Các hệ thống thông tin trải phổ

Tài liệu tham khảo Các hệ thống thông tin trải phổ

Chơng 2 Các Hệ thống thông tin trải phổ Ngày nay, thế giới có rất nhiều hệ thống CDMA, nhng chỉ có hai hệ thống thờng sử dụng nhất. Đó 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. Nhng 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 đợc biết đến trong các giáo trình khác. Trong mục này chúng ta tập trung tìm hiểu, phân tích bộ điều 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 dùng điều chế PSK vì nó thích hợp cho các ứng dụng trong đó sự kết hợp giữa pha tín hiệu phát và tín hiệu thu có thể duy trì đợc trên một khoảng thời gian bao trùm vài khoảng symbol (hay bít). Sau đây ta sẽ nghiên cứu một số kỹ thuật điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS). 2.1.1.1 Trải phổ DS BPSK (direct sequence binary phase shift key) Đây là dạng đơn giản nhất của trải phổ chuỗi trực tiếp, nó có sơ đồ nh hình 2.1. Tín hiệu đầu ra của bộ điều chế S m (t) có tần số sóng mang 0 , công suất P, đợc điều chế pha bởi dữ liệu m(t) với độ dịch pha m (t) S m (t)= P2 cos[ 0 t+ m (t)] (2.1) 18 Hình 2.1: Sơ đồ khối trải phổ DS Tín hiệu S m (t) có độ rộng băng thông truyền dẫn tối thiểu là R/n, với R là tốc độ bít của luồng dữ liệu m(t), n là số bít thông tin trong một kí hiệu; Tín hiệu S m (t) đợc trải phổ bởi mã trải phổ c(t) nh hình 2.1, cho ra tín hiệu phát là: S(t)= S m (t) c(t)= P2 c(t)cos[ 0 t+ m (t)] (2.2) Máy thu sẽ nhận đợc tín hiệu sau một thời gian trễ truyền dẫn T d cùng với can nhiễu và tạp âm; Tại máy thu để giải trải phổ tín hiệu thu đợc r(t) đợc nhân với mã trải phổ c(t-T d ), trong đó T d là thời gian trễ truyền dẫn mà máy thu tự đánh giá. Tín hiệu sau giải trải phổ sẽ là: x(t)= P2 c(t-T d )c(t-T d )cos[ 0 t+ m (t-T d )+ ] (2.3) Trong đó: là pha ngẫu nhiên gây bởi tạp âm và nhiễu. Khi máy thu đồng bộ với với máy phát, khi đó T d =T d . Với c(t) là chuỗi nhị phân 1 , thì c(t-T d )c(t-T d )=1; Biểu thức trở thành: x(t)= P2 cos[ 0 t+ m (t-T d )+ ] (2.4) Do đó tại đầu ra của bộ giải trải phổ, tín hiệu S m (t) đợc phục hồi sai khác một góc pha ngẫu nhiên và sau khi S m (t) đợc giải điều chế PSK kết hợp thông thờng sẽ cho dữ liệu m(t) ban đầu. Trong trờng hợp điều chế sóng mang BPSK với m(t) là tín hiệu nhị phân 1 thì m (t) sẽ nhận các giá trị 0 và và khi đó S m (t) và S(t) sẽ trở thành: 19 S m (t) = P2 m(t)cos 0 t (2.5) S(t) = P2 c(t)m(t)cos 0 t (2.6) Với cách điều chế sóng mang nh thế, dữ liệu sẽ đợc cộng modul 2 với mã trải phổ trớc khi đa vào bộ điều chế pha số BPSK. Sơ đồ của hệ thống trải phổ lúc này trở thành hình 2.2. Hình 2.3 sẽ minh họa dạng sóng tín hiệu trong trờng hợp điều chế BPSK đợc sử dụng cho cả điều chế dữ liệu và điều chế trải phổ. Hình 2.3: Dạng sóng trải phổ BPSK 20 Hình2.2: Sơ đồ khối trải phổ DS BPSK 2.1.1.2 Trải phổ DS QPSK (direct sequence quadrature phase shift key) Để nâng cao hiệu quả băng tần, ngời ta sử dụng điều chế nhiều mức, điều chế càng nhiều mức thì hiệu qủa băng tần càng cao nhng điều đó lại làm giảm khoảng cách giữa các symbol, kết quả là lỗi symbol (SER) lại tăng. Trong khi việc làm tăng hiệu quả băng tần chúng ta có thể làm đợc theo cách khác dễ dàng hơn ví dụ nh giảm tốc độ mã sửa lỗi (FEC). Đối với trải phổ chuỗi trực tiếp ngời ta thờng sử dụng điều chế pha 4 mức QPSK. Sơ đồ trải phổ DS sử dụng điều chế QPSK cân bằng đợc thể hiện ở hình 2.4 Công suất mạch ra sau mạch Hybrid sẽ bằng nửa công suất S m (t) và tín hiệu phát S(t) sẽ là: dttfftfTitctcPy eccc T p ))(2cos()2cos())1(2()(2 1 ' 0 +++= (2.15) dttfftfTitctcPy eccc T q ))(2sin()2cos())1(2()(2 1 ' 0 +++= (2.16) Các tích cos(.)cos(.) và cos(.)sin(.) có thể viết nh tổng các hàm cos và sin với các thành phần tần số cao và thấp. Việc tích phân sẽ loại bỏ các thành phần cao tần, nh vậy: dttfTitctcPy ec T p )2cos()))1(2()(2 1 ' 0 += (2.17) dttfTitctcPy ec T q )2sin())1(2()(2 1 ' 0 += (2.18) 21 Do sai lệch tần số f e là nhỏ, nên các số hạng sin và cos xấp xỉ hằng số trong quá trình tích phân. Do đó chúng ta có: Hình 2.4: Sơ đồ khối trải phổ - giải trải phổ DS sử dụng QPSK )](cos[)()](cos[)()( 0201 tttcPtttcPtS mm +++= (2.7) Trong đó c 1 (t), c 2 (t) là các mã trải phổ có các giá trị là 1 . Với thời gian trễ truyền dẫn là T d thì các tín hiệu thu đợc r(t) sẽ là: )](cos[)()](cos[)()( 0201 ttTtcPttTtcPtr mdmd +++= (2.8) Tín hiệu r(t) sẽ đợc sau giải trải phổ nhờ bộ giải QPSK với các thành phần x(t) và y(t) nh sau: 22 )](cos[)'()(2/ )](cos[)'()(2/)( 22 11 tTtcTtcP tTtcTtcPtx mIFdd mIFdd += )](cos[)'()(2/ )](sin[)'()(2/)( 22 11 tTtcTtcP tTtcTtcPty mIFdd mIFdd + = (2.9) Khi trễ truyền dẫn do máy thu đánh giá là chính xác tức là T d =T d , nói cách khác là máy thu đồng bộ với máy phát thì: 1)'().()'().( 2211 == dddd TtcTtcTtcTtc (2.10) Khi đó, tín hiệu ra sẽ là: )](cos[)( tPtr mIF = (2.11) Nh vậy sau bộ giải trải phổ QPSK thì tín hiệu S m (t) đợc phục hồi. Sau khi S m (t) đ- ợc giải điều chế PSK kết hợp sẽ cho ra dữ liệu m(t). 2.1.2 Đồng bộ trong hệ thống trải phổ chuổi trực tiếp 2.1.2.1 Khái quát về đồng bộ mã trải phổ trong hệ thống DS-SS Nh đã trình bày ở phần trớc, tín hiệu phát của các hệ thống thông tin trải phổ là tín hiệu băng rộng giống nh tạp nhiễu. Việc trải tín hiệu là nhờ sử dụng các chuỗi giả ngẫu nhiên. Trong các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DS-SS, chuỗi PN đợc dùng để trực tiếp trải phổ tín hiệu. Trong các hệ thống trải phổ nhảy tần FH-SS, mã trải phổ PN dùng để quyết định nhảy tần. Về bản chất các chuỗi PN đợc tạo ra một cách xác định vì có nh thế máy thu mới có thể khôi phục lại thông tin từ tín hiệu trải phổ đợc. Nhng đối với các máy thu không định trớc thì các chuỗi này đợc thiết kế nh những chuỗi ngẫu nhiên. Vì thế các dạng sóng tín hiệu trải phổ nhờ chuỗi PN cũng có dạng giống tạp ngẫu nhiên. Nh vậy có thể thấy hiệu quả một hệ thống thông tin trải phổ hay nói cách khác là chất lợng 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 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 có phục hồi, đồng bộ sóng mang Để đồng bộ chuỗi PN th ờng có hai bớc: bớc thứ nhất 23 gọi là bắt, là bớc điều chỉnh độ lệch pha của tín hiệu PN tới và tín hiệu PN nội trong một khoảng nào đó cở một chip hoặc nhỏ hơn. Bớc thứ hai gọi là bám, thực hiện việc điều chỉnh tinh để làm sai lệch pha tiến tới không. Sơ đồ chức năng của máy thu DS-SS đợc trình bày trong hình 2.5. Hình 2.5: Sơ đồ khối chức năng máy thu trong hệ thống DS-SS Trong hình 2.5, tín hiệu tới máy thu bao gồm tín hiệu có ích s(t) và tạp nhiễu trắng cộng tính Gauss n(t) với mật độ phổ công suất hai biên N 0 /2 (W/Hz). r(t)=s(t)+n(t) )]2cos[)()()( 11 +++= tftbtcPts c (2.12) Trong đó: - P là công suất trung bình của tín hiệu s(t) tại đầu máy thu; - c(t) là tín hiệu PN; - b(t) = 1 là dữ liệu; - f c là tần số sóng mang; - là pha sóng mang; 24 Thông thờng đầu vào máy thu có bộ lọc thông dải băng rộng bao trùm toàn bộ băng tần của tín hiệu SS, với tần số trung tâm là f c . Bộ lọc sẽ lọc toàn bộ nhiễu và tạp âm ngoài dãi. Với tín hiệu DS - SS, độ rộng của băng tần vào khoảng 2/T c . Nh mô tả trên hình 2.5, máy thu cần thực hiện một số chức năng nh: bắt PN, bám PN, phục hồi, bám sóng mang, giải trải phổ, giải điều chế, tín hiệu. Phân hệ bắt có nhiệm vụ tạo ra chuỗi )( + tc , với c T < 1 , với là một hằng số nhỏ. Để có đợc nằm trong khoảng ),( 11 cc TT + , phân hệ bắt phải thực hiện tìm kiếm xuyên suốt một tập pha có tơng quan lớn với tín hiệu PN tới. Một khi pha của tín hiệu PN tới và tín hiệu PN nội nằm trong khoảng c T , mạch bám mới bắt đầu hoạt động, và nhờ vào vòng hồi tiếp mạch bám làm cho lệch pha giữa hai tín hiệu PN tiến tới không. Mạch phục hồi sóng mang tách tín hiệu sóng mang )2cos( + tf c từ tín hiệu tới. Tín hiệu sóng mang và tín hiệu PN từ mạch bám cần cho quá trình giải trải phổ và giải điều chế để thu đợc )( tb , một đại lợng dự đoán của b(t). Các tín hiệu sóng mang và PN khôi phục đợc còn cần cho các chức năng khác, ngoài ra dữ liệu còn hỗ trợ cho quá trình khôi phục sóng mang và tín hiệu PN. Trong nhiều trờng hợp việc thu bắt PN thực hiện trớc hay đồng thời với khôi phục sóng mang và bám. Vì thế giải điều chế sóng mang không kết hợp đợc cần phải dùng với mạch bắt. Một khi pha của tín hiệu PN đã đợc bắt thì mạch bám đợc khởi động. 2.1.2.2 Bắt mã PN trong các hệ thống DS-SS Nh đã đề cập trong phần trên, quá trình bắt nhằm đa pha của tín hiệu PN nội nằm trong khoảng nào đó. Khoảng này chính là dải lôi kéo của mạch bám. Khi qúa trình bắt thành công thì mạch bám đợc khởi động và thực hiện đồng chỉnh pha liên tục trong dải đó. Thu bắt có lẽ là một nhiệm vụ khó khăn và tốn thời gian nhất của máy thu. Khi bắt tiến hành trớc phục hồi sóng mang thì giải điều chế sóng mang không kết hợp đợc sử dụng trong thời gian tiến hành thu bắt, thu bắt với giải điều chế kết hợp có thể thực hiện trong một số trờng hợp mất đồng bộ PN nhng sóng mang vẫn có sẵn sàng. Rõ ràng một hệ thống bắt với giải điều chế kết hợp tốt hơn một hệ thống 25 bắt với giải điều chế không kết hợp. Để dễ dàng cho việc bắt các sơ đồ hiện nay đều không phát dữ liệu trong thời gian bắt. Giả sử khoảng bắt mong muốn là ),( cc TT , ở đây T c là thời gian mội chip và là một gia trị không xác định nào đó. Giá trị của chúng thờng chọn bằng 1, 1/2, 1/4. ý tởng cơ bản của việc bắt là tìm từ đầu đến cuối các pha có thể của tín hiệu PN nội để có một pha nào đó gióng ngang với pha của tín hiệu PN tới trong khoảng T c . Việc gióng có thể đợc kiểm tra thông qua việc quan sát đầu ra tơng quan của chúng. Khi đợc gióng thì mức tơng quan cao; còn ngợc lại thì thấp. Việc bắt có thể đợc phân loại theo cách tìm kiếm. Tìm kiếm song song kiểm tra các pha của tín hiệu PN noọi một cách đồng thời và chọn pha tốt nhất và tiếp theo là khởi động mạch bám. Nếu chu kỳ của tín hiệu PN là NT c , thì có N/2 pha cần đợc kiểm tra. Mỗi pha nh thế cần có một bộ tơng quan. Do vậy với N lớn, sơ đồ song song đòi hỏi phần cứng quá lớn, điều này là không thực tế. Sơ đồ tìm kiếm nối tiếp liên tiếp kiểm tra một pha của tín hiệu PN nội tại một thời điểm và quan sát xem có pha đợc gióng hay không. Nếu có thì mạch bám đợc khởi động. Ngợc lại thì pha của tín hiệu đợc cập nhật một lợng 2Tc và quá trình trên đợc lặp lại. Tuy nhiên thời gian bắt trong sơ đồ bắt nối tiếp lâu hơn so với thời gian bắt sơ đồ bắt song song. Có thể thực hiện thoả hiệp bằng các sơ đồ lai, tức là nhóm một số pha kiểm tra đồng thời. Nếu không có pha nào trong nhóm gióng với pha tới thì nhóm tiếp theo đợc kiểm tra cho tới khi tìm đợc pha gióng với pha tới. Cả hai sơ đồ song song và nối tiếp sẽ đợc đề cập trong phần tiếp theo. Các sơ đồ cũng đợc phân loại theo quá trình duyệt kiểm tra: một khoảng cố định (hay một khoảng đơn), đa khoảng, và theo các sơ đồ nối tiếp. Trong sơ đồ một khoảng cố định, việc quyết định gióng hay cha gióng căn cứ trên đầu ra của bộ tơng quan qua tích phân một độ dài cố định (gọi là thời gian của khoảng). Trong sơ đồ hai khoảng, tơng quan đầu tiên đợc thực hiên trên một độ dài cố định (đ- ợc gọi là khoảng đầu tiên). Nếu kết quả nhỏ, việc gióng sẽ bị loại với pha đang kiểm tra, và pha của PN sẽ đợc cập nhật một lợng. Ngợc lại việc tơng quan thực hiện trên 26 đoạn thời gian phụ thêm (đợc gọi là khoảng thứ hai) và việc gióng hay không đợc chấp nhận tại thời điểm kết thúc khoảng thứ hai. ý tởng của sơ đồ hai khoảng là khoảng đầu đợc sử dụng để loại bỏ pha không gióng đợc nhanh, khoảng thứ hai dùng để xác minh việc gióng cho chính xác. Do đó việc không gióng đợc quyết định một cách nhanh chóng. Do hầu hết các pha đề không gióng, nên thời gian tìm bắt đợc đẩy nhanh thông qua việc quyết định nhanh chóng không gióng. Sơ đồ nhiều khoảng là mở rộng của sơ đồ hai khoảng khi dùng một vài tích phân trên khoảng cố định. Một sơ đồ nối tiếp liên tục kiểm tra việc gióng hay không gióng. Tai một thời điểm nào, nếu việc gióng hay không gióng xuất hiện ở đầu ra bộ tích phân thì quá trình kiểm tra kết thúc và đa ra quyết định tơng ứng. Ngợc lại nó vẫn tiếp tục thực hiện. Các sơ đồ duyệt theo khoảng cố định có cách phân tích dễ nhất và chúng có thể đợc dùng trong cả hai chiến lợc tìm kiếm song song và nối tiếp. Các sơ đồ nhiều khoảng khó phân tích hơn, nhng chúng hiệu quả hơn sơ đồ khoảng đơn, theo khía cạnh thời gian trung bình ra quyết định ngắn hơn. Các sơ đồ này phù hợp với chiến lợc tìm kiếm nối tiếp, nhng hiệu quả của chúng bị giảm đi trong chiến lợc tìm kiếm song song. 2.1.2.2.1 Các sơ đồ song song với khoảng cố định Sơ đồ coherent (kết hợp ) Tiêu biểu cho sơ đồ song song theo khoảng cố định là sơ đồ song song theo khoảng cố định (hay khoảng đơn) với giải điều chế kết hợp nh mô tả ở hình 2.6. Tín hiệu đầu vào là : )()2cos()()( 1 tntftcPtr c ++= (2.13) 27 [...]... thông tin trải phổ nhảy tần 2.2.1 Đồng bộ trong hệ thống trải phổ nhảy tần FH-SS Quá trình đồng bộ trong hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần cũng tơng tự nh đồng bộ trong hệ thống thông tin trải phổ trực tiếp Tuy nhiên, vì giải điều chế ở các hệ thông thông tin trải phổ nhảy tần là giải điều chế không kết hợp nên sơ đồ chức năng của máy thu trong hệ thống FH-SS không có phần phục hồi sóng mang và... thống bắt tuần tự dùng bộ tơng quan thụ động 50 2.2.1.2 Quá trình bám mã trong hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần Các sơ đồ mạch bám trong hệ thống trong thông tin trải phổ chuỗi trực tiếp đều có thể sử dụng để bám tín hiệu trong hệ thống trải phổ nhảy tần Trên hình 2.19 trình bày sơ đồ bám mã PN trong hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần sử dụng nguyên tắc vòng khóa trễ Giả sử tín hiệu là dạng điều... Hình 2.14(a): Sơ đồ vòng rung tau 42 Hình 2.14(b): Sơ đồ vòng rung tau 2.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần(FH-SS) Sơ đồ khối của hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần đợc trình bày ở hình 2.15 dới đây Trong hệ thống trải phổ nhảy tần, phổ của sóng mang đã đợc điều chế sm(t) sẽ đợc trải rộng ra bằng cách thay đổi tần số sóng mang Mã trải phổ c(t) không điều chế trực tiếp sm(t) mà dùng để điều khiển bộ tổ hợp... Bớc thứ hai gọi là bám, thực hiện việc điều tinh chỉnh để làm sai lệch pha tiến tới không Hình 2.16: Sơ đồ khối chức năng trong máy thu hệ thống DS-SS 2.2.1.1 Quá trình bắt mã PN trong các hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần Các hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần thông thờng có hai loại sơ đồ bắt mã PN: sơ đồ đầu tiên sử dụng bộ tơng quan tích cực, sơ đồ thứ hai sử dụng bộ tơng quan thụ động 2.2.1.1.1... độ symbol, hệ thống đợc gọi là hệ thống nhảy tần chậm Nếu Rh cao hơn tốc độ symbol, thì hệ thống đợc gọi là hệ thống nhảy tần nhanh Trong quân đội ngời ta thờng dùng nhảy tần nhanh nhằm mục đích gây khó khăn cho việc gây nhiễu cố ý Tuy nhiên công nghệ phức tạp và dĩ nhiên là đắc, vì thế trong thơng mại ngời ta thờng dùng nhảy tần chậm 44 Hình 2.15: Sơ đồ khối một hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần... tra Các ngỡng và đờng lấy mẫu đợc thể hiện trong hình 2.10 34 Hình 2.10: Mẫu thống kê của hệ thống bắt chuỗi trong hình 2.9 2.1.2.3 Bám mã PN trong các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS) Trong mục trớc chúng ta đã đề cập một số mạch bắt mã PN trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp, trong phần này chúng ta sẽ đề cập đến các mạch bám mã PN Một mạch bám nói chung bao gồm có một vòng phản hồi để giám... phân tích hệ thống nh thế rất khó khăn Hơn nữa việc cải thiện có thể thực hiện bằng cách sử dụng hệ thống bắt tuần tự, hệ này có hai tập ngỡng A(n) và B (n) trong quá trình ra quyết định., một tập dùng để chấp nhận gióng pha còn tập kia dùng để từ chối gióng pha Một bổ sung nh vậy đợc biểu diễn trên hình 2.9 Tín hiệu u (t ) là tổng các bình phơng từ các đầu ra trong các nhánh pha vào cầu phơng Các tích... hình 2.16 dới đây Nh vậy trong hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần chỉ có đồng bộ mã 45 PN Quá trình đồng bộ mã PN trong máy thu FH-SS cũng giống nh trong hệ thống DS-SS gồm hai bớc: bớc thứ nhất là bắt mã PN là bớc điều chỉnh độ lệch pha của tín hiệu PN tới và tín hiệu PN nội trong một khoảng nào đó cỡ một chip hoặc nhỏ hơn Bớc thứ hai gọi là bám, thực hiện việc điều tinh chỉnh để làm sai lệch pha... )] 2 (2.24) Hình 2.11: Sơ đồ của một vòng khóa trễ Chú ý b(t) có dải thông hẹp hơn so với tín hiệu PN c(t) Các bộ lọc thông thấp có độ rộng dải thông đủ để cho qua thành phần b(t) nhng đủ hẹp để lọc (các bộ lọc 36 thông thấp) các thành phần tần số cao Do vậy, sau khi lọc thông thấp và trộn với b (t ) (thành phần đánh giá đầu ra), các tín hiệu nhận đợc là: t P 1 b(t )b (t ) c(t ' )c(t '+ + d )dt '... dựa trên giá trị u Chú ý rằng hệ thống trong hình 2.17 thực hiện mỗi lần quyết định trong một bớc, trong khi đó hệ thống trong hình 2.18 chỉ quyết định một lần trong bớc Do vậy, hệ thống trong hình 2.18 có một thời gian bắt ngắn hơn Tuy nhiên, việc phân tích của nó lại 49 khó hơn đầu ra của bộ cộng có thể không độc lập thống kê từ bớc này sang bớc khác Hình 2.18: Hệ thống bắt tuần tự dùng bộ tơng