Nhóm 2 hệ thống CDMA trải phổ nhảy tần FH CMDA

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 Ở các hệ thống thông tin thông thường, độ rộng băng tần là vấn đề quan

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

MỤC LỤC

I KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 4

1 Giới thiệu 4

2 Phân loại 5

3 Chuỗi giả ngẫu nhiên PN 5

4 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần 7

II.ỨNG DỤNG CỦA TRẢI PHỔ NHẢY TẦN TRONG CDMA 16

1.Công nghệ CDMA 16

2 Nguyên lý của kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã 17

3 Máy thu RAKE 18

4 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số 19

III.MÔ PHỎNG KỸ THUẬT TRẢI PHỔ NHẢY TẦN 22

1.Tổng quan 22

2.Các bước thực hiện,thiết lập tham số 23

3.Mô phỏng 26

IV.TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống thông tin Việt Nam hiện nay chủ yếu sử dụng công nghệ GSM (Global System for Mobile Communications) Các mạng điện thoại GSM sử dụng công nghệ

TDMA (Time Division Multiple Access) - phân chia các truy cập theo thời gian Tuy

nhiên, trong tương lai không phải hãng viễn thông nào cũng chọn GSM, thay vào đó có thể sử dụng chuẩn khác gọi là Code Division Multiple Access, hay viết tắt là CDMA vì những lợi ích của nó Hai chuẩn này chạy song song, thậm chí ở một số quốc gia các nhà mạng CDMA vẫn còn rất mạnh Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về số lượng cũng như chất lượng của dịch vụ trên hệ thống

Công nghệ CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ đã đạt được hiệu quả sử dụng dải thông lớn hơn nhiều lần so với các công nghệ tương tự hoặc số khác, do đó số lượng thuê bao đa truy nhập lớn hơn rất nhiều Nhờ việc dãn rộng phổ tín hiệu mà có thể chống lại được các tác động nhiễu và bảo mật tín hiệu Các hệ thống sử dụng công nghệ CDMA đã đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di động trong tương lai Việc nắm bắt được công nghệ này là rất cần thiết Trong công nghệ CDMA, ký thuật trải phổ đóng vai trò quan trọng nhất Từ lý do đó, chúng em đã tìm hiểu để tài” Kỹ thuật trải phổ nhảy tần trong hệ thống CDMA” để nghiên cứu

Do thời gian tìm hiểu và kiến thức còn giới hạn Trong phạm vi báo cáo này chúng

em tập trung nghiên cứu về các phần:

 Mô hình hệ thống, chức năng và đầu ra đầu vào từng khối, hoạt động của từng khối

 Giải thích phổ và trải phổ, ưu nhược điểm

 Minh họa hoạt động bằng các bit nhị phân

I KỸ THUẬT TRẢI PHỔ

1 Giới thiệu

Kỹ thuâ ̣t trải phổ ra đời từ nhu cầu bảo mâ ̣t 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 Tuy nhiên, máy thu chủ định phải biết mã này để có thể tạo ra bản sao mã này Để biến đổi bản tin thành tín hiệu tựa tạp âm, ta sử dụng mã ngẫu nhiên để mã hoá bản tin 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

Ở các hệ thống thông tin thông thường, độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính

và các hệ thống này thường được thiết kế sao cho sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt Tuy nhiên, ở hệ thống thông tin trải phổ (SS: Spread Spectrum), độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng gấp nhiều lần trước khi phát Khi chỉ có 1 người sử dụng trong băng tần trải phổ thì không có hiệu quả sử dụng băng tần Nhưng ở môi trường nhiều người dùng, họ có thể sử dụng chung một băng tần trải phổ và hệ thống khi đó đạt được hiệu quả sử dụng băng tần cao mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ như:

 Chống nhiễu tốt

 Chia sẻ cùng tần số với nhiều người sử dụng

 Bảo mật tốt do có chuỗi mã giả ngẫu nhiên

 Do sử dụng mã giả ngẫu nhiên nên nó khó bị nghe trộm

 Hạn chế và làm giảm hiệu ứng đa đường truyền

Như vậy, một hệ thống thông tin được coi là hệ thống trải phổ khi:

- Tín hiệu được phát có độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết

- Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu

Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cách giải trải phổ Các tín hiệu còn lại xuất hiện ở dạng các nhiễu phổ rộng công

suất thấp như tạp âm

2 Phân loại

Các kỹ thuật trải phổ gồm ba nhóm chính như sau:

- Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp ((DS – SS: Direct Sequence Spread Spectrum)

- Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số (FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum)

- Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum)

Bài báo cáo này chúng em nghiên cứu về kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số (FH – SS), nói ngắn gọn là kỹ thuật trải phổ nhảy tần

3 Chuỗi giả ngẫu nhiên PN

Các tín hiệu băng rộng trải phổ giống tạp âm được tạo ra bằng các dãy giả tạp PN hoặc dãy mã giả ngẫu nhiên Trong các hệ thống DS/SS, dạng sóng trải PN là hàm thời gian của dãy PN Trong hệ thống FH/SS các mẫu nhảy tần có thể tạo nên từ mã PN Lưu

ý rằng các dãy PN được tạo nên 1 cách xác định, vì chúng phải như vậy nếu không thì không thể có sự trao đổi tin tức có ích nào trên đường liên lạc SS Tuy nhiên các dãy này được thiết kế sao cho gần giống các dãy ngẫu nhiên đối với người quan sát không chủ định Các dạng sóng thời gian tạo nên từ các dãy PN cũng gần giống tạp âm ngẫu nhiên

Sau đây là 3 thuộc tính quan trọng của dãy PN lý tưởng:

- Xác suất của bit 0 và 1 là như nhau

- Khi toàn là bit 0 hoặc bit 1, độ dài là 1 với xác suất 1/2, độ dài là 2 với xác suất 1/4, độ dài là 3 với xác suất 1/8,…

- Khi dãy PN được dịch bởi bất kỳ số các số nào, chuỗi kết quả cũng phải có tổng

là giống với chuỗi

Lớp quan trọng nhất các dãy PN là các dãy nhị phân dùng thanh ghi dịch có chiều dài cực đại, gọi là dãy m Các dãy m nhị phân được tạo ra bằng thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính và các mạch “hoặc loại trừ” Dãy ghi dịch nhị phân tuyến tính được xác định bởi đa thức sinh tuyến tính g(x) bậc m > 0:

Đối với các dãy nhị phân (có giá trị {0,1}), gi bằng 0 hay 1 và gm = g0 = 1 Đặt g(x) = 0 ta được sự hồi quy sau:

vì -1 = 1 (mod 2) Với “x^k” thể hiện k đơn vị trễ, phương trình hồi quy trên xác

định các kết nối hồi tiếp trong mạch thanh ghi dịch nhị phân của hình 1.1

Hình 1.1 Mạch thanh ghi dịch để tạo dãy PN

Để ý rằng các cổng “hoặc loại trừ” thực hiện phép toán mod 2 Nếu gi =1 thì chuyển mạch tương ứng đóng, nếu gi ≠ 1 thì chuyển mạch hở Đối với điều chế 2 pha tiếp theo, lối ra của bộ ghi dịch được biến đổi thành 1 nếu nó là 0, và thành -1 nếu nó bằng 1

Thanh ghi dịch là mạch trạng thái hữu hạn nhị phân với m đơn vị nhớ Do đó số lượng trạng thái khác 0 cực đại là 2^m - 1, bằng chu kì cực đại của dãy ra c = (c0, c1, c2, K K)

Từ hình vẽ 1.1, kí hiệu si(j) là giá trị của ghi dịch thứ j tại xung đồng hồ i Trạng thái của thanh ghi dịch tại xung đồng hồ thứ I là vec tơ độ dài hữu hạn:

Lối ra tại xung đồng hồ thứ i là ci = si(0) Thay x^m = c i+m trong phương trình (1.1) ta được điều kiện hồi qui của dãy ra là:

với i lớn hơn hoặc bằng 0

Một chuỗi thanh ghi dịch cơ số hai tuyến tính, với chu kỳ N = 2m -1 trong đó m là

số đơn vị nhớ trong mạch hay bậc của đa thức tạo mã, được gọi là một chuỗi cơ số hai có

độ dài cực đại hay chuỗi m Đa thức tạo mã của chuỗi m được gọi là đa thức nguyên thuỷ (Primitive Polynomial) Định nghĩa toán học của đa thức nguyên thuỷ là: đa thức tối giản g(x) là một đa thức nguyên thuỷ bậc m nếu số nguyên nhỏ nhất n, mà đối với số này xn+1 chia hết cho đa thức g(x), bằng n = 2m-1 Thí dụ g(x) = x5+x4+x3+x+1 là một đa thức nguyên thuỷ bậc m = 5 vì số nguyên n nhỏ nhất mà xn+1 chia hết cho đa thức g(x) là n=25 -1=31 Trái lại g(x) = x5+x4+x3+x2+x+1 không phải là nguyên thuỷ vì:

Trong các hệ thống thông tin kiểu trải phổ nhảy tần – FH, mã trải phổ giả tạp âm không trực tiếp điều chế sóng mang đã được điều chế, nhưng nó được sử dụng để điều khiển bộ tổng hợp tần số Ở mỗi thời điểm nhảy tần, bộ tạo mã giả tạp âm đưa ra một đoạn k chip mã để điều khiển bộ tổng hợp tần số, theo điều khiển của đoạn k chip mã này, bộ tổng hợp tần số sẽ nhảy sang hoạt động ở tần số tương ứng thuộc tập 2k các tần

số

Mỗi đoạn gồm k chíp mã được gọi là một từ tần số, bởi vậy sẽ có 2k từ tần số Do các từ tần số xuất hiện ngẫu nhiên nên tần số dao động do bộ tổng hợp tần số tạo ra nhận một giá trị thuộc tập 2k tần số cũng mang tính ngẫu nhiên Phổ của tín hiệu nhảy tần có bề rộng như của sóng mang đã được điều chế chỉ khác là nó bị dịch tần đi một khoảng bằng tần số dao động do bộ tổng hợp tần số tạo ra và nhỏ hơn rất nhiều so với độ rộng băng trải phổ Tuy nhiên, tính trung bình trên nhiều bước sóng nhảy thì phổ tín hiệu nhảy tần lại chiếm toàn bộ bề rộng băng trải phổ

Hình 1.1 Mật độ phổ công suất của tín hiệu FHSS trên toàn bộ băng tần

Tốc độ nhảy tần có thể nhanh hay chậm hơn tốc độ số liệu Từ đó ta có 2 loại hệ thống trải phổ nhảy tần, đó là hệ thống nhảy tần nhanh và hệ thống nhảy tần chậm

4.2 Máy phát FH – SS

Hình 2.2 Sơ đồ khối máy phát FH – SS Tín hiệu dữ liệu b(t) đưa vào được điều chế FSK thành tín hiệu x(t) Trong khoảng thời gian mỗi bít x(t) có một trong hai tần số f’ và f’+∆f, tương ứng với bít 0 và 1 của dữ liệu Tín hiệu này được trộn với tín hiệu y(t) từ bộ tổng hợp tần số Cứ mỗi Th giây, tần số y(t) lại được thay đổi theo các giá trị của k bit nhận được từ bộ tạo mã PN Do có 2 tổ hợp k bit nên ta có thể có 2k các tần số khác nhau được tạo ra bởi bộ tổng hợp tần số Bộ trộn tạo ra tần số của tổng và hiệu, một trong hai tần số này được lọc ra ở bộ lọc băng thông (BPF)

Ta có thể viết tín hiệu đầu ra của bộ tổng hợp tần số trong đoạn nhảy 1 như sau:

y(t) = 2A cos [2π (f g + i l ∆f)t + θ] ; với T h <t<(l+1)T h

Trong đó:

+ i l Є {0, 2, 4, 2(2k – 1)} – là số nguyên chẵn

+ f g : là một tần số không đổi

+ θ: là giá trị pha

Giá trị của il được xác định bởi k bit nhận được từ bộ tạo chuỗi giả tạp âm Giả thiết rằng

bộ lọc BPF lấy ra tần số tổng ở ở đầu ra của bộ trộn Khi này ta có thể viết tín hiệu ở đầu

ra bộ lọc BPF trong bước nhảy như sau:

Xét về độ rộng băng tần, tần số của FH không thay đổi trong một đoạn nhảy Trong toàn bộ khoảng thời gian, tín hiệu phát nhảy ở tất cả K tần số, vì thế nó chiếm độ rộng băng tần là:

B FH = K.∆f

Để tính toán độ lợi xử lý, ta đã biết rằng độ rộng băng tần kênh cần thiết để truyền

số liệu bằng 2/Tb, nên Gp là tỷ số giữa độ rộng băng tần kênh để truyền dữ liệu trải phổ và

độ rộng băng tần cần thiết để truyền tín hiệu băng tần gốc như sau:

G p = K.∆f / (2/T b ) = KT b / 2T h

Trong đó ta giả thiết rằng phân cách tần số bằng 1/Tb Nếu ta sử dụng thêm bộ nhân tần có hệ số β thì phổ của tín hiệu FH sẽ mở rộng β lần Vì thế độ rộng băng tần tổng hợp của tín hiệu FH này là β.K∆f (Hz) và khi đó độ lợi sẽ tính bằng:

khi pha này thay đổi ở mỗi bước nhảy Bộ tạo chuỗi PN tại phía phát tạo ra một chuỗi PN đồng bộ với chuỗi thu, đầu ra của bộ tổng hợp tần số sẽ là:

Thành phần tần số cao bị bộ lọc BPF loại bỏ và chỉ còn lại thành phần tần số thấp

Ta ký hiệu f0 = fg + f’ Vậy đầu vào bộ giải điều chế FSK sẽ là:

Đầu này chứa hoặc tần số f’ hoặc (f’ + f) Vì b không thay đổi trong thời gian Tb của

một bit, nên trong khoảng thời gian này tín hiệu w(t) có tần số không đổi Như vậy trong khoảng thời gian Tb giây bộ giải điều chế FSK tách ra tần số này và tạo ra đầu ra cơ số 2

là 0 hoặc là 1 Nói cách khác ta có thể tách ra tần số chứa trong w(t) cho từng đoạn nhảy

để nhận được Tb/Th các giá trị cho từng bước nhảy Từ các giá trị này, sử dụng nguyên tắc đa số ta có thể quyết định bit dữ liệu là 0 hay là 1

4.4 Hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh

Hình 2.4: Hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh với Tb = 3Th

Ở hệ thống FHSS nhanh, có ít nhất một lần nhảy tần số ứng với một bit dữ liệu Với Tb là chu kỳ của tín hiệu dữ liệu, Th là thời gian của một đoạn nhảy tần thì Tb≥Th Trong khoảng thời gian Th giây của mỗi lần nhảy tần, một trong số các 2k tần số (f0, f0 +

∆f, f0 + 2∆f, … , f0 +(K – 1)∆f) được phát Trong đó ∆f là khoảng cách giữa các tần số lân cận, thường được chọn băng 1/Th Hình 2.4 biểu diễn cho hệ thống FH với tốc độ nhảy tần bằng 3 lần tốc độ số liệu

Nhảy tần nhanh với điều chế M-FSK

Để hiểu cụ thể hơn ta đi tìm hiểu hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh với điều chế FSK Dạng tổng quát của FSK cơ số 2 là FSK M trạng thái, trong đó M tần số được sử dụng để biểu thị Log2(M) bit số liệu Với trải phổ FH, tần số phát nhảy trên một lượng lớn các tần số (2k.M tần số), trong đó k là số bit đư ra từ bộ tạo mã PN đến bộ tổng hợp tần số Hình 2.7 biểu thị cụ thể hệ thống trải phổ FH nhanh với điều chế FSK M trạng thái

M-Với giả thiết M = 4, nghĩa là ở mỗi thời điểm hai bit số liệu được xem xét và giả thiết là ba bước nhảy ở mỗi ký hiệu (mỗi ký hiệu bằng Log2(M) bit số liệu), ở đây ta sử dụng Ts = Log2(M) Tb để biểu diễn thời gian của một ký hiệu, Th biểu diễn thời gian của một bước nhảy tần

Trục tần số được chia thành 2k nhóm 4 tần số, k bit của chuỗi PN sẽ xác định tần số trong nhóm nào sẽ được sử dụng Vì thế 2 bit từ luồng số liệu và k bit từ chuỗi PN sẽ xác định chính xác tần số nào sẽ được phát trong đoạn nhảy tần Do tần số được phát thay đổi cứ

Th giây một lần nên để điều chế được trực giao khoảng cách tần số tối thiểu phải là 1/Th

0 và 1 Vì tần số phát có thể thay đổi Th giây một lần nên để điều chế trực giao khoảng cách phải là ∆f = m/T Trong đó m là số nguyên khác 0 Nếu ta chọn ∆f = 1/T và nếu bộ

tổng hợp tần số tạo ra 2k tần số, độ rộng băng tần sẽ là K.∆f = K/Tb (Hz) Trong đó K =

2k+1 Độ đợi xử lý là K/2 Khi sử dụng bộ nhân tần với hệ số nhân β ở máy phát, phân cách tần số ở đầu ra cuối cùng trở thành β.∆f và G = β.K/2

Hình 2.6: Biểu đồ tần số cho hệ thống FHSS chậm với Th = 2Tb

Nhảy tần chậm với điều chế M – PSK

Tìm hiểu cụ thể hơn về hệ thống nhảy tần chậm ta xét ví dụ với hệ thống nhảy tần chậm với điều chế M-FSK có M = 4 và Ts = TbLog2M Tức là trong thời gian một bước nhảy có 3 ký hiệu dữ liệu Độ rộng băng tần lớn nhất hệ thống đạt được là 2k.M/Ts (Hz) Tương tự như hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh, trục tần số được chia thành 2knhóm 4 tần số, k bit của chuỗi PN sẽ xác định tần số trong nhóm nào sẽ được sử dụng Vì

thế 2 bit từ luồng số liệu và k bit từ chuỗi PN sẽ xác định chính xác tần số nào sẽ được phát trong đoạn nhảy tần

Hình 2.7: Biểu đồ tần số cho một hệ thống FH chậm với điều chế M-FSK, M=4

II.ỨNG DỤNG CỦA TRẢI PHỔ NHẢY TẦN TRONG CDMA

1.Công nghệ CDMA

Những năm vừa qua hệ thống thông tin di động Việt Nam đã sử dụng công nghệ GSM Tuy nhiên, trong tương lai đã và đang phát triển hệ thống mới sử dụng công nghệ CDMA, nhằm đáp ứng yêu cầu số lượng ngày càng tang về số lượng cũng như chất