Thông tin trải phổ và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM THỊ ÁNH HỒNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội, 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM THỊ ÁNH HỒNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN QUỐC TRUNG Hà Nội, 2010 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 1.1 Giới thiệu: Trong hệ thống thông tin, ta thường quan tâm đến tính hệ thống theo khía cạnh hiệu dải thông hiệu lượng Trong đó, phổ tần vơ tuyến từ lâu coi nguồn tài ngun cơng cộng q báu quốc gia tự nhiên Tuy nhiên phổ tần vô tuyến tài nguyên hữu hạn, song dùng lại được, tức hệ thống ngừng dùng tần số hệ thống khác bắt đầu dùng tần số Mặc dù tiến công nghệ tiếp tục mở rộng dải tần dùng được, tính chất sóng vơ tuyến làm cho số tần số hay dùng hơn, q giá tần số khác Theo đó, tính chất truyền dẫn sóng vơ tuyến dải 0.5-3 GHz đặc biệt quí giá nhiều dịch vụ cố định di động Vấn đề ngày nhiều công nghệ dịch vụ tranh dành đoạn phổ tần quí giá đó, nhu cầu phổ tần vô tuyến tăng nhanh dịch vụ mới, dịch vụ thông tin cá nhân (Personal Communication Service-PCS) điện thoại tế bào… Quản lí việc sử dụng phổ tần nhiệm vụ phức tạp có nhiều loại dịch vụ vơng nghệ Trước việc thực cách cấp băng blocks phổ cho dịch vụ khác quảng bá, di động, nghiệp dư, vệ tinh, điểm-điểm thông tin hàng không…, gần có cách tiếp cận khác để giải vấn đề này, dựa khả số phương pháp điều chế chia sẻ băng tần mà khơng gây nên nhiễu đáng kể Đó phương pháp điều chế trải phổ (Spread Spectrum-SS), dùng kết hợp với kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple AccessCDMA), hay gọi kĩ thuật đa truy nhập trải phổ (Spread Spectrum Multiple Access-SSMA) Kỹ thuật trải phổ qua quãng đường phát triển dài, có từ thời trước chiến tranh Thế giới II Đồng thời Mĩ Đức, vào thời gian hoạt động tối mật Những cải tiến sau đó, đặc biệt lĩnh vực CDMA, xem xét lại tỏ phương tiện hấp dẫn để xác định vị trí xe cộ , nhờ khả xác định cự li đồng thời sử dụng kênh Ngồi cịn cung cấp giải pháp cho vấn đề tắc nghẽn phổ điện thoại tế bào phát triển nhanh Như hình dung, sử dụng kỹ thuật trải phổ thu hút ý đáng kể Kỹ thuật trải phổ sử dụng đề xuất sử dụng nhiều ứng dụng mới, mạng thông tin cá nhân (Personal Communication Networks-PCN), WLAN (Wireless Local Area Networks), tổng đài nhánh cá nhân vô tuyến (Wireless Private Branch Exchanges-WPBX), hệ thống điều khiển kiểm kê vô tuyến, hệ thống báo động tòa nhà hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System-GPS) Kỹ thuật trải phổ có số đặc điểm hấp dẫn là: • Khả chống lại nhiễu cố ý không cố ý- đặc điểm quan trọng thông tin vùng đơng đúc thành phố • Có khả loại bỏ giảm nhẹ ảnh hưởng đường truyền lan đa đường, vật cản lớn thơng tin thành phố • Có thể chia sẻ băng tần (như “tấm phủ”) với người dùng khác, nhờ tính chất tín hiệu giống tạp âm • Có thể dùng cho thơng tin vệ tinh cấp phép chế độ CDMA • Cho mức độ riêng tư định nhờ dùng mã trải ngẫu nhiên làm cho khó bị nghe trộm 1.2 Các hệ thống thông tin trải phổ: Trong hệ thống thông tin, dải thông điều quan tâm chủ yếu hệ thống thiết kế cho sử dụng dải thơng tốt Dải thơng cần để phát nguồn tín hiệu tương tự hai lần dải thông nguồn hệ thống điều biên hai biên Nó vài lần dải thông nguồn hệ thống điều tần tùy thuộc vào số điều chế Đối với nguồn tín hiệu số, dải thơng u cầu bậc với tốc độ bít nguồn, dải thơng u cầu xác phụ thuộc vào loại điều chế (BPSK, QPSK,…) Trong hệ thống thông tin trải phổ, dải thơng tín hiệu mở rộng, thường vài bậc dải thơng trước phát Khi có người dùng băng tần trải phổ, hiệu dải thông thấp Tuy nhiên môi trường đa người dùng, người dùng chia sẻ băng tần trải phổ hệ thống trở nên hiệu dải thơng trì ưu điểm hệ thống trải phổ Hình 1.1 sơ đồ khối chức hệ thống thông tin trải phổ điển hình hai cấu hình mặt đất vệ tinh Nguồn số hay tương tự Nếu nguồn tương tự, số hóa biến đổi tương tự/số (Analog to digital- A/D) điều chế xung mã (Pulse code modulation-PCM) hay điều chế delta (DM) Bộ nén liệu loại bỏ giảm bớt độ dư thừa thông tin nguồn số Sau tín hiệu mã hóa mã hóa sửa sai, đưa thêm độ dư mã hóa vào nhằm mục đích phát sửa lỗi phát sinh truyền qua kênh tần số vô tuyến (Radio frequency-RF) Phổ tín hiệu nhận trải dải thơng mong muốn, tiếp sau điều chế có tác dụng dịch phổ đến dải tần phát gán Sau tín hiệu điều chế khuếch đại gửi qua kênh truyền mặt đất vệ tinh Kênh gây số tác động xấu như: nhiễu, tạp âm, suy hao cơng suất tín hiệu Chú ý nén/giải nén liệu mã sửa sai/giải mã tùy chọn Chúng dùng để cải thiện chất lượng hệ thống Vị trí chức trải phổ điều chế đổi lẫn cho Hai chức thường kết hợp thực khối Tín hiệu số Nén liệu Mã sửa sai Trải phổ Tín hiệu tương tự Điều chế Đường lên Tạp âm Kênh truyền Tạo dãy PN A/D KĐ CS Nhiễu Sóng mang Máy phát Kênh mặt đất Máy phát Tạp âm Kênh Máy thu Nhiễu truyền đáp Kênh vệ tinh Tạp âm Sóng mang Tín hiệu số Tín hiệu tương tự Giải nén D/A Giải mã Giải trải phổ Tạo dãy PN Giải điều chế Kênh truyền KĐ CS Nhiễu Đường xuống Đồng dãy PN Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thơng tin số trải phổ điển hình Tại đầu thu, máy thu cố gắng khơi phục lại tín hiệu gốc cách biến đổi ngược lại trình sử dụng máy phát; nghĩa tín hiệu thu giải điều chế, giải trải phổ, giải mã giải nén để nhận tín hiệu số Nếu nguồn tương tự, tín hiệu số biến đổi thành tín hiệu tương tự nhờ biến đổi D/A Trong hệ thống thông thường, chức trải phổ giải trải phổ khơng có sơ đồ khối hình 1.1 Đây điểm khác hệ thống thông thường hệ thống trải phổ Hệ thống thông tin số coi hệ thống trải phổ thỏa mãn hai tiêu chuẩn: • Dải thơng tín hiệu truyền cần phải lớn nhiều so với dải thơng tín hiệu mang • Sự mở rộng dải thông thực nhờ mã không phụ thuộc liệu (Dải thông tương đối rộng tín hiệu mang cần tạo tín hiệu dùng để điều biên, gọi tín hiệu mã trải, tín hiệu cần biết thu để khơi phục tín hiệu mang tin) Có loại hệ thống trải phổ bản: • Dãy trực tiếp (DS/SS- Direct sequence spread spectrum): ta sử dụng điều biên khơng tải tin • Nhảy tần (FH/SS- Frequency hopping spread spectrum): ta sử dụng điều tần, tần số nhảy xác định từ có độ dài k bít nhận từ tín hiệu mã trải • Nhảy thời gian (TH/SS- Time hopping spread spectrum) Cũng kết hợp loại trải phổ với nhau, gọi kỹ thuật lai bao gồm chuỗi trực tiếp nhảy tần Hệ thống DS/SS đạt trải phổ nhờ nhân với nguồn tín hiệu giả ngẫu nhiên Hệ thống FH/SS đạt trải phổ cách nhảy tần số sóng mang tập lớn tần số Mẫu nhảy tần giả ngẫu nhiên Trong hệ thống TH/SS, khối bít liệu nén phát cách gián đoạn nhiều khe thời gian khung gồm số lớn khe thời gian Mẫu nhảy thời gian giả ngẫu nhiên xác định khe thời gian dùng để truyền khung Hiện quan tâm đến hệ thống trải phổ ứng dụng đa truy nhập, nhiều người dùng chia sẻ dải thông truyền dẫn Trong hệ thống DS/SS, tất người dùng chia sẻ băng tần phát tín hiệu cách đồng thời Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên xác để khơi phục tín hiệu mong muốn trình giải trải phổ Các tín hiệu khơng mong muốn khác giống can nhiễu phổ rộng công suất thấp, ảnh hưởng chúng lấy trung bình phép giải trải phổ Trong hệ thống FH/SS TH/SS người dùng gán mã giả ngẫu nhiên khác cho khơng có hai máy phát sử dụng tần số khe thời gian đồng thời, nghĩa máy phát tránh xung đột với Vì thế, FH TH hệ thống tránh, DS hệ thống lấy trung bình 1.3 Nguyên lý trải phổ: Nguyên lý trải phổ cung cấp tất tiềm tần số thời gian đồng thời cho thuê bao, khống chế mức công suất phát từ thuê bao đủ để trì tỉ số tín hiệu/tạp âm theo mức chất lượng yêu cầu Mỗi thuê bao sử dụng tín hiệu băng rộng tạp âm chiếm tồn dải tần phân bố Theo cách thuê bao tham gia vào tạp âm tác động tới tất thuê bao khác, phạm vi cách khống chế cơng suất phát Như hệ thống coi trải phổ nếu: - Tín hiệu trải phổ (tín hiệu phát) phải có độ rộng phổ lớn nhiều lần độ rộng phổ thông tin gốc cần truyền - Trải phổ thực mã độc lập với liệu gốc CHƯƠNG II: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ 2.1 Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DS/SS: 2.1.1 Mở đầu: Tín hiệu DS/SS nhận cách điều chế tin tức tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng Sản phẩm trở thành tín hiệu băng rộng Trước tiên ta nghiên cứu số tính chất tín hiệu giả ngẫu nhiên Sau ta xem xét máy phát máy thu hệ thống DS/SS sử dụng BPSK QPSK Ta nghiên cứu ảnh hưởng tạp âm nhiễu cố ý đến chất lượng hệ thống DS/SS Cuối ta nghiên cứu ảnh hưởng việc chia sẻ kênh với vài người dùng (nhiễu đa truy nhập) ảnh hưởng đa tia 2.1.2 Tín hiệu giả tạp: Như đề cập chương I, ta dùng mã “ngẫu nhiên” để trải phổ tin tức máy phát giải trải phổ tín hiệu thu máy thu Mã ngẫu nhiên đóng vai trị quan trọng hệ thống trải phổ Tuy nhiên mã ngẫu nhiên thực sự, máy thu mong muốn lấy tin tức chưa có phương pháp để đồng với mã ngẫu nhiên thực sự, hệ thống trở thành vơ dụng Thay vào ta phải dùng mã giả ngẫu nhiên, mã tất định mà máy thu mong muốn biết được, máy thu khơng mong muốn giống tạp âm Nó thường gọi dãy giả tạp (Pseudo Noise-PN) Dãy PN dãy số tuần hoàn với chu kì định Ta sử dụng {c i ,i=integer}≡{L, c -1 ,c ,c ,L} để dãy PN Giả sử N chu kì tức c i+N =c i Đơi ta cịn gọi N độ dài dãy PN, dãy tuần hồn đơn phần mở rộng có chu kì dãy dài N Để dãy {a i }là dãy tạp ngẫu nhiên tốt, giá trị phải độc lập với giá trị aj với i≠j Để điều xảy dãy khơng lặp lại, tức chu kì phải ∞ Vì dãy PN tuần hồn, chu kì phải lớn để nhận tính chất ngẫu nhiên tốt Trong hệ thống DS/SS, tín hiệu liên tục thời gian (gọi tín hiệu PN) tạo từ dãy PN để trải phổ Giả sử dãy PN nhị phân, tức c i =±1, tín hiệu PN là: c(t ) = ∞ ∑c k = −∞ k pTc (t − kTc ) (2.1) Ở pT(t) xung vuông biên độ Số ck gọi chíp độ dài thời gian Tc giây gọi thời gian chíp Để ý tín hiệu PN có chu kì NTc Một ví dụ hình 2.1 với N=15 {ci,i=0,1,K,14}={1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,-1} Tín hiệu PN (dãy) gọi tín hiệu trải (dãy), tín hiệu (dãy) ngẫu nhiên dạng sóng (dãy) đặc trưng : Một chu kì C(t) -1 t Tc … NTc … N=15; {ci,i=0,….,14}={1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1} Hình 2.1 Ví dụ tín hiệu PN c(t), tạo nên từ dãy PN có chu kì N=15 Để thuận tiện, ta mơ hình hóa tín hiệu PN tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên tức giả sử ci -1 với xác suất ci cj độc lập i≠j Do hàm tự tương quan :  τ 1 − , τ ≤ Tc Rc (τ ) = Λ Tc (τ ) =  Tc 0  (2.2) Và mật độ phổ cơng suất PSD : ϕ c ( f ) = Tc sin c ( fTc ) (2.3) Tín hiệu PN thực chất tín hiệu tất định, hàm tự tương quan CNRu=Pus/Pun CNR đường lên, CNRd=GdownGsatPus/Pdn CNR đường xuống Chú ý : CNR≤min{CNRu, CNRd} (4.5) Tức CNR không lớn nhỏ CNR đường lên CNR đường xuống Điều có ích thiết kế hệ thống Bây giả sử tạp âm trắng với PSD hai phía N0/2 Để tính xác suất lỗi bít, ta cần SNR (chính Eb/N0) Coi T độ dài bít, ta có Eb=TPs, với Ps cơng suất trung bình tín hiệu Giả sử truyền dẫn sử dụng dải thông B Hz, cơng suất tạp âm (2B)(N0/2)=BN0 Do : Eb TPs P = = (BT ) s = (BT ).CNR N0 N0 N0 B (4.6) Như tính Eb/N0 từ CNR Giả sử đường lên đường xuống sử dụng tốc độ bít 1/T bps dải thơng B Hz, ta có: E  Eb   ≡ b ,total =  −1 −1  N total N 0,total (Eb / N )u + (Eb / N )d (4.7) Ở (Eb/N0)u (Eb/N0)d tương ứng tỉ số lượng bít PSD tạp âm đường lên đường xuống Xác suất lỗi hàm (Eb/N0)total Dạng hàm phụ thuộc vào loại điều chế cụ thể sử dụng Đối với BPSK, ta có : Pb = Q 2(Eb / N )total Do dựa Pb mong muốn, tìm (Eb/N0)total u cầu, sau phân cho (Eb/N0)u (Eb/N0)d dùng (4.7) Để ý (Eb/N0) không phụ thuộc vào dải thơng hệ thống Do biểu thức áp dụng cho hệ thống FDMA TDMA Trong trường hợp CDMA, cịn có tạp âm gây nhiễu đa người dùng Nếu coi nhiễu tạp âm trắng dải rộng, ta có : E  Eb   ≡ b ,total =  −1 −1 −1  N total N 0,total (Eb / N )u + (Eb / N )d + (Eb / N )I (4.8) Ở (Eb/N0)I tỉ số lượng bít nhiễu Dùng xấp xỉ Gao xơ, ta có :  Eb   =   N total (Eb / N )−1 + (Eb / N )−1 + 2(K − 1) d u 3N (4.9) Ta thấy tỉ số tín/tạp bị hạn chế yếu tố : SNR đường lên, SNR đường xuống nhiễu đa truy nhập Yếu tố yếu yếu tố hạn chế hiệu suất tổng thể Vì có vài người dùng SNR đường lên đường xuống yếu tố Mặt khác SNR cao, nhiễu đa người dùng yếu tố Nếu có tạp âm khác tạp điều chế chéo, kể đến chúng theo cách Đối với FDMA, có tạp xuyên âm Tạp tính đến hồn tồn tương tự 4.2 Đo cự li: Tín hiệu DS/SS sử dụng để đo cự li điểm Hệ thống đo cự li sử dụng chẳng hạn để xác định khoảng cách vệ tinh Điều thực cách phát tín hiệu DS/SS từ nguồn Tín hiệu phản xạ lại máy phát đối tượng, từ máy phát tách hiệu pha tín hiệu phản xạ tín hiệu chuẩn (phát đi) Có thể xác định pha sau bắt/đồng tín hiệu PN trở lại Biết độ dài chíp, biến đổi pha thành độ trễ thời gian, độ trễ thời gian lại biến đổi thành khoảng cách ta biết tốc độ sóng vơ tuyến Sơ đồ khối hệ thống đo cự li biểu diễn hình 4.4 Tín hiệu PN phản xạ lại từ đối tượng mục tiêu qua hệ thống bắt Sau bắt, ta nhận độ trễ thời gian Giả sử q trình bắt đồng chỉnh dãy đến phần thời gian chíp, ví dụ ∆Tc , Tc độ dài chíp cịn ∆≤ KĐCS Tạo PN Đối tượng c(t) Trễ Td c(t-td) Bộ thu nhận Chuyển mạch đóng sau thu nhận Cự ly tính tốn Tín hiệu phát KĐCS Cự ly r t td Tín hiệu thu t Hình 4.4 Sơ đồ khối hệ thống đo cự ly sử dụng kỹ thuật trải phổ Mức (chu kỳ=5) t chu kỳ Mức (chu kỳ=3) t Mức (chu kỳ=2) chu kỳ t Mã phức (chu kỳ=5) chu kỳ t chu kỳ Hình 4.5 Một ví dụ dãy thành phần mức Khi độ trễ thời gian xác định đến độ xác ∆Tc giây Nếu độ trễ thời gian td , cự li máy phát đối tượng mục tiêu : r = × 108 (m / s ) × t d (s ) = 1.5 × 108 t d (m ) (4.10) Độ trễ cực đại mà hệ thống nhận biết chu kì dãy PN Nếu dãy PN có chu kì N độ dài chíp Tc , độ trễ gian cực đại mà hệ thống nhận biết NTc s, tương ứng với cự li nằm khoảng ±1.5×108∆Tc (m) ∆ nhỏ hệ thống nhiều thời gian để nhận biết, độ xác tăng lên Tc nhỏ làm tăng độ xác, với trả giá dải thông kênh lớn Để hệ thống đo cự li xa mà giữ ngun độ xác, chu kì N dãy PN phải dài Tuy nhiên dãy có chu kì dài địi hỏi thời gian bắt trung bình dài Để giải vấn đề loạt dãy gọi dãy thành phần xây dựng từ vài dãy PN có độ dài ngắn Để minh họa, giả sử ta có dãy PN chu kì l1, l2, l3 Nếu chu kì nguyên tố nhận dãy thành phần có chu kì l1l2l3 Điều thực sau: trước tiên ta tạo tín hiệu PN dãy PN thứ Sau tín hiệu kết điều chế tín hiệu PN thứ có thời gian chíp chu kì tín hiệu PN thứ Tín hiệu tổng hợp nhận đem điều chế tín hiệu PN thứ có thời gia chíp tích chu kì tín hiệu PN thứ thứ Điều hình 4.5 với l1=5, l2=3 l3=2 Dãy cuối có chu kì 30 Quá trình bắt sau: thực bắt cấp dãy, việc yêu cầu tìm kiếm qua l1 (giả sử tìm kiếm nối tiếp dùng cập nhật tìm kiếm chíp lần) Sau dãy cấp bắt, cấp thứ bắt tìm kiếm qua l2 ơ, vân vân cho cấp dãy Nói chung L ∑1 tìm kiếm i =1 dãy L cấp có chu kì i L ∏1 chíp Nhược điểm dãy thành phần dãy i i =1 tổng hợp khơng có tính chất tự tương quan tốt Do đó, xác suất cảnh báo nhầm lớn trình bắt Hệ thống đo cự li hệ thống turn-around, nghĩa tín hiệu đo cự li phản xạ vọng lại mục tiêu Hệ thống đo cự li xây dựng mà không yêu cầu mục tiêu phải vọng lại tín hiệu đo Trong trường hợp này, tín hiệu PN phát thu lại máy thu biết xác thời điểm phát tín hiệu PN, tức có đồng hồ xác, đồng với đồng hồ máy phát Với thời gian phát tín hiệu tính tốn cự li máy phát máy thu 4.3 Hệ thống định vị toàn cầu (GPS): GPS cho phép máy thu mặt đất xác định vị trí với độ xác cao, phạm vi 10- 20 m Ý tưởng sau: dựa vệ tinh có vị trí biết, máy thu biết cách vệ tinh a1 mét, phải nằm bề mặt hình cầu bán kính a1 với tâm vệ tinh Nếu máy thu biết cách vệ tinh thứ (có vị trí biết) a2 mét, phải nằm vịng trịn giao hình cầu: hình cầu thứ có bán kính a1 tâm vệ tinh thứ nhất, hình cầu thứ có bán kính a2 tâm vệ tinh thứ Bây cách vệ tinh thứ (có vị trí biết) a3 mét, phải điểm giao hình cầu với bán kính mét tâm vệ tinh thứ i (i=1,2,3) Trong hệ thống GPS, điểm loại bỏ (chẳng hạn điểm nằm bên trái đất) Do vị trí máy thu mặt đất xác định cách từ việc biết khoảng cách từ vệ tinh có vị trí biết Các khoảng cách xác định phương pháp đo cự li SS nêu Mỗi vệ tinh phát tín hiệu cự li (tín hiệu DS/SS) với thơng tin vị trí thời điểm phát; máy thu bắt tín hiệu cự li giải mã thơng tin kèm để xác định độ trễ thời gian từ thời điểm phát đến thời điểm thu Sau biết độ trễ, tính khoảng cách Ở ta giả thiết máy thu có đồng hồ xác, đồng với đồng hồ vệ tinh Giả thiết đồng bỏ biết khoảng cách từ máy thu đến vệ tính thứ (có vị trí biết) Trái đất Hình 4.6 Các quỹ đạo 24 vệ tinh NAVSTAR hệ thống GPS Hệ thống GPS bắt đầu hoạt động năm 1993 Bộ quốc phịng Nó có ứng dụng dẫn đường mặt đất, biển không vẽ đồ giám sát v.v Hệ thống có 24 vệ tinh NAVSTAR quĩ đạo tròn độ cao 20200 km (10900 dặm biển) so với mặt đất 21 vệ tinh số làm việc, vệ tinh lại dự trữ Mỗi quĩ đạo vệ tinh nghiêng góc 550 mặt phẳng xích đạo hình 4.6 Sáu quĩ đạo cách kinh độ 600 Các vệ tinh định vị cho chúng nhìn thấy từ điểm trái đất thời điểm Các vệ tinh trì đồng hồ nguyên tử xác cao thơng tin quĩ đạo (lịch thiên văn) (Trễ thực) tsat (giờ vệ tinh) td tm toff toff t2 t1 -toff tm trec (giờ máy thu) (Trễ giả) t’d Hình 4.7 Đồ thị thời gian hệ thống GPS Mỗi vệ tinh hệ thống GPS phát tín hiệu DS/SS: tín hiệu Link (L1) tín hiệu Link (L2) Tín hiệu L1 mang mã đo cự li xác (mã P) mã đo cự li thô/nhận biết (mã C/A) Tín hiệu L2 mang mã đo cự li xác cho ứng dụng quân L2 sử dụng tần số mang 1227.6 MHz Tần số mang L1 1575.42 MHz L1 tín hiệu QPSK, với mã C/A ngắn kênh pha (kênh I) mã P dài kênh vuông pha (kênh Q) Để phân biệt vệ tinh, vệ tinh sử dụng mã C/A mã P khác với vệ tinh khác Mã C/A mã Gold có chu kì 1023 chíp, phát với tốc độ chíp 1.023 MHz, lặp lại ms Mã P có chu kì dài Nó mã tích hình thành từ mã có độ dài gần phát tốc độ chíp 10.23 MHz (cho nên dải thơng cỡ 20.46 MHz) Tín hiệu P nhận lặp lại 280 ngày vệ tinh gán phần dài tuần tín hiệu Tín hiệu C/A có chu kì ngắn để dễ bắt, mã P có chu kì dài tốc độ chíp cao để đo cự li dài xác cao Độ dài chíp mã P khoảng 100 ns Cả tín hiệu C/A P điều chế liệu thơng tin 1500 bít, phát với tốc độ 50 bps lặp lại cách có chu kì Dữ liệu chứa thơng tin vị trí vệ tinh v.v Sau bắt mã C/A, liệu thông tin giải điều chế Mã C/A thông tin giải điều chế cho phép đồng gần tức thời mã P Để tính tốn vị trí mình, máy thu bắt mã từ vệ tinh từ liệu thơng tin suy vị trí vệ tinh thời gian bắt đầu mã P (mốc thời gian) Xem biểu đồ thời gian hình 4.7, thang thời gian hệ thống (giờ vệ tinh), thang thời gian thứ máy thu Đồng hồ máy thu không đồng với đồng hồ hệ thống, có độ trễ thể khác Giả sử máy thu chậm hệ thống lượng toff giây mốc thời gian tm (giờ hệ thống) Máy thu biết giá trị tm từ liệu thông tin Sau bắt, máy thu biết thời điểm (giờ máy thu) mà mốc thời gian đến chẳng hạn t2 Sau máy thu tính độ trễ giả t d' = t − t m Đây độ trễ giả tm so với hệ thống, cịn t2 so với máy thu Từ hình 4.7 ta thấy độ trễ thời gian thực là: t d = t − (t m − toff ) = t d' + toff giây (4.11) Do khoảng cách thực tính từ vệ tinh là: ( r = × 108 t d = × 108 t d' + toff ) mét (4.12) Máy thu tính khoảng cách đến vệ tinh Vì vệ tinh có đồng hồ chung, nên độ trễ toff tất vệ tinh Đặt r0=3×108toff mét, phương trình dẫn đến phương trình ứng với vệ tinh Ta sử dụng hệ tọa độ đề với tâm trái đất gốc để biểu diễn vị trí Giả sử (x, y, z) vị trí máy thu (ui,vi,wi) vị trí vệ tinh thứ i, i=1,2,3,4 Với t d' ,i độ trễ giả từ vệ tinh thứ i, ta có: [ r + r = [(u r + r = [(u r + r = [(u r1 + r0 = (u1 − x ) + (v1 − y ) + (w1 − z ) 2 3 4 ] 1/ 2 ] − x ) + (v − y ) + (w − z ) ] − x ) + (v − y ) + (w − z ) ] − x ) + (v2 − y ) + (w2 − z ) 2 1/ 2 2 1/ 3 1/ 2 (4.13) Ở ri = × 108 t d' ,i khoảng cách giả từ vệ tinh thứ i Giá trị độ trễ giả t d' ,i tính tốn máy thu sau bắt mã PN Vị trí (ui,vi,wi) vệ tinh i nằm liệu thơng tin trích xuất máy thu Do phương trình đồng thời 4.13 giải r0 (x,y,z) Sau nhận (x,y,z), vị trí máy thu theo kinh độ vĩ độ dễ dàng tính Ngồi vị trí, máy thu cịn đo dịch Đốp lơ sóng mang từ vệ tinh, từ tính tốc độ máy thu Gần có phát triển GPS vi sai (DGPS), có độ xác cao GPS thơng thường Nó sử dụng kiến thức vị trí địa lí xác trạm chuẩn để tính hiệu chỉnh cho tham số GPS Với hiệu chỉnh này, độ xác cải thiện nhiều (trong phạm vi vài mét đạt với DGPS) 4.4 Vô tuyến di động đa truy nhập nhảy tần: Ở ta mô tả hệ thống sử dụng kĩ thuật FH kết hợp với MFSK đề xuất Goodman năm 1980 Sơ đồ khối hình 4.8, xét máy phát hình 4.8a ứng với người dùng Dữ liệu {bi} phát K bít lần Mỗi nhóm K bít mã hóa thành symbol, nhận M=2K giá trị Gọi T độ dài bít liệu Do symbol dài KT giây Kí hiệu symbol thứ k dk Sau dãy {dk} trải dãy PN M-mức {ci} FFH, với L lần nhảy symbol, nghĩa độ dài nhảy Th=KT/L Điều đạt cách dùng cộng modul-M theo sau điều chế MFSK Để ý symbol dãy {dk} kéo dài L bước nhảy dãy PN {ci} biểu đồ hình vẽ Dãy nhận {aj} xác định aj=cj⊕d[j/L], dấu ⊕ cộng modul-M Mỗi người dùng gán dãy PN cụ thể {ci} Dãy nhận {aj} M-mức với tốc độ nhảy 1/Th lần nhảy/giây Tín hiệu phát s1(t) nhận từ dãy {aj} điều chế MFSK Tần số phát lần nhảy đánh dấu ‘x’ biểu đồ tần số Đối với phát tín hiệu trực giao có giãn cách tần số cực tiểu, dải thông s1(t) xấp xỉ 2K/Th Dữ liệu Bộ cộng modul M Symbol M-mức Mã hóa nhị bi phân M-mức dk Điều chế FSK M-mức aj s1(t) cj KT mức Tạo chuỗi PN M-mức KT=LTh 2K-1 2K-1 KT=LTh KT=LTh 2K-1 2K-1 0 t Tần số (Hz) T mức mức KT t t t t Th dk Giải điều chế FSK M-mức s1(t)+s2(t) +tạp âm Tần số s1(t) cj aj (a) Máy phát cho người dùng Symbol Bộ cộng modul M + Chọn mức với M-mức Giải mã nhị Dữ liệu phần tử phân M-mức ^ ^ dj đa số số hạng aj bj nhảy tần cj Tạo chuỗi PN M-mức -1 Tần số (Hz) mức KT=LTh K -1 -1 -1 t Tần số s1(t)+s2(t) KT mức -1 KT=LTh K mức KT=LTh K mức KT=LTh K K KT T 0 ^ aj t t Th cj t dk ^ dk t ^ t bj (b) Máy thu cho người dùng Hình 4.8 Hệ thống CDMA sử dụng nhảy tần cho tín hiệu FSK M-mức Sơ đồ khối máy thu người dùng cho hình 4.8b Lỗi xảy trình giải mã tần số bị giải điều chế sai giải điều chế MFSK Điều xảy tạp âm Có loại lỗi: cảnh báo nhầm tần số tạo không lần nhảy bỏ sót khơng phát tần số lần nhảy Các cảnh báo nhầm bỏ sót gây nên lựa chọn sai mức dẫn đến lỗi symbol lỗi bít Ưu điểm hệ thống bền vững ảnh hưởng pha đinh chọn lọc tần số kênh Với lựa chọn đắn M dãy PN, hệ thống cung cấp số lượng lớn người dùng đồng thời Khi số người dùng tăng len, nhiễu đa người dùng yếu tố giảm chất lượng bắt đầu hạn chế hiệu suất hệ thống 4.5 Radar xung: Các dãy PN sử dụng radar xung để tăng độ phân biệt cự li hệ thống Trong phần ta miêu tả điều thực Ta xét hệ thống radar xung hình 4.9a Một dạng sóng xung q(t) điều chế sóng mang, giả sử q(t) xung vng có độ rộng Tq, nghĩa q(t)= pTq (t ) = 10 ≤ t < Tq vẽ hình Tín hiệu phát là: s (t ) = q(t ) cos(2πf c t ) Tín hiệu trở từ mục tiêu r (t ) = Aq(t − t0 ) cos[2πf ( f c + f d )t + θ ] , t0 độ trễ truyền sóng, mang thơng tin cự li mục tiêu, fd dịch tần Đốp lơ, mang thông tin vận tốc mục tiêu, A biên độ, θ pha sóng mang Để nhận độ trễ, r(t) giải điều chế lấy tương quan với xung q(t-τ) giá trị khác τ Lối bọ giải điều chế Aq(t-t0)+tạp âm Khi tạp âm, lối tương quan y(τ) cực đại τ=t0 hình 4.9b Do giá trị t0 trích xuất từ y(τ) Khi cự li tính tốn sau : cự li=0.5ct0, c tốc độ sóng điện từ Khi q(t) vng, y(τ) có dạng hình tam giác Theo thuật ngữ radar, hàm tự tương quan q(t) gọi hàm mờ cự li : ∞ aq (τ ) = ∫ q(t )q(t − τ )dt (4.14) −∞ Lưu ý y (τ ) = Aaq (τ − t0 ) Bây xét tín hiệu trở từ mục tiêu cự li khác Giả sử tín hiệu sau giải điều chế A1q(t − t1 ) + A2 q(t − t ) , A1,A2 biên độ t1,t2 độ trễ ứng với mục tiêu Lối tương quan xác định bởi: y (τ ) = ∞ ∫ [A q(t − t ) + A q(t − t )]q(t − τ )dt = A a (τ − t ) + A a (τ − t ) −∞ 2 q q (4.15) Và vẽ hình 4.9c với A1q(t − t1 ) + A2 q(t − t ) Ta thấy y(τ) có giá trị đỉnh khơng τ=t1 τ=t2 Do trường hợp khơng có tạp âm nhận dạng độ trễ t1 t2 Khi có tạp âm, đỉnh khơng cịn nhận dạng Giãn cách cực tiểu ∆t≡t2-t1 cho đỉnh nhận dạng được gọi độ phân biệt trễ Độ phân biệt cự li tính 0.5c∆t Để phân biệt tốt, hàm mờ độ trễ aq(τ) phải tiến đến nhanh tốt |τ|>0 Về lí tưởng ta muốn hàm delta : aq(τ)=δ(τ) Tuy nhiên hàm delta khơng thực tế biến đổi Fourier tồn dải tần số, nghĩa chiếm dải thơng vơ hạn Có thể độ phân biệt trễ ∆t tỉ lệ nghịch với dải thông tương đương xung q(t) Việc thiết kế xung có hàm mờ tốt phần quan trọng thiết kế radar Để phân biệt độ trễ tốt, q(t) phải có hàm mờ hẹp, có nghĩa dải thơng lớn Một cách để đạt điều làm cho độ rộng xung Tq nhỏ Tuy nhiên xung có độ rộng ngắn lại có độ phân biệt Đốp lơ có thời gian ngắn để máy thu trích xuất dịch tần Đốp lơ Giải pháp tốt để cải thiện độ phân biệt trễ sử dụng xung DS, mô tả Xét việc điều chế xung q(t) dãy PN, tạo nên tín hiệu DS có độ rộng Tq xác định bởi: N −1 qDS (t ) = ∑ ci pTc (t − iTc ) (4.16) i =0 Ở pT(t) xung vuông biên độ đơn vị có độ dài T, {ci}∈{±1} dãy PN nhị phân có chu kì N, Tc=Tq/N độ dài chíp Một ví dụ cho hình 4.9d Hàm mờ độ trễ qDS(t) có dạng tam giác hẹp |τ|Tq/N hình 4.9d, độ rộng hàm mờ hẹp lại hệ số N so với xung vuông q(t)= pTq (t ) độ dài Tq Tất nhiên dải thơng tín hiệu phát lớn N lần Do độ phân biệt trễ cải thiện nhiều qDS(t) so với q(t) mà hi sinh độ phân biệt Đốp lơ Cần phần trở từ mục tiêu gồm chu kì dãy PN, tương quan với dãy PN chỗ tạo nên tương quan phi chu kì phần Do búp bên hàm mờ trễ giá trị tương quan phần lệch pha Khi có nhiều mục tiêu, búp bên ứng với nhiều tín hiệu trở giãn cách lượng định cộng lại cách xây dựng Do đó, hệ hàm mờ với búp bên cao lối tương quan định nhầm, dẫn đến nhầm lẫn mục tiêu Hơn tín hiệu trở yếu bị che lấp búp bên lớn tín hiệu trở mạnh bỏ sót việc phát tín hiệu yếu trơng giống búp bên Vì dãy PN có tự tương quan lệch pha nhỏ mong muốn Các dãy Barker có tính chất : biên độ tự tương quan lệch pha chúng bị chặn Tuy nhiên người ta chưa biết dãy Barker có độ dài lớn 13, giá trị nhỏ giá trị thường dùng N radar xung Đối với dãy m, tự tương quan phần lệch pha khơng thể biểu diễn cách dễ dàng có giá trị lớn N lớn Do dãy m khơng thích hợp với ứng dụng radar xung Ta mong muốn tự tương quan lệch pha Điều dùng cặp dãy gọi dãy bù có tính chất hàm tự tương quan chúng cộng lại trừ dịch Cho đến ta thảo luận radar xung phát xung hướng quan sát Có thể cải thiện hiệu suất hệ thống hình 4.9a sử dụng đa xung Giả sử xung cách Tm giây, Tm>>Tq Sóng mang Tạo xung q(t) Điều chế Xung phát q(t) Đối tượng s(t) KĐCS t Tq Xung thu Aq(t-t0) r(t) t y(τ) Tương quan t0 Aq(t-t0)+tạp âm q(t-τ) t0+Tq Giải điều chế KĐCS (a) Máy phát thu radar xung Aq(t-t0) A1q(t-t1)+A2q(t-t2) Tq Tq t0 t t0+Tq t y(τ) t1 t2 t1 t2 y(τ) t t0-Tq t0 t0+Tq (b) Tương quan đầu xung hồi tiếp t (c) Tương quan đầu hai xung hồi tiếp aq(τ) Aq(t-t0) N Tq τ t -Tq -Tq/N Xung DS N chíp Tq/N Tq Hàm mờ độ trễ (d) Xung DS hàm mờ Hình 4.9 Hệ thống radar xung đầu tương quan Đa xung làm tăng tổng lượng tín hiệu trở về, từ làm tăng tỉ số tín/tạp Nó cải thiện độ phân biệt Đốp lơ Tuy nhiên hàm mờ độ trễ lặp lại Tm giây, tín hiệu trở cách kTm không phân biệt Điều đặt giới hạn cho độ trễ cực đại nhận biết được, giới hạn đến lượt lại xác định cự li cực đại phát ... ĐỒNG BỘ TRONG THÔNG TIN TRẢI PHỔ 3.1 Vấn đề đồng thơng tin trải phổ: Như trình bày phần trước, thành công hệ thống thông tin trải phổ phụ thuộc vào khả máy thu tạo tín hiệu (dãy PN) (và đồng với)... Tín hiệu trải phổ (tín hiệu phát) phải có độ rộng phổ lớn nhiều lần độ rộng phổ thông tin gốc cần truyền - Trải phổ thực mã độc lập với liệu gốc CHƯƠNG II: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ 2.1... Trong hệ thống thông thường, chức trải phổ giải trải phổ khơng có sơ đồ khối hình 1.1 Đây điểm khác hệ thống thông thường hệ thống trải phổ Hệ thống thông tin số coi hệ thống trải phổ thỏa mãn