Sơ đồ khối máy phát của hệ thống Fast FH/SS

Tại máy phát, tín hiệu FSK cơ số hai x(t) được tạo ra từ luồng dữ liệu.

Trong khoảng thời gian mỗi bit x(t) có một trong hai tần số f’ và  f ' f  tương ứng với các bit dữ liệu 0, 1.

        cos 2 ' 0 cos 2 ' 1 f t bit x t f f t bit        

Tín hiệu này được trộn với tín hiệu y(t) từ bộ tổng hợp tần số. Cứ mỗi Th

giây, tần số của y(t) lại thay đổi theo các giá trị của J bit nhận được từ bộ tạo

chuỗi PN. Do có 2J tổ hợp của J bit nên ta có thể có tới 2J tần số được tạo ra bởi bộ tổng hợp tần số. Bộ trộn tạo ra tần số của tổng và hiệu, một trong hai tần số này được lọc nhờ bộ lọc BPF. Tín hiệu ra của bộ tổng hợp tần số trong đoạn nhảy thứ l như sau:   2 cos 2  g l l  l, h  1 h y t  A  f    i f b f t lT   t l T (2.11) Trong đó: il - Các số nguyên chẵn 0,2,...,2 2 j 1 l i   fg - Tần số không đổi  - Pha

Giả sử rằng tần số tổng cộng tại đầu ra của bộ trộn được đưa qua bộ lọc BPF. Tín hiệu lối ra của bộ lọc BPF trong bước nhảy thứ l là:

  cos 2  0 l l  l, h  1 h

s t  A  f    i f b f t lT   t l T (2.12) Với bl 0,1 là giá trị của dữ liệu trong khoảng thời gian lTh   t l 1Th và

'

0 g

f  f  f .

Bộ nhân tần với mục đích trải rộng thêm băng tần của hệ thống FH/SS. Tại máy thu, tín hiệu thu được trước hết được lọc bằng bộ lọc BPF có độ rộng băng tần bằng độ rộng băng tần của tín hiệu Fast FH/SS. Ta không cần khôi phục sóng mang vì ta sử dụng bộ giải điều chế không kết hợp. Sở dĩ ta không sử dụng bộ giải điều chế kết hợp vì với tốc độ nhảy tần cao, máy thu rất khó theo dõi được pha của sóng mang khi pha thay đổi ở mỗi đoạn nhảy. Bộ tạo mã tạo ra một chuỗi PN đồng bộ với chuỗi thu. Ở đoạn nhảy thứ l, lối ra của bộ tổng hợp tần số có dạng:

     '  

cos 2 g l l ; h 1 h

g t   f  i f t lT   t l T (2.13) Không tính đến nhiễu, thì lối vào bộ lọc băng rộng BPF là:

       '    

0

. cos 2 g l l .cos 2 l l l

g t s t  A  f  i f t  f    i f b f t (2.14) Bộ lọc băng hẹp BPF lọc bỏ thành phần tần số cao, chỉ giữ lại thành phần

tần số thấp. Nếu ký hiệu '

0 g

f  f  f thì lối vào của bộ giải điều chế FSK là:

        ' ' ' ' cos 2 0 2 cos 2 1 2 l l l l l l A f t b w t A f f t b                     (2.14)

Ta thấy rằng, lối ra của bộ thu chứa tần số '

f hoặc tần số  ' 

f  f Hz. Vì

bl không đổi trong thời gian một bit nên trong khoảng T giây này w(t) có tần số

không đổi. Như vậy trong thời gian T giây, bộ giải điều chế FSK tách tần số và tạo các mức logic “0”, “1”. Chúng ta cũng có thể tách tần số chứa trong w(t) cho

từng bước nhảy để nhận được các giá trị T/Th. Từ các giá trị này, sử dụng nguyên tắc đa số để quyết định bit dữ liệu là “0” hay “1”.

Bộ tạo mã PN BPF băng hẹp Bộ tổng hợp tần số BPF

băng rộng f ', 'f  f Giải điều chế FSK không kết hợp

s(t)+n(t) g(t) s(t) J bit b(t) w(t) Hình 2.11: Sơ đồ khối máy thu của hệ thống Fast FH-SS

Các đặc trưng của hệ thống FH-CDMA

Như với giao thức DS-CDMA, ta xét các đặc tính của giao thức FH- CDMA ở khía cạnh khả năng đa truy nhập, loại bỏ nhiễu đa đường, loại bỏ nhiễu băng hẹp, và xác suất thu trộm.

 Đa truy nhập: Trong giao thức F-FH, mỗi bit được truyền trong các dải tần

số khác nhau. Nếu người dùng ta quan tâm là duy nhất, phát đi trên hầu hết các dải tần số, thì công suất thu được của tín hiệu mong muốn sẽ lớn hơn rất nhiều công suất của nhiễu, và tín hiệu sẽ thu được chính xác. Trong giao thức S-FH, các bit đồng thời được truyền đi tại một tần số. Nếu xác suất của những người dùng khác phát tín hiệu tại cùng dải tần số này thấp hơn, thì người dùng ta quan tâm sẽ được ghi nhận chính xác trên hầu hết khoảng thời gian. Nếu khoảng thời gian này có nhiễu do người dùng khác gây can nhiễu, hệ thống sẽ sử dụng các mã sửa lỗi để thu lại tín hiệu dữ liệu đã truyền đi trong khoảng thời gian đó.

 Nhiễu đa đường: Trong giao thức F-FH CDMA, tần số sóng mang thay đổi

một vài lần trong suốt quá trình truyền đi một ký hiệu. Do đó, một tần số tín hiệu cụ thể sẽ được điều chế và truyền đi trên một vài tần số sóng mang. Hiệu ứng đa đường xảy ra khác nhau tại các tần số sóng mang khác nhau. Kết quả là, các tần số tín hiệu được khuếch đại tại một tần số sóng mang và bị suy giảm tại một tần số sóng mang khác và ngược lại. Tại nơi thu, sẽ lấy trung bình các đáp ứng tại các tần số nhảy khác nhau, do đó sẽ giảm được nhiễu đa đường. Điều này không có hiệu quả tốt như việc loại bỏ nhiễu đa đường trong hệ thống DS-CDMA nhưng nó vẫn cải thiện chất lượng truyền tín hiệu.

 Nhiễu băng hẹp: Giả sử rằng một tín hiệu băng hẹp gây can nhiễu tại một

trong các tần số nhảy. Nếu có Gp tần số nhảy (với Gp là độ lợi xử lý), thì người dùng mong muốn (trên trung bình) sử dụng tần số nhảy bậc tại nơi có nhiễu cục bộ là 1/Gp phần trăm của toàn dải thời gian. Do vậy, nhiễu này sẽ suy giảm theo hệ số Gp.

 LPI: Khó khăn trong việc thu trộm một tín hiệu FH không ở chỗ công suất

phát thấp của tín hiệu này. Trong khi phát, nó dùng công suất tính trên 1 Hz giống như tín hiệu liên tục. Tuy nhiên, tín hiệu được phát tại tần số không biết trước và thời gian phát tại một tần số cụ thể là khá nhỏ. Do đó, mặc dù tín hiệu này thu trộm dễ hơn tín hiệu DS thì nó vẫn là một nhiệm vụ thực hiện khá khó khăn.

Ưu nhược điểm của hệ thống FH-CDMA

Ngoài một số các đặc tính đã đề cập ở trên, giao thức FH-CDMA còn có một số các đặc tính riêng mà ta có thể chia ra thành các ưu, nhược điểm như sau:

 Ưu điểm:

- Việc đồng bộ hóa với tín hiệu FH-CDMA dễ thực hiện hơn nhiều so với tín hiệu DS-CDMA. Với hệ thống FH-CDMA, việc đồng bộ phải thực hiện trong một phần của thời gian nhảy. Do thực hiện trải phổ không phải bằng cách dùng một tần số nhảy lớn, mà dùng một tập hợp lớn các bước nhảy, nên thời gian thực hiện bước nhảy sẽ lớn hơn rất nhiều so với chu kỳ chip của hệ thống DS-CDMA. Do đó, hệ thống FH-CDMA cho phép xảy ra một lỗi đồng bộ lớn hơn.

- Tín hiệu FH có thể chiếm các dải tần số khác nhau không liền kề nhau, bởi vì ta có thể tạo ra tần số tổng hợp có thể bỏ qua một vài phần nào đó của phổ. Cùng với việc đồng bộ hóa dễ dàng, điều này cho phép dải thông của hệ thống rộng hơn rất nhiều dải thông hệ SS.

- Do FH-CDMA là hệ thống phòng tránh, nên xác suất nhiều người dùng đồng thời truyền tín hiệu trong cùng một dải tần số tại cùng một thời điểm là rất thấp. Trạm gốc vẫn có thể thu được tín hiệu của người dùng ở xa nó ngay cả khi những người dùng gần trạm gốc đang phát tín hiệu, là do những người dùng này có thể đang phát tín hiệu tại các tần số khác. Do đó, hiệu năng gần-xa của hệ FH- CDMA tốt hơn của hệ DS.

- Bởi vì có thể sử dụng một hệ thống FH mà dải thông có thể rộng hơn, nên có thể giảm nhiễu băng hẹp nhiều hơn so với hệ thống DS.

 Nhược điểm:

- Cần có bộ tổng hợp tần số phức tạp.

- Sự thay đổi đột ngột của tín hiệu khi các dải tần số thay đổi sẽ dẫn tới việc chiếm dải tần số tăng. Để tránh hiện tượng đó tín hiệu phải đóng và mở khi tần số thay đổi.

- Rất khó thực hiện giải điều chế kết hợp do việc duy trì mối quan hệ về pha trong suốt thời gian thực hiện bước nhảy.

2.2.3 Hệ thống nhảy thời gian – TH

Hệ thống 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% hiệu suất truyền dẫn tính trung bình. Sự khác nhau so với hệ thống FH-CDMA là trong khi tần số truyền dẫn biến đổi theo thời gian chip đối với hệ FH thì sự dịch chuyển tần số chỉ xảy ra trong trạng thái dịch chuyển dãy mã đối với hệ TH. Hình 2.12 là sơ đồ khối của một 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 sử dụng bộ điều chế TH.

Bộ tạo mã Bộ tạo sóng mang Bộ giải điều chế dữ liệu Vào chậm Ra nhanh Bộ đệm a) Máy thu s(t)   sin 2 c A  f t b(t) c(t) Bộ điều chế dữ liệu Bộ tạo sóng mang Vào chậm Bộ tạo mã Dữ liệu Ra nhanh Bộ đệm b) Máy phát b(t) c(t) s(t)   sin 2 c A f t

Hệ thống TH có thể làm giảm giao diện giữa các hệ thống trong hệ thống ghép kênh theo thời gian và vì mục đích này, hệ thống yêu cầu thời gian chính xác nhằm tối thiểu hóa thời gian nghỉ giữa các máy phát.

Do hệ thống TH dễ bị ảnh hưởng bởi giao thoa nên cần sử dụng hệ thống tổng hợp giữa các hệ thống này với hệ thống FH để loại trừ giao thoa có khả năng gây nên suy giảm lớn đối với tần số đơn.

Trong giao thức TH-CDMA, tín hiệu dữ liệu được phát đi thành các cụm bùng nổ nhanh tại một vài khoảng thời gian xác định bởi mã gán cho mỗi người dùng, mỗi cụm gồm k bit dữ liệu. Trục thời gian được phân chia thành các khung dài Tf giây, mỗi khung được chia thành J khe thời gian. Trong suốt một khung,

người dùng có thể phát k bit dữ liệu trên 1 khe trong J khe thời gian. Khe thời

gian được dùng trong J khe thời gian để phát tín hiệu phụ thuộc vào tín hiệu mã

hóa phân chia cho từng người dùng. Mỗi bit chỉ chiếm T0=Ts/k giây trong suốt

quá trình truyền. Khoảng thời gian một bit là T, Tf=kT. Vì mỗi người dùng phát

đi tất cả dữ liệu của họ trong 1 khe thời gian thay cho việc phát tín hiệu trong J

khe thời gian, nên tần số mỗi người dùng cần để phát tín hiệu sẽ tăng lên một hệ số J. Hình 2.13 biểu diễn đồ thị thời gian – tần số của hệ thống TH-CDMA. So

sánh hình 2.13 và hình 2.8 ta thấy rằng, giao thức TH-CDMA sử dụng toàn bộ phổ băng rộng với các khoảng thời gian ngắn thay cho việc sử dụng các phần của phổ trong tất cả các khoảng thời gian.

Tần số

Thời gian Khe thời gian

Khung

Về mặt định lượng, nếu các bit dữ liệu đưa đến bộ phát là bi (i là số nguyên) thì tín hiệu TH/SS có thể cho bởi biểu thức:

  0  1 0 0 k TH l ik T f i s i l s t   b p t iT a T lT         (2.15) Trong đó:   0 T

p t - Xung chữ nhật có độ lớn đơn vị trong T0 giây

ai - Số khe thời gian, là các số giả ngẫu nhiên được xác định nhờ J bit của chuỗi PN (J=2j) ai0,1,...,J 1

i - Khung thứ i

l - Số bit trong mỗi cụm, l=0,1,…,k-1

Các đặc trưng của hệ thống TH-CDMA

Như với giao thức CDMA, ta xét các đặc tính của giao thức TH-CDMA ở khía cạnh khả năng đa truy nhập, loại bỏ nhiễu đa đường, loại bỏ nhiễu băng hẹp, và xác suất thu trộm.

 Đa truy nhập: Khả năng đa truy nhập của tín hiệu TH-SS cũng giống như

của tín hiệu FH-SS, cụ thể là, bằng cách tạo ra xác suất của nhiều người dùng phát tín hiệu ở cùng một dải tần số, tại cùng một khoảng nhỏ thời gian. Trong trường hợp TH, tất cả đều phát tại cùng một dải tần số nên xác suất nhiều hơn một người phát tín hiệu tại cùng một thời điểm là rất nhỏ. Kết quả này cũng thu được nếu phân chia các mã khác nhau cho nhiều người dùng khác nhau. Nếu xảy ra việc cùng phát đi nhiều tín hiệu đồng thời thì các mã sửa lỗi chắc chắn sẽ giúp ta thu lại được các tín hiệu mong muốn. Nếu có sự đồng bộ giữa những người dùng và các mã phân chia sao cho không có nhiều hơn một người dùng phát tín hiệu tại một thời điểm cụ thể, thì giao thức TH-CDMA thay đổi thành giao thức TDMA trong đó các khe thời gian giành cho một người dùng phát tín hiệu không cố định mà sẽ thay đổi từ khung này đến khung kia.

 Nhiễu đa đường: Trong giao thức TH-CDMA, tín hiệu phát đi trong thời

gian rút gọn (reduce time), do vậy tốc độ tín hiệu tăng lên và do các tín hiệu tán sắc nên sẽ dẫn tới hiện tượng các bit kề nhau chồng lên nhau (overlap). Do vậy, loại bỏ nhiễu đa đường không phải là một ưu điểm của giao thức này.

 Nhiễu băng hẹp: Một tín hiệu được phát đi trong thời gian rút gọn. Sự rút

gọn này bằng 1/Gp (Gp là độ lợi xử lý). Tại nơi thu, ta chỉ thu được một tín hiệu gây nhiễu trong suốt quá trình thu các tín hiệu mong muốn. Do đó, ta chỉ thu

được tín hiệu nhiễu trong 1/Gp phần trăm thời gian, công suất nhiễu giảm số lần bằng hệ số Gp.

 LPI: Với hệ thống TH-CDMA, một người dùng phát đi tín hiệu tại một tần

số xác định, nhưng lại phát tín hiệu tại một thời điểm chưa biết, và khoảng thời gian phát tín hiệu rất ngắn. Đặc biệt, khi đồng thời nhiều người dùng cùng phát tín hiệu, thì rất khó để bộ thu trộm phân biệt được điểm bắt đầu và kết thúc của quá trình truyền và khó xác định được quá trình truyền tín hiệu này phụ thuộc vào người dùng nào.

Ưu nhược điểm của hệ thống TH-CDMA

Ngoài một số các đặc tính đã đề cập ở trên, giao thức TH-CDMA còn có một số các đặc tính riêng có thể chia thành các ưu, nhược điểm như sau:

 Ưu điểm

- Việc thực hiện giao thức TH-CDMA đơn giản hơn giao thức FH-CDMA. - Đây là một phương pháp rất hữu dụng đối với bộ phát có công suất trung bình hữu hạn nhưng công suất đỉnh không hữu hạn do dữ liệu được truyền đi thành từng cụm ngắn với công suất cao.

- Cũng như với giao thức FH-CDMA, vấn đề gần-xa là một vấn đề rất nhỏ vì TH-CDMA là hệ thống phòng tránh, có nghĩa là hầu hết thời gian một thiết bị đầu cuối ở xa trạm gốc có thể phát tín hiệu một mình và không bị các trạm ở gần khác cản trở.

 Nhược điểm

- Việc đồng bộ mã mất thời gian dài, trong khi đó thời gian ở bộ thu thực hiện việc đồng bộ đòi hỏi ngắn.