TÌM HIỂU KỸ THUẬT TRẢI PHỔ CDMA TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

TÌM HIỂU KỸ THUẬT TRẢI PHỔ CDMA TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Những đặc thù của thông tin di động

Thông tin di động là hình thức liên lạc sử dụng sóng điện từ, cho phép người dùng kết nối và di chuyển linh hoạt Đến nay, chưa có môi trường thông tin nào khác được phát hiện có ưu thế hơn sóng điện từ trong việc truyền tải thông tin.

Mỗi cuộc liên lạc giữa hai người cần một kênh truyền vô tuyến độc lập, với dải thông khoảng 3KHz cho mỗi cuộc gọi Dải tần số vô tuyến từ 0 đến 3 GHz chỉ cho phép thực hiện khoảng một triệu cuộc gọi đồng thời Để hàng triệu người có thể sử dụng điện thoại di động cùng lúc, cần phải có các giải pháp tối ưu, vì dải tần số này còn phải phục vụ nhiều lĩnh vực khác như quốc phòng, hàng không và nghiên cứu khoa học Do đó, phần tần số dành cho thông tin di động chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng thể.

Giải pháp duy nhất để giải quyết vấn đề nhiều người dùng độc lập trên một dải tần số vô tuyến hạn chế là sử dụng lại tần số, miễn là khoảng cách vật lý giữa hai cuộc liên lạc đủ xa để sóng không gây nhiễu cho nhau Địa bàn có dịch vụ thông tin di động được chia thành các tế bào, cho phép hai cuộc gọi ở các tế bào khác nhau sử dụng cùng một dải tần số thông qua quản lý của trạm trung tâm tế bào Nếu kích cỡ tế bào rất nhỏ và công suất thu phát được khống chế, có thể phục vụ nhiều cuộc gọi di động cùng lúc chỉ với một dải tần sóng vô tuyến hạn chế Phương pháp này được gọi là phương pháp sử dụng lại tần số, dẫn đến nhiều hệ quả khác.

• Chống nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh lân cận

• Quản lý kênh truyền (khi có yêu cầu sử dụng hoặc giải phóng kênh)

• Đăng ký vị trí (mới biết người liên lạc ở tế bào nào để tìm gọi) …

Lương Thị Thuận 5 Trường Đại học Công Nghệ

Người sử dụng ngày càng yêu cầu thiết bị cầm tay phải nhỏ gọn, nhẹ và tiết kiệm năng lượng để duy trì cuộc gọi lâu dài Những yêu cầu này đặt ra thách thức lớn cho công nghệ điện tử và kỹ thuật xử lý tín hiệu, mà các tiến bộ cách đây 20 năm không thể đáp ứng Do đó, phải đến cuối thập kỷ 80 của thế kỷ trước, công nghệ điện tử mới có những bước tiến đủ mạnh để đáp ứng nhu cầu này.

Trong những năm gần đây, 20 thông tin di động đã trở thành một phần không thể thiếu trong đời sống xã hội nhờ vào các sản phẩm thương mại hấp dẫn Sự phát triển nhanh chóng này đã diễn ra trong thập kỷ tiếp theo, khi các dịch vụ đa năng được giới thiệu với chất lượng ngày càng cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của người dùng.

Thông tin di động có đặc thù cơ bản là sự mâu thuẫn giữa số lượng người dùng đông đảo và dải tần hạn chế Điều này dẫn đến việc chia vùng dịch vụ thành các tế bào, kèm theo các kỹ thuật hệ thống cần thiết để xây dựng hệ thống tế bào Do đó, hệ thống thông tin di động khác biệt rõ rệt so với hệ thống thông tin cố định, bao gồm cả hữu tuyến và vô tuyến.

Lịch sử phát triển của thông tin di động

Để có cái nhìn tổng quan về sự phát triển của thông tin di động, chúng ta sẽ điểm qua những mốc quan trọng trong lịch sử, với ví dụ điển hình là quá trình phát triển thông tin di động tại Mỹ.

Năm 1946, dịch vụ điện thoại di động công cộng lần đầu tiên ra mắt tại 25 thành phố của Mỹ, sử dụng ăng ten công suất lớn để phủ sóng toàn thành phố trong bán kính 50km Hệ thống này áp dụng kỹ thuật FM và truyền bán song công (Push-to-talk) trên băng tần 150MHz với độ rộng kênh truyền 120kHz Tuy nhiên, đây vẫn chưa phải là hệ thống tế bào, tần số chưa được lặp lại, dẫn đến số lượng người được phục vụ còn rất hạn chế.

Năm 1950: Độ rộng kênh thu hẹp lại còn 60kHz, dẫn đến số kênh sử dụng tăng gấp đôi

Năm 1960: Độ rộng kênh chỉ còn 30kHz, hiệu suất phổ tần tăng gấp 4 lần

Từ năm 1950 đến 1960, tổng đài tự động và dịch vụ IMTS (gồm song công, tự động quay số, tự động chọn kênh) đã ra đời Tuy nhiên, dịch vụ này nhanh chóng bị bão hòa do chất lượng kém và thường xuyên bị bận, dẫn đến nhu cầu sử dụng không được đáp ứng Dịch vụ IMTS hiện vẫn còn tồn tại.

Mỹ, song hiệu suất sử dụng phổ kém so với điện thoại tế bào hiện nay

Trong giai đoạn này, lý thuyết mạng tế bào đã được giới thiệu, với dự án điện thoại của AT&T ra mắt vào năm 1968 Tuy nhiên, công nghệ điện tử thời điểm đó vẫn chưa đủ khả năng đáp ứng nhu cầu phát triển này.

Năm 1983: Ra đời hệ thống thông tin di động tiên tiến AMPS ( Advanced

Hệ thống điện thoại di động đánh dấu sự ra đời của điện thoại tế bào thế hệ 1 Ủy ban Viễn thông Liên bang Mỹ (FCC) đã cấp cho dịch vụ này một dải tần 40MHz trong khoảng tần số 800MHz, tương ứng với 660 kênh song công rộng 2x30kHz= 60kHz Dải tần này được phân bổ đồng đều cho hai nhà cung cấp nhằm thúc đẩy sự cạnh tranh trong ngành viễn thông.

Năm 1989, để đáp ứng nhu cầu tăng trưởng mạnh mẽ của người dùng, FCC đã bổ sung thêm 10MHz phổ cho dịch vụ điện thoại di động, tương đương với 166 kênh song công Hệ thống điện thoại tế bào này hoạt động trong môi trường hạn chế giao thoa, áp dụng kỹ thuật tái sử dụng tần số và đa truy cập theo tần số (FDMA).

Năm 1991, hệ thống tế bào số (USDC) được ra đời theo chuẩn IS-54, dựa trên hạ tầng AMPS Hệ thống này hỗ trợ 3 người dùng trên 1 kênh 30kHz với kỹ thuật điều chế π/4.

Kỹ thuật nén tiếng nói và xử lý tín hiệu đã phát triển, cho phép tăng dung lượng lên 6 lần khi kết hợp với kỹ thuật đa truy cập theo thời gian TDMA, đồng thời tồn tại song song với AMPS trên cùng một cơ sở hạ tầng Sự phát triển này đánh dấu sự ra đời của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai, được biết đến ở Châu Âu với tên gọi GSM.

Năm 1991, công ty QUALCOM đã phát triển hệ thống dựa trên kỹ thuật trải phổ theo chuẩn IS-95, cho phép hỗ trợ nhiều người dùng trên một dải tần.

1.25MHz, sử dụng kĩ thuật đa truy cập phân chia theo mã CDMA Có nhiều ưu điểm hơn AMPS về dung lượng, yêu cầu về tỉ số SNR thấp hơn, về giá thành có tính cạnh tranh cao

Vấn đề tích hợp nhiều mạng khác nhau trong một cơ sở hạ tầng cũng được đặt ra từ những năm 90

Từ năm 1995: Chính phủ mỹ đã cấp giấy phép trên dải tần 1800->2100MHz, hứa hẹn sự phát triển mới cho các dịch vụ thông tin cá nhân (PCS)

Năm 2000, Tổ chức Viễn thông Quốc tế (ITU) đã thực hiện việc tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000, đánh dấu sự ra đời của hệ thống thông tin di động thứ ba.

1.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất

Khái niệm về công nghệ di động bắt đầu hình thành từ cuối những năm 40 tại phòng thí nghiệm Bell của AT&T, nhưng phải đến đầu những năm 70, AT&T mới chính thức triển khai dự án điện thoại tế bào.

Vào năm 1983, dịch vụ AMPS được giới thiệu bởi AT&T và Motorola, đánh dấu sự ra đời của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất Hệ thống này sử dụng kỹ thuật tương tự và phương pháp điều tần FM để truyền tải âm thanh trên băng tần 800MHz với độ rộng phổ 40MHz Để tối ưu hóa việc sử dụng nguồn tần số có hạn, toàn bộ khu vực được quản lý chặt chẽ.

Lương Thị Thuận 7 Trường Đại học Công Nghệ cho biết, dịch vụ được chia thành các miền nhỏ gọi là tế bào (cell) Mỗi tế bào cung cấp một tần số nhất định và có anten trung tâm với công suất phát phù hợp, nhằm quản lý các thiết bị di động trong tế bào mà không gây nhiễu cho các tế bào lân cận.

Khi các cell ở cách nhau đủ xa thì có thể sử dụng lại tần số

Hình 1 Lặp lại nhóm tế bào trong vùng dịch vụ

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất bao gồm nhiều hệ thống khác nhau trên toàn thế giới, chẳng hạn như NMT tại Châu Âu, NTT ở Nhật Bản và TACS ở Anh.

Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ truy cập FDMA có sơ đồ khái quát như sau:

Hình 2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất

MSC Mobile service Switching Center Trung tâm chuyển mạch nghiệp vụ di động AuC Authentication Center Trung tâm nhận thực

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

BS Base Station Trạm gốc

SS7 common channel Signaling System no.7 Báo hiệu kênh chung số 7

PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin di động

Để tối ưu hóa dung lượng dải vô tuyến trong hệ thống thông tin di động, các kỹ thuật ghép kênh được áp dụng Mỗi hệ thống ghép kênh đều dựa trên khái niệm đa truy cập, cho phép nhiều thuê bao chia sẻ tài nguyên tần số hoặc khe thời gian, hoặc cả hai Có ba hình thức đa truy cập cơ bản: Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), và Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA).

1.3.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật FDMA chia dải thông băng tần thành 2N dải con, mỗi dải con là một kênh vô tuyến, với N kênh cho liên lạc hướng lên và N kênh cho liên lạc hướng xuống Mỗi thuê bao được cấp phát một cặp kênh trong suốt quá trình liên lạc, cho phép các kênh phát liên tục cùng lúc Để đảm bảo chất lượng tín hiệu, cần có khoảng bảo vệ giữa các dải sóng mang để khắc phục sự không hoàn hảo của bộ tạo dao động và bộ lọc Kỹ thuật FDMA có thể áp dụng cho cả hệ thống truyền dẫn số và tương tự, với ưu điểm là đơn giản và không cần đồng bộ giữa phát và thu Tuy nhiên, kỹ thuật này cũng gặp một số nhược điểm như thiếu linh hoạt trong tái cấu hình, tổn thất dung lượng khi số lượng truy cập tăng, và cần điều khiển công suất phát của các trạm Một ví dụ điển hình của hệ thống FDMA là AMPS, sử dụng điều chế.

FM cho truyền dẫn tương tự

1.3.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Trong hệ thống TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời gian

Trong hệ thống TDMA, năng lượng tín hiệu được giới hạn trong các khe thời gian, giúp giảm nhiễu giữa các kênh kề nhau Mỗi cuộc đàm thoại được chuyển đổi thành tín hiệu số và phân bổ vào một khe thời gian cụ thể Số lượng khe thời gian trong một kênh vô tuyến có thể thay đổi tùy theo thiết kế hệ thống, nhưng tối thiểu là hai khe thời gian Điều này cho phép TDMA phục vụ nhiều khách hàng hơn nhiều lần so với kỹ thuật FDMA trong cùng một băng thông.

TDMA là một hệ thống phức tạp hơn FDMA vì yêu cầu số hóa hoặc mã hóa tín hiệu thoại, sau đó lưu trữ vào bộ nhớ đệm để gán cho khe thời gian Quá trình này dẫn đến việc truyền dẫn tín hiệu không liên tục và cần tốc độ truyền dẫn lớn hơn nhiều lần so với tốc độ mã hóa Hơn nữa, do chứa nhiều thông tin trong cùng một dải thông, thiết bị TDMA cần kỹ thuật phức tạp hơn để cân bằng tín hiệu thu, nhằm duy trì chất lượng tín hiệu.

Trong hệ thống thông tin TDMA, một sóng mang phục vụ nhiều người dùng bằng cách chia nhỏ trục thời gian thành các khoảng thời gian riêng biệt, giúp tránh chồng chéo Thông tin được truyền tải dưới dạng cụm (burst) trong các khe thời gian đã được phân bổ.

Kỹ thuật TDMA đã khắc phục được các nhược điểm của kỹ thuật FDMA như:

• Không có các sản phẩm xuyên điều chế do tại một thời điểm chỉ khuyếch đại một sóng mang duy nhất

• Hiệu suất truyền cao dù số lượng truy nhập là rất lớn

• Không cần phải khống chế công suất phát của các trạm

• Đơn giản hoá việc điều hưởng do phát và thu trên cùng một tần số

• Việc xử lý tín hiệu số dẫn đến sự đơn giản hoá trong vận hành

Tuy nhiên, TDMA cũng có những nhược điểm nhất định:

• Cần phải đồng bộ hoá

• Cần phải mở rộng kích thước của trạm để phát với hiệu suất cao

• Giá thành đắt do trang thiết bị phức tạp

Lương Thị Thuận 15 Trường Đại học Công Nghệ

Sơ đồ mô tả sự phân chia khe thời gian (hay phổ TDMA) cho những người sử dụng hệ thống thông tin TDMA

Người sử dụng 1 Người sử dụng 2 Người sử dụng 3

TDMA được chia ra TDMA băng rộng và TDMA băng hẹp Trong đó Mỹ và

Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng

Hệ thống TDMA Bắc Mỹ :

Hệ thống TDMA Bắc Mỹ sử dụng dải tần (869 - 894) và (824 - 849)MHz

Khoảng cách sóng mang là 30 KHz và mỗi kênh tần số được chia thành 6 khe thời gian Cấu trúc khung của hệ thống TDMA Bắc Mỹ như sau:

3 thuê bao số với tốc độ cao nhất trên một kênh

Lương Thị Thuận 17 Trường Đại học Công Nghệ

6 thuê bao với một nửa tốc độ trên một kênh

Hình 6 Cấu trúc khung TDMA

Dạng khe thời gian của hệ thống TMDA được mô tả như sau:

Hình 7 (a) Dạng khe thời gian máy di động đến trạm gốc

Hình 7(b) Dạng khe thời gian từ trạm gốc đến máy di động

Trong đó: G (Guard): là thời gian bảo vệ

SACCH là kênh điều khiển liên kết chậm

CDVCC là mã xác định mẫu số đã mã

Hệ thống TMDA Châu Âu là một hệ thống GMS, sử dụng công nghệ TDMA để truyền dẫn tín hiệu Hệ thống này hoạt động trên băng tần 890 - 915 MHz cho tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc (BS) và băng tần 935 - 960 MHz cho tín hiệu từ BS đến máy di động.

Cấu trúc khung hệ thống TDMA như sau:

1 siêu siêu khung = 2048 siêu khung

1siêu khung& khung(hoặc51 khung)

51 khung 26 khung đa khung (120 ms) đa khung (235,4 ms)

1 khung TDMA = 8 khe thời gian (4.615 ms)

1.3.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Lý thuyết CDMA, phát triển từ những năm 1950 và ứng dụng trong thông tin quân sự từ thập niên 1960, đã được thương mại hóa vào những năm 1980 nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin Các phương pháp thu GPS và Omni-TRACS đã mở đường cho sự phát triển này, trong khi hệ thống tổ ong của Qualcomm vào những năm 1990 đã đề xuất ứng dụng CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA hoạt động dựa trên nguyên lý trải phổ, không phân bổ tần số và thời gian rời rạc cho từng thuê bao.

Giải pháp này tối ưu hóa tiềm năng cho mọi thuê bao bằng cách khống chế công suất phát ở mức tối thiểu cần thiết để duy trì tỷ số tín hiệu/tạp âm đạt yêu cầu chất lượng Mỗi thuê bao sử dụng tín hiệu băng rộng, tạo ra tạp âm trên toàn dải tần, ảnh hưởng đến các thuê bao khác nhưng ở mức tối thiểu Mặc dù can nhiễu bổ sung hạn chế dung lượng, nhưng với việc phân bố tiềm năng thời gian và dải thông không bị giới hạn, dung lượng tổng thể vẫn lớn hơn đáng kể so với các hệ thống TDMA và FDMA.

Trong hệ thống thông tin CDMA, nhiều thuê bao có thể cùng lúc sử dụng kênh vô tuyến để thực hiện các cuộc gọi Mỗi thuê bao được phân biệt bằng một dãy mã giả ngẫu nhiên riêng biệt, không trùng lặp với bất kỳ thuê bao nào khác.

Tại đầu phát, tín hiệu thông tin được trải phổ bằng cách sử dụng mã giả ngẫu nhiên PN (Pseudo Noise) và được lọc qua bộ lọc có băng thông tương ứng với độ rộng kênh.

Mã giả ngẫu nhiên là các chuỗi bít được tạo ra từ một biến số ngẫu nhiên duy nhất, gọi là điểm khởi đầu của chuỗi Nó có tốc độ lớn hơn nhiều so với tốc độ tin Để sử dụng hiệu quả, tập hợp các mã cần phải có các thuộc tính tương quan nhất định.

Mỗi mã phải có thể phân biệt được một cách dễ dàng với một bản sao của chính nó bị dịch chuyển theo thời gian

Lương Thị Thuận 19 Trường Đại học Công Nghệ

Mỗi mã cần phải dễ dàng phân biệt với các mã khác đang sử dụng trên mạng Đầu thu tạo ra một dãy ngẫu nhiên tương tự như đầu phát và khôi phục tín hiệu gốc bằng cách giải mã phổ các tín hiệu đồng bộ thu được.

CDMA vượt trội hơn so với các kỹ thuật đa truy cập khác nhờ vào dung lượng cao, khả năng chống nhiễu tốt, bảo mật cao và giảm thiểu pha đinh đường truyền Công nghệ này đảm bảo truyền dẫn chất lượng cao và cho phép chuyển vùng mềm giữa các trạm gốc.

Xu thế phát triển của thông tin di động

Hiện nay, thông tin di động đang phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng về số lượng, chất lượng và đa dạng dịch vụ Sự phát triển này có thể được chia thành nhiều hướng khác nhau.

Phát triển theo tiêu chuẩn IMT-2000 do ITU quy định, nhằm thống nhất các hệ thống di động đa năng thế hệ thứ ba trên toàn cầu.

Xu hướng phát triển mạng vô tuyến trong nhà dùng cho các trụ sở, công ty lớn

(trên tần số cao 18GHz)

Từ những năm 1990, nghiên cứu toàn cầu đã tập trung vào việc phát triển hệ thống vô tuyến cá nhân, kết hợp trí thông minh của mạng PSTN với công nghệ xử lý tín hiệu số hiện đại và công nghệ RF Các kỹ thuật điều chế, đa truy cập và mạng được lựa chọn để cung cấp dịch vụ đến tay từng người dùng.

PCS (Person Communication Servise) (ví dụ cụ thể như mạng Cityphone) PCN

(Person Communication Network ) là khái niệm mạng mà người dùng có thể thu và tiến hành cuộc gọi ở bất cứ đâu dùng thiết bị cá nhân nhỏ nhẹ

Phát triển viễn thông kết hợp vệ tinh đang trở thành xu hướng quan trọng, nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ vũ trụ Hệ thống thông tin vệ tinh kết hợp với mạng di động mặt đất tạo ra một hệ viễn thông toàn cầu, có khả năng kết nối hiệu quả ở mọi địa hình và phù hợp với nhiều loại hình dịch vụ khác nhau.

Các quốc gia phát triển hiện nay có cơ hội tiếp cận nhanh chóng các công nghệ tiên tiến và lựa chọn các mô hình phát triển phù hợp với tương lai.

Lương Thị Thuận 21 Trường Đại học Công Nghệ

KỸ THUẬT TRẢI PHỔ CDMA TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Nguyên lý trải phổ

Nguyên lý trải phổ cho phép cung cấp đồng thời tất cả các tiềm năng tần số và thời gian cho mọi thuê bao, đồng thời kiểm soát mức công suất phát từ mỗi thuê bao để duy trì tỷ số tín hiệu/tạp âm đạt yêu cầu chất lượng Mỗi thuê bao sử dụng tín hiệu băng rộng như tạp âm chiếm toàn bộ dải tần, góp phần vào tạp âm nền ảnh hưởng đến các thuê bao khác, nhưng với mức tối thiểu thông qua việc kiểm soát công suất phát Do đó, một hệ thống được coi là trải phổ khi đáp ứng các tiêu chí này.

Tín hiệu trải phổ (tín hiệu phát) phải có độ rộng phổ lớn hơn nhiều lần độ rộng phổ của thông tin gốc cần truyền

Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với dữ liệu gốc

Sơ đồ nguyên lý trải phổ như sau:

Sóng mang tạp âm băng rộng Sóng mang hình sin

Sóng mang tạp âm băng rộng

+ Đồng nhất và đồng bộ theo thời gian

Hình 9 Nguyên lý trải phổ

Có 3 kỹ thuật trải phổ cơ bản:

• Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS – Direct Sequence Spread Spectrum)

• Trải phổ nhảy tần (FH/SS – Frequence Hopping Spread Spectrum)

• Trải phổ dịch thời gian (TH/SS – Time Hopping Spread Spectrum)

2.1.2 Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA)

Hệ thống DS/SS sử dụng phương pháp trải phổ bằng cách kết hợp module 2 của dữ liệu gốc với mã giả ngẫu nhiên Sau khi tín hiệu được trộn, nó sẽ được điều chế thành sóng mang thông qua các kỹ thuật như BPSK và QPSK.

Máy thu sử dụng mã giả ngẫu nhiên tương tự như bên phát cộng module 2, cho phép thu tín hiệu và thực hiện giải trải phổ để lấy tín hiệu mong muốn Đây là một trong những hệ thống phổ biến nhất trong lĩnh vực thông tin trải phổ, nhờ vào tính đơn giản của nó, không yêu cầu tốc độ tổng hợp tần số cao.

2.1.2.1 Kỹ thuật DS/SS – BPSK

Quá trình trải phổ DS/SS - BPSK

Quá trình trải phổ tín hiệu tin được minh hoạ như hình vẽ sau:

Tín hiệu DS/SS - BPSK s(t) = Ab(t)p(t)cos(2πf c t + θ(t))

Dữ liệu nhị phân Điều chế BPSK b(t)p(t) p(t)

Bộ tạo sóng mang Acos(2πf c t + θ(t))

Hình 10 Quá trình trải phổ DS/SS - BPSK

Bản tin nhị phân cần phát có tốc độ bit Rb = 1/Tb được mã hoá theo NZR sao cho b(t)= ±1 Ta có thể biểu diễn b(t) như sau: b(t) = ∑ ∞ b

Trong đó, bk = ±1 là bit số liệu thứ k và T là độ rộng xung của một bit số liệu

Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng cách nhân với tín hiệu giả ngẫu nhiên p(t), trong đó p(t) = ±1 và có tốc độ Rc = 1/Tc lớn hơn nhiều lần so với Rb Phần tử nhị phân trong chuỗi p(t) được gọi là chip, nhằm phân biệt với phần tử nhị phân (bit) của bản tin Tín hiệu b(t)p(t) nhận được sẽ được điều chế bằng phương pháp điều chế sóng mang.

BPSK Tín hiệu phát DS/SS – BPSK là: s(t) = Ab(t)p(t) cos(2πfct + θ(t))

Trong đó: A là biên độ sóng mang fc là tần số sóng mang θ(t) là pha của sóng mang được điều chế

Tín hiệu b(t)p(t) có tốc độ bằng tốc độ chip, nghĩa là T = NTc Dạng sóng của các tín hiệu khi N = 7 như sau: b(t) p(t) b(t).p(t) s(t)

Hình 11 Dạng sóng tín hiệu DS/SS

Lương Thị Thuận 23 Trường Đại học Công Nghệ

Sơ đồ khối quá trình giải trải phổ như sau:

Tín hiệu số liệu thu được Điều chế BPSK

Bộ khôi phục sóng mang Acos(2πf c t + θ(t)) Đồng bộ mã Bộ tạo mã PN

Hình 12 Quá trình giải trải phổ DS/SS – BPSK

Tín hiệu thu được tại máy thu, m(t), bao gồm tín hiệu phát bị trễ τ và tạp âm n(t), được biểu diễn là: m(t) = s(t- τ) + n(t) Bỏ qua tạp âm để đơn giản hóa quá trình giải trải phổ, tín hiệu r(t) tại đầu vào bộ lọc thông dải (BPF) trở thành: r(t) = Ab(t- τ)p(t- τ) cos{2πfc(t- τ) + θ(t)}.

Bộ lọc thông dải trong bộ tách sóng giúp loại bỏ các tần số cao, chỉ giữ lại thành phần tần số thấp u(t) = b(t)p(t) Thành phần này sau đó được nhân với mã nội tại p(t- τ) được tạo ra từ máy thu đã được đồng bộ.

Do p(t- τ) = ±1 nên p 2 (t- τ) =1.Tại đầu ra của bộ nhân sẽ có: x(t) = b(t- τ)p(t- τ)p(t- τ) = b(t- τ)p 2 (t- τ) = b(t- τ)

Tín hiệu được tích hợp qua một chu kỳ bit nhằm mục đích lọc tạp âm Tại đầu ra của bộ tích hợp, bản tin phát được khôi phục giống như tín hiệu băng gốc, nhưng có độ trễ thời gian là τ.

Trong quá trình nén phổ, bên thu nhận tín hiệu s(t) cùng với các tín hiệu sóng mang si(t) không mong muốn từ (N-1) người dùng khác ở cùng tần số Kết quả thu được sẽ là: r(t) = s(t) + ∑ si(t).

Khi giải trải phổ, đầu ra của tín hiệu nhân là: x(t) = b(t).p 2 (t) + ∑ b i ( ) ( ) ( ) t p i t p t = b(t) + ∑ b i ( ) ( ) ( ) t p i t p t

Do đã chọn p(t), pi(t) là các hàm trực giao nên tương quan giữa chúng rất nhỏ

Việc nhân ∑ b i ( ) ( ) t p i t với p(t) tương đương với việc trải rộng phổ một lần nữa cho bản tin bi(t) đã bị trải phổ trước đó Kết quả là, mật độ phổ của tạp âm ∑ b i ( ) ( ) ( ) t p i t p t sẽ rất thấp, dẫn đến công suất của tạp âm giao thoa trong băng tần của tín hiệu b(t) cũng sẽ rất thấp.

Mỗi kênh truyền thông đều có mã trải phổ riêng, giúp thu hẹp phổ sóng mang thông tin hữu ích trong khi làm cho phổ sóng không mong muốn bị trải ra, từ đó giảm thiểu công suất can nhiễu Việc sử dụng các mã trải phổ này như khóa cho phép thực hiện đa truy nhập CDMA, đồng thời nâng cao khả năng chống nhiễu và bảo mật cuộc gọi.

Mật độ phổ công suất

Lương Thị Thuận 25 Trường Đại học Công Nghệ Điều chế bởi b(t).p(t) Điều chế bởi b(t) f c R b

Hình 13 Phổ của sóng mang khi điều chế trải phổ và không trải phổ trong hệ

2.1.2.2 Kỹ thuật DS/SS – QPSK

Kỹ thuật này giúp giới hạn băng tần cao khi tốc độ mã cố định QPSK là phương pháp điều chế kết hợp hai bit dữ liệu thành một ký hiệu, từ đó tăng tốc độ truyền dữ liệu gấp đôi với băng tần RF đã định Phương pháp này cũng giảm yêu cầu băng tần RF xuống một nửa so với tốc độ mã đã cho Tuy nhiên, độ lợi xử lý sẽ giảm tương ứng với tỷ lệ lỗi bit cao hơn.

Quá trình trải phổ DS/SS – QPSK b(t)p Q (t) b(t)p I (t)

Bộ điều chế (BPSK) Dịch π/2

Hình 14 Sơ đồ trải phổ DS/SS – QPSK

Tín hiệu DS/SS – QPSK có dạng: s(t) = sI(t) + sQ(t) sI(t) = Ab(t)pI(t) cos[2πfct + θ(t)] sQ(t) = Ab(t)pQ(t) sin[2πfct + θ(t)]

Khi đó : s(t) = Ab(t)pI(t) cos[2πfct + θ(t)] + Ab(t)p Q (t) sin[2πfct + θ(t)]

Trong đó: θ(t) = π/4 nếu sI(t) = 1, sQ(t) = 1 θ(t) = 3π/4 nếu sI(t) = 0, sQ(t) = 1 θ(t) = 5π/4 nếu sI(t) = 0, sQ(t) = 0 θ(t) = 7π/4 nếu sI(t) = 1, sQ(t) = 0

Như vậy, tín hiệu s(t) có thể nhận 4 trạng thái pha khác nhau là: π/4, 3π/4,

Các tần số 5π/4 và 7π/4 được hình thành từ hai thành phần sóng mang lệch pha nhau π/2 Điều này dẫn đến việc trải phổ bằng hai mã giả ngẫu nhiên khác nhau, pI(t) và pQ(t), tương ứng với hai quá trình trải phổ độc lập.

Quá trình giải trải phổ DS/SS – QPSK

Tín hiệu số liệu thu được s(t - τ) sóng mang

Bộ tạo mã PN 2 uQ uI

Hình 15 Sơ đồ khối giải trải phổ DS/SS – QPSK

Ta có: uI(t) = {Ab(t- τ)p1(t- τ) cos[2πfc ( t- τ) + θ(t- τ)] + Ab(t- τ)p2(t- τ) sin[2π fc

= Ab(t- τ)p1(t- τ) p2(t- τ)cos[2πfc ( t- τ) + θ(t- τ)]sin[2πfc (t- τ) + θ(t- τ)]

= Ab(t- τ) cos 2 [2πfc ( t- τ) + θ(t- τ)] + Ab(t- τ)p1(t- τ) p2(t- τ)cos[2πfc ( t- τ) + θ(t- τ)]sin[2πfc (t- τ) + θ(t- τ)] uQ(t) = Ab(t- τ) sin 2 [2πfc ( t- τ) + θ(t- τ)] + Ab(t- τ)p1(t- τ) p2(t- τ)cos[2πfc ( t- τ) + θ(t- τ)]sin[2πfc (t- τ) + θ(t- τ)]

Tín hiệu tại đầu vào bộ lọc thông dải (BPF) (bỏ qua tập âm): u(t) = Ab(t- τ) + 2Ab(t- τ)p1(t- τ) p2(t- τ)cos[2πfc ( t- τ) + θ(t- τ)]sin[2πfc (t- τ)

Tín hiệu tại đầu ra bộ lọc thông dải : x(t) = Ab(t- τ)

Lương Thị Thuận 27 Trường Đại học Công Nghệ

Tín hiệu x(t) được cho qua bộ tích phân lấy trong một chu kỳ bit của dữ liệu gốc được tín hiệu thu mong muốn

2.1.3 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần (FH - CDMA)

Kỹ thuật trải phổ nhảy tần FH/SS sử dụng sóng mang có tần số được chọn theo mã trong một tập hợp tần số Băng tần được chia thành các khe tần số không lấn nhau, và chuỗi mã PN sẽ xác định khe tần số nào được sử dụng để truyền tin trong một khoảng thời gian nhất định.

Khác với trải phổ chuỗi trực tiếp, trải phổ nhảy tần mã không điều chế tín hiệu trực tiếp mà sử dụng để điều khiển bộ tổ hợp tần số, tạo ra các tần số khác nhau.

Tốc độ nhảy tần có thể nhanh hơn hay chậm hơn tốc độ số liệu Tương ứng có hai trường hợp là: nhảy tần nhanh và nhảy tần chậm

Sơ đồ khối của máy thu và máy phát của hệ thống nhảy tần như sau:

Dữ liệu nhị phân vào

Bộ tổ hợp tần số

Bộ tổ hợp tần số

Bộ khôi phục định thời Đồng bộ mã

Hình 16 Sơ đồ khối của hệ thống trải phổ FH

Bản tin nhị phân b(t) được phát với tốc độ Rb = 1/Tb và mã hóa NZR, sau đó điều chế bằng sóng mang có tần số fc(t) do bộ tạo mã điều khiển Bộ tổng hợp tần số tạo ra các chip với tốc độ bit Rc, xác định tần số sóng mang dựa trên log2N chip, trong đó N là số lượng tần số sóng mang khả dụng Mỗi lần thay đổi tần số sẽ tạo ra log2N chip liên tiếp, dẫn đến tần số sóng thay đổi theo các bước, với bước tần số được tính là RH = Rc/log2N.

Các dãy giả ngẫu nhiên PN

2.2.1 Giới thiệu chung về chuỗi PN

Dãy Bernoulli, một dạng dãy ngẫu nhiên nhị phân đơn giản, tương ứng với kết quả “ngửa” hoặc “xấp” trong các thử nghiệm tung đồng xu, yêu cầu bộ nhớ lớn vô hạn ở cả máy thu và máy phát Tuy nhiên, sự “ngẫu nhiên” trong dãy này có thể được tạo ra thông qua một phép toán tuyến tính đơn giản với một số lượng hạn chế các tham số nhị phân (bit) Do đó, biến số ngẫu nhiên duy nhất là điểm khởi đầu của chuỗi Các dãy giả ngẫu nhiên cần phải có những thuộc tính cơ bản của “sự ngẫu nhiên”.

Trong một chu kỳ của dãy, số bit “1” và số bit “0” khác nhau nhiều nhất là 1

Một bước chạy được định nghĩa là một chuỗi các số ‘1’ hoặc ‘0’ liên tiếp, với độ dài của bước chạy tương ứng với số bit trong chuỗi đó Để đảm bảo tính chạy của một chuỗi trong một chu kỳ, cần có 1/2 số bước chạy có độ dài 1, 1/4 số bước chạy có độ dài 2, và 1/8 số bước chạy có độ dài 3 Tổng quát, có 1/2^r bước chạy có độ dài r với r < n-1, và 1/2^(n-1) bước chạy có độ dài n, trong đó n là số phần tử nhớ.

Khi thực hiện so sánh theo kiểu số hạng, ta sẽ so sánh các số hạng của một dãy với chính dãy đó nhưng có sự dịch chuyển Một dãy được coi là có tính tương quan tốt nếu số hạng giống nhau chỉ khác nhau không quá một chỉ số đếm so với số hạng khác.

2.2.2 Dãy ghi dịch tuyến tính độ dài cực đại (dãy- m)

Trong kỹ thuật trải phổ, mã PN rất đa dạng, nhưng mã PN được tạo ra từ dãy ghi dịch cơ số hai có độ dài cực đại là loại quan trọng nhất Các dãy cơ số hai này được tạo ra thông qua thanh ghi dịch với mạch hồi tiếp và các mạch cổng XOR Một dãy thanh ghi dịch tuyến tính được xác định bởi đa thức tạo mã tuyến tính g(x) bậc m > 0, với công thức g(x) = gmx^m + gm-1x^(m-1) + + g1x + g0 Trong đó, đối với chuỗi cơ số hai có giá trị {0,1}, các hệ số gi có thể bằng 0 hoặc 1, và gm = g0 = 1 Khi đặt g(x) = 0, ta thu được sự hồi quy cần thiết cho việc phân tích.

Với x k thể hiện đơn vị trễ, phương trình hồi quy trên xác định các kết nối hồi tiếp trong mạch thanh ghi dịch như hình (24)

Trong mạch thanh ghi dịch, các mạch XOR thực hiện phép cộng mod 2 Nếu gi= 1 khóa tương ứng của mạch đóng, nếu gi≠1 thì khóa này mở

Hình 25 Bộ tạo dãy ghi dịch tuyến tính

Thanh ghi dịch là một mạch cơ số 2 trạng thái hữu hạn có m phần tử nhớ

Mỗi phần tử nhớ trong mạch được biểu diễn bằng một Flip-Flop hai trạng thái {1,0}, dẫn đến số trạng thái khác không cực đại là 2 m -1 Số trạng thái này tương đương với chu kỳ cực đại của chuỗi ra C = (co, c1, c2, ) Trong hình (24), trạng thái của thanh ghi dịch tại xung đồng hồ thứ i được thể hiện rõ ràng.

Si = { Si(1), Si(2), Si(3), Si(m)} Đầu ra của thanh ghi dịch ở xung đồng hồ thứ i là:

Thay 1=Ci vào phương trình (2.9) ta được điều kiện hồi quy của chuỗi ra:

Ci = g1ci-1 + g2ci-2 + +gm-1ci-m+1 + ci-m

Ci+m = g1ci+m-1 + g2ci+m-2 + +gm-1ci+1 + ci (mod 2) (2.10) với i >=0

Mỗi đa thức tạo mã xác định giá trị hồi quy Ci và xây dựng thanh ghi dịch bậc m Số phần tử trong thanh ghi dịch tương ứng với bậc m của đa thức Trạng thái của thanh ghi dịch thay đổi theo điều kiện hồi quy từ đa thức tạo mã g(x) Đầu ra của thanh ghi dịch sẽ tạo ra một chuỗi cơ số hai có độ dài cực đại, hay còn gọi là chuỗi m.

Lương Thị Thuận 39 Trường Đại học Công Nghệ

Xét đa thức tạo mã g(x) = 1 + x + x^4, với m = 4, ta có 4 phần tử nhớ (Flip-Flop) Dựa vào đa thức này và công thức (2.10), ta có thể xác định điều kiện hồi quy.

Mạch thanh ghi dịch và chuỗi mã tạo ra ứng với đa thức này như sau:

Chuỗi có chu kỳ cực đại N = 2^4 = 15, nghĩa là sau 15 xung nhịp, các thanh ghi dịch sẽ trở về trạng thái ban đầu Trạng thái 1111 là trạng thái khởi đầu được nạp cho các Flip-Flop.

Flop Các trạng thái đầu của các F-F có thể là bất kỳ nhưng yêu cầu phải khác không

Với việc chọn một đa thức tạo mã nguyên thủy, ta sẽ tạo ra được chuỗi m thỏa mãn các chỉ tiêu ngẫu nhiên.

Đồng bộ

Điều kiện cơ bản để thực hiện đa thâm nhập là phải đồng bộ bộ tạo chuỗi mã

PN ở phía thu và ở phía phát để trải phổ Điều kiện này cho phép máy thu tách được thông tin hữu ích Mi(t)

Quá trình đồng bộ gồm hai giai đoạn:

Quá trình bắt chuỗi mã (bắt đồng bộ) :

Các chuỗi mã PN được tạo ra độc lập ở cả hai phía phát và thu, dẫn đến việc chuỗi PN ở phía thu sẽ bị dịch chuyển một khoảng thời gian τ Nếu tín hiệu ở phía phát được ký hiệu là Ci(t), thì tín hiệu ở phía thu sẽ là Ci(t-τ) Để thực hiện quá trình bắt chuỗi, có thể sử dụng sơ đồ bắt chuỗi như trong hình.

Bộ tách sóng đường bao

Hình 26 Nguyên lý bắt mã ở hệ thống DS - CDMA

Lương Thị Thuận 41 Trường Đại học Công Nghệ

Sơ đồ hình (25) minh họa quy trình bắt mã trong giải điều chế kết hợp với việc khôi phục sóng mang Trong tình huống này, sóng mang đã được khôi phục và sau đó được nhân với sóng mang thu nhận.

S2(t) = Mi(t).Ci(t) cosωc(t) cosωc(t) = 1/2Mi(t).Ci(t)[ cos(2ωct))+1] (2.6)

Sau bộ lọc thông thấp ta được:

Tín hiệu S3(t) được nhân với mã PN của bộ tạo mã địa phương Ci(t-τ) Sau đó tín hiệu được đưa đến bộ tách sóng hình bao

Vì biên độ của sóng mang điều chế bởi Mi(t) là không đổi, tín hiệu ở đầu ra bộ tách sóng hình bao là hàm tự tương quan của Ci(t)

Tín hiệu S4(t) được gửi đến bộ tích phân trong khoảng thời gian tương ứng với một số chu kỳ của chuỗi giả ngẫu nhiên, nhằm tích lũy các giá trị đo với một τ cố định Hàm R(τ) đạt giá trị cực đại tại τ=0 Sau khi qua bộ tích phân, giá trị này được so sánh với ngưỡng; nếu nhỏ hơn ngưỡng, τ sẽ tăng thêm Tc/2, tương ứng với việc bộ tạo mã PN dịch mã đi một khoảng Tc/2 Quá trình này lặp lại cho đến khi điện áp đạt ngưỡng cố định, cho thấy đỉnh tương quan tại τ=0, từ đó chuyển sang chế độ bám Thời gian tích phân được quy định để chống nhiễu, và nếu mất đồng bộ, bộ tích phân sẽ trở về trạng thái ban đầu.

Mạch bám đồng bộ khởi động ngay khi nhận được tín hiệu đồng bộ Mã PN tại máy thu được đồng bộ với mã PN của máy phát trong cùng một chip, tuy nhiên có thể có sự chênh lệch về thời gian τ, với điều kiện 0