Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin di động sau 3g

Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin di động sau 3g

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG1 1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động

Thông tin di động được ứng dụng cho nghiệp vụ cảnh sát từ những năm 20ở băng tần 2MHz Sau thế chiến thứ 2 mới xuất hiện thông tin di động điện thoạidân dụng (1939-1945) với kỹ thuật FM ở băng sóng 150MHz Năm 1948, mộthệ thống thông tin di động hoàn toàn tự động đầu tiên ra đời ở Richmond -Indian Từ những năm 60, kênh thông tin di động có dải tần số 30Khz với kỹthuật FM ở băng tần 450MHz đưa hiệu suất sử dụng phổ tần tăng gấp 4 lần sovới cuối thế chiến thứ 2.

Quan niệm về cellular bắt đầu từ cuối những năm 40 với Bell thay thế chomô hình quảng bá với máy phát công suất lớn và Anten đặt cao, là những cell códiện tích bé có máy phát BTS công suất nhỏ, khi các cell ở cách nhau đủ xa thìcó thể sử dụng lại cùng tần số Tháng 12/1971 đưa ra hệ thống cellular kỹ thuậttương tự, sử dụng phương pháp điều tần FM, dải tần 850MHz Tương ứng là sảnphẩm thương nghiệp AMPS với tiêu chuẩn do AT & T và MOTOROLAR củaMỹ đề xuất sử dụng được ra đời vào năm 1983 Đầu những năm 90 thế hệ đầutiên của thông tin di động tế bào đã bao gồm hàng loạt các hệ thống ở các nướckhác nhau như: TACS, NMTS, NAMTS, C, Tuy nhiên các hệ thống nàykhông thoả mãn được nhu cầu ngày càng tăng của nhu cầu sử dụng và trước hếtlà về dung lượng Mặt khác các tiêu chuẩn hệ thống không tương thích nhau làmcho sự chuyển giao không đủ rộng như mong muốn (việc liên lạc ngoài biên giớilà không thể) Những vấn đề trên đặt ra cho thế hệ 2 thông tin di động tế bàophải lựu chọn giải pháp kỹ thuật: kỹ thuật tương tự hay kỹ thuật số Các tổ chứctiêu chuẩn hoá đa số đều lựa chọn kỹ thuật số.

Trước hết kỹ thuật số bảo đảm chất lượng cao hơn trong môi trường nhiễu mạnhvà khả năng tiềm tàng về một dung lượng lớn hơn.

Sử dụng kỹ thuật số có ưu điểm sau:

 Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần caohơn.

 Mã hoá tín hiệu thoại với tốc độ ngày càng thấp cho phép ghép nhiềukênh thoại hơn và dòng bít tốc độ chuẩn.

 Giảm tỉ lệ tin tức báo hiệu dành tỉ lệ tin tức lớn hơn cho người sử dụng

 áp dụng kỹ thuật mã hoá kênh và mã hoá nguồn của kỹ thuật truyền dẫnsố

 Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI (Cochannel Interference) vàchống nhiễu kênh kề ACI (Adjacent-Channel Interference) hiệu quả hơn.Điều này cuối cùng làm tăng dung lượng của hệ thống.

 Điều khiển động cho cấp phát kênh liên lạc làm cho việc sử dụng tần sốhiệu quả hơn.

 Có nhều dịch vụ mới nhận thực, số liệu, mật mã hoá và kết nối với ISDN. Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo

hiệu liên tục đều dễ dàng xử lý bằng phương pháp số.

 Hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ thứ hai có ba tiêu chuẩn chính:GMS, IS - 54 (bao gồm cả tiêu chuẩn AMPS), JDC.

Tuy nhiên các hệ thông thông tin di động thế hệ thứ hai cũng tồn tại một sốnhược điểm như sau: Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống là bị hạn chế nênviệc ứng dụng các dịch vụ dữ liệu bị hạn chế, không thể đáp ứng được các yêucầu phát triển cho các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện cho tương lai,đồng thời tiêu chuẩn cho các hệ thống thế hệ thứ hai là không thống nhất do Mỹvà Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộngnhưng cả 2 hệ thống này đều có thể được coi như là sự tổ hợp của FDMA vàTDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định cả về tần số và cáckhe thời gian trong băng tần Do đó việc thực hiện chuyển mạng toàn cầu gặpphải nhiều khó khăn.

Bắt đầu từ những năm cuối của thập niên 90 hệ thống thông tin di động thếhệ thứ ba ra đời bằng kỹ thuật đa truy nhập CDMA và TDMA cải tiến Lýthuyết về CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trongthông tin quân sự từ những năm 1960 Cùng với sự phát triển của công nghệ bándẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã được thương mạihoá từ phương pháp thu GPRS và Ommi-TRACKS, phương pháp này cũng đãđược đề xuất trong hệ thống tổ ong của QUALCOM - Mỹ vào năm 1990.

Trong thông tin CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian và tần số,mã PN (tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp được ấn định chomỗi người sử dụng Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyềncó sử dụng mã PN đã ấn định Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu

phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồngbộ thu được.

So với hai hệ thống thông tin di động thứ nhất và thứ hai thì hệ thống thôngtin di động thế hệ thứ ba là hệ thống đa dịch vụ và đa phương tiện được phủkhắp toàn cầu Một trong những đặc điểm của nó là có thể chuyển mạng, hoạtđộng mọi lúc, mọi nơi là đều thực hiện được Điều đó có nghĩa là mỗi thuê baodi động đều được gán một mã số về nhận dạng thông tin cá nhân, khi máy ở bấtcứ nơi nào, quốc gia nào trên thế giới đều có thể định vị được vị trí chính xáccủa thuê bao Ngoài ra hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là một hệ thốngđa dịch vụ, thuê bao có thể thực hiện các dịch vụ thông tin dữ liệu cao và thôngtin đa phương tiện băng rộng như: hộp thư thoại, truyền Fax, truyền dữ liệu,chuyển vùng quốc tế, Wap (giao thức ứng dụng không dây) để truy cập vàomạng Internet, đọc báo chí, tra cứu thông tin, hình ảnh Do đặc điểm băng tầnrộng nên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba còn có thể cung cấp các dịchvụ truyền hình ảnh, âm thanh , cung cấp các dịch vụ điện thoại thấy hình

1.2 Cấu hình của hệ thống thông tin di động

Hệ thống điện thoại di động tổ ong bao gồm có ba phần chính là máy diđộng MS (Mobile Station), trạm gốc BS (Base Station), và Tổng đài di động(MSC).

Hệ thống điện thoại di động tổ ong bao gồm các máy điện thoại di độngtrên ô tô (hay xách tay), BS và MSC (trung tâm chuyển mạch điện thoại diđộng).

Máy điện thoại di động (MS) bao gồm các bộ thu/phát RF, anten và bộ điềukhiển, BS bao gồm các bộ thu/phát RF để kết nối máy di động với MSC, anten,bộ điều khiển, đầu cuối số liệu và nguồn.

MSC sử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điềukhiển trung tâm cho hoạt động của tất cả các BS một cách hiệu quả và để truynhập vào tổng đài của mạng điện thoại công cộng Chúng bao gồm bộ phận điềukhiển, bộ phận kết nối cuộc gọi, các thiết bị ngoại vi và cung cấp chức năng thuthập số liệu cước đối với các cuội gọi đã hoàn thành.

Các máy di động, BS và MSC được liên kết với nhau thông qua cácđường kết nối thoại và số liệu Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phátRF Vì các kênh lưu lượng không cố định ở một kênh RF nào mà thay đổi thànhcác tần số RF khác nhau phụ thuộc vào sự di chuyển của máy di động trong suốt

quá trình cuộc gọi nên cuộc gọi có thể được thiết lập qua bất cứ một kênh nào đãđược xác định trong vùng đó Cũng từ những quan điểm về hệ thống điện thoạidi động mà thấy rằng tất cả các kênh đã được xác định đều có thể bận do đãđược kết nối một cách đồng thời với các máy di động.

Bộ phận điều khiển của MSC, là trái tim của hệ thống tổ ong, sẽ điềukhiển, sắp đặt và quản lý toàn bộ hệ thống.

Tổng đài tổ ong kết nối các đường đàm thoại để thiết lập cuộc gọi giữacác máy thuê bao di động với nhau hoặc các thuê bao cố định với các thuê baodi động và trao đổi các thông tin báo hiệu đa dạng qua đường số liệu giữa MSCvà BS.

Hình 1.1: Sơ đồ kết nối trong hệ thống TTDĐ

Với hệ thống này, do các máy phát thường có công suất lớn hơn nhiều(500W) so với các máy di động (25W) Và đương nhiên anten của máy di độngthường ở mức thấp hơn nhiều so với anten phát Để cự ly thông tin của hệ thống

Tổng đài đầu cuối

Đến các máy thu

Bộ điều khiển hệ thống

Tới PSTN

được như nhau theo cả hai chiều, người ta thường dùng các trạm đầu xa chứacác máy thu Các trạm đầu xa này sẽ thu nhận tín hiệu phát của máy di động vàgửi chuyển tiếp tín hiệu đó trở lại bộ điều khiển hệ thống để xử lý.

Trong khi đó, đối với mạng tế bào người ta lại bố trí các máy thu/pháttrong vô số các tế bào nhỏ trong phạm vi của vùng bao phủ Các máy thu/phátđược điều khiển bởi một bộ xử lý trung tâm hoặc một tổng đài, sao cho thuê baocó thể di chuyển giữa các cell mà dịch vụ vẫn được duy trì Điều này cho phéptái sử dụng lại tần số và tạo điều kiện để mạng tế bào có tiềm năng dung lượnglớn hơn nhiều so với các hệ thống thông tin di động trước đây.

Các thông tin thoại và báo hiệu giữa máy di động và BS được truyền điqua kênh RF, các đường kết nối thoại và số liệu cố định được sử dụng để truyềncác thông tin thoại và báo hiệu giữa BS và MSC.

Hình 1.2: Hệ thống thông tin di động tế bào điển hình.

1.3 Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin di động

1.4.1 Nguyên tắc chung

Để làm tăng dung lượng của dải vô tuyến dùng trong một lĩnh vực nào đó, vàcó thể cho phép nhiều người cùng khai thác chung một tài nguyên trong cùngthời điểm, chẳng hạn như trong thông tin di động thì người ta phải sử dụng kỹthuật đa truy nhập Hiện nay có ba hình thức đa truy nhập khác nhau là:

 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division MultipleAccess).

 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division MultipleAccess).

 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Liên quan đến việc ghép kênh là dải thông mà mỗi kênh hoặc mỗi mạchchiếm trong một băng tần nào đó Trong mỗi hệ thống ghép kênh đều sử dụngkhái niệm đa truy nhập, điều này có nghĩa là các kênh vô tuyến được nhiều thuêbao dùng chung chứ không phải là mỗi khách hàng được gán cho một tần sốriêng.

1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

Đối với các hệ thống tế bào hiện đang sử dụng kỹ thuật ghép kênh FDMA,đều chia toàn bộ băng tần được phân phối cho một nhà khai thác mạng tế bào(Khoảng 25 MHz) thành các kênh rời rạc Vì mỗi kênh thường có độ rộng dải là30 KHz, cho nên hệ thống có tất cả 832 kênh khả dụng Mỗi cuộc đàm thoại cầnsử dụng hai tần số, cho nên mỗi nhà khai thác có 416 cặp tần số khả dụng Mỗicặp có thể gán cho một thuê bao mạng tế bào vào bất kỳ lúc nào.

Thiết bị di động sử dụng kỹ thuật FDMA ít phức tạp hơn so với các thiết bị sửdụng các kỹ thuật ghép kênh khác và nói chung giá thành cũng rẻ hơn Tuynhiên, do mỗi kênh cần dùng một máy phát và một máy thu riêng biệt Cho nênFDMA đòi hỏi rất nhiều thiết bị tại vị trí trạm gốc Kỹ thuật FDMA có khả năngsử dụng được với cả các hệ thống truyền dẫn số (Digital) lẫn các hệ thống truyềndẫn tương tự (Analog)

Sau đây là minh hoạ về kỹ thuật FDMA sử dụng cho hệ thống tế bào analog

Hình 1.3: Kỹ thuật FDMA trong TTDĐ.

Như vậy, mỗi kênh chiếm dải thông và đáp ứng cho một cuộc đàm thoại Tầnsố của mỗi kênh tuy khác nhau nhưng trong cùng thời gian thì nhiều máy vôtuyến có thể truy nhập tới được

1.4.3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

Với TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời gian Từng cuộcđàm thoại được biến đổi thành tín hiệu số và sau đó được gán cho một trongnhững khe thời gian này Số lượng khe trong một kênh có thể thay đổi bởi vì nólà một nhiệm vụ của thiết kế hệ thống Có ít nhất là hai khe thời gian cho mộtkênh, và thường thì nhiều hơn, điều đó có nghĩa là TDMA có khả năng phục vụsố lượng khách hàng nhiều hơn vài lần so với kỹ thuật FDMA với cùng một đạilượng dải thông như vậy.

TDMA là một hệ thống phức tạp hơn FDMA, bởi vì tiếng nói phải được sốhoá hoặc mã hoá, sau đó được lưu trữ vào một bộ nhớ đệm để gán cho một khethời gian trống và cuối cùng mới phát đi Do đó việc truyền dẫn tín hiệu làkhông liên tục và tốc độ truyền dẫn phải lớn hơn vài lần tốc độ mã hoá Ngoàira, do có nhiều thông tin hơn chứa trong cùng một dải thông nên thiết bị TDMAphải được sử dụng kỹ thuật phức tạp hơn để cân bằng tín hiệu thu nhằm duy trìchất lượng của tín hiệu.

Hình vẽ dưới đây minh hoạ kỹ thuật TDMA, các kênh analog 30 KHz dùngcho mạng tế bào hỗ trợ được ba kênh digital Các đường truyền âm thanh analogcủa mỗi cuộc đàm thoại đi qua bộ biến đổi A/D và sau đó chiếm một khe thờigian trong kênh analog 30 kHz.

30 kHz kênh 1

30 kHz kênh 832

Bộ biếnđổi A/DBộ biếnđổi A/DBộ biếnđổi A/D

Bộ biếnđổi A/DBộ biếnđổi A/D(1)

(5)

Hình 1.4: Kỹ thuật TDMA

1.4.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

Trong kỹ thuật CDMA, tín hiệu mang thông tin (ví dụ như tiếng nói) đượcbiến đổi thành tín hiệu digital, sau đó được trộn với một mã giống như mã ngẫunhiên Tín hiệu tổng cộng, tức tiếng nói cộng với mã giả ngẫu nhiên, khi đóđược phát trong một dải tần rộng nhờ một kỹ thuật gọi là trải phổ.

Không giống FDMA hay TDMA, truyền dẫn trải phổ mà CDMA sử dụng đòihỏi các kênh có dải thông tương đối rộng (Thường là 1,25 MHz) Tuy nhiên theotính toán lý thuyết thì CDMA có thể chứa được số thuê bao lớn gấp khoảng 20lần mà FDMA có thể có trong một dải thông tổng cộng như nhau

Hình vẽ dưới đây là một minh hoạ của kỹ thuật CDMA Dải thông tăng từ 30KHz lên 1,25 MHz, nhưng trong dải thông này bây giờ còn xấp xỉ 20 cuộc đàmthoại Mỗi đường thoại analog trước hết được biến đổi thành digital nhờ bộ biếnđổi A/D đúng như với TDMA Tuy nhiên sau đó thêm một bước nữa là chènmột mã đặc biệt qua một bộ tạo mã Sau đó tín hiệu được phát đi, trải rộng thêm1,25 MHz dải thông chứ không chiếm một khe thời gian riêng trong dải này

.

Bộ biếnđổi A/D

TạomãBộ biến

đổi A/D

Bộ biếnđổi A/D

1,25 MHz kênh 1

1,25 MHz

(1)

CDMA hơn hẳn so với các kỹ thuật đa truy nhập khác Nó có thể tính đượcphương sai trong hàm truyền của kênh gây ra bởi bộ chọn lọc tần số Các máythu CDMA được thiết kế để tận dụng ưu điểm từ đặc tính nhiều đường liên quanđến fading chọn lọc tần số và để làm giảm tối thiểu ảnh hưởng của chúng đếndung lượng của hệ thống.

Ưu điểm chủ yếu về dung lượng của CDMA có được trong môi trường vô tuyếnđa tế bào Trong thông tin di động trước đây một trạm gốc công suất lớn được sửdụng để phủ sóng cho một vùng rộng lớn Hệ thống này bị hạn chế khắt khe vềmặt băng tần và không thể đáp ứng các dịch vụ di động Trong hệ thống điệnthoại di động tế bào, máy phát của trạm gốc đơn lẻ được thay thế bởi rất nhiềucác trạm gốc có công suất nhỏ hơn, mỗi máy phát phủ sóng cho một vùng códạng tổ ong, gọi là một tế bào Trong các hệ thống FDMA hay TDMA mỗi tếbào được chia cho một phần tử của dãy tần số có sẵn Dãy tần được dùng trongmột tế bào có thể được sử dụng lại trong tế bào khác cách đó đủ xa sao cho tínhiệu trong hai tế bào này không gây nhiễu đến nhau Số K tế bào sử dụng hếttoàn bộ phổ tần có sẵn được gọi là cluster (cụm) Các cluster được bố trí nhưhình vẽ sau:

Những tín hiệu cơ bản của người sử dụng khác đồng thời trên cùng băng tần sẽgây ra nhiễu đồng kênh Nhiễu đồng kênh là một tham số giới hạn của hệ thốngvô tuyến di động Phương pháp tái sử dụng tần sổ trong TDMA/FDMA vàFM/FDMA gây ra nhiễu đồng kênh vì có cùng một dải tần được sử dụng lại ởmột tế bào khác Việc sử dụng các cluster 7 tế bào trong nhiều hệ thống vô tuyếndi động là không đủ để tránh hiện tượng nhiễu đồng kênh Có thể tăng K lớnhơn 7 để giảm nhiễu đồng kênh nhưng sẽ làm giảm số lượng các kênh trong mộttế bào, do vậy sẽ làm giảm dung lượng của hệ thống Tương tự nếu giữ nguyênhệ số tái sử dụng là 7 và chia tế bào thành những vùng nhỏ hơn Mỗi tế bàođược chia thành ba hoặc sáu vùng nhỏ sẽ sử dụng ba hoặc sáu anten định hướngtương ứng tại trạm gốc phục vụ cho cả thu lẫn phát Mỗi vùng nhỏ này sử dụngmột dải tần riêng, khác với dải tần của các vùng kia Thí dụ, nếu một tế bàođược chia thành ba vùng nhỏ thì nhiễu thu được trên anten định hướng chỉ sấp xỉmột phần ba của nhiễu thu được trên anten vô hướng đặt tại trạm gốc Sử dụngtế bào chia nhỏ thành ba vùng thì số lượng người dùng trong một tế bào có thểtăng thêm gấp ba lần trong cùng một cluster.

Một vấn đề quan trọng khác trong việc tăng dung lượng của hệ thống là tính tíchcực của thoại Trong một cuộc thoại giữa hai người, mỗi người chỉ nói khoảng35% đến 40% thời gian và nghe hết thời gian còn lại Trong hệ thống CDMA tấtcả những người sử dụng cùng chia sẻ một kênh vô tuyến Khi những người sửdụng trên kênh đang liên lạc không nói thì những người sử dụng đang đàm thoại

Giữ

i Tb+N

AE

khác sẽ chỉ chịu ảnh hưởng rất nhỏ của nhiễu Do vậy việc giám sát tính tích cựccủa tiếng nói làm giảm nhiễu đa truy nhập đến 65% Điều này dẫn đến việc tăngdung lượng của hệ thống lên hệ số 2,5.

Trong đa truy nhập FDMA hoặc TDMA việc người sử dụng được phân chia tầnsố hoặc thời gian trong thời gian diễn ra cuộc gọi và hệ thống cấp lại hai tàinguyên này cho hai người khác trong khoảng thời gian rất ngắn khi kênh ấn địnhyên lặng là không thực tế vì điều này yêu cầu phải chuyển mạch rất nhanh giữanhững người sử dụng khác nhau Trong FDMA và TDMA việc tổ chức tần số làyêu cầu khó khăn vì nó kiểm soát nhiễu đồng kênh Trong hệ thống CDMA chỉcó một kênh chung nên không cần thực hiện tổ chức tần số.

Trong FDMA và TDMA, khi máy di động ra khỏi vùng phủ sóng của tế bàotrong quá trình đàm thoại thì tín hiệu thu được sẽ bị yếu đi và trạm gốc sẽ yêucầu chuyển giao (handover).Hệ thống sẽ chuyển mạch sang một kênh mới khicuộc gọi tiếp tục Trong CDMA các tế bào khác nhau, khác nhau ở chỗ sử dụngcác dãy mã khác nhau nhưng giống nhau là đều sử dụng cùng phổ tần Do đókhông cần phải thực hiện handover từ tần số này qua tần số khác Chuyển giaonhư vậy được gọi là chuyển giao mềm (soft handover).

Trong hệ thống CDMA không có một giới hạn rõ ràng về số lượng người dùngnhư trong FDMA và TDMA Tuy vậy chất lượng hoạt động của hệ thống đốivới tất cả những người sử dụng giảm ít nhiều khi số lượng người sử dụng cùngliên lạc tăng lên Khi số người sử dụng tăng lên đến mức độ nào đó thì sẽ khiếncho nhiễu có thể làm cho tiếng nói trở nên khó hiểu và gây mất ổn định hệthống Tuy nhiên trong CDMA ta quan tâm đến điều kiện “phong toả mềm”, cóthể giải toả được trái với điều kiện “phong toả cứng” như trong TDMA vàFDMA khi mà tất cả các kênh đều bị chiếm.

Hệ thống CDMA cũng có một vài nhược điểm Hai nhược điểm nổi bật là: hiệu

ứng tự nhiễu và hiệu ứng xa gần Hiệu ứng tự nhiễu do các dãy mã không trực

giao gây ra Trong hệ thống vô tuyến di động các máy di động truyền tin độc lậpvới nhau, tín hiệu của chúng không đến trạm gốc một cách cùng lúc Do trễ thờigian của chúng là phân bố ngẫu nhiên nên sự tương quan chéo giữa các tín hiệuthu được từ những người sử dụng là khác không Để nhận được nhiễu có mứcthấp tất cả tín hiệu phải có tương quan chéo nhỏ và mọi trễ thời gian tương đối.Tương quan chéo giữa các ký tự có được bằng việc thiết kế một tập các dãy trựcgiao Tuy nhiên không có một tập dãy mã nào được biết là hoàn toàn trực giao

khi được dùng trong hệ thống không đồng bộ Các thành phần không trực giaocủa tín hiệu của những người sử dụng khác sẽ xuất hiện như là nhiễu trong tínhiệu điều chế mong muốn Nếu sử dụng máy thu có bộ lọc thích ứng trong hệthống như vậy thì số lượng của người sử dụng bị hạn chế bởi nhiễu gây ra bởinhững người sử dụng khác Điều này khác với trong các hệ thống TDMA vàFDMA, trong các hệ thống này tính chất trực giao của tín hiệu thu được bị duytrì bằng việc chọn lọc và đồng bộ chính xác.

Hạn chế chính của CDMA là hiệu ứng xa gần Hiện tượng này xuất hiện khi mộttín hiệu yếu từ một máy di động ở xa thu được tại trạm gốc bị chèn ép bởi tínhiệu mạnh từ nguồn nhiễu đó Tín hiệu nhiễu với công suất lớn hơn n lần côngsuất tín hiệu mong muốn sẽ tác dụng gần như là n tín hiệu nhiễu có công suấtbằng công suất của tín hiệu Để khắc phục hiệu ứng xa gần trong hầu hết cácứng dụng CDMA người ta sử dụng các sơ đồ điều khiển công suất Trong hệthống tế bào điều khiển công suất được thực hiện bởi các trạm gốc, các trạm nàyđịnh kỳ ra lệnh các máy di động điều chỉnh công suất máy phát sao cho tất cảcác tín hiệu thu được tại trạm gốc với mức công suất là như nhau

CHƯƠNG II KỸ THUẬT TRẢI PHỔ2 1 Mở đầu

Khái niệm trải phổ: là quá trình điều chế với mục đích phân bố năng lượng

tín hiệu trên một băng tần rộng( rộng hơn nhiều so với tín hiệu chưa điều chế) Do hệ thống thông tin di động CDMA được xây dựng trên lý thuyết trải phổnên việc tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ là rất cần thiết Với một hệ thống thông tintrải phổ, độ rộng băng tần tín hiệu được mở rộng hàng trăm lần trước khi phát.Việc sử dụng sẽ là không hiệu quả nếu chỉ có một người sử dụng trong băng tầnSS( Spread Spectrum – trải phổ) Nhưng với môi trường nhiều người sử dụng thìhọ có thể sử dụng chung một băng tần SS và hệ thống sử dụng băng tần hiệu quảhơn.

Một hệ thống thông tin được coi là trải phổ nếu: tín hiệu phát chiếm độ rộngbăng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết và trải phổ được thực hiệnbằng một mã độc lập với số liệu

2.2 Các hệ thống trải phổ

2.2.1 Hệ thống trải phổ DS

Phương pháp trải phổ tín hiệu , sử dụng mã trải phổ băng rộng điều chế tínhiệu sóng mang đã được điều chế bởi dữ liệu được gọi là kỹ thuật trải phổ trựctiếp ( Direct Sequence Spread Spectrum DS/SS ).

Trong phương pháp này mã trải phổ trực tiếp tham gia quá trình điều chế còntrong các phương pháp khác mã trải phổ không trực tiếp tham gia quá trình điềuchế mà chỉ sử dụng để điều khiển tần số hay thời gian truyền dẫn tín hiệu sóngmang đã được điều chế bởi dữ liệu.

Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ trực tiếp là có dạng khá đơn giản không yêucầu tính ổn định nhanh hay tốc độ tổng hợp tần số cao Song nó có nhược điểmlà băng trải phổ chỉ đến vài trăm Mhz, năng lượng phổ chỉ chiếm đến 90%trong dải chính của toàn bộ dải phổ và 99% nếu thêm 2 dải phụ thứ nhất.

Trong đó: P: công suất phát

Rc: tốc độ chíp mã f0: tần số sóng mang

2.2.1.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng phương pháp điều chế BPSK

Một trong những biện pháp đơn giản nhất của trải phổ trực tiếp là sử dụngphương pháp điều chế BPSK ( điều chế dịch pha nhị phân ) Mã trải phổ đượcsử dụng là dãy xung NRZ chỉ nhận các giá trị  1 điều chế trực tiếp tín hiệusóng mang đã được điều chế BPSK.

Hình 2.2: Sơ đồ khối điều chế trải phổ trực tiếp BPSK ( phía phát )

Bộ điều chế dữ liệu

C(t) S(t)

Dữ liệu nhị phân

 t2PCos 0t(t)

Sd d ST t2PCos0td tc t

Giả sử tín hiệu sóng mang có dạng như sau:

S(t) = A Cos 0tTrong đó A là biên độ của sóng mang

0 là tần số góc của sóng mang

Gọi P là công suất sóng mang và Arms là biên độ hiệu dụng của sóng mang ta có:A = 2Arms và P = A2

rmsDo đó : A = 2 P

Do đó sóng mang còn có thể viết dưới dạng: S (t) = 2P Cos0t

Sau khi điều chế số dịch pha (PSK), tín hiệu dữ liệu sẽ được thể hiện thông quapha của sóng mang

Sóng mang bây giờ có dạng: Sd(t) = 2P Cos [0t + d (t)] ; 0  t  TSvới d(t) là pha của sóng mang bị điều chế bởi dữ liệu

TS : là thời gian tồn tại của 1 ký hiệu điều chế.

Tiến hành trải phổ dãy trực tiếp sử dụng kỹ thuật BPSK bằng mã trải phổC(t) có dạng xung NRZ Đó là dãy mã nhận các giá trị  1 và có tốc độ chip lớngấp nhiều lần tốc độ của dữ liệu.

Tín hiệu sóng mang sau quá trình trải phổ được phát đi có dạng S T(t) = 2P Cos [ 0t + d (t) + C (t)]

C(t) : góc pha của ST(t) phụ thuộc vào c(t)

Nếu như cả c(t) và d(t) đều chỉ nhận các giá trị  1 thì ST(t) có thể được viếtlại đơn giản như sau:

ST (t) = 2P d(t) c(t) Cos0t

Từ phương trình trên cho phép xây dựng mô hình hệ thống DS / BPSK phíaphát một cách đơn giản hơn trong đó việc điều chế trải phổ được thực hiện đơngiản bằng bộ cộng modul 2 giữa d(t) và c(t).

Bộ giải điều chế ở phía thu được thực hiện bằng sự tương quan giữa tín hiệuthu được R(t) và bản sao của mã trải phổ phía phát được tạo ra ở máy thu.

Trong đó Td : Trễ truyền dẫn thực sự giữa máy phát và máy thu 

T d : Đánh giá của máy thu đối với thời gian trễ Tín hiệu truyền tới máy thu là

Với  là góc pha ngẫu nhiên  = [0 , 2]

Tt 

Tt 

 PctTdCostTddtTdt

Hình 2.3: Sơ đồ khối giải điều chế trải phổ trực tiếp BPSK ( phía thu )

ở đây để đơn giản ta bỏ qua một vài loại nhiễu hoặc tạp âm Gaussian Quá trình giải điều chế tín hiệu R(t) được thực hiện qua 2 bước

- Bước 1: Thực hiện quá trình nén phổ Quá trình này được thực hiện bằng việcnhân tín hiệu R(t) với mã giải trải phổ được tạo ra ở máy thu là c(t- 

T d) Saubước này tín hiệu ra bộ cộng modul 2:

R*(t) = 2P c(t-Td) c(t- 

T d) Cos[0(t-Td) + d(t-Td) + ]Nếu đạt được đồng bộ tốt thì 

T d =Td vàc (t-Td) c(t- 

Sau đây ta sẽ xem xét phổ công suất sóng mang trong điều chế DS/BSK.

Lọc thông giải

Giải điều chế BPSKC(t-

   tctCostd

ST()2 0C(t)

a Phổ tín hiệu trước khi trải phổ

b Phổ tín hiệu sau khi trải phổHình 2.4 Phổ công suất DS/BPSK

Với P là công suất tín hiệu

Mật độ phổ công suất sóng biên của sóng mang điều chế dịch pha được tính nhưsau:

Sd(f) = 

 Sd(t) exp(-it)dt = 12 PTbSin2[(f-f0)Tb] + Sin2[(f+f0)Tb]

Với f0 = 0/ 2 : là tần số sóng mang dữ liệu ( tần số trung tâm băng tần dữliệu ).

Tb : thời gian bit dữ liệu.

Mật độ phổ của sóng mang đã trải phổ cũng được tính tương tự

ở đây Tc là thời gian chip mã trải phổ.

  c   c   c

00

Từ biểu thức tính mật độ phổ và đồ thị biểu diễn phổ công suất của tín hiệutrải phổ ta có nhận xét là: Phổ công suất của tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp gồmhai biên đối xứng, biên độ của hai biên bằng nhau và bằng PTC/2 bề rộng phổmỗi bên bằng 2/TC

Như vậy tín hiệu sau trải phổ có độ rộng phổ tăng lên Tb/Tc lần và biên độphổ giảm đi Tb/Tc lần Mã trải phổ có tốc độ chip lớn hơn nhiều tốc độ dữ liệunên Tc  Tb vì vậy sau trải phổ tín hiệu có mật độ phổ giảm đi nhiều.

=

=

Tb càng lớn hơn Tc thì tức là độ tăng ích được xử lý càng tốt và chất lượng hệthống trải phổ càng tốt.

2.2.1.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng phương pháp điều chế QPSK

Điều chế pha 4 mức (QPSK) sử dụng nguyên lý tổ hợp 2 bit thành một kýhiệu điều chế và được mô tả cùng một trạng thái pha sóng mang Do vậy cùngđộ rộng băng truyền dẫn, sử dụng phương pháp điều chế pha QPSK sẽ có tốc độbit truyền dẫn đạt gấp đôi nếu dùng phương pháp BPSK 4 tổ hợp của 2 bit nhịphân sẽ tương ứng với 4 trạng thái của sóng mang như sau:

Tổ hợp bit Trạng thái pha00

Với cơ sở kỹ thuật điều chế tín hiệu số QPSK quen thuộc, ta xây dựng bộ

Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ điều chế trải phổ DS/QPSK

Hoạt động của bộ điều chế như sau: đầu tiên dòng bit dữ liệu d(t) điềuchế sóng mang s(t) = 2PCos0t

Đầu ra của bộ điều chế pha là tín hiệu điều pha 4 trạng thái

Sd(t) = 2P Cos[0t + d(t)] 0  t  Ts trong đó d(t) là góc pha của sóng mang bị điều chế nhận các giá trị là 0, /2, , 3/2 tuỳ theo cặp bit tương ứng.

Các vectơ tín hiệu được biểu diễn trong không gian tín hiệu như sau:

Dữ liệu sau khi qua bộ điều chế pha được đưa qua bộ chuyển đổi nối tiếpsong song tạo ra 2 tín hiệu sóng mang được điều chế bởi dữ liệu trực giao vớinhau trên 2 đường được gọi là kênh I ( kênh đồng pha ) và kênh Q ( kênh cầuphương )

Sóng mang trên kênh I là: SdI(t) = PCos[0t + d(t)]Sóng mang trên kênh Q là: SdQ(t) = P Sin[0t + d(t)]

ở đây tốc độ dữ liệu không thay đổi, chỉ có sóng mang được chia ra làm haithành phần lệch pha nhau và có công suất bằng một nửa Sd(t).

Dữ liệu vàod(t)

chế pha

Bộ lai cầu

Sóng mang trên hai kênh đồng pha I và cầu phương Q sau đó được điều chếtrải phổ với hai mã trải phổ là C1(t) và C2(t) tương tự như quá trình điều chế trảiphổ BPSK

Kết quả ta có hai tín hiệu trải phổ trên các kênh I và Q là :STI(t) = P Cos[0t + d(t) + C1(t)]STQ(t) = PSin[0t + d(t) + C2(t)]

Hai mã trải phổ C1(t) và C2(t) là các dòng xung lưỡng cực, chỉ nhận cácgiá trị mức 1 được đồng bộ chip và độc lập hoàn toàn nhau nên 2 tín hiệu đưavào bộ cộng () là tương quan và tín hiệu đi ra bộ điều chế QPSK được viết nhưsau:

ST(t) = STI(t) + STQ(t)

= P Cos[0t + d(t) + C1(t)] + PSin[0t + d(t) + C2(t)]hay ST(t) = P C1(t) Cos[0t + d(t)] + PC2(t) Sin[0t + d(t) ]

Ta thấy hai thành phần của biểu thức tính ST(t) là như nhau chỉ khác về biênđộ và góc dịch pha và cũng từ biểu thức tính ST(t) ta có thể tính được phổ côngsuất sóng mang điều chế QPSK thông qua việc tính phổ công suất của hai sóngmang điều chế BPSK thành phần Bởi vì 2 thành phần STI(t) và STQ(t) là trựcgiao nhau nên phổ công suất của ST(t) bằng tổng đại số phổ công suất của STI(t)và STQ(t).

Bộ giải điều chế trải phổ DS/QPSK có sơ đồ như sau:

Hình 2.6: Sơ đồ bộ giải điều chế QPSK

d(t)Bộ chia

công suất

Lọc thông dải

Giải điều chế pha

QPSK

T d).Sin[0t + d(t) ] 2Cos[(0+ IF)t] X(t) = P/2C1(t-Td).C1(t- 

T d). Cos[20t+IFt+d(t)] + Cos[-IFt +d(t)]  + P/2C2(t-Td).C1(t- 

T d).Sin[20t+IFt+d(t)] + Sin[-IFt +d(t)]  Trong trường hợp lý tưởng, mã trải phổ phía thu được đồng bộ chính xác vớimã trải phổ phía phát, nghĩa là 

T d= Td do vậyC1(t-Td).C1(t- 

T d) = C1(t-Td)2 = 1 Mặt khác hai mã trải phổ C1(t) và C2(t) trực giao nhau nên

C2(t-Td).C1(t- 

T d) = C2(t-Td).C1(t-Td) = 0 X(t) lúc này được viết lại như sau:

Y(t) = P/2  - Cos[20t+IFt+d(t)] + Cos[-IFt +d(t)] Tại lân cận IF ta cũng có

Y*(t) = P/2 Cos[-IFt +d(t)] Tín hiệu sau bộ lọc thông dải là:

Z*(t) = X*(t) + Y*(t) = 2P Cos[-IFt +d(t)]

Từ công thức trên ta thấy sóng mang được điều chế bởi dữ liệu đã được phụchồi Bây giờ cho Z*(t) đi qua bộ giải điều chế QPSK ta sẽ thu được dữ liệu d(t) Sau đây sẽ trình bày cấu trúc và hoạt động của hai bộ điều chế, giải điều chếQPSK:

a.Bộ điều chế:

Dãy bit dữ liệu d(t) qua bộ chuyển đổi nối tiếp song song được chia thànhhai dãy, dI(t) gồm các bit chẵn và dQ(t) gồm các bít lẻ.

Dòng bit dI(t) điều chế biên độ hàm cos với 2 giá trị là +1 và -1 tương đươngvới hai pha lệch nhau 1800 thể hiện bit 0,1.Tương tự dòng bit dQ(t) điều chế biênđộ hàm sin ( lệch pha hàm cos là 900) cho ta hai trạng thái lệch pha nhau 1800 vàlệch pha với dI(t) là 900 Tổng hai tín hiệu này ở đầu ra là tín hiệu điều chếQPSK.

Hình 2.7: Sơ đồ khối điều chế tín hiệu QPSKb Khối giải điều chế:

Hoạt động của bộ giải điều chế được trình bày trong hình 2.9 sau

Hình 2.8: Sơ đồ khối giải điều chế QPSK

Do có đường bao không đổi nên trong tất cả các hệ thống PSK việc tách sóngphải được thực hiện nhờ một dao động chuẩn tại chỗ Đối với hệ thống kiểuBPSK, dao động chuẩn được nhân với tín hiệu thu Khi đó, nếu dao động chuẩnđược nhân với dao động cùng pha sẽ tạo ra một tín hiệu ra dương biên độ cực

tín hiệu QPSK

Cos0t

Bộ chuyển đổi nối tiếp song song

Tín hiệu thu

Dữ liệu ra

Cos0t

Bộ chia công suất

Bộ chuyển nối tiếp song song

Bộ khối phục tần số nhịp

đại, còn khi nhân với tín hiệu ngược pha sẽ tạo ra được tín hiệu ra âm biên độcực đại Như vậy hệ thống kiểu BPSK nhận được đặc tính của tín hiệu đối lậpnếu tạo ra được một dao động chuẩn kết hợp tại chỗ Khi tách sóng các tín hiệuđiều chế bằng phương pháp BPSK, bộ tách sóng pha duy nhất chỉ ra giá trị phacủa tín hiệu thu được nằm gần 00 hoặc 1800 Dấu của tín hiệu cosin ở đầu ra bộlọc pha trực tiếp phản ánh thông tin tách ra được Tuy nhiên ở hệ thống sử dụngphương pháp điều chế QPSK, thông tin nhận được từ bộ tách sóng pha duy nhấtlà không đầy đủ vì 2 nguyên nhân:

+ Cosd(t) không chỉ ra d(t) dương hay âm.

+ Biên độ tín hiệu ra bộ tách sóng pha tỷ lệ với biên độ của tín hiệu thuđược cũng như với Cosd(t)

Do đó từ biên độ của tín hiệu ra bộ tách sóng pha không thể tách ra được mộtthông tin nào khi không so sánh nó với biên độ tín hiệu thu được Cả 2 vấn đềnày giải quyết được nếu nhờ bộ trộn và lọc thứ hai do pha với một dao độngchuẩn khác Đúng như mong muốn, các đặc tính tốt nhất thu được trong trườnghợp nếu như dao động chuẩn thứ hai trực giao với dao động chuẩn thứ nhất Kết quả tách sóng pha ở 2 kênh I (cùng pha) và Q(cầu phương) được mô tảvề mặt toán học như sau:

SI(t)= thành phần tần số thấp của cos[0t + d(t)].2 cos0t=cosd(t) SQ(t)=thành phần tần số thấp của cos[0t + d(t)].2 sin0t=sind(t)

Bộ tách sóng pha thứ hai không những chỉ giải quyết tính chất không xácđịnh giữa pha âm và pha dương, mà còn khắc phục được sự cần thiết trong việcchuẩn biên độ Tất cả các cách giải quyết có thể dựa vào dấu của tín hiệu ở đầura của bộ tách sóng pha chứ không dựa vào biên độ Có nhận xét sau: bit đầutiên trong 2 bit bằng 0 nếu góc pha là dương (00 hoặc /2) và bằng 1 trongtrường hợp ngược lại, do đó bit đầu tiên của tín hiệu số hoàn toàn được xác địnhnhờ vào cực của sind(t) tức là tín hiệu ra của bộ tách sóng pha thứ hai (kênh cầuphương) Tương tự bit thứ hai của tín hiệu bằng 1 nếu pha /2 hoặc  , điều đócho thấy rằng dấu của tín hiệu ra bộ tách sóng pha thứ nhất (kênh cùng pha)chứa đựng thông tin cần thiết xác định bit thứ hai.

Trên đây ta đã trình bày hai phương pháp trải phổ trực tiếp BPSK và QPSK.Ngoài ra còn có những phương pháp là kết hợp của hai phương pháp trên ,nhưng đều không phổ biến vì vậy không được trình bày trong đồ án này.

2 2.2 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần FH

Nếu trải phổ dãy trực tiếp là điều chế trực tiếp tín hiệu số vào mã trải phổ, thìtrải phổ nhẩy tần là điều chế gián tiếp vào mã trải phổ (sóng mang có tần số thayđổi theo mã trải phổ sẽ được điều chế với tín hiệu thông tin cần truyền)

Nói chính xác thì điều chế FH là “sự chuyển dịch tần số của nhiều tần số đượcchọn theo mã” Nó gần giống FSK ngoài việc dải chọn lọc tần số tăng lên FSKđơn giản sử dụng 2 tần số và phát tín hiệu là f1 khi có ký hiệu và phát f2 khikhông có ký hiệu Mặt khác thì FH có thể sử dụng vài nghìn tần số Trong cáchệ thống thực tế thì sự chọn lọc ngẫu nhiên trong 220 tần số được phân bố có thểđược chọn nhờ sự tổ hợp mã theo mỗi thông tin chuyển dịch tần số Trong FHkhoảng dịch giữa các tần số và số lượng các tần số có thể chọn được được xácđịnh phụ thuộc vào các yêu cầu vị trí đối với việc lắp đặt cho mục đích đặc biệt.Như vậy trong hệ thống dịch tần FH, tần số sóng mang thay đổi theo chu kỳ Cứsau một khoảng thời gian T tần số sóng mang lại nhẩy tới một giá trị khác Quyluật nhẩy tần do mã trải phổ quyết định.

Việc chiếm dụng tần số trong 2 hệ thống DS và FH là khác nhau Hệ thống DSchiếm dụng toàn bộ băng tần khi nó truyền dẫn trong khi hệ thống FH chỉ sửdụng một phần nhỏ băng tần tại một khoảng nhỏ của thời gian truyền dẫn

Như vậy, công suất mà hai hệ thống truyền đi trong một băng tần tính trung bìnhlà như nhau

Hệ thống FH cơ bản gồm có bộ tạo mã và bộ tổ hợp tần số, bộ phát mãPN điều khiển bộ tỏng hợp tần số phải nhảy tần theo qui luật của nó

Hệ thống FH tạo ra hiệu quả trải phổ bằng sự nhảy tần giả ngẫu nhiêngiữa các tần số vô tuyến f1,f2,…,fn với n có thể lên tới con số hàng nghìn Nếutốc độ nhảy tần (Tốc độ chíp ) lớn hơn tốc độ bít dữ liệu thì được gọi là nhảytần nhanh FFH (Fast Frequency Hopping), khi đó sẽ có nhiều tần số được truyềnđi trong thời gian một bít Còn ngược lại tốc độ nhảy tần nhỏ hơn tốc độ bit(nhiều bit tin được truyền đi trong một tần số ) thì được gọi là nhảy tần chậmSFH (Slow Frequency Hopping ).

Gọi f = fi – fi-1 là chênh lệch tần số giữa hai tần số kề nhau còn N là sốtần số nhảy tần có thể chọn thì tăng ích xử lý hệ thống trải phổ nhảy tần FH là:

(Giả thiết dải thông dữ liệu băng gốc Bd=1 bước nhảy tần nhỏ nhất f)

Phổ FH lý tưởng trong một chu kỳ có dạng hình vuông hoàn toàn và phân bốđồng đều trong các kênh tần số truyền dẫn Các máy phát trong thực tế cần phảiđược thiết kế sao cho công suất phân bố đồng đều trong tất cả các kênh.

Nguyên lý trải phổ nhảy tần như sau: Một đoạn k chíp của mã giả ngẫu nhiênđiều khiển bộ tổng hợp tần số, để tần số sống mang nhảy lên một trong 2k tần sốkhác nhau Nếu xét trong một tần số nhảy thì độ rộng băng tần tín hiệu bằng độrộng băng tần tín hiệu MFSK và rất nhỏ so với độ rộng của tín hiệu trải phổnhảy tần.

Với bộ giải điều chế không liên kết, để đảm bảo tính trực giao thì khoảng cáchvề tần số giữa các tone MFSK phải bằng bội số nguyên lần của tốc độ chip (Rp).Điều này đảm bảo cho một mẫu phát đi không ảnh hưởng xuyên âm tới các bộtách khác Dải băng tần tín hiệu nhảy tần được chia đều thành Nt phần bằngnhau:

a.Nhảy tần nhanh

Điều chế FHĐiều chế

MFSKK bit dữ liệu

K bit PN

Nguồn nhiễu

Giải điều chế FHK bit PN

Giảimã hoáM bộ tách năng lượng

Hình 2.9 Hệ thống FH

Hình vẽ sau mô tả phổ của tín hiệu MFSK và phổ tín hiệu nhảy tần nhanh theothời gian Chuỗi mã giả ngẫu nhiên thực hiện trải phổ là một chuỗi mã được tạora từ bộ tạo mã giả nhiễu dùng bộ 4 thanh ghi dịch Mã trải phổ có tốc độ bit gấp4 lần tóc độ dữ liệu (Rp = Rh = 4Rs) tức là k = 4 Hệ thống thực hiện trải phổnhảy tần nhanh với tín hiệu MFSK 4 mức lên ngẫu nhiên một trong 4 dải tần số,dưới sự điều khiển của tín hiệu giả ngẫu nhiên PN Do tín hiệu MFSK điều chế4 mức nên cứ 2 bit dữ liệu xác định một giá trị nằm 1 trong 4 mức có thể của dảitần số và một tone này được phát đi trong khoảng thời gian bằng 2 lần chu kỳ bitdữ liệu Cũng tương tự như vậy, cứ một cặp 2 bit giả ngẫu nhiên cho phép ta xácđịnh được một trong 4 dải băng tần mà một tone tín hiệu MFSK cần nhảy tới.Trong trường hợp này độ rộng băng tần của tín hiệu nhảy tần sẽ lớn gấp 4 lần độrộng băng tần tín hiệu MFSK nguyên thuỷ (Wss=4Wd).

b Nhảy tần chậm

Trong phép nhảy tần này ta cũng dùng chuỗi giả ngẫu nhiên như đã dùng trongví dụ nhảy tần nhanh trên Khác với trường hợp nhảy tần nhanh, trong hệ thốngnhảy tần chậm thì tốc độ chuỗi tín hiệu trải phổ thấp hơn so với tốc độ dòng dữ

WSS11

liệu và khi đó tốc độ chip bằng tốc độ dòng dữ liệu Trong ví dụ này Rp = Rb =6Rh Tín hiệu MFSK được điều chế bởi dữ liệu theo 4 mức tức là cứ 2 bit dữliệu xác định 1 tone phát đi trong khoảng thơì gian bằng 2 lần chu kỳ dòng bitdữ liệu Với bước điều chế nhảy tần Cứ 3 bit giả ngẫu nhiên xác định một trong8 băng tần mà tín hiệu MFSK sẽ nhảy tới (k = 3) Như vậy băng tần của tín hiệutrải phổ nhảy tần sẽ lớn gấp 8 lần băng tần tín hiệu MFSK ban đầu

Hình vẽ dưới đây mô tả phổ tín hiệu trải phổ nhảy tần chậm theo thời gian

c Hệ thống giải điều chế nhảy tần

Quá trình thực hiện giải điều chế tín hiệu trải phổ nhảy tần được thực hiệnngược lại so với quá trình trải phổ và cũng được thực hiện qua 2 bước Bước thứnhất là thực hiện nén phổ tín hiệu nhảy tần để thu lại được tín hiệu điều chế tầnsố MFSK Bước thứ hai là khôi phục lại dữ liệu từ tín hiệu MFSK bằng bộ giảiđiều chế MFSK thông thường.

Nén phổ tín hiệu nhảy tần:

111110101100011010001000

Giả sử tại đầu thu đã tạo lại đực tín hiệu trải phổ giả nhiễu đồng bộ với bên phát.Khi đó tín hiệu đầu ra bộ tổng hợp tần số tại bên thu cũng nhảy giống hệt nhưbên phát tín hiệu nhảy tần thu được sẽ trộn với tín hiệu tổng hợp tại chỗ này vàkhi qua bộ lọc băng tần bằng độ rộng băng tần tín hiệu MFSK ta sẽ thu lại đượctín hiệu chứa dữ liệu MFSK Như vậy một điều hết sức quan trọng đảm bảo sựthành công của bước nén phổ này là bên thu cần taọ được mã giả ngẫu nhiênđồng bộ hoàn toàn với bên phát.

Giải điều chế tín hiệu MFSK:

Tín hiệu sau khi nén phổ là tín hiệu dịch tần M mức (MFSK) chứa dữ liệu Đểthực hiện giải điều chế tín hiệu này người ta hay sử dụng M bộ lọc thông dải vàM bộ tách sóng đường bao Đầu ra của bộ lọc thứ i và bộ tách thứ i sẽ khác 0 khitín hiệu dữ liệu được điều chế ở mức i Còn lại M-1 đầu ra còn lại sẽ có giá trịbằng 0 Tuy nhiên trong thực tế, do ảnh hưởng của nhiễu đầu ra thứ i không cógiá trị cực đại tối đa và M-1 đầu ra còn lại cũng không bằng 0 nên cần sử dụngbộ so sánh để chọn giá trị lớn nhất trong M đầu ra này Dữ liệu M mức đầu rađược đưa tới bộ giải điều chế để tái tạo lại tín hiệu dữ liệu nhị phân ban đầu

2.2.3 Hệ thống dịch thời gian

Dịch thời gian tương tự như điều chế xung Nghĩa là, dãy mã đóng/mở bộ phát,thời gian đóng/mở bộ phát được chuyển đổi thành dạng tín hiệu giả ngẫu nhiêntheo mã và đạt được 50% yếu tố tác động truyền dẫn trung bình Sự khác nhaunhỏ so với hệ thống FH đơn giản là trong khi tần số truyền dẫn biến đổi theomỗi thời gian chip mã trong hệ thống FH thì sự dịch chuyển tần số chỉ xảy ratrong trạng thái dịch chuyển dãy mã trong hệ thống TH Hình 2.13 là sơ đồ khối

nhất và giải mãTín hiệu

sau giải điều chế nhảy tần

Dữ liệu

Hình 2.12 Giải điều chế tín hiệu MFSK

của hệ thống TH Ta thấy rằng bộ điều chế rất đơn giản và bất kỳ một dạng sóngcho phép điều chế xung theo mã đều có thể được sử dụng đối với bộ điều chếTH.

TH có thể làm giảm giao diện giữa các hệ thống trong hệ thống ghép kênh theothời gian và vì mục đích này mà sự chính xác thời gian được yêu cầu trong hệthống nhằm tối thiểu hoá độ dư giữa các máy phát Mã hoá nên được sử dụngmột cách cẩn thận vì sự tương đồng các đặc tính nếu sử dụng cùng một phươngpháp như các hệ thống thông tin mã hoá khác.

Do hệ thống TH có thể bị ảnh hưởng dễ dàng bởi giao thoa nên cần sử dụng hệthống tổ hợp giữa hệ thống này với hệ thống FH để loại trừ giao thoa có khảnăng gây nên suy giảm lớn đối với tần số đơn.

Hình 2.13: Hệ thống TH đơn giản

2.2.3 Hệ thống lai HYBRID

Bên cạnh các hệ thống đã miêu tả ở trên, điều chế hybrid của hệ thống DS và FHđược sử dụng để cung cấp thêm các ưu điểm cho đặc tính tiện lợi của mỗi hệthống Thông thường đa số các trường hợp sử dụng hệ thống tổng hợp bao gồm(1) FH/DS, (2) TH/FH, (3) TH/DS.

Các hệ thống tổng hợp của hai hệ thống điều chế trải phổ sẽ cung cấp các đặctính mà một hệ thống không thể có được Một mạch không cần phức tạp lắm cóthể bao gồm bởi bộ tạo dãy mã và bộ tổ hợp tần số cho trước.

a.FH/DS

Hệ thống FH/DS sử dụng tín hiệu điều chế DS với tần số trung tâm được chuyểndịch một cách định kỳ Phổ tần số của bộ điều chế được minh hoạ trên hình2.10 Một tín hiệu DS xuất hiện một cách tức thời với độ rộng băng là một phầntrong độ rộng băng của rất nhiều các tín hiệu trải phổ chồng lấn và tín hiệu toànbộ xuất hiện như là sự chuyển động của tín hiệu DS tới độ rộng băng khác nhờcác mẫu tín hiệu FH Hệ thống tổng hợp FH/DS được sử dụng vì các lý do sauđây:

1 Dung lượng trải phổ

2 Đa truy nhập và thiết lập địa chỉ phân tán.3 Ghép kênh

Hình 2.14: Phổ tần số của hệ thống tổng hợp FH/DS

Hệ thống điều chế tổng hợp có ý nghĩa đặc biệt khi tốc độ nhịp của bộ tạo mãDS đạt tới giá trị cực đại và giá trị giới hạn của kênh FH Ví dụ, trong trườnghợp độ rộng băng RF yêu cầu là 1 Ghz thì hệ thống DS yêu cầu một bộ toạ mãtức thời có tốc độ nhịp là 1136 Mc/s và khi sử dụng hệ thống FH thì yêu cầu mộtbộ trộn tần để tạo ra tần số có khoảng cách 5 KHz Tuy nhiên, khi sử dụng hệthống tổng hợp thì yêu cầu một bộ tạo mã tức thời 114 Mc/s và một bộ trộn tầnđể tạo ra 20 tần số.

Bộ phát tổng hợp FH/DS như trên hình 2.14 thực hiện chức năng điều chế DSnhờ biến đổi tần số sóng mang (sóng mang FH là tín hiệu DS được điều chế)không giống như bộ điều chế DS đơn giản Nghĩa là, có một bộ tạo mã để cungcấp các mã với bộ trộn tần được sử dụng để cung cấp các dạng nhảy tần số và

DS.

Hình 2.15: Bộ điều chế tổng hợp FH/DS

Sự đồng bộ thực hiện giữa các mẫu mã FH/DS biểu thị rằng phần mẫu DS đãcho được xác định tại cùng một vị trí tần số lúc nào cũng được truyền qua mộtkênh tần số nhất định Nhìn chung thì tốc độ mã của DS phải nhanh hơn tốc độdịch tần Do số lượng các kênh tần số được sử dụng nhỏ hơn nhiều so với sốlượng các chip mã nên tất cả các kênh tần số nằm trong tổng chiều dài mã sẽđược sử dụng nhiều lần Các kênh được sử dụng ở dạng tín hiệu giả ngẫu nhiênnhư trong trường hợp các mã.

Bộ tương quan được sử dụng để giải điều chế tín hiệu đã được mã hoá trước khi thực hiện giải điều chế băng tần gốc tại đầu thu; bộ tương quan FH có một bộ tương quan DS và tín hiệu dao động nội được nhân với tất cả các tín hiệu thu được Hình 2.15 miêu tả một bộ thu FH/DS điển hình Bộ tạo tín hiệu dao động nội trong bộ tương quan giống như bộ điều chế phát trừ 2 điểm sau:

1 Tần số trung tâm của tín hiệu dao động nội được cố định bằng độ lệch tần số trung gian (IF).

2 Mã DS không bị biến đổi với đầu vào băng gốc.

Hình 2.16: Bộ thu tổng hợp FH/DS

Giá trị độ lợi sử lý dB của hệ thống tổng hợp FH/DS có thể được tính bằng tổngcủa độ lợi sử lý của hai loại điều chế trải phổ đó.

Do đó, giới hạn giao thoa trở nên lớn hơn so với hệ thống FH hoặc hệ thống DSđơn giản.

b TH/FH

Hệ thống điều chế TH/FH được áp dụng rộng rãi khi muốn sử dụng nhiều thuêbao có khoảng cách và công suất khác nhau tại cùng một thời điểm Với sốlượng việc xác định địa chỉ là trung bình thì nên sử dụng một hệ thống mã đơngiản hơn là một hệ thống trải phổ đặc biệt Khuynh hướng chung là tạo ra mộthệ thống chuyển mạch điện thoại vô tuyến có thể chấp nhận các hoạt động cơbản của hệ thống như là sự truy nhập ngẫu nhiên hoặc sự định vị các địa chỉphân tán Đó cũng là một hệ thống có thể giải quyết các vấn đề liên quan đếnkhoảng cách Như trên hình 2.17 ta thấy hai đầu phát và thu đã được xác định vàmáy phát ở đường thông khác hoạt động như là một nguồn giao thoa khi đườngthông đó được thiết lập Hơn nữa, sự khác nhau về khoảng cách giữa máy phátbên cạnh và máy phát thực hiện thông tin có thể gây ra nhiều vấn đề.

Hệ thống này làm giảm ảnh hưởng giao thoa chấp nhận được của hệ thống thôngtin trải phổ xuống tới vài độ.

Hình 2.17: Hệ thống thông tin 2 đườngvới các vấn đề liên quan đến khoảngcách

Do ảnh hưởng của khoảng cách gây ra cho tín hiệu thu không thể loại trừ đượcchỉ với việc sử lý tín hiệu đơn giản mà một khoảng thời gian truyền dẫn nhấtđịnh nên được xác định để tránh hiện tượng chồng lấn các tín hiệu tại một thờiđiểm.

Nếu phương pháp ghép kênh theo mã không đáp ứng các yêu cầu giao diệnđường truyền khi sử dụng hệ thống DS thì hệ thống TH được sử dụng thay thếđể cung cấp một hệ thống TDM cho khả năng điều khiển tín hiệu Yêu cầu sựđồng bộ nhanh đối với sự tương quan mã giữa các đầu cuối của hệ thống DS, hệthống TH được giải quyết cho trường hợp này Nghĩa là, đầu cuối thu của hệthống DS nên có một thời gian chính xác để kích hoạt TDM, để đồng bộ chínhxác mã tạo ra tại chỗ trong thời gian chip của mã PN.

Hơn nữa, thiết bị điều khiển đóng/mở chuyển mạch được yêu cầu để thêm TDM vào hệ thống DS Trong trường hợp này thì kết cuối đóng/mở chuyểnmạch có thể được trích ra một cách dễ dàng từ bộ tạo mã sử dụng để tạo ra cácmã trải phổ và hơn nữa thiết bị điều khiển đóng/mở được sử dụng để tách cáctrạng thái ghi dịch cấu thành bộ tạo mã và dựa trên các kết quả, số lượng n cổngđược sử dụng để kích hoạt bộ phát có thể được thiết lập một cách đơn giản Hình2.18 minh hoạ bộ phát và bộ thu TH/DS Bộ thu rất giống như bộ phát ngoại trừphần phía trước và một phần của bộ tạo tín hiệu điều khiển được sử dụng đểkích hoạt trạng thái đóng/mở của tín hiệu để nó truyền đi Điều đó nhận đượcnhờ chọn trạng thái bộ ghi dịch sao cho bộ ghi dịch này được tạo một cách lặplại trong quá trình chọn mã đối với điều khiển thời gian Trong bộ tạo mã dàinhất bậc n thì điều kiện thứ nhất tồn tại và điều này được lặp lại với chu kỳ là m.Khi chọn bậc (n-r) và tách tất cả các trạng thái của nó thì bộ tạo mã có tạo tínhiệu giả ngẫu nhiên phân bố dài gấp hai lần chu kỳ mã Như ở trên thì n biểu thịđộ dài bộ ghi dịch và r nghĩa là bậc ghi dịch không tách được

TH-Cũng vậy, việc tạo đầu ra và chu kỳ tạo trung bình có khoảng cách giả ngẫunhiên có thể được chọn nhờ mã trong chu kỳ giả ngẫu nhiên Loại phân chiathực hiện trong quá trình chu kỳ giả ngẫu nhiên này có thể có nhiều người sửdụng kênh để có nhiều truy nhập và có chức năng tiến bộ hơn so với giao diệnghép kênh theo mã đơn giản.

Hình 2.18 Sơ đồ khối của hệ thống TH/DS

2.3 Dãy mã giả tạp âm

2.3.1 Nguyên lý

Mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN cần được tạo ra một cách độc lập ở nhiều vị trí(ví dụ giữa máy thu và máy phát, đó là các bản sao của nhau), cho nên mã trảiphổ không thể hoàn toàn ngẫu nhiên, nó cần phải xác định được, nó là tín hiệucó chu kỳ xác định, có thể tính được một cách chính xác ở cả phía phát lẫn phíathu Nhưng mặt khác, PN có các tính chất thống kê của tạp âm trắng AWGN(Additive White Gaussian Noise - Tạp âm Gauss phổ đều cộng vào tín hiệu ), nócó biểu hiện ngẫu nhiên, bất xác định, nghĩa là không thể thu và hiểu được đốivới bất kỳ máy thu nào không thuộc phạm vi cuộc liên lạc

Như vậy mã trải phổ là dãy tín hiệu giả ngẫu nhiên (giả tạp âm trắng) được tạora đồng bộ để trải phổ ở máy phát và nén phổ tương ứng ở máy thu đối với phổdữ liệu được truyền Mã trải phổ còn được dùng để phân biệt các thuê bao khácnhau khi họ có cùng dải thông truyền dẫn trong cơ chế đa truy nhập CDMA Hàm tự tương quan Ra( ) = 

Như ta đã nói, mã trải phổ không những để trải phổ mà còn là chìa khoá để MSchọn ra tín hiệu trạm gốc phát cho nó trong môi trường CDMA (cùng dùng

chéo bằng 0, hoặc rất nhỏ Điều kiện này đảm bảo nhiễu lẫn nhau cũng nhỏ Lýthuyết đã cho biết rằng các tín hiệu trải phổ trực giao bảo đảm tương quan chéobằng 0 Tuy nhiên trong nhiều hệ thống thực tế các bộ phát tương quan dãy PNở cả máy phát và máy thu được dùng với tương quan chéo đủ nhỏ Các dãy PNthường dùng nhất là: dãy độ dài cực đại (dãy m), dãy Gold, dãy Walsh.

2.3.2 Các chỉ tiêu ngẫu nhiên

Tín hiệu ngẫu nhiên là tín hiệu không xác định được chính xác sự biến đổi tiếptheo của tín hiệu, mà chỉ có thể miêu tả bằng phương pháp thống kê Khác vớitín hiệu ngẫu nhiên, tín hiệu giả ngẫu nhiên không hoàn toàn ngẫu nhiên Nó làtín hiệu có chu kỳ xác định và có thể dự đoán trước cả ở phía thu và phía phát.Tuy nhiên, mặc dù là tín hiệu xác định, nhưng sự xuất hiện của nó lại có tínhchất thống kê của tạp âm trắng Với các đối tượng trái phép, sự xuất hiện của nóthực sự là ngẫu nhiên.

Theo lý thuyết xác suất, Bernoulli chứng minh rằng một dãy nhị phân độc lậpđược coi là một dãy ngẫu nhiên khi nó đảm bảo 3 tính chất Đó là:

2.3.2.3 Tính tương quan

Nếu so sánh từng bit trong một chu kỳ của dãy mã với bit tương ứng cùng vị trícủa dãy mã đó nhưng được dịch đi một vị trí bất kỳ thì để đảm bảo tính tươngquan, số số hạng phù hợp và số số hạng không phù hợp nhau trênh lệch nhaukhông quá một.

2.3.3 Dãy ghi dịch

Dãy ghi dịch ( dãy m - dãy có độ dài cực đại ) có sơ đồ như hình 6 Trong sơ đồnày, có N flip flop D, được mắc thành bộ ghi dịch, mạch hồi tiếp gồm các cổng

XOR và các khoá gi Sự lựa chọn giá trị N và các trạng thái nối thông hay hởmạch của gi làm cho thay đổi chiều dài và các đặc tính của dãy PN được tạo ra.Trong số đó, dãy có chiều dài là L = 2N - 1(L là số chip (cắt) và N là số flip flopD).

Hoạt động của bộ ghi dịch được điều khiển bởi dãy các xung nhịp Khi mộtxung nhịp tác động, nội dung của mỗi phần tử nhớ của bộ ghi dịch sang phần tửnhớ bên phải.

Hình 2.1 9 Bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính (qua XOR) phát ra dãy m.

Dưới đây là bảng giới thiệu số liệu về mạch hình 2.19.

Số flip flop

Chiều dài dãy

L = 2N - 1 Sốdãy S L 1N Hàm D0 Của dãy m

Q1Q9Q10Q11 Q0

Q10Q11Q12 Q1

Một số dặc trưng của mã trải phổ dãy m:

 Tính cân đối: dãy một có 2N-1 - 1 số 0 và 2N-1 số 1 trong chu kỳ L.

 Tính dịch và cộng: Nếu cộng module 2 một dãy m tạo ra do chính nó đãdịch đi, thì được một dãy m dịch đi so với 2 dãy được cộng.

 Tính tự tương quan chu kỳ: nếu ta thay logic 0 của dãym bằng +1 và thaylogic 1 của dãy m bằng -1, thì hàm tự tương quan chu kỳ là:

 Tính chạy: Một bước chạy là dãy các bit liên tiếp có cùng mức logic, độdài của các bước chạy là số bit trong các bước chạy đó Trong 1 chu kỳcủa dãy m có 1/21 số bước chạy có độ dài bằng 1, 1/22 số bước chạy cóđộ dài bằng 2 và 1/23 số bước chạy có độ dài bằng 3

Ví dụ:

Với mạch nguyên lý hình 17, ta thiết kế một dãy ghi dịch với 4 phần tử nhớ nhưsau:

Hình 2.20: Dãy ghi dịch 4 phần tử nhớ

Hoạt động của bộ ghi dịch được điều khiển bởi các dãy xung nhịp Khi mộtxung nhịp tác động, nội dung của mỗi phần tử nhớ của bộ ghi dịch được dịchmột bit Giả sử trạng thái ban đầu của bộ ghi dịch là 1000 Khi đó trạng thái kếtiếp của thanh ghi sẽ là:

1000 0100 0010 1001 1100 0110 1011 0101 1010 1101 1110 1111 0111 00110001 1000

Trạng thái cuối 1000 trùng với trạng thái ban đầu, tức là thanh ghi lặp lại sau 15xung nhịp Khi đó đầu ra bộ ghi dịch là: 000100110101111.

Ta có thể chứng minh đây là một dãy mã giả tạp âm bằng cách kiểm tra 3 tínhchất ngẫu nhiên của Bernoulli như sau:

Tính cân đối:

Số chữ số 0: N0 = 7.Số chữ số 1: N1 = 8.

N1 - N0 = 1 , tức là thoả mãn tính cân đối.Tính chạy:

Số bước chạy có độ dài là 1: R1 = 4.Số bước chạy có độ dài là 2: R2 = 2.Số bước chạy có độ dài là 3: R3 = 1.

Số bước chạy có độ dài là 4: R4 = 1 Tức là thoả mãn tính chạy.Ta có bảng sau:

Dịch Dãy m Cùng (A) Khác (D) A - D0

Như vậy số số hạng phù hợp và số số hạng không phù hợp trênh lệch nhau là 1,tức là thỏa mãn tính tương quan. > dãy mã 000100110101111 được tạo ra từ bộghi dịch trên chính là dãy mã giả tạp âm.

Hình 2 21 Hàm tự tương quan của một dãy Gold.

Dãy Gold là kết quả cộng module 2 đối với hai dãy m được định thời bằng cùngtốc độ chip fc Trong việc thiết kế mạch tạo dãy Gold cho CDMA, điều quantrọng nhất là chọn đúng cặp dãy một (cặp phù hợp có ba giá trị hàm tương quan

 như trên hình 8 ).

Sơ đồ mạch tạo mã Gold đơn giản, và tạo ra được số lượng lớn dãy Gold cungcấp cho các MS trong mạng CDMA Như hình vẽ sau:

N lẻN chẵn

h(x) = x9+x4+1

Hình 2 22 Mạch tạo dãy Gold (trường hợp 511 chip)

2.3.5 Hàm tự tương quan giả tạp âm:

Từ phần trước ta đã đề cập đến hàm tự tương quan giả tạp âm, ở phần này tanghiên cứu một cách chi tiết hơn.

Hàm tự tương quan Rx( ) của tín hiệu ngẫu nhiên tuần hoàn x( ) với chu kỳT0 = PTc , trong đó P là chu kỳ lặp của dãy mã, Tc là thời gian tồn tại của mộtchip, tính theo công thức:

Rx( ) =

nq()*( m(21)T )1

Trong đó dấu * chỉ phép tích chập.q( ) = 

cc

Đồ thị hàm tự tương quan Rx( ) như hình vẽ sau:với

Rx()