CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TINDI ĐỘNG
2.1. Nguyên lý trải phổ
2.1.5. So sánh các hệ thống SS
Mỗi loại hệ thống đều có ưu - nhược điểm. Việc chọn hệ thống nào phải dựa trên ứng dụng đặc thù. Chúng ta sẽ so sánh các hệ thống DS, FH và TH.
Các hệ thống DS/ SS giảm nhiễu giao thoa bằng cách trải rộng nó ở một phổ tần rộng. Trong các hệ thống FH/ SS ở mọi thời điểm cho trước, những người sử dụng phát các tần số khác nhau vì thế có thể tránh được nhiễu giao thoa. Các hệ thống TH/ SS tránh nhiẽu giao thoa bằng cách tránh không để nhiễu hơn một người sử dụng phát trong một thời điểm.
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 địi hỏi giải điều chế khơng 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. Ngồi 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 mơi 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 khơng thể nào có được. Một mạch
khơng cần phức tạp q 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 tồn 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
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 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.
Hình 22. Bộ thu tổng hợp FH/ DS
2.1.6.2 Hệ thống TH/ FH
Hệ thống điều chế TH/FH được áp dụng rộng rãi khi muốn sử dụng nhiều th bao có khoảng cách và cơng suất khác nhau tại cùng một thời điểm. Với số 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 vơ 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 (22) 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 thơng đó được thiết lập. Hơn nữa, sự khác nhau về
khoảng cách giữa máy phát bên cạnh và máy phát thực hiện thơng 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 khơng 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.
S22=P2-F(d) S12=P1-F(d) T2 T1 S21=P2-F(D) S11=P1-F(D) R2 R1 F(D)>F(d)
Hình 23. Hệ thống thơng tin hai đường với các vấn đề về khoảng cách
2.1.6.3. Hệ thống TH/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 thế để cung cấp
một hệ thống TDM cho khả năng điều khiển tín hiệu. Yêu cầu sự đồng bộ nhanh đối với tương quan mã giữa các đầu mối của hệ thống DS, hệ thống TH 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 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 q 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
2.2. Các dãy giả ngẫu nhiên PN
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 địi hỏi bộ nhớ lớn vơ 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 tốn 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: 1. Tính cân đối
Trong một chu kỳ của dãy, số bit “1” và số bit “0” khác nhau nhiều nhất là 1.
2. Khoảng chạy
Một bước chạy là một dãy các số ‘1’ liên tiếp hay một dãy các số ‘0’ liên tiếp.
Độ dài của bước chạy là số bít trong bước chạy. Trong tất cả các bước chạy của một
chu kỳ của chuỗi, để thỏa mãn tính chạy cần có 1/2 bước chạy có độ dài là 1, 1/4
bước chạy có độ dài là 2, 1/8 bước chạy có độ dài là 3...Tổng quát có 1/2r bước chạy có độ dài r với r < n-1 và 1/2n-1 bước chạy có độ dài n với n là số phần tử nhớ.
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:
1 = go+ g1x + g2x2 + ... + gm-2xm-2 + gm-1xm-1 + xm (2.9).
Với xk thể hiện đơn vị trễ, phương trình hồi quy trên xác định các kết nối hồi tiếp trong mạch thanh ghi dịch như hình (24).
Trong mạch thanh ghi dịch, các mạch XOR thực hiện phép cộng mod 2. Nếu gi= 1 khóa tương ứng của mạch đóng, nếu gi≠1 thì khóa này mở.
Si(1) Si(2) Si(3)
Ci-m Ci g2 xm-1 x3 x2 x1 g1 x0 xm Si(m) . . . . . . gm g3 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: Si = { Si(1), Si(2), Si(3), ... Si(m)}
Đầu ra của thanh ghi dịch ở xung đồng hồ thứ i là:
Ci-m = Si(m).
Thay 1=Ci vào phương trình (2.9) ta được điều kiện hồi quy của chuỗi ra: Ci = g1ci-1 + g2ci-2 + ... +gm-1ci-m+1 + ci-m
Hay
Ci+m = g1ci+m-1 + g2ci+m-2 + ... +gm-1ci+1 + ci (mod 2) (2.10). với i >=0. Như vậy ứng với mỗi đa thức tạo mã nhất định, ta sẽ xác định được giá trị hồi quy Ci và xây dựng được thanh ghi dịch bằng bậc m của đa thức. Số phần tử trong
thanh ghi dịch bằng bậc m của đa thức.Trạng thái của thanh ghi dịch thay đổi theo điều kiện hồi quy được xác định bởi một đa thức tạo mã g(x). Đầu ra thanh ghi dịch sẽ cho ta một chuỗi cơ số hai có độ dài cực đại hay chuỗi m.
Xét ví dụ với đa thức tạo mã g(x)= 1+x+x
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: Ci = Ci-1 + Ci-4.
Mạch thanh ghi dịch và chuỗi mã tạo ra ứng với đa thức này như sau:
D1⊕D4 D1 D2 D3 D4 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 D1 D2 D3 D4 Chuỗi ra
Chuỗi ra C = 111101011001000
Chuỗi có chu kỳ cực đại N = 24 = 15. Sau 15 xung nhịp thì các thanh ghi dịch trở về trạng thái ban đầu. Trạng thái 1111 là trạng thái nạp lúc khởi đầu cho các Flip- Flop. Các trạng thái đầu của các F-F có thể là bất kỳ nhưng yêu cầu phải khác không.
Với việc chọn một đa thức tạo mã nguyên thủy, ta sẽ tạo ra được chuỗi m thỏa mãn các chỉ tiêu ngẫu nhiên.
2.3. Đồng bộ
Điều kiện cơ bản để thực hiện đa thâm nhập là phải đồng bộ bộ tạo chuỗi mã
PN ở phía thu và ở phía phát để trải phổ. Điều kiện này cho phép máy thu tách được