3.1.1.1. Các hệ thống thơng tin trải phổ
Trong các hệ thống thơng tin thơng thường độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt. Trong các hệ thống điều chế biên độ song biên, độ rộng băng tần cần thiết để phát một nguồn tín hiệu tương tự gấp hai lần độ rộng băng tần của nguồn này. Trong các hệ thống điều tần độ rộng băng tần này cĩ thể bằng vài lần độ rộng băng tần nguồn phụ thuộc vào chỉ số điều chế. Đối với một tín hiệu số, độ rộng băng tần cần thiết cĩ cùng giá trị với tốc độ bit của nguồn. Độ rộng băng tần chính xác cần thiết trong trường hợp này phụ thuộc vào kiểu điều chế (BPSK, QPSK v.v...).
Trong các hệ thống thơng tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng. Khi chỉ cĩ một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy khơng cĩ hiệu quả. Tuy nhiên ở mơi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng này cĩ thể dùng chung một băng tần SS và hệ thống trở nên sử dụng băng tần cĩ hiệu suất mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ.
Một hệ thống thơng tin số được coi là SS nếu:
9 Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát thơng tin.
9 Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu.
Cĩ ba kiểu hệ thống SS cơ bản: chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence Spreading Spectrum), nhẩy tần (FHSS: Frequency-Hopping Spreading Spectrum) và nhẩy thời gian (THSS: Time-Hopping Spreading Spectrum). Cũng cĩ thể nhận được các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nĩi trên. WCDMA sử dụng DSSS. DSSS đạt được trải phổ bằng cách nhân luồng số cần truyền với một mã trải phổ cĩ tốc độ chip (Rc=1/Tc, Tc là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb là thời gian một bit) của luồng số cần phát. Hình 3.1 minh họa quá trình trải phổ trong đĩ Tb=15Tc hay Rc=15Rb. Hình 3.1a cho thấy sơ đồ đơn giản của bộ trải phổ DSSS trong đĩ luồng số cần truyền x cĩ tốc độ Rb đựơc nhân với một mã trải phổ c tốc độ Rc để được luồng đầu ra y cĩ tốc độ Rc lớn hơn nhiều so với tốc độ Rb
của luồng vào. Các hình 3.1b và 3.1c biểu thị quá trình trải phổ trong miền thời gian và miền tần số. Tại phía thu luồng y được thực hiện giải trải phổ để khơi phục lại luồng x bằng cách nhân luồng này với mã trải phổ c giống như phía phát: x=y×c
Hình 3.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)
3.1.1.2. Áp dụng DSSS cho CDMA
Trong cơng nghệ đa truy nhập phân chia theo mã dựa trên CDMA, một tập mã trực giao được sử dụng và mỗi người sử dụng được gán một mã trải phổ riêng. Các mã trải phổ này phải đảm bảo điều kiện trực giao sau đây:
1. Tích hai mã giống nhau bằng 1: ci×ci=1
2. Tích hai mã khác nhau sẽ là một mã mới trong tập mã: ci×cj=ck
Bảng 3.1. cho thấy ví dụ sử dụng bộ mã gồm tám mã trực giao: c0, c1, …, c7. Bảng 3.2 và 3.3 cho thấy ví dụ khi nhân hai mã giống nhau trong bảng 1 được 1 và nhân hai mã khác nhau trong bảng 3.1 ta được một mã mới..
Bảng 3.1. Thí dụ bộ tám mã trực giao C0 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 C1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 C2 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 C3 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 C4 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 C5 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 C6 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 C7 +1 -1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 Tb=15Tc Tb=15Tc Tb=15Tc Tb Tc Tc x(t) c(t) y(t) t t t b) Quá trình xử lý tín hiệu trong miền thời gian
Y(f) C(f) X(f) B=Rb f f f c) Quá trình xử lý tín hiệu trong miền tần số x y = c x Rb Ct Rc a) Sơ đồ trải phổ DSSS
Bảng 3.2. Thí dụ nhân hai mã giống nhau trong bảng 1 được một
C1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1
x x x x x x x x x
C1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1
C1 x C1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1
Bảng 3.3. Thí dụ nhân hai mã khác nhau trong bảng 1 được một mã mới trong tập 8 mã
C1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1
x x x x x x x x x
C3 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1
=C2 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1
Nếu ta xét một hệ thống gồm K người sử dụng được xây dựng trên cơ sở CDMA, thì sau trải phổ các người sử dụng này sẽ phát vào khơng gian tập các tín hiệu y như sau:
∑ ∑ (3.1)
Ta xét quá trình xử lý tín hiệu này tại một máy thu k. Nhiệm vụ của máy thu này là phải lấy ra xk và loại bỏ các tín hiệu khác (các tín hiệu này được gọi là nhiễu đồng kênh vì trong hệ thống CDMA chúng được phát trên cùng một tần số với xk). Nhân (3.1) với xk và áp dụng quy tắc trực giao nĩi trên ta được:
∑ (3.2)
Thành phần thứ nhất trong (3.2) chính là tín hiệu hữu ích cịn thành phần thứ hai là nhiễu của các người sử dụng cịn là nhiễu của các người sử dụng khác được gọi là MAI (Multiple Access Interferrence: nhiễu đa người sử dụng). Để loại bỏ thành phần thứ hai máy thu sử dụng bộ lọc tương quan trong miền thời gian kết hợp với bộ lọc tần số trong miền tần số. Hình 3.2 xét quá trình giải trải phổ và lọc ra tín hiệu hữu ích tại máy thu k trong một hệ thống CDMA cĩ K người sử dụng với giả thiết cơng suất phát từ K máy phát như nhau tại đầu vào máy thu k. Hình 3.2a cho thấy sơ đổ giải trải phổ DSSS. Hình 3.2b cho thấy phổ của tín hiệu tổng được phát đi từ K máy phát sau trải phổ, hình 3.2c cho thấy phổ của tín hiệu này sau giải trải phổ tại máy thu k và hình 3.2d cho thấy phổ của tín hiệu sau bộ lọc thơng thấp với băng thơng băng Rb.
Từ hình 3.2 ta thấy tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR: Signal to Interference Ratio) là tỷ số giữa diện tích hình chữ nhật được tơ đậm trên hình 3.2b và tổng diện tích các hình chữ
nhật trắng trên hình 3.2c: SIR=S1/S2. Tỷ số này tỷ lệ với tỷ số Rc/Rb. vì thế tỷ số Rc/Rb được gọi là độ lợi xử lý.
Hình 3.2. Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ K tín hiệu.