fading khác nhau Hình 1.2.2 cho ta thấy cấu hình của một máy thu RAKE. .. RAKE Ký hiệu hoa tiêu này cho phép máy thu biết được pha điều chế của số hiệu phát , đối với W -CDMA ,ký hiệu này được đặt trên kênh 0, và ký hiệu số liệu được ghép lên kênh 1 Các ký hiệu này được điều chế bằng sóng mang trực Bộ kết hợp RAKE Trang: 32 giao Ở đường xuống , nó được ghép thời gian chung với ký hiệu số liệu trên kênh này và điều chế QPSK 1.3 ỨNG DỤNG HỆ THỐNG CDMA 1.3.1 Điều khiển công suất . nhiễu ít. Vì thế ở môi trường đa người sử dụng ta phải thiết kế các tín hiệu PN sao cho chúng có tương quan chéo nhỏ. 1.1.4.3 Truyền đa tia Trong trường hợp truyền đa tia, tín hiệu thu gồm thành. Chương này đề tài cũng nguyên cứu các vấn đề liên quan tới hệ thống DS-CDMA. 1.1.2 Nguyên lý của kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Trang: 12 Hình 1.1: Quá trình trải phổ và nén phổ. đang được truyền đi trên nền nhiễu. Chỉ máy thu biết được chính xác quy luật của chuỗi giả ngẫu nhiên mà máy phát sử dụng mới có thể thu nhận được tin tức. Trang: 15 + Bảo vệ chống nhiễu đa