Tìm hiểu kỹ thuật trải phổ cdma trong thông tin di động

Tài liệu tham khảo chuyên ngành viễn thông Tìm hiểu kỹ thuật trải phổ cdma trong thông tin di động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Ngành: Điện tử - Viễn thông

Cán bộ hướng dẫn: ThS Nguyễn Văn Cương

HÀ NỘI - 2005

Lương Thị Thuận 1 Trường Đại học Công Nghệ

TÓM TẮT NỘI DUNG

Công nghệ CDMA đã được tìm hiểu từ những năm 90 đến nay, đã trở nên phổ biến và là nền tảng để phát triển các thế hệ thông tin di động thế hệ 3G Nó đã trở thành mục tiêu hướng tới của lĩnh vực thông tin di động trên toàn thế giới Công nghệ CDMA là nội dung chính của bản khoá luận này

Trong khoá luận này, em trình bày tổng quan về mạng thông thông tin di động bao gồm: những nét đặc thù, lịch sử và xu hướng phát triển của thông tin di động, khái quát về 3 phương pháp đa truy nhập là: FDMA, TDMA, CDMA Các kỹ thuật trải phổ cụ thể, như: kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp, nhảy tần, nhảy thời gian và các hệ thống lai Các kỹ thuật khác trong trải phổ như: dãy mã giả ngẫu nhiên và vấn đề đồng bộ các tín hiệu này các đặc tính CDMA khi ứng dụng vào trong hệ thống thông tin di động Trong phần tìm hiểu về mạng di động CDMA 2000 1x, trình bày về cấu hình, xử lý cuộc gọi, quy trình thiết lập cuộc gọi và một số dịch vụ bổ sung chưa có trong mạng GSM.Cuối cùng là phần giới thiệu về một mạng thông tin di động cụ thể sử dụng kỹ thuật CDMA, mạng S-Fone

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm vừa qua, nhu cầu trao đổi thông tin ngày một cao nó không chỉ nằm trong giới hạn của một quốc gia, mà là trên phạm vi thế giới Sự phát triển rất nhanh của công nghệ điện tử, tin học, công nghệ viễn thông cung cấp ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn, chất lượng cao đáp ứng ngày càng tốt các yêu cầu của khách hàng

Hiện nay, mạng thông tin di động ở Việt Nam đang sử dụng công nghệ GSM là chủ yếu Tuy nhiên, trong tương lai mạng thông tin di động này sẽ không đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di động Bởi vì, nhu cầu thông tin di động không chỉ là thoại mà còn là truyền dữ liệu, hình ảnh, âm thanh với tốc độ cao, các yêu cầu về chất lượng, bảo mật cũng được đặt ra Điều này đã thúc đẩy các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động phải tìm kiếm một phương thức thông tin mới Và công nghệ CDMA đã trở thành mục tiêu hướng tới của lĩnh vực thông tin di động trên toàn thế giới

Công nghệ CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ đã đạt được hiệu quả sử dụng dải thông lớn hơn so với các công nghệ tương tự hoặc số khác do đó số lượng thuê bao đa truy nhập lớn hơn nhiều Nhờ dãn rộng phổ tín hiệu mà có thể chống lại được các tác động gây nhiễu và bảo mật tín hiệu Các mạng thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA có thể đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di động trong tương lai Do đó, việc nghiên cứu và triển khai mạng thông tin di động CDMA là một điều tất yếu Xuất phát từ những suy nghĩ như vậy nên em đã chọn đề tài: “ Tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ CDMA trong thông tin di động”

Nội dung của đề tài này là: Tìm hiểu về các kỹ thuật trải phổ, các đặc tính của công nghệ CDMA khi ứng dụng vào mạng thông tin di động, mạng thông tin di động 2000 1x, tìm hiểu về mạng S-Fone – là mạng di động CDMA duy nhất ở nước ta hiện nay

Đề tài bao gồm 4 chương :

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động

Chương 2: Kỹ thuật trải phổ CDMA trong thông tin di động Chương 3: Mạng thông tin di động 2000 1x

Chương 3: Tìm hiểu về mạng điện thoại di động S-Fone

Lương Thị Thuận 3 Trường Đại học Công Nghệ

thời gian hạn chế, trình độ và kinh nghiệm còn có hạn nên nội dung của luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự phê bình, hướng dẫn và sựgiúp đỡ của thầy, cô và các bạn

Để có thể hoàn thành luận văn này, trước tiên em muốn gởi đến thầy Nguyễn

Văn Cương lời cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy trong suốt

thời gian qua Em xin được gởi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc về sự giúp đỡ trong suốt thời gian em học tập tại trường.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Những đặc thù của thông tin di động

Nói đến thông tin di động là nói đến việc liên lạc thông qua sóng điện từ (vì vừa như vậy mới liên lạc vừa di chuyển được, và cho tới ngày nay loài người chưa phát hiện ra môi tường thông tin đặc biệt nào khác ưu việt hơn sóng điện từ)

Mỗi một cuộc liên lạc giữa hai người cần một đường truyền độc lập (gọi là kênh truyền vô tuyến ), mỗi kênh giả sử chỉ có dải thông 3KHz ( tức là 3.103 Hz ứng với dải thông tiếng nói, trên thực tế phải cần nhiều hơn thế nữa) thì dải tần số vô tuyến từ 0 – 3 GHz ( 3.109) chỉ cho phép truyền 3.109 3.103 = 106 tức là một triệu cuộc liên lạc một lúc Vậy thì làm thế nào để hàng trục triệu người có thể cùng sử dụng máy di động cùng một lúc đấy là chưa kể dải tần số vô tuyến còn phải dành cho rất nhiều công việc khác (như quốc phòng , hàng không, nghiên cứu khoa học….), dải tần số dành cho thông tin di động chỉ là phần nhỏ

Giải pháp duy nhất để giải quyết vấn đề nhiều người dùng độc lập trên một dải tần số vô tuyến hạn chế là sử dụng lại tần số miễn hai cuộc liên lạc phải đủ xa nhau về khoảng cách vật lý để sóng truyền đến nhau nhỏ hơn sóng truyền của hai người trong cuộc, để không gây nhiễu cho nhau Do vậy một địa bàn có dịch vụ thông tin di động phải được chia thành các phần nhỏ, gọi là tế bào, hai cuộc liên lạc ở hai tế bào dù ở xa nhau có thể sử dụng cùng một dải tần số sóng điện từ thông qua việc quản lý của một trạm trung tâm tế bào Về lý thuyết, nếu kích cỡ của tế bào là rất nhỏ, công suất thu phát liên lạc được khống chế trong đó( để không làm “phiền” đến tế bào khác) thì có thể phục vụ được vô số cuộc gọi di động cùng một lúc mà chỉ cần một dải tần sóng vô tuyến hạn chế Phương pháp này gọi là phương pháp sử dụng lại tần số Điều này kéo theo một loạt hệ quả tất yếu khác như:

• Chống nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh lân cận • Kỹ thuật chuyển giao

• Quản lý kênh truyền (khi có yêu cầu sử dụng hoặc giải phóng kênh) • Đăng ký vị trí (mới biết người liên lạc ở tế bào nào để tìm gọi) …

Lương Thị Thuận 5 Trường Đại học Công Nghệ

thiết bị cầm tay đồng thời lại tiết kiệm năng lượng (để phục vụ cuộc liên lạc được lâu) Những yêu cầu này luôn đòi hỏi rất cao về công nghệ điện tử và các kỹ thuật xử lý tín hiệu mà những tiến bộ cách đây 20 năm không thể đáp ứng nổi Chính vì vậy phải đợi đến khi những tiến bộ của công nghệ điện tử vào cuối thập kỷ 80 của thế kỷ 20 thông tin di động mới thâm nhập vào đời sống xã hội rộng rãi bằng những sản phẩm thương mại hấp dẫn Sau đó phát triển với tốc độ nhảy vọt trong thập kỷ tiếp theo khi đưa ra nhiều dịch vụ đa năng với chất lượng dịch vụ ngày càng cao

Tóm lại, đặc thù cơ bản của thông tin di động là mâu thuẫn giữa số lượng người dùng đông đảo và dải tần hạn chế, dẫn đến vùng dịch vụ được chia thành các tế bào kèm theo tất cả các kỹ thuật hệ thống khi xây dựng hệ thống tế bào này Điều này làm cho hệ thống thông tin di động khác rất nhiều so với hệ thông tin cố định ( hữu tuyến hoặc vô tuyến) [5]

1.2 Lịch sử phát triển của thông tin di động

Để có bức tranh toàn cảnh, ngắn gọn về thông tin di động ta điểm lại những mốc phát triển quan trọng trong lịch sử Có thể chọn lịch sử phát triển thông tin di động của nước Mỹ làm điển hình:

Năm 1946: Dịch vụ điện thoại di động công cộng lần đầu tiên được giới thiệu ở 25 thành phố của Mỹ Mỗi hệ thống dùng bộ ăng ten công suất lớn đặt cao phủ sóng toàn thành phố (bán kính 50km), kỹ thuật FM, truyền bán song công (Pust-to talk), ở băng tần 150MHz, độ rộng kênh truyền là 120kHz Đây chưa phải hệ thống tế bào, tần số chưa được dùng lặp lại nên số người được phục vụ rất ít

Năm 1950: Độ rộng kênh thu hẹp lại còn 60kHz, dẫn đến số kênh sử dụng tăng gấp đôi

Năm 1960: Độ rộng kênh chỉ còn 30kHz, hiệu suất phổ tần tăng gấp 4 lần Năm 1950-> 1960: Xuất hiện tổng đài tự động, dịch vụ IMTS (song công, tự động quay số, tự động chọn kênh ) Tuy nhiên nhanh chóng bị bão hoà bởi nhu cầu người sử dụng do dịch vụ chất lượng kém và hay bị bận Dịch vụ IMTS hiện vẫn còn ở Mỹ, song hiệu suất sử dụng phổ kém so với điện thoại tế bào hiện nay

Cũng trong thời gian này, lý thuyết mạng tế bào ra đời (AT&T đưo ra dự án điện thoại năm 1968) Tuy nhiên công nghệ điện tử lúc đó chưa đáp ứng được

Năm 1983: Ra đời hệ thống thông tin di động tiên tiến AMPS ( Advanced Mobile Phone System ) Đánh dấu sự ra đời điện thoại tế bào thế hệ 1 Ủy ban viễn thông liên bang Mỹ (FCC) đã phân cho dịch vụ này 1 dải tần 40MHz trên khoảng tần số 800MHz (ứng với 660 kênh song công rộng 2x30kHz= 60kHz) Phổ tần này được phân đều cho 2 nhà cung cấp để tạo sự cạnh tranh

Năm 1989: Trước yêu cầu tăng trưởng mạnh mẽ số người sử dụng FCC phân thêm cho dịch vụ này 10MHz phổ nữa (ứng với 166 kênh song công) Hệ thống điện thoại tế bào này hoạt động trong môi trường han chế giao thoa, sử dụng lại tần số, kĩ thuật đa truy cập theo tần số (FDMA)

Năm 1991: Ra đời hệ thống tế bào số (USDC) theo chuẩn IS-54 trên cơ sở hạ tầng AMPS Hỗ trợ 3 người sử dụng trên 1 kênh 30kHz, kĩ thuật điều chế (π/4 DQPSK) Khi kĩ thuật nén tiếng nói và xử lý tín hiệu phát triển có thể tăng dung lượng lên 6 lần (kết hợp với kĩ thuật đa truy cập theo thời gian TDMA và tồn tại song song với AMPS trên cùng cơ sở hạ tầng) Đây là thời điểm đánh dấu sự ra đời của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (ở Châu Âu là hệ GSM)

Cũng trong năm 1991, hệ thống dựa trên kĩ thuật trải phổ phát triển bởi công ty QUALCOM theo chuẩn IS-95 hỗ trợ nhiều người sử dụng trên một dải tần 1.25MHz, sử dụng kĩ thuật đa truy cập phân chia theo mã CDMA Có nhiều ưu điểm hơn AMPS về dung lượng, yêu cầu về tỉ số SNR thấp hơn, về giá thành có tính cạnh tranh cao

Vấn đề tích hợp nhiều mạng khác nhau trong một cơ sở hạ tầng cũng được đặt ra từ những năm 90

Từ năm 1995: Chính phủ mỹ đã cấp giấy phép trên dải tần 1800->2100MHz, hứa hẹn sự phát triển mới cho các dịch vụ thông tin cá nhân (PCS)

Năm 2000: Tổ chức viễn thông quốc tế (ITU) đã tiến hành tiêu chuẩn hoá cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000_hệ thống thông tin di động thứ 3 [5]

1.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất Khái niệm về cellular bắt đầu từ cuối những năm 40 tại phòng thí nghiệm Bell

của AT&T Nhưng đến đầu những năm 70 AT&T mới đưa ra dự án điện thoại tế bào Và cho đến năm 1983, ra đời dịch vụ AMPS do AT&T và MOTOLAR của Mỹ Đánh dấu sự ra đời hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất Với kỹ thuật tương tự, phương pháp điều tần FM để điều chế tiếng nói trên băng tần 800MHz với độ rộng phổ là 40MHz Để sử dụng hiệu quả hơn nguồn tần số có giới hạn thì toàn bộ vùng

Lương Thị Thuận 7 Trường Đại học Công Nghệ

dịch vụ cung cấp một tần số nhất định và có một anten trung tâm, với công suất phát phù hợp để quản lý các di động trong tế bào mà không gây nhiễu sang các tế bao khác Khi các cell ở cách nhau đủ xa thì có thể sử dụng lại tần số

Hình 1 Lặp lại nhóm tế bào trong vùng dịch vụ

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất đã bao gồm hàng loạt các hệ thống ở các nước khác nhau như: NMT phát triển ở Châu Âu, NTT ở Nhật, TACS ở Anh… Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ truy cập FDMA có sơ đồ khái quát như sau:

PSTN

Hình 2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất

1.2.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai

Ra đời vào đầu những năm 1990: Chuẩn GSM của Châu Âu và IS-54 (tồn tại song song với AMPS) của Mỹ và ngay sau đó là chuẩn IS-95 cho phương pháp đa truy nhập CDMA Hệ thống thông tin di động thế hệ hai dựa trên kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA và kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã CDMA, truyền dẫn song công theo tần số TDD, điều chế QPSK, FSK…

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai theo chuẩn IS-95 được phát triển ở Mỹ Hệ thống này sử dụng lại băng tần 824MHz - 849MHz cho tuyến lên và 869MHz – 894MHz cho tuyến xuống, dùng 20 kênh có độ rộng mỗi kênh là 1,25MHz

Hệ thống thông tin di động GSM ra đời và sử dụng rộng rãi ở Châu Âu, băng tần sử dụng gồm hai dải tần: 890MHz – 915MHz cho tuyến lên và 935MHz –

Lương Thị Thuận 9 Trường Đại học Công Nghệ

200KHz (gọi là kênh tần số vô tuyến tuyệt đối ARFCN hay kênh vật lý) Mỗi kênh vật lý chia thành 8 khe thời gian (Time Slot) ứng với 8 kênh dịch vụ Về lý thuyết số kênh vật lý trên dải tần 25MHz là 25000/200=125 kênh Tổng số kênh lưu lượng là 125x8=1000 kênh, nghĩa là phục vụ đồng thời 1000 thuê bao mà chưa sử dụng lại tần số

Dưới đây là sơ đồ khối của hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM( Global System for Mobile communication)

Chú thích:

Truyền dẫn tin tức Kết nối cuộc gọi và

truyền dẫn tin tức

NSSISDN

PSPDN CSPDN PSTN PLMN

EIR HLR

Hình 3 Mô hình cấu trúc mạng thông tin di động GSM

AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

EIR Equipment Identify Register Thanh ghi nhận dạng thiết bị MSC Mobile Service Switching Center Trung tâm chuyển mạch các

nghiệp vụ di động

BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc BSC Base Station Controller Đài điều khiển trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

OSS Operation & Support System Hệ thống khai thác và hỗ trợ NSS Network Switching System Hệ thống chuyển mạch mạng ISDN Integrated Service Digital

Ưu điểm của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai :

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ra đời nhằm giải quyết những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất Do sử dụng kĩ thuật số mà có những ưu điểm sau:

Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn Mã hoá tín hiệu thoại với tốc độ bít càng thấp cho phép ghép nhiều kênh vào dòng bít tốc độ chuẩn

Áp dụng kỹ thuật mã hoá kênh và mã hoá nguồn của kỹ thuật truyền dẫn số Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI (Common Channel Interference) và chống nhiễu kênh kề ACI (Adjacent Channel Interference) hiệu quả hơn sẽ làm tăng dung lượng hệ thống

Lương Thị Thuận 11 Trường Đại học Công Nghệ

tần số hiệu quả hơn

Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu dễ dàng xử lý băng phương pháp số

Có nhiều dịch vụ mới nhận thực hơn (kết nối với ISDN)

Tiêu chuẩn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai là không thống nhất Do Mỹ và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng, mặc dù cả hai hệ thống này đều có thể coi như là sự tổ hợp của FDMA và TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần Do đó việc chuyển giao toàn cầu chưa thực hiện được

1.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

Ra đời vào những năm cuối của thập niên 90 nhằm đáp ứng nhu cầu thông tin di động gia tăng Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập: đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA một sóng mang và đa sóng mang DECT, CDMA đa sóng mang(CDMA2000 hay IS2000), CDMA băng rộng theo thời gian (WCDMA-TDD) và theo tần số (WCDMA- FDD) Nó có dải thông khá rộng là 1885MHz-2025MHz và 2110MHz – 2200MHz trên toàn thế giới theo tiêu chuẩn IMT-2000 So với hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất và thứ hai thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là hệ thống đa dịch vụ và đa phương tiện được phủ sóng khắp toàn cầu Nó có thể chuyển mạng, hoạt động mọi nơi, mọi lúc Nó có thể thực hiện các dịch vụ thông tin dữ liệu tốc độ cao và thông tin đa phương tiện băng rộng như: hộp thư thoại, truyền Fax, truyền dữ liệu, Wap(Wiless Applycation Protocal) là giao thức ứng dụng không dây cho phép truy cập vào mang Internet đọc tin tức, tra cứu thông tin, hình ảnh…Do đặc điểm băng tần rộng nên nó còn có thể cung cấp các dịch vụ truyền hình ảnh, âm thanh, các dich vụ điện thoại thấy hình…Hệ thống này ngày càng phát triển khắp toàn cầu với những mục tiêu cơ bản sau:

Lương Thị Thuận 13 Trường Đại học Công Nghệ

• Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu

• Có khả năng truyền tải đa phương tiện

• Tăng dịch vụ chuyển mạch gói: Hệ thống thông tin di động thế hệ hai chỉ có phương thức chuyển mạch gói, hiệu suất kênh tương đối thấp Trong khi hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba tồn tại đồng thời cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói

• Tăng phương thức truyền tải không đối xứng Do các dịch vụ số liệu mới WWW (Word Wide Web) có đặc tính không đối xứng: truyền tải đường lên thường chỉ cỡ vài Kbit/s, còn đường xuống cỡ vài trăm Kbit/s Trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai thì chỉ hỗ trợ truyền tải đối xứng • Tăng cường dịch vụ số liệu WWW và khả năng truyền số liệu

• Chất lượng thoại tương đương với chất lượng thoại hữu tuyến • Hiệu suất phổ tần cao hơn

IS-95 (1900)IS-136 TDMA (800)

IS-95CDMA (800)

2000 MX

2,5G2G

SMR

3G 1G

Hình 4 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động từ thế hệ 1 đến 3

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ra đời đã khắc phục được nhiều nhược điểm của thế hệ một Song với sự phát triển mạnh mẽ của xã hội và nhu cầu tăng vọt của khách hàng sử dụng mạng di động, cùng những đòi hỏi về chất lượng làm cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai không đáp ứng nổi Những nhu cầu này chính là động lực để phát triển hệ thống thông tin di động tốc độ cao nhằm phát triển truyền thông đa phương tiện và đa dịch vụ Do vậy thế hệ 2,5 dã ra đời và trở thành kỹ thuật trung gian quá độ sang hệ thống thông tin thế hệ thứ ba

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

Để làm tăng dung lượng của dải vô tuyến dùng trong hệ thống thông tin di động người ta sử dụng các kỹ thuật ghép kênh Trong mỗi hệ thống ghép kênh đều sử dụng khái niệm đa truy cập, điều này có nghĩa là các kênh vô tuyến được nhiêù thuê bao dùng chung tài nguyên tần số hoặc khe thời gian hoặc cả hai Có ba hình thức đa truy nhập cơ bản là:

Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

1.3.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

Trong hệ thống thông tin di động sử dụng kỹ thuật FDMA toàn bộ dải thông của băng tần được chia thành 2N dải con, mỗi dải con gọi là một kênh vô tuyến Như vậy sẽ có N kênh kế tiếp dành cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N kênh kế tiếp dành cho liên lạc hướng xuống Mỗi thuê bao sẽ được cấp phát một cặp kênh trong suốt quá trình liên lạc.Với kiểu truy nhập này các kênh sẽ phát đi liên tục đồng thời một số sóng mang Do vậy nhất thiết phải cung cấp các khoảng bảo vệ giữa mỗi dải mà một sóng mang chiếm, để tính đến sự không hoàn hảo của các bộ tạo dao động và các bộ lọc Kỹ thuật FDMA có khả năng sử dụng được với cả hệ thống truyền dẫn số và truyền dẫn tương tự Kỹ thuật này có ưu điểm nổi bật là đơn giản và không cần đồng bộ giữa bên thu và bên phát Tuy nhiên, nó có một số nhược điểm: Thiếu linh hoạt trong trường hợp tái cấu hình, tổn thất dung lượng khi số các truy nhập tăng lên do phát sinh các sản phẩm xuyên điều chế giữa các sóng mang, cần phải điều khiển công suất phát của các trạm …Hệ thống FDMA điển hình là AMPS, sử dụng điều chế FM cho truyền dẫn tương tự

1.3.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Trong hệ thống TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời gian Năng lượng của tín hiệu được hạn chế ở một trong các khe thời gian Nhiễu của các kênh kề nhau được giới hạn bởi việc sử dụng khoảng thời gian giữa các kênh Từng cuộc đàm thoại được biến đổi thành tín hiệu số, sau đó được gán cho một trong các khe thời gian này Số lượng các khe thời gian trong một kênh vô tuyến có thể thay đổi tuỳ thuộc vào cách thiết kế hệ thống Có ít nhất là hai khe thời gian cho một kênh, và thường thì nhiều hơn Điều đó có nghĩa là TDMA có khả năng phục vụ số lượng khách hàng nhiều hơn vài lần so với kỹ thuật FDMA với cùng một dải thông như vậy

TDMA là một hệ thống phức tạp hơn FDMA, bởi vì tiếng nói phải được số hoá hoặc mã hoá, sau đó được lưu trữ vào một bộ nhớ đệm để gán cho một khe thời gian trống và khi đó mới phát đi Do đó việc truyền dẫn tín hiệu là không liên tục và tốc độ truyền dẫn phải lớn hơn vài lần tốc độ mã hoá Ngoài ra, do có nhiều thông tin hơn chứa trong cùng một dải thông nên thiết bị TDMA được sử dụng có kỹ thuật phức tạp hơn để cân bằng tín hiệu thu nhằm duy trì chất lượng tín hiệu

Trong hệ thống thông tin TDMA thì một sóng mang được sử dụng cho nhiều người và trục thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều người sử dụng do đó không có sự chồng chéo nhau Thông tin sẽ được truyền dẫn dưới dạng cụm (burst) trong các khe thời gian

Kỹ thuật TDMA đã khắc phục được các nhược điểm của kỹ thuật FDMA như: • Không có các sản phẩm xuyên điều chế do tại một thời điểm chỉ

khuyếch đại một sóng mang duy nhất

• Hiệu suất truyền cao dù số lượng truy nhập là rất lớn • Không cần phải khống chế công suất phát của các trạm

• Đơn giản hoá việc điều hưởng do phát và thu trên cùng một tần số • Việc xử lý tín hiệu số dẫn đến sự đơn giản hoá trong vận hành Tuy nhiên, TDMA cũng có những nhược điểm nhất định:

dụng hệ thống thông tin TDMA

Người sử dụng 1 Người sử dụng 2 Người sử dụng 3 Khe thời

gian 1

Khe thời gian 2

Khe thời gian 3

Khe thời gian 4

Khe thời gian 5

Khe thời gian 6

1 khung = 972 ký hiệu (1994 bit) = 40ms

Người sử dụng 1

Khe thời gian 0

Người sử dụng 2

Khe thời gian 1

Người sử dụng 3

Khe thời gian 2

Người sử dụng 1

Khe thời gian 3

Người sử dụng 2

Khe thời gian 4

Người sử dụng 3

Khe thời gian 5

3 thuê bao số với tốc độ cao nhất trên một kênh

Lương Thị Thuận 17 Trường Đại học Công Nghệ

1 khung =972 ký hiệu (1994 bit)

Người sử dụng 1

Khe thời gian 0

Người sử dụng 2

Khe thời gian 1

Người sử dụng 3

Khe thời gian 2

Người sử dụng 4

Khe thời gian 3

Người sử dụng 5

Khe thời gian 4

Người sử dụng 6

Khe thời gian 5 = 40ms

6 thuê bao với một nửa tốc độ trên một kênh

Hình 6 Cấu trúc khung TDMA

Dạng khe thời gian của hệ thống TMDA được mô tả như sau:

6 G

16 R

16 DAT

28

TRAININ

122 DATA

12 SACC

12 CDV

122 DATA 324 bit

Hình 7 (a) Dạng khe thời gian máy di động đến trạm gốc

28 TRAININ

12 SACCH

130 DATA

12 CDVCC

130 DATA

12 RESERVERR

000 00 324 bit

Hình 7(b) Dạng khe thời gian từ trạm gốc đến máy di động

Trong đó: G (Guard): là thời gian bảo vệ R là thời gian ramp

SACCH là kênh điều khiển liên kết chậm CDVCC là mã xác định mẫu số đã mã

Hệ thống TMDA Châu Âu :

Đây là hệ thống GMS, một hệ thống thông tin số sử dụng hệ thống TDMA và sử dụng băng tần (890 - 915) MHz để truyền dẫn tín hiệu từ máy di động đến BS và băng tần (935 - 960) MHz để truyền dẫn tín hiệu từ BS đến máy di động

Cấu trúc khung hệ thống TDMA như sau: 1 siêu siêu khung = 2048 siêu khung

1 khung TDMA = 8 khe thời gian (4.615 ms)

1.3.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960 Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã được thương mại hoá từ những phương pháp thu GPS và Ommi – TRACS Phương pháp này cũng được đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qualcomm – Mỹ vào những năm 1990

Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA hoạt động theo nguyên lý trải phổ Nó không tìm cách phân bố các tiềm năng tần số và thời gian rời rạc cho mỗi thuê bao Ngược lại, giải pháp này cung cấp tất cả các tiềm năng đồng thời cho mọi thuê bao, khống chế mức công suất phát từ mỗi thuê bao ở mức tối thiểu đủ để duy trì một tỷ số tín hiệu/tạp âm theo mức chất lượng yêu cầu Mỗi thuê bao sử dụng một tín hiệu băng rộng như tạp âm chiếm toàn bộ dải tần phân bố Theo cách như vậy mỗi thuê bao tham gia vào tạp âm nền tác động tới tất cả các thuê bao khác, nhưng ở phạm vi ít nhất có thể Can nhiễu bổ xung này làm hạn chế dung lượng, nhưng vì phân bố tiềm năng thời gian và dải thông không bị hạn chế cho nên dung lượng cũng lớn hơn đáng kể so với các hệ thống TDMA và FDMA

Trong hệ thống thông tin CDMA nhiều thuê bao có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi (phát liên tục) Những thuê bao này được phân biệt do mỗi thuê bao dùng một dãy mã giả ngẫu nhiên riêng không trùng với bất kỳ một thuê bao nào khác

Tại đầu phát, tín hiệu mang thông tin được trải phổ bằng cách nhân với mã giả ngẫu nhiên PN ( Pseudo Noise) và cho qua bộ lọc có băng thông bằng độ rộng kênh Mã giả ngẫu nhiên bao gồm các chuỗi bít được tạo ra từ biến số ngẫu nhiên duy nhất là điểm khởi đầu của chuỗi Nó có tốc độ lớn hơn rất nhiều so với tốc độ tin Tập hợp các mã cần dùng phải có các thuộc tính tương quan sau đây:

Mỗi mã phải có thể phân biệt được một cách dễ dàng với một bản sao của chính nó bị dịch chuyển theo thời gian

Lương Thị Thuận 19 Trường Đại học Công Nghệ

1.4 Xu thế phát triển của thông tin di động

Hiện nay thông tin di dộng vẫn đang trong giai đoạn phát triển như vũ bão, đáp ứng nhu cầu không ngừng tăng của khách hàng cả về số lượng, chất lượng và loại hình dịch vụ Về cơ bản có thể chia thành các hướng phát triển như sau:

Phát triển theo chuẩn IMT-2000, được quyết địng bởi ITU, nhằm thống nhất các hệ thống di động đa năng thế hệ thứ ba ở các khu vực trên thế giới

Xu hướng phát triển mạng vô tuyến trong nhà dùng cho các trụ sở, công ty lớn (trên tần số cao 18GHz)

Từ những năm 1990 đã có những nghiên cứu rộng lớn trên thế giới nhằm phát triển hệ thống vô tuyến cá nhân: Kết hợp sự thông minh của mạng PSTN, xử lý tín hiệu số hiện đại và công nghệ RF Các kỹ thuật chung cho điều chế, đa truy cập và kỹ thuật mạng cũng được lựa chọn nhằm đem dich vụ đến tận cá nhân người sử dụng như PCS (Person Communication Servise) (ví dụ cụ thể như mạng Cityphone) PCN (Person Communication Network ) là khái niệm mạng mà người dùng có thể thu và tiến hành cuộc gọi ở bất cứ đâu dùng thiết bị cá nhân nhỏ nhẹ

Phát triển viễn thông kết hợp vệ tinh: Cùng với sự phát triển của công nghệ vũ trụ , hệ thông tin vệ tinh phối hợp với hệ di động mặt đất tạo nên hệ viễn thông kết nối toàn cầu thích hợp cho mọi địa hình và mọi loại hình

Hiện nay các quốc gia phát triển sau có cơ hội đi nhanh vào các kỹ thuật tiên tiến nhất và lựa chọn các mô hình thích hợp với phát triển của tương lai [5]

Lương Thị Thuận 21 Trường Đại học Công Nghệ

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ CDMA TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

2.1 Nguyên lý trải phổ

2.1.1 Nguyên lý chung

Nguyên lý trải phổ là cung cấp tất cả các tiềm năng tần số và thời gian đồng thời cho mọi thuê bao, khống chế mức công suất phát từ mỗi thuê bao đủ để duy trì một tỷ số tín hiệu/tạp âm theo mức chất lượng yêu cầu Mỗi thuê bao sử dụng một tín hiệu băng rộng như tạp âm chiếm toàn bộ dải tần phân bố Theo cách đó mỗi thuê bao tham gia vào tạp âm nền tác động tới tất cả các thuê bao khác, nhưng ở phạm vi ít nhất có thể bằng cách khống chế công suất phát Như vậy một hệ thống được coi là trải phổ nếu:

Tín hiệu trải phổ (tín hiệu phát) phải có độ rộng phổ lớn hơn nhiều lần độ rộng phổ của thông tin gốc cần truyền

Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với dữ liệu gốc Sơ đồ nguyên lý trải phổ như sau:

RF Băng tần gốc

Sóng mang tạp

âm băng rộng Sóng mang hình sin

Sóng mang hình sin

Băng tần gốcBộ lọc

RF

Bộ giải điều chế

Dạng sóng digital

Sóng mang tạp âm băng rộng

+ Đồng nhất và đồng bộ theo thời gian Dạng sóng

digital (R bit/s)

Hình 9 Nguyên lý trải phổ

Có 3 kỹ thuật trải phổ cơ bản:

• Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS – Direct Sequence Spread Spectrum) • Trải phổ nhảy tần (FH/SS – Frequence Hopping Spread Spectrum) • Trải phổ dịch thời gian (TH/SS – Time Hopping Spread Spectrum)

2.1.2 Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA)

Hệ thống DS/SS được trải phổ bằng cách cộng module 2 dữ liệu gốc với mã giả ngẫu nhiên Tín hiệu sau khi trộn sẽ điều chế một sóng mang theo BPSK, QPSK… Máy thu dùng mã giả ngẫu nhiên được tạo ra giống như bên phát cộng module 2 với tín hiệu thu được, thực hiện giải trải phổ để lấy tín hiệu mong muốn Đây là hệ thống được biết đến nhiều nhất trong các hệ thống thông tin trải phổ Là hệ thống tương đối đơn giản vì nó không yêu cầu tốc độ tổng hợp tần số cao

b(t)p(t) p(t)

Bộ tạo mã PN b(t)

Bộ tạo sóng mang Acos(2πfct + θ(t))

Hình 10 Quá trình trải phổ DS/SS - BPSK

Bản tin nhị phân cần phát có tốc độ bit Rb = 1/Tb được mã hoá theo NZR sao cho b(t)= ±1 Ta có thể biểu diễn b(t) như sau:

b(t) = ∑b∞

∏T(t-kT)

Trong đó, bk = ±1 là bit số liệu thứ k và T là độ rộng xung của một bit số liệu Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng cách nhân với tín hiệu p(t), p(t) = ±1 là tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ Rc= 1/Tc lớn hơn nhiều lần so với Rb Phần tử nhị phân của chuỗi p(t) được gọi là một chip để phân biệt nó với phần tử nhị phân (bit) của bản tin Tín hiệu b(t)p(t) nhận được sẽ được điều chế một sóng mang theo phương pháp điều chế BPSK Tín hiệu phát DS/SS – BPSK là:

s(t) = Ab(t)p(t) cos(2πfct + θ(t)) Trong đó: A là biên độ sóng mang fc là tần số sóng mang

θ(t) là pha của sóng mang được điều chế

Tín hiệu b(t)p(t) có tốc độ bằng tốc độ chip, nghĩa là T = NTc Dạng sóng của các tín hiệu khi N = 7 như sau:

Sơ đồ khối quá trình giải trải phổ như sau:

Dữ liệu nhị phân

Tín hiệu số liệu thu được Điều chế BPSK

Bộ khôi phục sóng mang Acos(2πfct + θ(t))

Hình 12 Quá trình giải trải phổ DS/SS – BPSK

Tại máy thu, tín hiệu thu được m(t) bao gồm tín hiệu phát bị trễ một khoảng thời gian τ là s(t- τ) và tạp âm trên đường truyền n(t) Do đó tín hiệu thu được là:

Do p(t- τ) = ±1 nên p2(t- τ) =1.Tại đầu ra của bộ nhân sẽ có: x(t) = b(t- τ)p(t- τ)p(t- τ) = b(t- τ)p2(t- τ) = b(t- τ)

Sau đó, tín hiệu này được tích hợp trên một chu kỳ bit để lọc tạp âm Bản tin phát được khôi phục tại đầu ra bộ tích hợp, giống như tín hiệu băng gốc nhưng trễ về mặt thời gian là τ

Thực tế quá trình nén phổ, bên thu sẽ nhận đồng thời tín hiệu s(t) xếp chồng cùng với các tín hiệu sóng mang si(t) (i=1,2 N-1) không mong muốn của (N-1) người dùng khác ở cùng một tần số Do đó tín hiệu thu được sẽ là:

r(t) = s(t) + ∑si( )t

Trong đó ∑si( )t = bi(t).pi(t) cosωc(t) Khi giải trải phổ, đầu ra của tín hiệu nhân là:

x(t) = b(t).p2(t) + ∑bi( ) ( ) ( )t pit p t = b(t) +∑bi( ) ( ) ( )t pit p t

Do đã chọn p(t), pi(t) là các hàm trực giao nên tương quan giữa chúng rất nhỏ Việc nhân ∑bi( ) ( )t pit với p(t) tương đương với việc trải rộng phổ một lần nữa cho bản tin bi(t) đã bị trải phổ trước đây Do đó mật độ phổ của tạp âm ∑bi( ) ( ) ( )t pit p t

sẽ rất thấp Vì vậy công suất của tạp âm giao thoa trong băng tần của tín hiệu b(t) sẽ rất thấp

Như vậy, ứng với mỗi một kênh sẽ có một mã trải phổ tương ứng Tại máy thu, phổ của sóng mang thông tin hữu ích sẽ co hẹp lại còn phổ của các sóng mang không mong muốn bị trải ra sẽ hạn chế công suất can nhiễu Sử dụng các mã trải phổ này như khóa để thực hiện đa truy nhập CDMA, chống nhiễu và bảo mật cuộc gọi cao

Mật độ phổ công

suất

Lương Thị Thuận 25 Trường Đại học Công Nghệ

Điều chế bởi b(t).p(t) Điều chế bởi

2.1.2.2 Kỹ thuật DS/SS – QPSK

Kỹ thuật này cho phép giới hạn băng tần cao khi tốc độ mã cho trước QPSK là phương pháp điều chế tổ hợp hai bit dữ liệu thành một ký hiệu điều chế Do vậy mà phương pháp này làm tăng tốc độ truyền dữ liệu lên hai lần với băng cao tần RF cho trước (hay làm giảm băng RF yêu cầu tới một nửa khi tốc độ mã cho trước) Nhưng độ lợi xử lý giảm đi nhiều tương ứng với tỉ lệ lỗi bit cao hơn

Quá trình trải phổ DS/SS – QPSK

b(t)pQ(t) b(t)pI(t)

SQ(t ) SI(t)

b(t)

Bộ tạo mã PN 1

Bộ tạo mã PN 2

Bộ điều chế(BPSK)Dịch π/2Bộ điều chế

sI(t) = Ab(t)pI(t) cos[2πfct + θ(t)]

sQ(t) = Ab(t)pQ(t) sin[2πfct + θ(t)] Khi đó :

s(t) = Ab(t)pI(t) cos[2πfct + θ(t)] + Ab(t)pQ(t) sin[2πfct + θ(t)] Trong đó:

θ(t) = π/4 nếu sI(t) = 1, sQ(t) = 1 θ(t) = 3π/4 nếu sI(t) = 0, sQ(t) = 1 θ(t) = 5π/4 nếu sI(t) = 0, sQ(t) = 0

θ(t) = 7π/4 nếu sI(t) = 1, sQ(t) = 0

Như vậy, tín hiệu s(t) có thể nhận 4 trạng thái pha khác nhau là: π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4 Nó được tổ hợp từ hai thành phần sóng mang lệch pha nhau π/2 Do đó, nó được trải phổ bằng hai mã giả ngẫu nhiên khác nhau là pI(t) và pQ(t) Tương ứng là hai quá trình trải phổ độc lập với nhau

Quá trình giải trải phổ DS/SS – QPSK

Tín hiệu số liệu thu được s(t - τ)

sóng mang

Dịch π/2

Bộ tạo mã PN 1

Bộ tạo mã PN 2

Tín hiệu tại đầu vào bộ lọc thông dải (BPF) (bỏ qua tập âm):

u(t) = Ab(t- τ) + 2Ab(t- τ)p1(t- τ) p2(t- τ)cos[2πfc ( t- τ) + θ(t- τ)]sin[2πfc (t- τ) + θ(t- τ)]

Tín hiệu tại đầu ra bộ lọc thông dải : x(t) = Ab(t- τ)

Lương Thị Thuận 27 Trường Đại học Công Nghệ

gốc được tín hiệu thu mong muốn

2.1.3 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần (FH - CDMA) 2.1.3.1 Nguyên lý chung

Kỹ thuật trải phổ nhảy tần FH/SS là sự chuyển dịch sóng mang có tần số được chọn theo mã trong một tập hợp các tần số Độ rộng toàn bộ băng tần được chia nhỏ thành các khe tần số không lấn lên nhau Chuỗi mã PN sẽ xác định khe tần số nào được dùng để truyền tin trong một khoảng thời gian nhất định

Khác với trải phổ chuỗi trực tiếp, ở trải phổ nhảy tần mã trải phổ không trực tiếp điều chế tín hiệu mà được dùng để điều khiển bộ tổ hợp tần số tạo ra các tần số khác nhau

Tốc độ nhảy tần có thể nhanh hơn hay chậm hơn tốc độ số liệu Tương ứng có hai trường hợp là: nhảy tần nhanh và nhảy tần chậm

Sơ đồ khối của máy thu và máy phát của hệ thống nhảy tần như sau:

Dữ liệu

nhị phân vào

Dữ liệu

ra Kênh

truyềnBộ điều

chế Bộ tổ hợp tần số

Bộ tạo mã PN Bộ tổ hợp

tần số

Bộ giải điều chế

Bộ khôi phục định thời

Đồng bộ mã Bộ tạo

mã PN

Hình 16 Sơ đồ khối của hệ thống trải phổ FH

Bản tin nhị phân b(t) cần phát có tốc độ Rb= 1/Tb , được mã hoá NZR Sau đó được điều chế một sóng mang mà tần số của nó fc(t) được điều khiển bởi một bộ tạo mã Bộ tổng hợp tần số sẽ tạo ra các chip có tốc độ bit Rc Do đó, tần số sóng mang

được xác định theo một tập hợp của log2N chip ( N là số lượng các tần số sóng mang có thể có) Mỗi lần nó thay đổi là mã đã tạo ra log2N chip liên tiếp Như vậy, tần số sóng thay đổi theo các bước Bước của tần số là RH=Rc/log2N

Tại máy thu, sóng mang được nhân với một sóng mang chưa điều chế được tạo ra giống hệt bên phát Sóng mang này được tạo ra nhờ bộ tạo mã PN giống như bên phát điều khiển bộ tổ hợp tần số để tạo ra tần một tần số thích hợp Như vậy, Sự chuyển dịch tần số giả ngẫu nhiên ở bên phát sẽ được loại bỏ tại nơi thu

Điều chế FSK thường sử dụng cho các hệ thống này Giải điều chế là không kết hợp do tần số sóng mang luôn thay đổi trong quá trình truyền tin

2.1.3.2 Hệ thống FH/SS nhanh

Ở hệ thống FH/SS nhanh, có ít nhất một lần nhảy với một bít số liệu Với T là chu kỳ của tín hiệu, Th là thời gian của một đoạn nhảy tần thì T/Th ≥ 1 Trong khoảng thời gian Th giây của mỗi lần nhảy tần, một trong số j tần số { f0, f0+∆f , f0+2∆f , … ,f0+(j-1)∆f } được phát Trong đó ∆f là khoảng cách giữa các tần số lân cận, thường được chọn bằng 1/Th Biểu đồ tần số cho hệ thống FH với tốc độ nhảy tần bằng 3 lần tốc độ số liệu như sau:

Lương Thị Thuận 29 Trường Đại học Công Nghệ

Hình 17 Biểu đồ tần số của hệ thống FH/SS nhanh với T=3Th

2.1.3.3 Hệ thống FH/SS chậm

Khi tốc độ nhảy tần số của sóng mang trải phổ nhỏ hơn tốc độ dữ liệu ta có hệ thống trải phổ nhảy tần chậm (T/TH < 1) Về cơ bản thì hai hệ thống trải phổ nhảy tần chậm và nhảy tần nhanh tương tự nhau Dưới đây là biểu đồ tần số của hệ thống trải phổ nhảy tần chậm với T/TH= 1/2 :

Hình 18 Biểu đồ tần số của hệ thống FH/SS nhanh với T/TH= 1/2

2.1.4 Kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian TH/SS

Nhảy 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 nhiên theo mã và đạt được 50 % yếu tố tác động truyền dẫn trung bình Sự khác nhau nhỏ so với hệ thống FH/SS đơn giản là trong khi tần số truyền dẫn biến đổi theo mỗi thời gian chip mã trong hệ thống FH/SS thì sự nhảy tần số chỉ xảy ra trong trạng thái dịch chuyển dãy mã trong hệ thống TH/ SS Hình (18) là sơ đồ khối của hệ thống TH/SS Ta thấy rằng bộ điều chế rất đơn giản và bất kỳ một dạng sóng cho phép điều chế xung theo mã đều có thể được sử dụng đối với bộ điều chế TH/ SS

TH/SS có thể làm giảm giao diện giữa các hệ thống trong hệ thống ghép kênh theo thời gian Vì mục đích này mà sự chính xác thời gian được yêu cầu trong hệ thống nhằm tối thiểu hóa độ dư giữa các máy phát

Lương Thị Thuận 31 Trường Đại học Công Nghệ

dụng hệ thống tổ hợp giữa hệ thống này với hệ thống FH/SS để loại trừ giao thoa có khả năng gây nên suy giảm lớn đối với tần số đơn

Có thể thiết kế các hệ thống DS/ SS với giải điều chế kết hợp và không kết hợp Tuy nhiên, do sự nhảy chuyển tần số phát nhanh rất khó duy trì đồng bộ pha ở các hệ thống FH/SS vì thế chúng thường đòi hỏi giải điều chế không kết hợp Trong thực tế các hệ thống DS/SS có chất lượng tốt hơn do sử dụng giải điều chế kết hợp nhưng giá thành của mạch pha sóng mang đắt

Với cùng tốc độ đồng hồ của bộ tạo mã PN, FH/SS có thể nhảy tần trên băng tần rộng hơn nhiều so với băng tần của tín hiệu DS/SS Ngoài ra có thể tạo ra tín hiệu

TH/SS có độ rộng băng tần rộng hơn nhiều độ rộng băng tần của DS/ SS khi bộ tạo chuỗi của hai hệ thống này cùng tốc độ đồng hồ

Hệ thống FH/SS loại trừ được các kênh tần số gây nhiễu giao thoa mạnh và thường xuyên, còn DS/SS nhạy cảm nhất với vấn đề gần xa Các hệ thống FH/SS dễ bị thu trộm hơn so với hệ thống DS/SS

Thời gian bắt mã ở các hệ thống FH/SS ngắn nhất, tuy nhiên máy phát và máy thu ở hệ thống FH/SS đắt do sự phức tạp của bộ tổng hợp tần số

Các hệ thống FH/SS chịu được fading nhiều tia và các loại nhiễu.Trong khi các máy thu DS/SS đòi hỏi các mạch đặc biệt để làm việc tốt trong môi trường nói trên

2.1.6 Hệ thống lai ( Hybrid )

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

Các hệ thống tổng hợp của hai hệ thống điều chế trải phổ sẽ cung cấp các đặc tính mà một hệ thống cơ bản đã nói đến ở trên không thể nào có được Một mạch không cần phức tạp quá có thể bao gồm bởi bộ tạo dãy mã và bộ tổ hợp tần số cho trước

2.1.6.1 Hệ thống FH/ DS

Hệ thống FH/ DS sử dụng tín hiệu điều chế DS với tần số trung tâm được chuyển nhảy một cách định kỳ Phổ tần số của bộ điều chế được minh họa trên hình (19) Một tín hiệu DS xuất hiện một cách tức thời với độ rộng băng là một phần trong độ rộng băng của rất nhiều các tín hiệu trải phổ chồng lấn và tín hiệu toàn bộ xuất hiện như là sự chuyển động của tín hiệu DS tới độ rộng băng khác nhờ các mẫu tín hiệu FH Hệ thống tổng hợp FH/ DS được sử dụng vì các lý do sau đây:

1 Dung lượng trải phổ

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

Hệ thống điều chế tổng hợp các ý nghĩa đặc biệt khi tốc độ nhịp của bộ tạo mã DS đạt tới giá trị cực đại và giá trị giới hạn của kênh FH Ví dụ, trong trường hợp độ rộng băng RF yêu cầu là 1 Ghz thì hệ thống DS yêu một bộ tạo mã tức thời có tốc độ

Lương Thị Thuận 33 Trường Đại học Công Nghệ

tần số có khoảng cách 5 KHz Tuy nhiên, khi sử dụng hệ thống tổng hợp thì yêu cầu một bộ tạo mã tức thời 114Mchip/s và một bộ trộn tần để tạo ra 20 tần số

Hình 20 Phổ tần của hệ thống tổng hợp FH/DS

Bộ phát tổng hợp FH/ DS như trên hình (20) thực hiện chức năng điều chế DS nhờ 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 cung cấp các mã với bộ trộn tần được sử dụng để cung cấp các dạng nhảy tần số và một bộ điều chế cân bằng để điều chế DS

Đầu ra FH/DS Tổ hợp

tần số

Mã DS + thông tin Tạo mã

Bộ điều chế cân bằng

Thông tin đầu vào

Hình 21 Bộ điều chế tổng hợp FH/DS

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

Bộ tương quan được sử dụng để giải điều chế tín hiệu đã được mã hóa 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 hiệuthu được Hình (21) 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

Giá trị độ lợi xử lý dB của hệ thống tổng hợp FH/ DS có thể được tính bằng tổng của độ lợi xử 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 DS đơn giản

Lương Thị Thuận 35 Trường Đại học Công Nghệ

một nguồn giao thoa khi đường thông đó được thiết lập Hơn nữa, sự khác nhau về khoảng cách giữa máy phát bên 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 thông tin trải phổ xuống tới vài độ

Do ảnh hưởng của khoảng cách gây ra cho tín hiệu không thể loại trừ được chỉ với việc xử lý tín hiệu đơn giản mà một khoảng thời gian truyền dẫn nhất định nên được xác định để tránh hhiện tượng chồng lấn các tín hiệu tại một thời điểm

Hơn nữa, thiết bị điều khiển đóng/ mở chuyển mạch được yêu cầu để thêm TH- TDM vào hệ thống DS Trong trường hợp này thì kết cuối đóng/ mở chuyển mạch có thể được trích ra một cách dễ dàng từ bộ tạo mã sử dụng để tạo ra các mã trải phổ và hơn nữa thiết bị điều khiển đóng/ mở được sử dụng để tách các trạng thái ghi dịch cấu thành bộ tạo mã và dựa trên các kết quả, số lượng n cổng được sử dụng để kích hoạt bộ phát có thể được thiết lập một cách đơn giản Hình (23) minh họa bộ phát và

thu TH/ DS Bộ thu rất giống như bộ phát ngoại trừ phần phía trước và một phần của bộ tạo tín hiệu điều khiển được sử dụng để kích hoạt trạng thái đóng/ mở của tín hiệu để nó truyền đi Điều đó nhận được nhờ chọn trạng thái bộ ghi dịch sao cho bộ ghi dịch này được tạo một cách lặp lại trong quá trình chọn mã đối với điều khiển thời gian Trong bộ tạo mã dài nhất bậc n thì điều kiện thừ nhất tồn tại và điều này được lặp lại với chu kỳ là m Khi chọn bậc ( n- r) và tách ra tất cả các trạng thái của nó thì bộ tạo mã có tạo tín hiệu giả ngẫu nhiên phân bố dài gấp hai chu kỳ mã Như ở trên thì n biểu thị độ dài bộ ghi dịch và r nghĩa là bậc ghi dịch không tách được

Cũng vậy, việc tạo đầu ra và chu kỳ tạo trung bình có khoảng cách giả ngẫu nhiên có thể được chọn nhờ mã trong chu kỳ giả ngẫu nhiên Loại phân chia thực hiện trong quá trình chu kỳ giả ngẫu nhiên này có thể có nhiều người sử dụng kênh để có nhiều truy cập và có chức năng tiến bộ hơn so với giao diện ghép kênh theo mã đơn giản.

Hình 24(a) Bộ phát của TH/DS

Hình 24(b) Bộ thu của TH/DS

Lương Thị Thuận 37 Trường Đại học Công Nghệ

2.2.1 Giới thiệu chung về chuỗi PN

Một dãy ngẫu nhiên nhị phân đơn giản nhất, dãy Bernoulli, đôi khi được xem như một dãy “xấp ngửa” mà “0” hoặc “1” tương ứng với kết quả “ngửa” hoặc “xấp” trong một chuỗi các thử nghiệm tung đồng su Nhưng ngay cả dãy ngẫu nhiên nhị phân đơn giản nhất này cũng đòi hỏi bộ nhớ lớn vô hạn tại cả máy thu và máy phát Tuy nhiên, sự “ngẫu nhiên” trong một dãy Bernoulli cũng có thể được tạo ra nhờ một phép toán tuyến tính đơn giản được quy địng bởi một số lượng vừa phải các tham số nhị phân (bit) Do đó, biến số ngẫu nhiên duy nhất là điểm khởi đầu của chuỗi Các dãy giả ngẫu nhiên này phải có các thuộc tính cơ bản của “sự ngẫu nhiên” như sau:

3 Tính tương quan

Khi so sánh theo kiểu số hạng: so sánh số hạng của một dãy với chính dãy ấy nhưng bị dịch đi Dãy có tính tương quan tốt nếu như số số hạng giống nhau khác số số hạng khác nhau không quá một chỉ số đếm

2.2.2 Dãy ghi dịch tuyến tính độ dài cực đại (dãy- m)

Có nhiều loại mã PN khác nhau được sử dụng trong kỹ thuật trải phổ, trong đó loại quan trọng nhất là các mã PN được tạo ra từ dãy ghi dịch cơ số hai có độ dài cực đại hay dãy m Các dãy cơ số hai m được tạo ra bằng cách sử dụng thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp và các mạch cổng hoặc loại trừ (XOR) Một dãy thanh ghi dịch tuyến tính được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính g(x) bậc m > 0

g(x) = gmxm + gm-1xm-1 + gm-2xm-2 + + g1x + go (2.8)

Đối với chuỗi cơ số hai có giá trị {0,1} , gi bằng 0 hoặc 1và gm = g0 = 1 Đặt g(x) = 0, ta được sự hồi quy sau:

x2x1

Si(m)

.

0 → +1 1 → -1

Hình 25 Bộ tạo dãy ghi dịch tuyến tính

Thanh ghi dịch là một mạch cơ số 2 trạng thái hữu hạn có m phần tử nhớ Mỗi phần tử nhớ là một Flip-Flop hai trạng thái {1,0} Vì thế số trạng thái khác không cực đại của mạch là 2m-1 Số này bằng chu kỳ cực đại của chuỗi ra C = (co, c1, c2, ).Trong hình (24), trạng thái của thanh ghi dịch ở xung đồng hồ thứ i là:

Lương Thị Thuận 39 Trường Đại học Công Nghệ

Đa thức có m = 4 nên có 4 phần tử nhớ (Flip- Flop) Từ đa thức tạo mã, theo công thức (2.10) ta có điều kiện hồi quy như sau: