d. Khái niệm của hệ thống trải phổ: Theo lý thuyết dung lợng của bất kỳ kênh thông tin đợc định nghĩa bở
2.2.6. Mã hoá thoại và mã hoá kênh
1.4.2.6.1. Mã hoá thoại
a. Thuật toán dự đoán tuyến tính kích hợp theo mã (CELP)
Các kỹ thuật mã hoá PCM và ADPCM trớc đây hoạt động trong miền thời gian. Không có một cái gì đợc tạo ra để hiểu hoặc phân tích thông tin gửi đi. Để đạt đợc tốc độ mã hoá thấp hơn, sử dụng kỹ thuật loại bỏ phần d trong miền tần số. Thuật toán mã hoá tín hiệu trong miền tần số phân tích tín hiệu thoại thành những thành phần có tần số và biên độ khác nhau. Bộ mã hoá theo miền tần số là hệ thống tơng đối phức tạp và hoạt động tốt ở tốc độ bit trung bình (16 Kbps). Khi thiết kế để hoạt động ở phạm vi từ 4,8 tới 9,6 Kbps thì độ phức tạp tăng lên đáng kể.
Một cấp độ khác của kỹ thuật mã hoá thoại bao gồm những thuật toán gọi là Vocoder, trong đó mô tả cấu trúc của tín hiệu thoại với một vài thông số độc lập. Những thông số này có đợc qua phân tích tín hiệu nói trong dải âm tần, nhờ đó có thể mã hoá thoại thành những bản tin để gửi đi phía thu. Phía thu phân tích qua những bản tin nhận đợc để tái tạo lại tín hiệu thoại.
Quá trình mã hoá hoạt động nh sau: vocoder sẽ xe, tín hiệu thoại đợc tạo ra từ các bộ phát – lọc có sắp đặt. Tín hiệu thọai có đợc nhờ kích hoạt thoại các bộ phát – lọc với mỗi một xung tuần hoàn (mô phỏng khoảng thời gian bắt đầu và kết thúc thoại). Vocoder xử lý tín hiệu vào thông qua bộ xử lý tiếng nói và một tập các bộ phát – lọc để mã hoá và phát tín hiệu. Tại phía thu, tín hiệu đợc giải mã và qua bộ tổng hợp tiếng nói phù hợp với tiếng nói ban đầu.
Vocoder là hệ thống có độ phức tạp trung bình và hoạt động với tốc độ bit thấp, tiêu chuẩn là 2,4 kbps. Chất lợng thoại thấp do hai nguyên nhân: sự đơn giản hoá xử lý tiếng nói đến quá mức và giả thiết các nguồn phát – lọc là độc lập tuyến tính.
Với tốc độ 5kbps đến 16kbps, bộ mã hoá lại kết hợp kỹ thuật mã hoá tần số và kỹ thuật vocoder tạo ra chất lợng tốt. Mã hoá dự đoán tuyến tính kích hoạt phần d (RELP) là hệ thống lai đơn giản cho mã hoá chất lợng thoại tiêu chuẩn với một số bộ xử lý số tích hợp. RELP tuỳ thuộc vào một cấp độ mã hoá đợc biết là mã hoá phân tích – tổng hợp dựa trên mã dự đoán tuyến tính (LPC)
Hình 2-8: Mã hoá CELP cho LSP
CDMA sử dụng một kiểu RELP gọi là dự đoán tuyến tính kích hoạt mã dự đoán tuyến tính (CELP).
b. Thuật toán mã hoá nâng cao tốc độ biến đổi (EVRC)
Kỹ thuật mã hoá thoại sử dụng thuật toán mã hoá nâng cao tốc độ biến đổi (EVRC) làm giảm số lợng bit yêu cầu cho các hệ số nhân dự đoán tuyến tính và sự tổng hợp âm thanh cung cấp cho bộ mã phát tín hiệu. Vì vậy mà EVRC có chất lợng tốt hơn CELP. Loại bỏ DC Cửa số hamming Hệ số tương quan Xác định hệ số LPC điều chỉnh hệ số LPC Chuyển đổi hệ số LPC-LSP Chuyển đổi tần số LPC mã LSP Chuyển A/D Tín hiệu thoại Mã LSI
Không giống nh mã hoá CELP truyền thống, EVRC không cố gắng đạt tới tín hiệu thoại ban đầu một cách chính xác mà chú ý vào thời gian của phổ tiếng nói d phù hợp với âm thanh đã đơn giản hoá. Đờng âm thanh này đạt đợc nhờ việc tính toán độ trễ âm sắc tại mỗi khung thời gian và việc đa thêm vào các âm sắc từ khung này sang khung kia. Kết quả là chất lợng âm thanh cho mỗi bit truyền đi sẽ cao hơn. Sự thể hiện các âm sắc đã đơn giản hoá cũng để lại nhiều bit trong mỗi gói phục vụ cho việc kích hoạt và bvj kênh. Kết quả là các lỗi tham gia vào quá trình xử lý không ảnh hởng đến chất lợng thoại và giảm xuống mức thấp nhất. Ngoài ra EVRC còn nâng cao chất lợng bằng việc loại bỏ tạp âm nền.
Thuật toán EVRC đợc dựa trên thuật toán CELP. Nó sử dụng thuật toán dự đoán tuyến tính kích hoạt theo mã giảm nhẹ (RCELP) và vì thế chú ý tín hiệu d mà hớng vào thời gian của phổ tiêng nói d phù hợp với đờng âm thanh đã đơn giản hoá. Điều này làm giảm số lợng bit trên khung thời gian sử dụng cho việc thể hiện các âm sắc cho phép các bit còn lại sử dụng cho việc kích hoạt bảo vệ kênh. Thuật toán EVRC phân loại thoại là nhiều tốc độ: tốc độ đầy đủ (8,55 kbps), tốc độ 1/2(4 kbps) và tốc độ 1/8 (0,8kbps). Một khung thời gian là 20ms. 2.2.6.2. Mã hoá kênh.
Mã hoá kênh đợc sử dụng để làm giảm tỷ số Eb/N0 (dB) sao cho đạt đợc đến một xác suất lỗi xác định của hệ thống mà hoá so với hệ thống không mã hoá với cùng kiểu điều chế và có cùng đặc điểm kênh truyền. Quá trình mã hoá kênh đợc chia làm hai giai đoạn: mã hoá khối và mã hoá xoắn.
Mã hoá khối có nhiều loại bao gồm mã hoá khối tuyến tính, mã hoá vòng nhị phân và mã hoá Bose – Chadhushi – Hocquenghem (BHC). Mã vòng nhị phân còn gọi là mã kiểm tra phần d (CRC). Mã BCH là một dạng mã CRC đặc biệt, mã BCH đợc thể hiện bởi các giá trị (n, k, q) trong đó k bit đợc miêu tả trên n bit đầu ra (n > k) và q là năng lực sửa lỗi. Ví dụ mã BHC (15, 7, 2) phát 7 bit thông tin sử dụng từ mã 15 bit có thể sửa 2 lỗi trong mỗi từ mã.
Mã hoá xoắn đợc tạo ra khi đa tín hiệu vào qua bộ ghi dịch. Bộ ghi dịch bao gồm k trạng thái và m hàm đại số tuyến tính. Số lợng bit ra cho mỗi k bit số liệu đầu vào là n. Tốc độ mã r = k/n. Thông số k đợc gọi là độ dài bắt buộc và thông số này chỉ định số lợng bit đầu vào.
Năng lực sửa lỗi của bộ mã hoá xoắn tăng lên khi tỷ số giảm r giảm. Tuy nhiên, độ rộng băng tần của kênh và độ phức tạp của giải mã sẽ tăng lên với giá trị k. Tác dụng của tỷ số mã hoá thấp khi sử dụng mã hoá xoắn với kết cấu khoá dịch pha (PSK) là tỷ số Eb/N0 giảm, cho phép phát dữ liệu tốc độ cao với một công suất cho trớc hoặc giảm công suất phát với tốc độ dữ liệu cho trớc. Những
nghiên cứu mô phỏng chỉ ra rằng với một chuỗi bắt buộc cố định thì việc giảm tỷ số mã hoá 1/2 xuóng 1/3 sẽ làm giảm tỷ số Eb/N0 xuống khoảng 0,4dB. Tuy nhiên độ phức tạp chỉ khi giải mã sẽ tơng ứng tăng lên 17%. Với một giá trị tỷ số mã hoá nhỏ hơn thì độ phức tạp sẽ còn tăng lên nhiều hơn nữa.
Trong chuẩn IS-95, khung dữ liệu hớng đi và hớng vè đợc đa vào bộ mã hoá xoắn Viterbi. Cả hai bộ mã hớng đi về đều sử dụng ghi dịch 8 bit với độ dài bắt buộc là 9. Tỷ số mã hoá hơnứg đi là 1/3 tức là đa ra 3 bit đầu ra ứng với mỗi bit đầu vào. Tại tốc độ 9,6kpbs, tốc độ bit đầu ra đợc lặp lại để đa số lợng bit trong một khung thời gian 20ms là 575biy, với tốc độ tổng là 28,8kbps. Tỷ số 9,6kbps, tốc độ bit đầu ra đợc lặp lại để đa số lợng bit trong một khung thời gian 20ms là 384 bit, với tốc độ tổng là 19,2 kbps.
2.2.7.Dung l ợng của hệ thống CDMA.
Xét một hệ thống CDMA đơn ô, số máy di động đang phát đồng thời ở cùng một tần số. ở đây mỗi máy di động đợc cấp một chuỗi PN duy nhất, cho:
P = Công suất sóng mang Eb = Năng lợng mỗi bit
Bc = Độ rộng băng tần tín hiệu trải phổ R = Tốc độ bit thông tin
I = Công suất do nhiễu Ta có: Eb = P/R b 0 0 E P N NOR I N P = = Bởi vậy b p 0 E P Bc P .G N = I R = I
ở đây Gp là độ rộng băng tần RF chia cho tốc độ bit thông tin. Trong hệ thống CDMA, tín hiệu đợc điều chế khoá dịch pha cầu phơng QPSK có độ rộng băng tần RF xấp xỉ bằng tốc độ chip. Nói một cách khác, nếu Rchip là tốc độ chip thì Bc = Rchip và trong trờng hợp này Gp = Rchip/R gọi là tăng ích xử lý. Với một tỷ lệ lỗi bit cho trớc thì Eb/N0 không thay đổi. Do đó, tăng ích xử lý lớn thì nhiễu cho phép lớn.
Nếu có N máy phát, tất cả đang phát ở cùng một công suất và sử dụng cùng một tốc độ chip thì: I = (I – 1).P ⇒ ( ) p b 0 G I N 1 p / p N 1 P = − = − = E / N Hay p p b 0 b 0 G G N 1 E / N E / N = + ≈ (1.8)
Từ đây ta thấy tăng ích xử lý càng lớn thì dung lợng N càng lớn với tỷ lệ lỗi bit cố định.
Công suất nhận đợc từ phơng trình (1.8) chỉ trong điều kiện lý tởng. Trong trờng hợp thực tế, nó có thể giảm đáng kể bởi nhiều lý do. Thí dụ, dung lợng sẽ giảm nếu điều khiển công suất không hoàn hoả. Tơng tự trong một hệ thống nhiều ô, các ô này hoạt dùng cùng một tần số thì nhiễu sẽ tăng lên.
Bởi vì dung lợng đợc giới hạn nhiễu, dung lợng của hệ thống có thể tăng bằng cách giảm nhiễu. Có một số cách để làm điều này. Thứ nhất, nhiễu do ngời sử dụng có thể giảm bằng cách thay một anten ommi chỉ có một hớng duy nhất. Thứ hai, hội thoại giữa hai ngời sử dụng có đặc tính là thời gian một bên yên lặng là lớn. Nếu máy phát tắt trong thời gian yên lặng thì nhiễu đối với máy phát khác sẽ giảm và do đó dung lợng toàn bộ hệ thống sẽ tăng lên. Do đó dung lợng thực tế nhận đợc là: ( ) p b 0 G N 1 E / N 1 v α = + + β (1.9)
Trong đó α là hệ số hiệu chỉnh do điều khiển công suất không hoàn hoả, β
là ảnh hởng của nhiễu kênh kề từ các ô khác nhau trong hệ thống nhiều ô và v là hệ số kích hoạt thoại.
Bảng 1-1 đa ra một vài giá trị thờng dùng của các tham số này
Tham số Giá trị trung bình
α 0,5 – 1,0
ν 0,4 – 0,6
CHƯƠNG III
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ HƯỚNG KHẮC PHỤC TRONG HỆ THỐNG THễNG TIN DI ĐỘNG
3.1. Suy hao đ ờng truyền và pha đinh :
Suy hao đờng truyền là quá trình mà ở đó tín hiệu thu yếu dần đo khoảng cách giữa trạm di động và trạm gốc tăng mà không có mặt cản giữa.
Ls ≈ d2.f2
Ls (dB) = 33,4 (dB) + 20logF(MHz) + 20log(km)
Tx và Rx: Với không gian tự do , suy hao đờng truyền đợc tính: d: là khoảng cách giữa anten phát Tx và thu Rx.
f: tần số phát
(Công thức trên chỉ đúng với các hệ thống vô tuyến di động gần BS.)
Môi trờng sử dụng của MS của thờng có chớng ngại vật gây hiệu ứng che tối làm giảm cờng độ che tín hiệu. Khi di động cùng với đài di động cờng độ tín hiệu giảm , tăng dù giữa TX và RX có hay không có chớng ngại.
Hiệu ứng này gọi là pha đinh chuẩn lôgíc. Thời gian giữa 2 chỗ trùng pha đinh khoảng và khoảng và gây ra với MS lấp trên xe và chuyển động.
Trong trờng hợp môi trờng thông tin có mật độ thuê bao dày và nhiều chớng ngại ta có pha đinh nhiều tia hay raile, xảy ra khi tín hiệu nhiều đờng từ anten Tx đến Rx.
ở hiện tợng pha đinh raile, tín hiệu thu đợc là tổng các tín hiệu phản xạ khác fa, khác biện độ. Những tín hiệu này khi cộng lại nh các véctơ tạo nên một véctơ tổng gần bằng không có nghiã là cờng độ tín hiệu bằng 0. Đây là chỗ trũng pha nghiêm trọng.
ở một khoảng cách nhất định Xm so với Tx, tín hiệu thu đợc minh hoạ nh sau: Độ nhạy máy thu là mức tín hiệu vào yếu nhất càn thiết cho một tín hiệu ra
qui định. Khi quy hoạch hệ thống, để chống lại pha đinh thì giá trih trung bình chung đợc lấy lớn hơn độ nhạy máy thu lợng Y(dB) băng chỗ trũng pha phađinh mạnh nhất, Y(dB) đợc gọi là dự trữ phađinh.
3.2. Phân tán thời gian:
Hiện tợng này có nguồn gốc từ phản xạ từ một vật ở xa anten thì Rx và km. Nó dần đến giao thoa giữa các ký hiệu ISI tức là giao thoa giữa các ký hiệu lân cận với nhau.
ở GMS tốc độ bit là 270kB/s, mỗi bit tơng ứng với 3,7s và tơng ứng với khoảng cách là 1,1km. Khi có phản xạ từ 1km phía sau trạm di động thì tín hiệu phản xạ phải qua gơng đờng dài trễ tín hiệu đi thẳng 2km. Tín hiệu mong muốn sẽ đợc trộn với tín hiệu 2bit.
Dự trữ padinh
Giá trị trung bình cục bộ
Chỗ trũng padinh
Cường độ tín hiệu thu (Rx) Fc = 900MHz Độ nhạy máy thu
m X + 15
X + 10 X
Giá trị trung bình chung
BTS 0 0
1
1
3.3. Các ph ơng pháp phòng ngừa suy hao truyền dẫn do pha đinh :
Để cải thiện máy thu và chất lợng của tín hiệu thu, có 4 phơng án để thực hiện nh sau:
* Phân tập anten:
Để tránh nguy cơ có 2 anten thu bị chỗ trũng phađinh sâu cùng một lúc, ta sử dụng 2 anten Rx độc lập thu cùng tín hiệu rồi kết hợp các tín hiệu này lại ta sẽ có một tín hiệu ra khỏi bộ kết hợp ít bị phađinh hơn. Khoảng cách giữa 2 Tx và 2Rx phải đủ lớn để không gian tín hiệu ở 2 anten nhỏ.
* Nhảy tần:
Với pha đinh raile, mẫu phađinh phụ thuộc vào tần số nghĩa là chỗ trũng phađinh xảy ra ở các vị trí khác nhau đối với các tần số khác nhau. Nh vậy ta có thể thay đổi tần số sóng mang trong một số tần số khi cuộc gọi đang tiến hành, khi gặp chỗ trũng phađinh chỉ một phần thông tin bị mất. Để khôi phục lại thông tin hoàn thiện ta dùng phơng pháp sau:
* Mã hoá kênh:
ở truyền dẫn số ngời ta đo chất lợng của tín hiệu đợc chủ yếu bằng số lọng các bit thu đợc chính xác, đầu đến biểu diễn tỷ số bit lỗi BER. BER không thể bằng không do thay đổi đờng truyền nếu có đợc cho phép một lọng nhất định và có khả năng khôi phục thông tin này hoặc có thể phát hiện tránh sử dụng thông tin lỗi. BER quan trọng với phát số liệu hơn Voice.
ở phơng pháp mã hoá kênh ta phải phát đi một lợng thông tin có số bit lớn hơn nhng sẽ đạt độ an toàn chống lỗi cao hơn. Mã hoá kênh có thể phát hiện và sửa lỗi ở từng bit thu.
Ví dụ: Khi muốn gửi một bit “0” hay “1” để đợc bảo vệ ta bổ xung thêm bao bit nh sau: Thông tin 0 1 Bổ xung 000 111 Gửi đi 0000 1111 2 1 Tín hiệu 1 Tín hiệu 2 CĐTH SS Anten
Khối mã 0000 sẽ đúng với 0 và 1111 sẽ đúng với 1. Tỷ lệ là 1:4V, bảo vệ sẽ xảy ra nh sau:
Thu đợc : 0000 0010 0110 0111 1110
Quyết định: 0 0 x 1 1
Riêng cụm 0110 không xác định đợc cụ thể, trạm 0111 và 1110 đợc phát hiện là lỗi.
Mỗi kênh kiểm tra lỗi đợcchia thành mỗi khối và mỏ xoắn. ở mã khối, một số bit kiểm tra đợc bổ xung vào một số bit thông tin nhất định. Các bit kiểm tra chỉ phụ thuộc vào các bit thông tin ở khối bản tin.
ở mã hoá xoắn, bộ mã hoá tạo ra khối các bit mã không chỉ phụ thuộc vào các bit của khối bản tin hiện thời đợc dịch vào bộ mã hoá mà còn phụ thuộc vào các bit của khối trớc.
Mã hoá khối thờng đợc sử dụng khi có báo hiệu định hớng theo khối và sử dụng để phát hiện lỗi khi thực hiện “Yêu cầu tự động phát” ARQ.
Mã hoá xoắn liên quan nhiều hơn đến sử sai lỗi. Cả hai mã này đợc sử dụng ở GSM. Hai bớc mã hoá đợc dùng cho cả tiếng và số liệu.