CÁC HỆ THỐNG TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP

4.1. GIỚI THIỆU CHUNG 4.1. 1. Các chủ đề được trình bày trong chương • Mã giả tạp âm sử dụng trong DSSS • Hệ thống DSSSBPSK • Hệ thống DSSSQPSK • Ảnh hưởng của tạp ân Gauss trắng cộng và nhiễu phá • Ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và đa đường 4.1.2. Hướng dẫn • Học kỹ các tư liệu được trình bầy trong chương này • Tham khảo thêm 1 và 2 • Trả lời các câu hỏi và bài tập cuối chương 4.1.3. Mục đích chương • Hiểu được cơ sở của các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp • Hiểu được nguyên lý làm việc của các máy phát và máy thu DSSSBPSK và QPSK • Hiểu được hiệu năng của hệ thống DSSS

B mụn Vụ tuyn Chng 4: Cỏc h thng tri ph chui trc tip Chng CC H THNG TRI PH CHUI TRC TIP 4.1 GII THIU CHUNG 4.1 Cỏc ch c trỡnh by chng Mó gi õm s dng DSSS H thng DSSS-BPSK H thng DSSS-QPSK nh hng ca õn Gauss trng cng v nhiu phỏ nh hng ca nhiu giao thoa v a ng 4.1.2 Hng dn Hc k cỏc t liu c trỡnh by chng ny Tham kho thờm [1] v [2] Tr li cỏc cõu hi v bi cui chng 4.1.3 Mc ớch chng Hiu c c s ca cỏc h thng tri ph chui trc tip Hiu c nguyờn lý lm vic ca cỏc mỏy phỏt v mỏy thu DSSS-BPSK v QPSK Hiu c hiu nng ca h thng DSSS 4.2 M GI TP M S DNG TRONG DSSS Khỏi nim v chc nng mó PN: Nh ó cp chng v 2, mó "ngu nhiờn" c dựng : (i) tri ph bn tin phớa phỏt; (ii) gii tri ph phớa thu Mó "ngu nhiờn" úng vai trũ trung tõm cỏc h thng tri ph SS Tuy nhiờn nu mó ny thc s ngu nhiờn, thỡ thm mỏy thu ch nh cng khụng th ly bn tin vỡ khụng th bit c phng phỏp ng b vi mó thc s ngu nhiờn, dn n h thng tr nờn vụ dng dng Vỡ th, phi thay th bng mt mó gi ngu nhiờn (thng c gi l chui gi õm PN: Pseudo-Noise) õy l mt mó tt nh c bit trc i vi mỏy thu ch nh, nhng vi mỏy thu khụng ch nh nú th hin ging õm õm Cỏc chui PN ó c ta kho sỏt k chng Chui PN l mt chui cỏc s c lp li theo mt chu k nht nh -76- B mụn Vụ tuyn Chng 4: Cỏc h thng tri ph chui trc tip Biu din: Chui PN: Ta s dng {ci, i=s nguyờn} { ,c-1, c0, c1, } biu th mt chui PN Nu N l chu k ca chui PN (ụi c gi l di ca chui PN), thỡ c i + N = ci {ci} l chui gi õm tt, thỡ giỏ tr ca c i phi c lp vi giỏ tr ca c j vi mi i j m bo iu ny lý tng chui núi trờn khụng c lp li, ngha l chu k N phi l Trong thc t chui PN phi tun hon, nờn chu k ca nú phi ln t c thuc tớnh ngu nhiờn tt Tớn hiu PN: Trong h thng DSSS, tớn hiu liờn tc theo thi gian c to t chui PN dựng tri ph c gi l tớn hiu PN Nu chui PN ny l chui nh phõn (ngha l c i = 1), thỡ tớn hiu PN ny l Ơ c(t) = 14444244443 Tín hiệu PN liên tục i =- Ơ {c i p T (t - iTc ) c (4.1) Chuỗi PN:1 ú: pTc(t) l xung ch nht n v c cho bi phng trỡnh (2.13); c i c gi l chip cú khong thi gian Tc giõy (thi gian chip) Lu ý rng tớn hiu PN cú chu k l NTc Vớ d: Minh chui ny c cho hỡnh 4.1 vi N = 15 v {c i, i = 0, 1, , 14} = {1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, -1} Tớn hiu (chui) PN cũn c gi l tớn hiu (chui) tri ph, tớn hiu (chui) ngu nhiờn, v dng súng (chui) ca ch ký (Signature) Một chu kỳ c(t) t -1 N=15; {ci , i = 0, , 14} = {1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1} Hỡnh 4.1 Minh tớn hiu PN c(t) c to t chui PN cú chu k 15 Kho sỏt tớn hiu PN: tin cho vic kho sỏt, ta s lp mụ hỡnh tớn hiu PN nh l mt tớn hiu c s hai gi ngu nhiờn, ngha l ta coi c i l +1 hay -1 vi xỏc sut nh nhau, ci v cj c lp vi nu i j Khi ny hm t tng quan ACF v mt ph cụng sut PSD l: Hm t tng quan ACF: ACF ỡù t ùù , Tc ù R c ( t ) =L T ( t ) =ớ ùù 0, ùù ùợ c t Ê Tc khác (4.2) Hm mt ph cụng sut PSD: F c (f) = FT [ R c (t )] =Tcsinc (fTc ) (4.3) -77- B mụn Vụ tuyn Chng 4: Cỏc h thng tri ph chui trc tip Núi mt cỏch cht ch, tớn hiu PN thc cht l tớn hiu tt nh, nờn cú th tớnh hm t tng quan ACF ca nú thi gian T = NT c l: R c (t ) = NTc NTc ũ c ( t + t ) c(t)dt Hm t tng quan nhn c l mt hm tun hon cú chu k NTc Chui- m: Cỏc chui- m l cỏc chui cú di cc i ó c nghiờn cu k chng Mt chui m cú chu k N s cú hm t tng quan chun hoỏ c cho bi biu thc sau: R c (i) = N N- j =0 ỡù 1, ùù c j c j+i =ớ - , ùù N ùợ i = 0, N, 2N (4.4) khác Biu thc trờn c v hỡnh 4.2a Hỡnh 4.2 Hm t tngquan ca tớn hiu PN nhn c t chui m Tớn hiu PN: Tớn hiu PN tng ng ca mt hm t tng quan tun hon vi chu k NT c vi chu k th nht c cho bi biu thc: Rc ( t ) = NTc NTc ũ c ( t + t )c ( t) dt ổ 1ử =ỗ 1+ ữ L Tc (t ) ữ ữ ỗ ố Nứ N ỡù t ổ 1ử ùù - ỗ1 + ữ ữ ữ, ỗ Nứ =ớ 1Tc ố ùù - , ùùợ N (4.5 & 4.6) Ê t Ê Tc Tc Ê t Ê NTc Biu thc trờn cú dng tam giỏc nh c v hỡnh 4.2b -78- B mụn Vụ tuyn Chng 4: Cỏc h thng tri ph chui trc tip Lu ý rng nu giỏ tr N ln, thỡ biu thc (3.6) gn bng biu thc (3.2) Vỡ th, xột cỏc thuc tớnh t ngu nhiờn mt chui tr thnh chui ngu nhiờn N n gin, ch yu ta s s dng hm tam giỏc ptr (3.2) l hm t tng quan cho tớn hiu PN v biu thc (3.3) cho PSD Cỏc thuc tớnh ca chui m v cỏc kiu chui PN khỏc ó c kho sỏt chng 4.3 CC H THNG DSSS- BPSK 4.3.1 Mỏy phỏt DSSS-BPSK S mỏy phỏt DS/SS s dng BPSK c cho hỡnh 4.3 thy rừ nguyờn lý hot ng, ta biu din cỏc tớn hiu u ca s ny Tớn hiu u vo: S liu hay bn tin nhn cỏc giỏ tr nh sau: d(t) = Ơ d i p T (t - iTb ) (4.7) b i =- Ơ ú: di = l bit s liu th i; Tb l rng ca mt bit s liu (tc s liu l 1/T b bps) Tớn hiu sau tri ph : Tớn hiu d(t) c tri ph bi tớn hiu PN c(t) bng cỏch nhõn hai tớn hiu ny vi kt qu nhn c d(t)c(t) Tớn hiu sau iu ch BPSK Tớn hiu sau tri ph d(t)c(t) iu ch cho súng mang s dng BPSK, kt qu cho ta tớn hiu DSSS-BPSK xỏc nh theo cụng thc sau: s(t) = d(t)c(t) 2E b Tb cos(2fct + ) (4.8) ú: Eb l nng lng trờn mt bit ca súng mang; T b l rng mt bit; f c l tn s mang; l pha ban u ca súng mang Minh cỏc tớn hiu ny c v trờn cựng mt hỡnh Lu ý: Trong nhiu ng dng mt bit bn tin bng mt chu k ca tớn hiu PN, ngha l Tb = NTc Ta s dng gi thit ny cho cỏc h thng DSSS ton b giỏo trỡnh, nu nh khụng cú nh ngha khỏc Trong trng hp hỡnh 4.3 ta s dng N = Ta cú th thy rng tớch ca d(t)c(t) cng l mt tớn hiu c s hai cú biờn 1, cú cựng tn s vi tớn hiu PN Tớn hiu DSSS-BPSK c v th cui cựng ca hỡnh 4.3 -79- B mụn Vụ tuyn Chng 4: Cỏc h thng tri ph chui trc tip Bộ điều chế (BPSK) Bản tin số hai d(t) d(t)c(t) Tín hiệu PN số hai c(t) Tín hiệu DSSS-BPSK 2Eb s(t) = Tb d(t)c(t)cos(2 fct + ) 2Eb cos(2 fct + ) Tb d(t) -1 Tb 2Tb 3Tb t Một chu kỳ t c(t) -1 Tc NTc (giả thiết N=7; T=NT c) b 2NTc t d(t)c(t) -1 Tc NTc 2NTc A t s(t) -A Tc NTc 2NTc ( hình vẽ cho sóng mang có =-/2 fc = 1/Tc ) Hỡnh 4.3 S ca mỏy phỏt DSSS-BPSK 4.3.2 Mỏy thu DSSS-BPSK S ca mỏy thu DSSS- BPSK c cho hỡnh 4.4 Mc ớch ca mỏy thu l ly bn tin d(t) (s liu {d i}) t tớn hiu thu cha tớn hiu phỏt cng vi õm Theo ú, trc ht tớn hiu thu c gii tri ph chuyn bng tn rng vo bng tn hp Sau ú nú c gii iu ch BPSK nhn c tớn hiu bng gc -80- B mụn Vụ tuyn Chng 4: Cỏc h thng tri ph chui trc tip Khôi phục ĐH KH s(t-) = cos(2 fct + ' ) Tb Khôi phục SM 2Ebr d(t-)c(t-) Tb x cos(2 fct + ' ) ti ti +Tb z i (.)dt w(t) ti c(t-) Đồng tín hiệu PN Bộ tạo TH PN nội hay -1 + - Bộ giải điều chế BPSK A t s(t-t) -A t0 NTc t1 NTc t2 NTc t3 t c(t-t) -1 t0 A t w(t) -A ĐHKH: Đồng hồ ký hiệu, SM: Sóng mang, th: Tín hiệu Hỡnh 4.4 S mỏy thu DSSS-BPSK Tớn hiu thu: Do tn ti tr truyn lan nờn tớn hiu thu l: r(t) = s(t - t ) + n(t) = 2E br Tb d(t - t )c(t - t ) cos[2pfc (t - t ) +q'] + n(t) (4.9) ú: Ebr l nng lng trung bỡnh ca súng mang trờn mt bit; n(t) l õm ca kờnh gii thớch quỏ trỡnh khụi phc li bn tin ta gi thit rng khụng cú õm -81- B mụn Vụ tuyn Chng 4: Cỏc h thng tri ph chui trc tip Gii tri ph: gii tri ph, tớn hiu thu c nhõn vi tớn hiu (ng b) PN c(t-) c to mỏy thu, ta c: w(t) = d(t-t )c2 (t-t ) 2E br cos ( 2pfc t+q') Tb 2E br = d(t-t ) cos ( 2pfc t+q') Tb (4.10) Vỡ c(t) bng 1, ú '= - 2fc Tớn hiu nhn c l mt tớn hiu bng hp cú rng bng tn theo Niquist l 1/Tb Gii iu ch BPSK: gii iu ch ta gi thit rng mỏy thu bit c pha ' (v tn s fc) cng nh im u ca tng bit B gii iu ch BPSK bao gm mt b tng quan (Correlator) hay b lc phi hp (Matched Filter) i sau l mt thit b ỏnh giỏ ngng tỏch bit s liu th i, b tng quan tớnh toỏn: t i +Tb zi = ũ w(t) ti = E br Tb Tb cos(2pfc t +q')dt t i +Tb A t i +Tb = E br ũ d(t - t ) cos (2pfc t +q')dt (4.11) ti ũ d(t - t ) [ + cos(4pfc t + 2q') ] dt ti = E br d( t ) = E br (4.12) ú: ti = iTb + l thi im u ca bit th i Vỡ d(t-) nhn giỏ tr +1 hoc -1 thi gian mt bit, nờn thnh phn th nht ca tớch phõn s cho ta T b hoc -Tb Thnh phn th hai l thnh phn nhõn ụi tn s nờn sau tớch phõn gn bng Vy kt qu cho z i = E br hay - E br Ngoi thnh phn tớn hiu E br , u ca b tớch phõn cng cú thnh phn õm cú th gõy li Lu ý rng hỡnh 4.4 th t gia nhõn tớn hiu PN v nhõn súng mang cú th i ln m khụng lm thay i kt qu So sỏnh quyt nh: u b tng quan z i = E br c qua thit b ỏnh giỏ ngng (hay b so sỏnh) vi ngng 0, ta c u c s hai hay -1 Lu ý: Tớn hiu PN úng vai trũ nh mt "mó" c bit trc c mỏy phỏt ln mỏy thu ch nh Do mỏy thu ch inh bit trc mó ny, nờn nú cú th gii tri ph tớn hiu SS nhn c bn tin, ú, cỏc mỏy thu khụng ch nh khụng bit c mó ny, nờn cỏc -82- B mụn Vụ tuyn Chng 4: Cỏc h thng tri ph chui trc tip iu kin bỡnh thng nú khụng th "gii mó" bn tin iu ny th hin rừ ptr (4.8), c(t) nờn mỏy thu khụng ch nh ch nhỡn thy mt tớn hiu ngu nhiờn Ta ó gi thit rng mỏy thu bit trc mt s thụng s sau: , ti, ' v fc Thụng thng mỏy thu bit c tn s mang fc, nờn nú cú th c to bng cỏch s dng mt b dao ng ni Nu cú mt khỏc bit no ú gia tn s ca b dao ng ni v tn s súng mang, thỡ mt tn s gn vi fc cú th c to v cú th theo dừi c tn s chớnh xỏc bng mt mch vũng hi tip, vũng khoỏ pha chng hn Mỏy thu phi nhn c cỏc thụng s khỏc nh , ti v ' t tớn hiu thu c Quỏ trỡnh nhn c c gi l quỏ trỡnh ng b, thng c thc hin hai bc: bt v bỏm Quỏ trỡnh nhn c t i c gi l quỏ trỡnh khụi phc ng h (nh thi) ký hiu (Symbol Timing Recovery) Quỏ trỡnh nhn c ' (cng nh fc) c gi l quỏ trỡnh khụi phc súng mang Vic khụi phc súng mang v ng h l cn thit mi mỏy thu thụng tin s liu ng b v chỳng c xột hu ht cỏc ti liu v thụng tin Khi Tb /Tc = N (chu k ca chui PN), cú th nhn c nh thi ca ký hiu t i mt ó bit Hỡnh 4.4 cng cho thy ng b, khụi phc ng h v súng mang nh hng ca sai pha súng mang v sai pha mó: Ta hóy kho sỏt mt cỏch ngn gn nh hng ca sai pha súng mang v sai pha mó mỏy thu Gi thit rng mỏy thu s dng: (i) cos(2fct + ' + ) thay cho cos(2fct + ') gii iu ch, ngha l súng mang cú sai pha ; (ii) c(t-') thay cho c(t-) lm tớn hiu PN ni, v tớn hiu PN, ngha l cú sai pha -' Khi ny zi s l: zi = = 2E br Tb E br Tb t i +Tb ũ d( t - t ) c(t - t )c ( t - t ') cos(2pfc t +q') ti Tb cos ( 2pfc t +q+ ' g) dt t i +Tb cos ( g) ũ c( t - t ) c ( t - t ') dt ti = E br cos ( g) R c (t - t ') (4.13) ú dũng th hai c rỳt t lp lun l tớch phõn ca thnh phn tn s nhõn ụi bng Vỡ th |zi| cc i = v - ' =0 Nu |-'|>Tc hay || = /2, thỡ zi = v mỏy thu vụ dng Khi |-'| >1 Gi thit rng bit bn tin th i l +1 v -'=Tc/2 Gi thit rng khụi phc súng mang v ng h ký hiu ỳng u ca z i ca b gii iu ch cú giỏ tr no trng hp khụng cú õm? (a) 2E b ; (b) Tb 2E b ; (c) Tb 2E b ; (d) khụng trng hp no nờu trờn ỳng Tb Mt h thng DSSS-BPSK c s dng phỏt tớn hiu ting Ting c ly mu tn s kHz v mi mu c bin i vo bit bng PCM Gi thit tn s súng mang l 1,9GHz v bng thụng cho phộp l 40 MHz li x lý cú th t c l bao nhiờu? (a) 3125; (b) 321.5; (c) 125; (d) 625 (tip tc) v tc chip cc i cú th s dng c l bao nhiờu? (a) 128 Mcps; (b) 64Mcps; (c) 40Mkcps; (d) 20 Mcps -99- B mụn Vụ tuyn Chng 4: Cỏc h thng tri ph chui trc tip Trong tớn hiu DSSS-QPSK c cho ptr.(3.21), gi thit rng d(t) l mt tớn hiu ngu nhiờn v thi gian chip ca c1(t), c2(t) l Tc1 = Tc2 = Tc Nu mụ hỡnh ca c1(t) v c2(t) l cỏc tớn hiu c hai ngu nhiờn trung bỡnh khụng v c lõp, PSD ca DSSS-QPSK phi cú dng no? (a) E b Tc ộ sin c ( (ffTb (b) E b Tc ộ sin c ( (ffTb (c) E b Tc ộ sin c ( (ffTb (d) E b Tc ộ sin c ( (ffTb c )Tc / 2) + sin c ( (ff+ c )Tc / ) ự ỷ c )Tc / 2) + sin c ( (ff+ c )Tc / 2) ự ỷ c )Tc ) + sin c ( (ff+ c )Tc ) ự ỷ c )Tc ) + sin c ( (ff+ c )Tc ) ự ỷ Tỡm pha hỡnh 4.6 d(t) = -1, A = 2, c1(t) = -1 v c2(t) =1 (a) /4; (b) 3/4; (c) 5/4; (d) 7/4 2E br Tb T ptr (3.24) v (3.25), tớn hiu u(t) hỡnh 4.7 l: d(t-)- 2E br Tb d(t-)c1 (t-) c2 (t-)sin (4fct + ') õy coi rng pha súng mang ' l ỳng Bõy gi gi thit rng pha súng mang sai, ngha l ta s dng -sin (2fct + ") v cos (2fct + ") thay cho -sin (2fct+') v cos (2fct + ') i vi mỏy thu hỡnh 4.7 iu ny nh hng n tớn hiu u(t) nh th no? (a) Hon ton khụng nh hng (b) Biờn ca 2E br Tb d(t-) gim (c) Cú thờm mt thnh phn tn thp (d) Cú thờm mt thnh phn vi tn s 4fc 10 Trong mt h thng DSSS-BPSK cú Gp = 2000, u vo ca mỏy thu bao gm õm AWGN v tớn hiu SS Gi thit rng E br/N0 = 20dB v cụng sut trung bỡnh ca tớn hiu SS thu c l Pr=1W Hóy tớnh t s cụng sut tớn hiu trờn cụng sut õm SNR u vo b hn biờn cng hỡnh 4.9 (a) 50; (b) 100; (c) 200; (d) 4000 11 (tip) Nu tớn hiu thu c cng cha mt tớn hiu nhiu phỏ bng hp cú cụng sut 50W, tỡm t s cụng sut tớn hiu trờn cụng sut õm nhn c u vo ca b hn biờn cng (xột c nh hng ca AWGN v tớn hiu nhiu phỏ) -100- B mụn Vụ tuyn Chng 4: Cỏc h thng tri ph chui trc tip (a) 35; (b) 57; (c) 79; (d) 103 12 Gi thit rng mt tớn hiu DSSS-BPSK b nhiu phỏ bi mt tớn hiu cú rng bng tn 1/Tc cú tn s trung tõm l f c, ú Tc l thi gian chip v fc l tn s súng mang cu tớn hiu DS/SS Hóy tỡm biu thc cho SNR0 2Pr 2Pr 2Pr 2Pr (a) N R + PR ; (b) N R + PR ; (c) N R + P /(2G ) ; (d) N R + 2P / G b j b b j c b j p b j p 13 Tc chip no l tc cc tiu m mt h thng DSSS-BPSK cn loi b nh hng ca mt ng truyn khụng i thng cú di ln hn ng truyn thng 15m? (a) Mchip/s (b) 10 Mchip/s (c) 15 Mchip/s (d) 20 Mchip/s 14 Tỡm tc chip cn thit cho mt h thng DSSS-BPSK trit cỏc tớn hiu a tia Nu tr b sung gõy tớn hiu khụng i thng l ', thi gian chip ca c1(t) v c2(t) phi th no (xem hỡnh 4.6) trit c tớn hiu khụng i thng? (a) Khụng ln hn 0,5' (b) khụng ln hn ' (c) Khụng ln hn 1,5' (d) Khụng ln hn 2' 15 Mt h thng DSSS-BPSK cú th cú mt hoc hai ngi s dng G p bng 1000 H thng c thit k cho SNR E b/N0 mỏy thu l 20dB ch cú mt ngi s dng Ta mun tỡm nh hng mỏy phỏt th hai lờn SNR ca mỏy thu th nht Gi s khong cỏch t mỏy phỏt th nht n mỏy thu th nht l D 11 v khong cỏch t mỏy phỏt th hai n mỏy thu th nht l D21 Nu D11 /D21 = v c hai mỏy phỏt u phỏt cựng mt cụng sut, hóy tỡm s gim SNR ca mỏy thu th nht gõy nhiu bi mỏy phỏt th hai (a) Khụng nh hng (b) SNR gim 1,4 ln (c) SNR gim 1,8 ln (d) SNR gim ln (e) SNR gim ln -101- ... Gp = Dộ rộng băng tần cần thiết kênh vô tuyến cho tín hiệu trải phổ Dộ rộng băng tần cần thiết kênh vô tuyến cho tín hiệu không trải phổ = Bdc Bd (4.19) Vỡ Bd=Rb, ú Rb l tc bit ca bn tin bng... thỡ tớn hiu PN ny l Ơ c(t) = 14444244443 Tín hiệu PN liên tục i =- Ơ {c i p T (t - iTc ) c (4.1) Chuỗi PN:1 ú: pTc(t) l xung ch nht n v c cho bi phng trỡnh (2.13); c i c gi l chip cú khong thi