1. 4 Thủ tục phát và thu tín hiệu
2.2.6. Hệ thống lai (Hybrid)
Bên cạnh các hệ thống đã miêu tảở 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.
2.2.6.1. Kỹ thuật FH/DS
Kỹ thuật FH/DS sử dụng tín hiệu điều chế DS với tần số trung tâm được chuyển nhảy một cách định kỳ. 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.
53
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 1GHz thì hệ thống DS yêu một bộ tạo mã tức thời có tốc độ nhịp là 1136Mchip/s và khi sử dụng hệ thống FH thì yêu cầu một bộ trộn tần để tạo ra tần số có khoảng cách 5KHz. 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 2.15: Phổ tần của hệ thống tổng hợp FH/DS
Bộ phát tổng hợp FH/DS như trên 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 bộđiều 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 đểđiều chế DS.
Hình 2.16: 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 sốđược sử dụng nhỏ hơn nhiều so với số
54
lượng 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 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 hiệu thu được.
Hình dưới miêu tả một bộ thu FH/DS điển hình. Bộ tạo tín hiệu dao động nội trong bộ tương quan giống như bộđiều chế phát trừ 2 điểm sau:
-Tần số trung tâm của tín hiệu dao động nội được cố định bằng độ lệch tần số trung gian (IF).
-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.
Hình 2.17: Bộ thu tổng hợp FH/DS
2.2.6.2 Kỹ thuậtTH/FH
Hệ thống điều chế TH/FH được áp dụng rộng rãi khi muốn sử dụng nhiều thuê bao có khoảng cách và công suất khác nhau tại cùng một thời điểm. Với số
55
lượng việc xác định địa chỉ thuê bao là trung bình thì nên sử dụng một hệ thống mã đơn giản hơn là một hệ thống trải phổ đặc biệt. Khuynh hướng chung là tạo ra một hệ thống chuyển mạch điện thoại vô tuyến có thể chấp nhận các hoạt động cơ bản của hệ thống như là sự truy nhập ngẫu nhiên hoặc sự định vị các địa chỉ phân tán. Đó cũng là một hệ thống cố thể giải quyết các vấn đề liên quan đề khoảng cách. Như trên hình 2.18 ta thấy hai đầu phát và thu đã được xác định và máy phát ở đường thông khác hoạt động như là 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.
Hình 2.18: Hệ thống thông tin hai đường với các vấn đề về khoảng cách
2.2.6.3. Kỹ thuậtTH/DS
Nếu phương pháp ghép kênh không đáp ứng các yêu cầu giao diện đường 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 tương quan mã giữa các đầu mối của hệ thống DS, hệ thống TH
56
được giả quyết cho trường hợp này. Nghĩa là, đầu cuối thu của hệ thống DS nên có một thời gian chính xác để kích hoạt TDM, để đồng bộ chính xác 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 TH - TDM vào hệ thống DS. Trong trường hợp này thì kết cuối đóng/mở chuyển mạch có thểđược trích ra một cách dễ dàng từ bộ tạo mã sử dụng để tạo ra các mã trải phổ và hơn nữa thiết bịđiều khiển đóng/mởđược 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 ¿?? 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 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.
57
58
CHƯƠNG 3
MÃ TRẢI PHỔ NGẪU NHIÊN PN 3.1. Tổng quan về mã trải phổ
Mã trải phổ là dãy tín hiệu giả ngẫu nhiên (giả tạp âm trắng) được tạo ra đồng bộ để trải phổ ở máy phát, và nén phổ ở máy thu đối với phổ được truyền đi. Mã trải phổ còn được dùng để phân biệt các thuê bao với nhau khi có cùng chung dải thông truyền dẫn trong cơ chế đa truy nhập trong hệ thống CDMA.
Đặc tính của mã trải phổ: - Tỷ lệ các tần số 0 và 1 là mỗi ½.
- Đối với các số 0 và 1 thì ½ chuỗi dài có chiều dài là 1, ¼ có chiều dài là 2,…
- Nếu một chuỗi PN được dịch bởi bất cứ thành phần số lượng số dương và số âm bằng nhau tương ứng với dãy trước.
Hàm tự tương quan: ) ( ) ( ) ( ) ( f t f t d t Ra
Hàm tự tương quan biểu thị sự giống nhau giữa tín hiệu f(t) với bản sao của nó bị trễ .
Hàm tương quan chéo:
) ( ) ( ) ( ) ( f t f t d t Rc
Trong trường hợp mã trải phổ nhị phân dùng trong hệ thống CDMA, so sánh từng bít của tín hiệu, tính A-D để xác định hàm tương quan của hai tín hiệu xét (A: Số bit cùng, D: Số bit khác). Minh họa cho điều này ở hình 3.18(e).
Ở hình 3.18 (a,b,c) biểu thị mô hình phát chuỗi nhị phân ngẫu nhiên lý tưởng có phổ giống tạp âm trắng. Trong mô hình này nguồn tạp âm AWGN được số hóa nhờ thiết bị ngưỡng và Flip - Flop đồng bộ. Tần số lấy mẫu là tốc độ chíp fc.
59
Đỉnh nhọn hàm tương quan ở hình 3.18(c) biểu thị = 0. Đặc điểm này giúp cho máy thu thực hiện đồng bộ dễ dàng với máy phát, chuẩn về thời gian. Nếu chuỗi d(t) có chu kỳ lặp lại N chíp thì được gọi là giả ngẫu nhiên.
Mã trải phổ không những để trải phổ mà còn là chìa khoá để MS chọn ra tín hiệu trạm gốc phát cho nó trong môi trường CDMA. Muốn vậy mã trải phổ của MS khác nhau có tương quan chéo bằng 0, hoặc rất nhỏ. Điều kiện này đảm bảo nhiễu lẫn nhau tương quan chéo bằng 0. Tuy nhiên trong nhiều hệ thống thực tế các bộ phát tương quan dãy PN ở máy phát và máy thu được dùng với tương quan chéo đủ nhỏ.
Những mã giản ngẫu nhiên PN giữ vai trò quan trọng trong hệ thống trải phổ. Mã giả ngẫu nhiên PN nó được tạo ra một cách độc lập ở nhiều vị trí (cả máy phát lẫn máy thu). Mã trải phổ không hoàn toàn ngẫu nhiên, nó cần phải xác định được. PN là tín hiệu chu kỳ xác định. Được xác định ở máy phát và máy thu. Nhưng mặt khác, mã PN có tính thống kê của một tạp âm trắng AWGN, nó có thể biểu hiện ngẫu nhiên, bất xác định với bất cứ máy thu nào ngoài phạm vi cuộc gọi. Mỗi quá trình thu phát CDMA đều được trải phổ.
3.1.1 Mô hình phát chuỗi nhị phân ngẫu nhiên:
Vin
Lấy và giữu lấy mẫu FF Đồng hồ đồng bộ fc Thiết bị ngưỡng n(t) Vo d(t) Nguồn tạp âm trắng Hình 3.1 (a)
60
1. Đáp ứng của chuỗi ngẫu nhiên:
2. Hàm tự tương quan d(t):
3. Hàm tự tương quan của dãy PN7:
Hình 3.1 (c) Ra(т) TL 700 -100ms -Tc -Tc 1 7 + 100ms 0 Hình 3.1 (d) Tc d(t) d(t) Hình 3.1 (b)
61
4. Số bít cùng A và số bít khác D khi dãy PN7 dịch một bít:
3.2 Các loại mã trải phổ PN
Mã trải phổ PN có rất nhiều loại nhưng thường dùng nhất là: Dãy độ dài cực đại dãy m, dãy Gold, dãy Walsh…
3.2.1. Dãy m
Chuỗi m nhị phân được tạo ra từ mạch ghi dịch nhiều Flip - Flop, và được hoài tiếp gồm nhiều cổng XOR và các khóa g. Mỗi chuỗi ghi dịch được định rõ bởi đa thức phát g(x), m>0.
Sơ đồ mạch phát dãy m như sau:
Trong sơ đồ trên, có N flip flop D được mắc thành bộ ghi dịch, mạch hồi tiếp gồm các cổng XOR và các khóa gi làm thay đổi chiều dài và đặc tính của dãy PN được tạo ra. Trong số đó, dãy có chiều dài cực đại là: L= 2N – 1 (L: số chip (cắt)).
Các thuộc tính của chuỗi m
x0 xm-1 Hình 3.2: Sơ đồ mạch phát dãy m Si(m) x3 x2 x1 g2 Si(3) Si(1) ci Si(2) g1 g3 gm-1 xm Đến độ điều chế ci-m 1 -1 0 +1 ci-1 1 1 1 0 0 1 0 1 bít shift }Cùng: A 7bit } A = 3 D = 4 A-D = - Shift 1{ Shift 0{ Hình 3.1(e)
62 R(i) 1 2 -3 -3 -2 -1 1/N 1 -N N-1 N
Thuộc tính 1_Thuộc tính dịch: Dịch vòng (dịch vòng trái hay dịch vòng phải) của một chuỗi m cũng là một chuỗi m. Nói cách khác nếu chuỗi ra không nằm trong tập Sm thì dịch vòng cũng không nằm trong tập Sm.
Thuộc tính 2_Thuộc tính hồi quy: Mọi chuỗi m đều thoả mãn tính hồi quy.
Ci = g1ci-1 + g2ci-2 +……+ gm-1ci-m+1 + ci-m
Với i = 0,1,2,…(Ngược lại mọi lời giải cho phương trình trên là 1 chuỗi trong tập Sm. Lưu ý rằng có m lời giải độc lập tuyến tính với phương trình hồi quy trên, nghĩa là m chuỗi độc lập tuyến tính trong Sm).
Thuộc tính 3_thuộc tính cửa sổ: Nếu một cửa sổ độ rộng m trượt dọc chuỗi m trong tập Sm, mỗi dãy trong số 2m-1 dãy m bit khác không này sẽ được nhìn thấy đúng 1 lần.
Thuộc tính 4_Số số 1 nhiều hơn số số 0: Mọi chuỗi m trong tập Sm chứa 2m-1 số số 1 và 2m-1-1 số số 0.
Thuộc tính 5_thuộc tính cộng: Tổng hai chuỗi m (cộng mod 2 theo từng thành phần) là một chuỗi m khác.
Thuộc tính 6_Thuộc tính dịch và cộng: Tổng của một chuỗi m và dịch vòng của chính nó (cộng mod 2 theo từng thành phần) là một chuỗi m khác.
Thuộc tính 7_Hàm tự tương quan dạng đầu đinh: Hàm tự tương quan tuần hoàn chuẩn hóa của một chuỗi m được xác định như sau:
1 0 ) 1 ( 1 ) ( N j c ci i j N i R
R(i) =1 đối với I = 0 (mod N) và R(i) = -1/N với i0 (mod N)
63
Thuộc tính 8_Các đoạn chạy(Runs): Một đoạn chạy là một xâu các số “1” liên tiếp hay một xâu các số “0” liên tiếp. Trong mọi chuỗi m, một nửa số đoạn này có chiều dài 1, một phần tư có chiều dài 2, một phần tám có chiều dài 3chừng nào các phân đoạn còn cho một số nguyên các đoạn chạy.
Thuộc tính 9_Pha đặc trưng: Có đúng một chuỗi ra không nằm trong tập Sm thoả mãn điều kiện ci=c2i đối với tất cả iZ. Chuỗi m này được gọi là chuỗi ra không đặc trưng hay pha đặc trưng của các chuỗi m trong tập Sm.
Thuộc tính 10_Lấy mẫu( Decimation): Lấy mẫu 1 từ n>0 của một chuỗi m
C (nghĩa là lấy mẫu C cứ n bit mã một lần), được biểu thị bằng N/gcd(N,n) nếu không phải là chuỗi toàn không; đa thức tạo mã g’(x) của nó có gốc là mũ n của các gốc của đa thức tạo mã g(x).
3.2.2. Các chuỗi Gold
Các chuỗi m là các hàm tự tương quan dạng đầu đinh, có thể chỉ ra rằng chúng có tự tương quan tuần hoàn dạng đầu đinh tốt nhất về mặt giảm tối đa tự tương quan lệch pha. Do đó các chuỗi m rất hoàn hảo cho hoạt động đồng bộ mã. Đối với thông tin đi bộ nhiều người sử dụng cần có một tập lớn các chuỗi SSMA hay CDMA có các giá trị tương quan chéo nhỏ.
Một họ các chuỗi tuần hoàn có thể đảm bảo các tập chuỗi có tương quan chéo tuần hoàn tốt là các chuỗi Gold. Chuỗi Gold là mã trải phổ dùng cho CDMA, hàm tương quan chéo giữa hai dãy Gold bất kỳ khá nhỏ, hàm tương quan lấy 1 trong 3 giá trị sau:
] 2 ) ( [ 1 1 ) ( 1 ) ( N r L L N r L với