Đang tải... (xem toàn văn)
tài liệu giáo trình chuyên về thông tin di động đầy đủ cho các bạn tham khảo tài liệu giáo trình chuyên về thông tin di động đầy đủ cho các bạn tham khảo tài liệu giáo trình chuyên về thông tin di động đầy đủ cho các bạn tham khảo
CHƯƠNG CÁC HỆ THỐNG TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP 3.2 MÃ GIẢ TẠP ÂM SỬ DỤNG TRONG DSSS Như đề cập chương 2, ta dùng mã "ngẫu nhiên" để trải phổ tin phía phát giải trải phổ tín hiệu thu phía thu Mã "ngẫu nhiên" đóng vai trò trung tâm hệ thống SS Tuy nhiên mã thực ngẫu nhiên chí máy thu chủ định lấy tin biết phương pháp để đồng với mã thực ngẫu nhiên, dẫn đến hệ thống trở nên vô dụng Vì phải thay mã giả ngẫu nhiên Đây mã tất định biết trước máy thu chủ định Nhưng thể giống tạp âm máy thu không chủ định Mã thường gọi chuỗi giả tạp âm (PN: Pseudo-Noise) Các chuỗi PN ta khảo sát kỹ chương Chuỗi PN chuỗi số lặp lại theo chu kỳ định Ta sử dụng {ci , i= số nguyên} → { ,c-1 , c0 , c1 , } để biểu thị chuỗi PN Giả sử N chu kỳ cho ci + N = ci Đôi ta gọi N độ dài chuỗi PN chuỗi tuần hoàn mở rộng tuần hoàn chuỗi có độ dài N Để chuỗi {ci} chuỗi giả tạp âm tốt, giá trị ci phải độc lập với giá trị cj i ≠ j Để đảm bảo điều lý tưởng chuỗi nói rên không lặp lại, nghĩa chu kỳ phải ∞ Trong thực tế chuỗi PN phải tuần hoàn nên chu kỳ phải lớn để đạt thuộc tính ngẫu nhiên tốt Trong hệ thống DSSS, tín hiệu liên tục theo thời gian gọi tín hiệu PN tạo từ chuỗi PN dùng để trải phổ Giả thiết chuỗi PN số hai, nghĩa ci = ± 1, tín hiệu PN pTc(t) xung chữ nhật đơn vị cho phương trình (2.13), ci gọi chip khoảng thời gian Tc giây gọi thời gian chip Lưu ý tín hiệu PN có chu kỳ NTc Một thí dụ chuỗi cho hình 3.1 N = 15 {ci , i = 0, 1, , 14} = {1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, -1} Tín hiệu (chuỗi) PN gọi tín hiệu (chuỗi) trải phổ, tín hiệu (chuỗi) ngẫu nhiên, dạng sóng (chuỗi) chữ ký (Signature) Để tiện cho việc khảo sát, ta lập mô hình tín hiệu PN tín hiệu số hai giả ngẫu nhiên, nghĩa ta coi ci +1 hay -1 với xác suất nhau, ci cj độc lập với i≠ j Khi hàm tự tương quan : mật độ phổ công suất (PSD) xác định : Nói cách chặt chẽ, tín hiệu PN thực chất tín hiệu tất định; nên tính NTc c( t + τ )c( t ) dt Hàm tự tương hàm tự tương quan với T = NTc Rc (τ ) = NTc ∫0 quan nhận hàm tuần hoàn có chu kỳ NTc Các chuỗi - m chuỗi có độ dài cực đại nghiên cứu kỹ chương Một chuỗi m có chu kỳ N có hàm tự tương quan chuẩn hoá cho biểu thức sau: Biểu thức vẽ hình 3.2a Tín hiệu PN tương ứng hàm tự tương quan tuần hoàn với chu kỳ NTc với chu kỳ thứ cho biểu thức: Biểu thức có dạng tam giác vẽ hình 3.2b Lưu ý giá trị N lớn, biểu thức (3.6) gần biểu thức (3.2) Vì xét đến thuộc tính tự ngẫu nhiên chuỗi trở thành chuỗi ngẫu nhiên N →∞ Để đơn giản, chủ yếu sử dụng hàm tam giác ptr (3.2) hàm tự tương quan cho tín hiệu PN biểu thức (3.3) cho PSD Các thuộc tính chuỗi m kiểu chuỗi PN khác khảo sát chương 3.3 CÁC HỆ THỐNG DSSS- BPSK 3.3.1 Máy phát DSSS- BPSK Sơ đồ khối máy phát DS/SS sử dụng BPSK cho hình 3.3 Ta biểu diễn số liệu hay tin nhận giá trị ±1 sau: Trong di = ±1 bit số liệu thứ i Tb độ rộng bit số liệu (tốc độ số liệu 1/Tb bps) Tín hiệu d(t) trải phổ tín hiệu PN c(t) cách nhân hai tín hiệu với Tín hiệu nhận d(t)c(t) sau điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, kết cho ta tín hiệu DSSS-BPSK xác định theo công thức sau: Trong Eb lượng bit sóng mang, Tb độ rộng bit, fc tần số mang θ pha ban đầu sóng mang Thí dụ tín hiệu vẽ hình Trong nhiều ứng dụng bit tin chu kỳ tín hiệu PN, nghĩa Tb = NTc Ta sử dụng giả thiết cho hệ thống DSSS toàn giáo trình, định nghĩa khác Trong trường hợp hình 3.3 ta sử dụng N = Ta thấy tích d(t)c(t) tín hiệu số hai có biên độ ±1, có tần số với tín hiệu PN Tín hiệu DSSS-BPSK nhận được vẽ đồ thị cuối hình 3.3 3.3.2 Máy thu DSSS-BPSK Sơ đồ khối máy thu DSSS- BPSK cho hình 3.4 Mục đích cuả máy thu lấy tin d(t) (số liệu {d i}) từ tín hiệu thu bao gồm tín hiệu phát cộng với tạp âm Do tồn trễ truyền lan τ nên tín hiệu thu là: Trong Ebr lượng trung bình sóng mang bit, n(t) tạp âm kênh đầu vào máy thu Để giải thích trình khôi phục lại tin ta giả thiết tạp âm Trước hết tín hiệu thu trải phổ để giảm băng tần rộng vào băng tần hẹp Sau giải điều chế để nhận tín hiệu băng gốc Để giải trải phổ tín hiệu thu nhân với tín hiệu (đồng bộ) PN c(t-τ) tạo máy thu, ta : Vì c(t) ±1, θ '= θ - 2πfcτ Tín hiệu nhận tín hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần theo Niquist 1/Tb Để giải điều chế ta giả thiết máy thu biết pha θ' (và tần số fc) điểm khởi đầu bit Một giải điều chế BPSK bao gồm tương quan (Correlator) hai lọc phối hợp (Matched Filter) sau thiết bị đánh giá ngưỡng Để tách bit số liệu thứ i, tương quan tính toán: ti = iTb + τ thời điểm đầu bit thứ i Vì d(t-τ) +1 -1 thời gian bit, nên thành phần thứ tích phân cho ta Tb -Tb Thành phần thứ hai thành phần nhân đôi tần số nên sau tích phân gần Vậy kết cho zi = brE hay - brE Cho kết qua thiết bị đánh giá ngưỡng (hay so sánh) với ngưỡng 0, ta đầu số hai hay -1 Ngoài thành phần tín hiệu ± brE , đầu tích phân có thành phần tạp âm gây lỗi Lưu ý hình 3.4 thứ tự nhân tín hiệu PN nhân sóng mang đổi lẫn mà không làm thay đổi kết Tín hiệu PN đóng vai trò "mã" biết trước máy phát lẫn máy thu chủ định Vì máy thu chủ đinh biết trước mã nên giải trải phổ tín hiệu SS để nhận tin Mặt khác máy thu không chủ định mã, thể điều kiện bình thường "giải mã" tin Điều thể rõ ptr (3.8), c(t) nên máy thu không chủ định nhìn thấy tín hiệu ngẫu nhiên ±1 Ta giả thiết máy thu biết trước số thông số sau : τ, ti , θ' fc Thông thường máy thu biết tần số mang fc, nên tạo cách sử dụng dao động nội Nếu có khác biệt tần số dao động nội tần số sóng mang, tần số gần với fc tạo theo dõi tần số xác mạch vòng hồi tiếp, vòng khoá pha chẳng hạn Máy thu phải nhận thông số khác τ, ti θ' từ tín hiệu thu Quá trình nhận τ gọi trình đồng bộ, thường thực hai bước: bắt bám Vấn đề đồng khảo sát chương Quá trình nhận ti gọi trình khôi phục đồng hồ (định thời) ký hiệu (Symbol Timing Recovery) Còn trình nhận θ' (cũng fc) gọi trình khôi phục sóng mang Việc khôi phục sóng mang đồng hồ cần thiết máy thu thông tin số liệu đồng chúng xét hầu hết tài liệu thông tin Khi Tb /Tc = N (chu kỳ chuỗi PN), nhận định thời ký hiệu ti biết τ Hình 3.4 cho thấy đồng bộ, khôi phục đồng hồ sóng mang Ta khảo sát cách ngắn gọn ảnh hưởng sai pha sóng mang sai pha mã máy thu Giả thiết máy thu sử dụng cos(2πfct + θ ' + γ) thay cho cos(2πfct + θ ') cho giải điều chế sử dụng c(t-τ') làm tín hiệu PN nội, nghĩa sóng mang có sai pha γ tín hiệu PN có sai pha τ-τ' Khi zi là: Trong dòng thứ hai rút tự lập luận tích phân thành phần tần số nhân đôi Vì |zi| cực đại γ = τ - τ' =0 Nếu |τ-τ'|>Tc hay |γ| = π/2, zi = máy thu vô dụng Khi |τ-τ'| Tc (hay gần không ta sử dụng ptr 3.42) Vì ảnh hưởng truyền đa tia loại bỏ hay trở thành nhiễu nhỏ, độ rộng chip nhỏ trễ bổ sung đường không thẳng Ta giải thích kết từ quan điểm vùng tần số sau Tín hiệu không thẳng tín hiêu thẳng tín hiệu băng rộng Tín hiệu PN nội đồng đến tín hiệu thẳng Vì tín hiệu thẳng giải trải phổ tín hiệu không thẳng không giải trải phổ Sau trình giải trải phổ máy thu lấy tín hiệu vùng băng hẹp xung quanh fc Hz giải điều chế (bao gồm việc nhân sóng mang tích phân làm việc lọc thông thấp) Chỉ có phần nhỏ tín hiệu không thẳng qua trình trở thành nhiễu Như tín hiệu không thẳng giảm SNR Vấn đề gần - xa (Near-Far) Vấn đề gần xa tượng mà hệ thống nhiều người sử dụng gập nguy hiểm có mặt tín hiệu mạnh Ta xét hệ thống đa truy nhập DSSS Giả thiết có K người sử dụng phát tín hiệu kênh Việc thu tín hiệu bị nhiễu tạp âm tín hiệu K-1 người sử dụng khác Giả thiết N0 PSD đơn biên (tạp âm trắng Gauss) kênh tạp âm giả sử Pr công suất trung bình tín hiệu máy thu xét Khi PSD tần số dương tín hiệu người sử dụng ( Pr Tc ) sin c [ ( f − f c )Tc ] (xem ptr 3.18) độ rộng băng tần tín hiệu B=1/T c Bằng cách lập mô hình K-1 tín hiệu gây nhiễu tạp âm trắng Gausơ, xấp xỉ hoá PSD mật độ phổ công suất kết hợp K-1 tín hiệu gây nhiễu (K-1)P r / B = (K-1)Pr Tc Vậy SNR tương đương là: Biểu thức cho thấy nhiễu tăng xác suất lỗi bit Bây ta khảo sát số K-1 người gây nhiễu gần máy thu Do luật tỉ lệ nghịch hàm mũ bình phương truyền lan sóng điện từ, tín hiệu người gây nhiễu đến máy thu lớn nhiều, giả sử P'r = aPr , a tăng hàm mũ người gây nhiễu tiến đến gần máy thu Chẳng hạn người gây nhiễu mạnh gần máy thu 10 lần so với máy phát tín hiệu chủ định a là: 10 n = 100 coi n=2 (trong môi trường di động n thường 4) Như SNR tương đương là: Khi a lớn, SNR giảm mạnh xác suất lỗi trở nên lớn Nói cách khác ta trì xác suất lỗi mức cho phép cách giảm só K-2 người sử dụng số người sử dụng có phải loại bỏ hoàn toàn a lớn 3.5.3 Tính chất khó thu trộm Một lợi cuả tín hiệu DS/SS chúng khó phát thu trộm Để hiểu E br d ( t ) c( t ) cos( 2πf c t ) + n( t ) PSD vấn đề ta xét tín hiệu DS cộng với tạp âm: Tb Pr tín hiệu Sinc [ ( f − f c )Tc ] có giá trị lớn E cr = Pr Tc = Pr / Rc tạp âm Rc Gausơ trắng cộng (AWGN) có PSD đơn biên N Trong ứng dụng hệ thống điện thọai di động, thường đòi hỏi tỷ số lỗi bit 10 -3 hay 10-2 Để đạt điều phải có SNR Ebr/N0 vào khoảng 6,8 dB đến 10,5 dB (coi điều chế BPSK) Nghĩa Ebr/N0 ≈ đến 11, Ebr lượng tín hiệu thu bit tín hiệu DS, hay N0= Ebr /(5 đến 11) Ta lại có Ebr= PrTb nên Ecr /N0 = (Ecr/Ebr)×(5 đến 11)=(Tc/Tb) ×(5 đến 11)=(5 đến 11)/Gp Nghĩa chiều cao phổ tín hiệu DS (Ec) 5/Gp đến 11/Gp lần chiều cao phổ tạp âm (N0) Vì Gp lớn nên thừa số 5/Gp 11/Gp thường nhỏ nhiều so với Vì chiều cao phổ tín hiệu DS thấp tạp âm, nghĩa tín hiệu DS bị che lấp tạp âm nên khó phát thu trộm 3.6 Tổng kết Hệ thống DSSS sử dụng chuỗi PN trực giao để trải phổ Các máy phát DSSS việc chứa phần tử thông thường điều chế chứa thêm trải phổ Sau trải phổ tín hiệu trải phổ có độ rộng lớn nhiều so với độ rộng phổ tín hiệu cần phát Sự khác độ rộng phổ gọi độ lợi xử lý Độ lợi xử lý lớn hiệu hệ thống DSSS tốt Các hệ thống máy thu DSSS sử dụng giải trải phổ để phục hồi lai tín hiệu phát Để giải trải phổ hoạt động tốt mã PN phải trực giao tốt Hệ thống DSSS không tác động lên tạp âm Gauss trắng (tạp âm nhiệt) cho phép giảm nhiễu phá, giảm nhiễu đồng kênh (nhiễu tần số) phađinh Nhiễu đồng kênh mạnh người sử dụng khác gần máy thu chủ định Hiện tượng gọi tượng gần xa Để tránh tượng hệ thống thông tin di động CDMA người ta phải điều khiển công suất nhanh (giảm công suất máy di động tiến gần BTS tăng công suất máy di động rời xa BTS) DSSS không giảm pha đinh mà cho phép lợi dụng hệ thống phân tập (máy thu RAKE xét chương 5) để tăng cường chất lượng truyền dẫn Ở mức độ định DSSS cho phép tránh nghe trộm phổ tín hiệu trải phổ che lấp tạp âm độ lợi xử lý lớn ... trường hợp thứ hai ta lấy tín hiệu c1(t) c2(t) cách tách tín hiệu c(t) thành hai tín hiệu: c1(t) sử dung chip lẻ c(t) c2(t) sử dụng chip chẵn c(t), độ rộng chip c1(t) c2(t) gấp đôi độ rộng chip c(t)... không thẳng không giải trải phổ Sau trình giải trải phổ máy thu lấy tín hiệu vùng băng hẹp xung quanh fc Hz giải điều chế (bao gồm việc nhân sóng mang tích phân làm việc lọc thông thấp) Chỉ có phần... tượng gần xa Để tránh tượng hệ thống thông tin di động CDMA người ta phải điều khiển công suất nhanh (giảm công suất máy di động tiến gần BTS tăng công suất máy di động rời xa BTS) DSSS không giảm