trình bày các vấn đề về trải phổ dãy trực tiếp

MỤC LỤC 1. Giới thiệu chung 4 2. Đa truy cập phân chia theo mã - dãy trực tiếp 5 2.1. Đa truy cập phân chia theo mã - dãy trực tiếp 5 2.2. Mô hình toán học của hệ thống 6 2.3. Bộ phát DS-CDMA 8 2.4. Bộ thu DS-CDMA 9 2.5. Bộ sinh mã giả ngẫu nhiên 10 2.6. Ưu điểm và hạn chế của DS-CDMA 11 3. Chạy mô phỏng 12 3.1. Mã chương trình chạy mô phỏng: 12 3.2. Kết quả chạy mô phỏng: 14 3.3. Nhận xét kết quả mô phỏng 18 4. Kết luận 19 5. Phụ lục A: Tài liệu tham khảo 20 1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ghi chú PN Mã giải ngẫu nhiên CDMA Đa truy cập phân chia theo mã FDM Hợp kênh phân chia theo tần số TDM Hợp kênh phân chia theo thời gian DS -CDMA Đa truy cập phân chia theo mã – dãy trực tiếp FH -CDMA Đa truy cập phân chia theo mã – nhảy tần 2 TÓM TẮT NỘI DUNG Được phát triển từ những năm 1950, kĩ thuật trải phổ ban đầu phục vụ cho mục đích quân sự vì khả năng chống nhiễu tốt, khử được nhiễu đa đường, đa truy cập, tính chính xác về mặt thời gian, Với sự phát triển của công nghệ vi mạch, các phương pháp xử lý số đã giúp cho kĩ thuật trải phổ phát triển và thu được những thành công rực rỡ và được ứng dụng nhiều đặc biệt trong lĩnh vực thông tin di động. Kĩ thuật trải phổ với 2 phương pháp chính là: - Phương pháp Đa truy cập phân chia theo mã - dãy trực tiếp - Phương pháp Đa truy cập phân chia mã - nhảy tần So sánh với phương pháp mã dãy trực tiếp thì phương pháp mã nhảy tần cũng sử dụng mã để trải phổ tín hiệu truyền nhưng khác là không trải dải phổ liên tục về mặt tần số mà sử dụng một độ rộng băng không đổi, nhảy trên một số kênh; mỗi kênh có độ rộng như là tín hiệu được truyền. Chính vì vậy, phương pháp này cho mức năng lượng truyền trong các vùng hẹp lớn hơn phương pháp trên nhưng tín hiệu này chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn. Muốn thu được tín hiệu, ở phía thu phải biết được cách nhảy tần ở phía phát nên việc phát hiện tín hiệu cũng khó khăn hơn và vai trò của chuỗi giả ngẫu nhiên là đảm bảo rằng tất cả các tần số trong toàn bộ miền dải tần số đã cho đều được sử dụng. Do điều kiện thời gian nghiên cứu có hạn, nên trong khuôn khổ bài tiểu luận này, em chỉ xin tập trung trình bày các vấn đề về trải phổ dãy trực tiếp. Nội dung bài tiểu luận sẽ gồm các phần sau: - 1. Giới thiệu chung: chủ yếu đi giới thiệu chung về phương pháp trải phổ và những khái niệm chung nhất và trải phổ dãy trực tiếp - 2. Trải phổ dãy trực tiếp: trình bày về các vấn đề trong trải phổ dãy trực tiếp như mô hình thu- phát tín hiệu, dãy giả ngẫu nhiên, điều khiển đa truy cập,… - 3. Mô phỏng hệ thông tin trải phổ dãy trực tiếp: thông qua việc nghiên cứu mô hình toán ở phần trên, chúng ta đi nghiên cứu cách thức để điều chế tín hiệu sử dụng phương pháp trải phổ dãy trực tiếp từ đó quan sát kết quả và đi tới kết luận ở phần sau. - 4. Kết luận Dựa trên việc phân bố cục bài viết như trên, chúng ta lần lượt đi vào nghiên cứu từng phần. 3 1. Giới thiệu chung: Trong định nghĩa của IEEE, trải phổ là một phương thức truyền tin mà trong đó tín hiệu chiếm một độ rộng băng lớn hơn giới hạn tối thiểu cần thiết để truyền tin. Việc trải băng tín hiệu được thực hiện bằng một mã độc lập với dữ liệu và được nhận đồng bộ với mã ở phía thu dùng để giải trải và khôi phục dữ liệu sau này. Theo định nghĩa này thì các phương thức điều chế như FM và PCM cũng là trải phổ của của tín hiệu tin nhưng không phải là trải phổ như chúng ta đang nghiên cứu. Việc sử dụng những mà giả nhiễu – giả ngẫu nhiên đặc biệt để làm cho tín hiệu có bằng rộng hơn và có vẻ giống như lỗi. Tín hiệu trải phổ khó phát hiện hơn băng hẹp vì năng lượng của nó được trải đều trong độ rộng băng hơn khoảng 100 lần so với băng thông tin. Tất cả các hệ thống trải phổ đều có một ngưỡng hay mức sai số phụ thuộc vào độ lợi xử lý trải phổ, phụ thuộc vào tỉ số độ rộng băng RF với độ rộng băng thông tin. Thông thường trong các hệ thống thương mại, độ lợi xử lý từ 11 đến 16 dB. Nó cho cho phép mức suất nhiễu tổng cộng mạnh hơn từ 0 đến 5dB so với tính hiệu mong muốn. Chính vì vậy nên hệ thống có thể làm việc với SNR âm trong độ rộng băng RF. Bưởi vì độ lợi xử lý của bộ tương quan của phía thu, hệ thống có thể làm việc tại SNR dương trên dữ liệu băng gốc. Trải phổ trực tiếp là điều chế với một một chuỗi được tạo giả ngẫu nhiên là tác nhân truyền pha trong thông tin chứa trong sóng mang. Việc này khác với phướng pháp trải phổ nhảy tần là sóng mang được dịch tần theo một cách giả ngẫu nhiên. Kết quả của việc điều chế với chuỗi mà này là tạo ra một tín hiệu chính giữa sóng mang, phổ được trải chuỗi trực tiếp tới phổ (sinx/x) 2 . Vấn đề cơ bản của trải phổ là làm thế nào để kĩ thuật này có thể chống được nhiễu với công suất phát hữu hạn. Với độ rộng băng Bs được trải phổ rộng B (B>>Bs) thì hệ số xử lý P được định nghĩa là P=B/Bs. Hệ số này càng cao thì mật độ công suất để truyền tin càng thấp. Nếu độ rộng băng đủ lớn thì tín hiệu có thể truyền như là nhiễu giả. Trong phương pháp này thì vấn đều điều khiển công suất cũng khá quan trọng vì khi nhiều người dùng truy cập vào cùng một phổ thì rất có thể một người dùng có thể làm che đi những người sử dụng khác nếu công suất quá cao. Chính vì vậy, công suất phát của các người dùng luôn được giữ ở mức ổn định trong phương pháp này. So sánh với các phương pháp điều khiển truy cập khác thì phương pháp điều khiển đa truy cập phân chi theo mã có những ưu, nhược điểm sau: Phương pháp điều khiển truy cập Ưu điểm Nhược điểm FDMA - Công suất phát thấp - Khả năng chống nhiễu đa - Tốc độ dữ liệu đỉnh thấp - Nhạy với nhiễu tín hiệu băng hẹp 4 đường tốt - Dễ dàng trong kế hoạch phân chia dải tần số - Trễ nhỏ TDMA - Tốc độ dữ liệu đỉnh cao - Độ lợi hợp kênh cao - Công suất phát lớn - Nhảy với nhiễu đa đường - Khó trong lập kế hoạch phân chia dải tần CDMA - Công suất phát thấp - Chống nhiễu đa đường tốt - Dễ dàng trong lập kế hoạch sử dụng tần số - Độ trễ thấp - Tốc độ dữ liệu đỉnh thấp - Giới hạn số người truy cập để giảm nhiễu đa truy cập 2. Đa truy cập phân chia theo mã - dãy trực tiếp 2.1. Đa truy cập phân chia theo mã - dãy trực tiếp Ý tưởng chung: mỗi một bit dữ liệu được mã hóa thành chuỗi xác định với người dùng có tần số cao hơn để truyền. Về mặt thời gian: {tốc độ trải} = N x {tốc độ bit} Về mặt tần số: {độ rộng băng truyền} = N x {độ rộng băng dữ liệu} 5 Ký hiệu dạng sóng của xung PN gọi là chip, có độ rộng Tc. Ký hiệu dữ liệu được đồng bộ là các bit thông tin hay các kĩ hiệu mã nhị phân được cộng theo module 2 với chip trước khi điều chế pha. Mô hình bộ phát - thu tín hiệu trải phổ ở chế độ đa người dùng: Dòng bit phía người dùng sau khi đi qua bộ mã hóa – bộ trải tín hiệu được đi tới bộ điều chế sóng mang và truyền đi. Ở phía thu là tổng hợp tất cả các thành phần tín hiệu của tất cả người dùng trong hệ thống. Sau khi đi qua bộ giải điều chế, tín hiệu được đi qua bộ tương quan với chuỗi trải biết trước để giải điều chế trải để tìm ra tín hiệu tương ứng với người dùng phát đi. 2.2. Mô hình toán học của hệ thống: Nguyên tắc dùng để trải một kí hiệu dữ liệu – symbol với chuỗi trải c (k) (t) với độ dài L Được gán tới người dùng thứ k (k=0, K-1). Trong đó: + K là tổng số người dùng đồng thời. 6 + Xung chữ nhật pT c (t): + Tc: khoảng kéo dài chip + là các chip của người dùng đặc trưng cho chuỗi trải c (k) (t) Sau khi trải, tín hiệu x (k) (t) cho người dùng k xác định bởi: Trong suốt một khoảng kí hiệu dữ liệu T d =LT c . Trong đó, d (k) là kí hiệu dữ liệu được truyền của người dùng k. Việc nhân chuội thông tin với chuội trải được thực hiện trên cơ sở đồng bộ bit và toàn bộ tín hiệu được truyền x(t) của tất cả người dùng đồng bộ K (trong trường hợp hệ thống tế bào theo đường xuống) cho kết quả như sau: Việc chọn chính xác chuỗi trải là vấn đề mang tính quyết định trong DS-CDMA. Di độ mạnh của nhiễu giao thoa đa truy cập phụ thuộc vào hàm tương quan chéo CCF của chuỗi trải được sử dụng. Để cực tiểu hóa nhiễu này, giá trị CCF nên nhỏ nhất có thể. Với mục đích cân bằng nhiễu giao thoa như nhau với mọi người dùng, tính thương quan chéo giữa hai cặp chuội trải là như sau. Hơn nữa, hàm tự tương quan ACF của chuội trải nên có biên độ đỉnh ngoài pha (out of phase) thấp để có thể đồng bộ đảm bảo. Tín hiệu nhận được y(t) từ lối ra của kênh vô tuyến với đáp ứng xung h(t) được biểu diễn như sau: Trong đó: + r (k) (t)= x (k) (t)*h(t) là tín hiệu nhận được của người dùng thứ k mà không có lỗi + n(t) là nhiễu Gauss trắng Đáp ứng xung của bộ lọc hòa hợp (MF) 7 Tín hiệu z (k) (t) sau khi lọc hòa hợp của người dùng k có thể viết như sau: Sau khi lấy mẫu tại thời điểm t=0, ngưỡng quyết định cho người dùng k kết quả như sau: Trong đó, là trải trễ lớn nhất của kênh vô tuyến Cuối cùng, một bộ phát hiện ngưỡng thực hiện và nhận được kí hiệu thông tin ước lượng . Phân tích biểu thức trên ta thấy có những thành phần sau: + Phần thứ nhất của biểu thức trên là phần tín hiệu mong muốn của người dùng k + Phần thứ hai là nhiễu giao thoa đa truy cập. + Phần thứ ba là phần nhiễu cộng tính Một cách lý tưởng thì phía nhận với bộ lọc hòa hợp có thể loại được hết các thành phần đa đường trong kênh. Nhưng thường ta nhận được kết quả xấp xỉ bằng bộ thu Rake. Bộ thu Rake là bộ thu sóng vô tuyến đùng để chống lại hiệu ứng suy giảm đa đường. Nó hoạt động trên cơ sở nhiều bộ thu tương quan được gán cho các thành phần đa đường khác nhau. Mỗi bộ thu thực hiện giải mã độc lập các nhánh đơn của thành phần đa đường. Sau đó các thành phần đó được kết hợp để tìm ra thành phần sai khác của mỗi kênh truyền. Điều này có thể cho kết quả tỉ số S/N cao hơn. 2.3. Bộ phát DS-CDMA: Hình dưới đây biểu diễn bộ phát trải phổ trực tiếp. Nó bao gồm một bộ mã hóa sửa lỗi trước FEC, bộ ánh xạ, bộ trải, bộ tạo dạng xung, thiết bị ngoại vi tương tự IF/RF. 8 Mã kênh được yêu cầu để bảo vệ dữ liệu truyền chống lại lỗi kênh. Bộ mà sửa lỗi trước là hệ thống điều khiển lỗi trong truyền dữ liệu; trong đó phía gửi thêm các thông tin dư thừa vào bản tin cũng được xem như là mã sửa lỗi. Điều này cho phép phía nhận phát hiện và sửa lỗi (trong một giới hạn nào đó) mà không cần yêu cầu việc xác nhận cửa phía gửi. Ưu điểm của bộ mã này là không cần có một kênh phản hồi hay không cần việc truyền lại dữ liệu. Từ đó giúp giảm giá thành cần thiết cho việc xây dựng một hệ thống với bằng thông cao hơn. Một ví dụ đơn giản là việc chúng ta thực hiện truyền 3 bit cho mỗi bit dữ liệu cần truyền. Khi đó nếu trạng thái 0 là nhiều hơn (2 trong số 3 giá trị) thì tức là phía phát đã phát 0. Tương tự với trường hợp phát 1. Điều này hạn chế việc thu sai và ở phía thu có thể tự động điều chỉnh kết quả để có một xác suất lỗi nhỏ nhất; cho phép một trong số 3 bit lỗi được sửa theo phương pháp “đa số”. Giá trị 3 bit nhận được Giá trị phía thu coi như nhận đúng 000 0 001 0 010 0 100 0 111 1 110 1 101 1 011 1 Dữ liệu sau được mã hóa và ánh xạ sẽ tiếp tục được trải với mã c^((k) ) (t) trên một độ rộng dải lớn hơn độ rộng dải thông tin. Khi đó, công suất của tín hiệu được phân bố trên toàn bộ dải rộng đó, mật độ phổ công suất của tín hiệu ra nhỏ hơn nhiều tín hiệu vào. Chú ý rằng quá trình lấy tích được thực hiện với một chuỗi trải không có thành phần DC. Tốc độ chip liên quan trực tiếp tới độ rộng dải và hệ số xử lý. Ví dụ: với dải rộng hơn thì cho phép phát hiện lỗi đa đường tốt hơn. Vì dải thông truyền tổng cộng là có giới hạn nên bộ tạo dạng xung được sử dụng - bộ lọc Nyquist – để việc sử dụng phổ tần được hiệu quả hơn. 2.4. Bộ thu DS-CDMA: Tín hiệu thu trước hết được lọc và chuyển đổi sang dạng số với tốc độ lấy mẫu 1/Tc. Tiếp đó được cho qua bộ thu Rake. Bộ thu Rake là cần thiết để khử đa đường. Các đường vọng được phát hiện với phân giải Tc. Vì vậy mỗi tín hiệu nhận được trên mỗi đường được làm trễ lTc và được tương quan với chuội mã đã gán. Kết quả tổng cộng của các đường phân giải phụ thuộc vào hệ số xử lý. Thông thường thì có 3 hoặc 4 nhánh được sử dụng. Sau quá trình tương quan, công suất 9 của tất cả các đường được phát hiện kết hợp với nhau. Cuối cùng, quá trình giải ánh xạ và giải mã hóa FEC được thực hiện để phục hồi tính toàn vẹn của dữ liệu. 10 [...]... liệu truyền theo đúng khái niệm trải phổ tín hiệu Vai trò của mã giả ngẫu nhiên ở đây vừa như là một công cụ để chúng ta trải tín hiệu vừa là khó giúp chúng ta nhận đúng dữ liệu phát trong dải phổ sử dụng đồng thời với các người dùng khác Mô hình trên khá đơn giản nhưng đã lột tả được hết các vấn đề chung nhất của phương pháp trải phổ dãy trực tiếp giúp ích trong quá trình nghiên cứu và mô phỏng hệ... của tín hiệu sau khi trải phổ 3 PSD sau khi điều chế BPSK 4 PSD sau khi giải điều chế BPSK 19 5 PSD sau khi giải trải 3.4 Nhận xét kết quả mô phỏng: - - Qua việc quan sát sự thay đổi phổ tần của tín hiệu sau mỗi bước thực hiện, chúng ta đã hiểu rõ hơn hoạt động của các thành phần trong mô hình phát – thu tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp Ta thấy rằng phổ tần của tín hiệu sau khi được trải rộng hơn tín hiệu... phỏng: Quá trình Trải – điều chế tín hiệu Kết quả 15 Giải điều chế - giải trải tín hiệu Kết quả chạy mô phỏng theo từng bước Bước Mô tả 1 Tạo nguồn tín hiệu Kết quả PSD của tín hiệu gốc 16 2 Trải phổ tín hiệu PSD của tín hiệu sau khi trải phổ 3 Điều chế BPSK PSD sau khi điều chế BPSK 17 4 Giải điều chế BPSK PSD sau khi giải điều chế BPSK 5 Giải trải phổ PSD sau khi giải trải Sự thay đổi phổ tín hiệu... triệt thành phần nhiễu Vì vậy, quá trình xử lý sẽ phức tạp hơn Tín hiệu đã tiếp: 3 Mô phỏng hệ thông tin trải phổ dãy trực trải phổ 3.1 Mô hình tiến hành: Nguồn tin Bộ tạo mã PN Phía nhận Bộ tạo sóng mang Tín hiệu đã giải điều chế Bộ tái tạo sóng mang Tín hiệu đã điều chế Kênh truyền 12 Mô hình trên bao gồm: - Nguồn dữ liệu: là một chuỗi dài 30 đơn vị dữ liệu, nhận các giá trị {1,-1}, mỗi đơn vị dữ... việc nghiên cứu về phương pháp đa truy cập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp từ khái niệm chung nhất tới mô hình phát-thu tín hiệu, em thấy phương pháp này trở nên khá đơn giản so với sự phát triển của các thành tựu xử lý số liệu bằng máy tính hiện nay Nó cung cấp cho chúng ta một cách điều chế mới hiệu quả và có thể ứng dụng thực tiễn trong tình hình dải tần càng ngày càng hạn chế mà các dịch vụ truyền... dụng đa sóng mang để điều chế tín hiệu thì lợi ích của phương pháp này đem lại còn lớn hơn nữa Nhưng do thời gian có hạn sẽ để trình bày trong nội dung các bài tiểu luận sau Trong quá trình trình bày không khỏi gặp phải những lỗi do kiến thức về lĩnh vực này còn hạn chế và cách diễn đạt chưa thật sự tốt, mong thầy thông cảm và góp ý để em hoàn thiện hơn Em xin cảm ơn! 21 Phụ lục A: Tài liệu tham khảo... căn bản của kĩ thuật trải phổ là do tính chất của dãy giả ngẫu nhiên tạo nên Không thể tạo dãy ngẫu nhiên bằng cách lấy mẫu một quá trình ngẫu nhiên vì như thế không thể tạo lại được nó ở bộ thu tương quan Song có thể chủ động tạo một bộ ngẫu nhiên bằng một bộ ghi dịch có phản hồi: an-1 C C C 1 an an-2 1 1 an-r Với mỗi xung nhịp, bộ ghi dịch lại chuyển tất cả nội dung sang bên phải, dãy {an} được truyền... được tạo ra một cách tuyến tính từ r dố hạng trước đó: (*) Hàm số tương ứng với dãy được tạo ra là (**) Trong đó D là toàn tử trễ, số mũ tương ứng với số đơn vị trễ Thay (*) vào (**) và biến đổi G(D) về dạng Trong đó: + gọi là đa thức sinh chỉ phụ thuộc vào véc-tơ liên kết phản hồi (c1,c2, cr) + phụ thuộc vào véc-tơ trạng thái ban đầu của a-r, a-r+1 ,…, a-1 Nếu các trạng thái ban đầu đều bằng 0 thì... phức tạp hơn với các bộ lọc thu thích nghi và phần tiêu đề báo hiệu đáng kể Nhiễu giao thoa đơn hoặc đa âm: Trong trường hợp có nhiễu đơn âm hoặc đa âm thì thường DS-CDMA sử trải nhiễu này ra toàn bộ độ rộng dải truyền B trong khi đó thì thành phần tín hiệu mong muốn lại không được trải Nếu quá trình này không được xử lý thì thông thường quá trình này sẽ phải thực hiện ở phía thu như sử dụng bộ lọc... rộng dải trải bị giới hạn – do bị giới hạn bởi MAI o Khá phức tạp: để lợi dụng đặc tính đa đường của tín hiệu, ta cần sử dụng một bộ thu với bộ lọc hòa hợp lấy xấp xỉ bằng bộ thu Rake với đủ số nhánh Trong đó, số nhánh yêu cầu là o Thông thường, bộ thu phải hòa hợp với đáp ứng xung kênh thay đổi theo thời gian Vì vậy, việc ước lượng kênh là cần thiết Điều đó dẫn tới bộ thu phức tạp hơn với các bộ lọc . pháp trải phổ và những khái niệm chung nhất và trải phổ dãy trực tiếp - 2. Trải phổ dãy trực tiếp: trình bày về các vấn đề trong trải phổ dãy trực tiếp. trung trình bày các vấn đề về trải phổ dãy trực tiếp. Nội dung bài tiểu luận sẽ gồm các phần sau: - 1. Giới thiệu chung: chủ yếu đi giới thiệu chung về phương