T ng quan v thụng tin di ổề động
1.1. tng quan v cỏch th ng thụng tin di ệố động
Trong đú: BW: Độ rộng băng tần (Hz) C: Dung lượng kờnh S: Cụng suất tớn hiệu N: Cụng suất tạp õm
Phương trỡnh (1.1) đưa ra mối quan hệ giữa khả năng theo lý thuyết của kờnh để truyền thụng tin khụng cú lừi đối với SNR đó cho và băng tần đó cho của kờnh. Dung lượng kờnh được ătng độ rộng băng tần kờnh, cụng suất truyền hoặc cả hai.
Một hệ thống tổ ong tương tự thường cú SNR 17dB hoặc lớn hơn. Hệ thống CDMA được thiết kế hoạt động SNR nhỏ hơn bởi vỡ độ rộng băng tần của kờnh
Thụng tin cú thể được điều chế trong tớn hiệu trải phổ bằng nhiều phương phỏp. Phương phỏp phổ biến nhất là cộng thụng tin với mó trải phổ trước khi nú được dựng cho điều chế tần số súng mang (hỡnh 1.4). Kỹ thuật này ỏp dụng cho bất kỳ hệ thống trải phổ nào dựng một chuỗi mó để xỏc định độ rộng băng tần RF. Nếu tớn hiệu phỏt đi là tương tự (thớ dụ tiếng núi), tớn hiệu phải được số hoỏ trước khi cộng vào mó trải phổ.
Hỡnh 2.6: Bộ phỏt hệ thống DS - SS
* Tăng ớch xử lý của hệ thống.
Một trong những lợi ớch chớnh với hệ thống SS là khả năng chống nhiễu. Tăng ớch xử lý hệ thống (Gp) xỏc định mức độ của việc loại bỏ nhiễu.
Tăng ớch xử lý được định nghĩa:
Gp = Độ rộng băng tần của tớn hiệu SS/độ rộng băng tần của bản tin.
Đơn vị Gp là dB. Tăng ớch xử lý cho thấy tớn hiệu bản tin phỏt được trải phổ bao nhiờu lần bởi hệ thống trải phổ. Đõy là một thụng số chất lượng quan trọng của một hệ thống SS, vỡ Gp cao thường cú nghĩa là khả năng chống nhiễu tốt hơn. Thường Gp = 20 – 60 dB.
2.2.4. Hệ thống DSSS
Hệ thống DSSS là một hệ thống băng rộng trong đú toàn bộ băng tần của hệ thống cú thể dựng cho mỗi người dựng. Một hệ thống được định nghĩa là một hệ thống DSSS nếu nú thoả món những yờu cầu sau:
- Tớn hiệu được phỏt chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phỏt thụng tin.
- Trải phổ được thiết bị bằng một mó độc lập với số liệu.
- ở mỏy thu, nộn phổ hoàn thành bởi sự tương quan chộo của tớn hiệu trải phổ thu được với một bản sao đó đồng bộ nh của phớa phỏt.
Sơ đồ khối mỏy phỏt và thu BPSK (a) Mỏy phỏt
Hỡnh 2.7: Sơ đồ mỏy phỏt BPSK
(b) Mỏy thu
Hỡnh 2.8: Sơ đồ mỏy thu BPSK
+ Với mỏy phỏt: biểu diễn số liệu hay bản tin nhận cỏc giỏ trị ± 1 nh sau: (1.3)
b(t) được trải phổ bằng cỏc tớn hiệu PN, c(t) bằng cỏch nhõn 2 tớn hiệu này với nhau. Tớn hiệu nhận được b(t). c(t) sau đú sẽ điều chế cho súng mang sử dụng BPSK, cho ta tớn hiệu DSSS – BPSK xỏc định theo cụng thức sau:
S(t) = Ab(t). c(t). cos(2πfct + θ) (1.4)
Trong đú A là biờn độ, fc là tần số súng mang, θ là pha của súng mang Mỏy thu: Mục đớch của mỏy thu là lấy ra bản tin b(t) (số hiệu {bi}) từ tớn hiệu thu được bao gồm tớn hiệu được phỏt cộng với tạp õm. Do tồn tại trễ truyền làn τ nờn tớn hiệu thu là:
Trong đú n(t) là tạp õm của kờnh và đầu mỏy thu. Để giải thớch quỏ trỡnh khụi phục lại bản tin ta giả thiết rằng khụng cú tạp õm. Trước hết tớn hiệu thu được trải phổ để giảm băng tần rộng và băng tần hẹp. Sau đú giải điều chế để nhận được tớn hiệu băng gốc. Để trải phổ tớn hiệu thu được nhõn với tớn hiệu đồng bộ PN c(t-τ) được tạo ra ở mỏy thu, ta được:
=
Vỡ c(t) = ± 1 trong đú θ’ = θ - 2 πfcτ. Tớn hiệu nhận được là một tớn hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần là 2/T. Để giải điều chỊ ta giả thiết rằng mỏy thu biết được ta phỏt θ’ (và tần số fc) cũng như điểm khởi đầu của từng bit. Một bộ giải điều chế BPSK bao gồm một bộ tương quan đi sau là một thiết bị giỏ ngưỡng. Để tỏch ra bit số liệu thứ i, bộ tương quan tớnh toỏn:
=
=
Cụng thức 1.7
Trong đú ti = iT + τ là thời điểm của bớt thứ i. Vỡ b(t - τ) là ± 1 trong thời gian một bit. Thành phần thứ nhất của tớch phõn sẽ cho ta T hoặc – T. Thành phần thứ hai là thành phần nhõn đụi của tần số nờn sau tớch phõn gần bằng 0. Vậy kết quả cho zi = AT/2 hay –AT/2. Cho kết quả này qua bộ đỏnh giỏ ngưỡng
(hay bộ so sỏnh) với ngưỡng 0, ta được đầu ra cơ số hai 1 (logic “1”) hay –1 (logic “0”). Ngoài thành phần tớn hiệu ±AT/2, đầu ra của bộ tớch phõn cũng cú thành phần tạp õm gõy ra lỗi.
2.2.5. Cỏc hệ thống DSSS-QPSK
Sơ đồ mỏy thu và mỏy phỏt DSSS – BPSK như sau: Mỏy phỏt:
Hỡnh 2.9 : Mỏy phỏt
Mỏy thu
Hỡnh 2.10 : Mỏy thu
Chuỗi giả ngẫu nhiờn.
Trong hệ thống cmda, chuỗi giả ngẫu nhiờn (PN) được sử dụng để:
Trải rrộng băng thụng của tớn hiệu điều chế sang băng thụng truyền dẫn rộng hơn
Phõn biệt cỏc tớn hiệu sử dụng khỏc nhau cựng chung một băng thụng
W2(t) s(t-τ) C1(t-τ) W1(t) C1(t-τ) -sin(2πfc+ θ) ) -sin(2πfc+θ ) ) + u1(t) u2(t) u1(t) + - 1 hay -1 ( ) i b i t t t dt + ∫
truyền dẫn trong hệ thống đa truy nhập.
Chuỗi PN khụng phải là chuỗi ngẫu nhiờn mà là chuỗi xỏc định và tuần hoàn. Cú 3 chỉ tiờu cơ bản ỏp dụng cho chuỗi PN: tớnh cõn đối, tớnh chạy và tớnh tương quan.
Tớnh cõn đối: trong một chu kỳ của chuỗi, bit 1 và bit 0 khỏc nhau nhiều nhất 1 đơn vị
Tớnh chạy: mỗi bước chạy là một dóy cỏc bit cựng loại (cựng 0 hoặc cựng 1). Sự xuất hiện cỏc bit khỏc loại là một bước chạy mới. Trong một chu kỳ, số cỏc bước chạy cú độ dài 1 bằng 1/2 tổng số bứơc chạy trong một chu kỳ, số bước chạy cú độ dài bằng 1/2, số bước chạy cú đụ dài là 3 bằng 1/8 tổng số bước chạy…
Tớnh tương quan: nếu một chu kỳ của dóy được so sỏnh theo kiểu số hạng với số hàng bất cứ dóy nào mà là hcính dóy đú nhưng bị dịch đi, dóy cú tớnh tương quan tốt nếu cỏc số hạng phự hợp chờnh lệch với cỏc số hạng khụng phự hợp khụng quỏ một chỉ số đếm.
Chuỗi PN được lấy từ cỏc đầu ra của bộ ghi dịch cú hồi tiếp. Một bộ ghi dịch cú hồi tiếp bao gồm cỏc phần tử nhớ – dịch và bộ hồi tiếp logic. Chuỗi nhị phõn đi qua bộ ghi dịch nhờ xung nhịp. Nội dung của từng phần tư nhớ được kết hợp logic để tạo ra tớn hiệu vào cho phần tử nhớ đầu tiờn. Nội dung ban đầu của cỏc phần tư nhớ và bộ hồi tiếp logic xỏc định nội dung kế tiếp của cỏc phần tư nhớ. Một bộ ghi dịch cú hồi tiếp được gọi là tuyến tớnh khi bộ hồi tiếp logic cộng module 2.
2.2.6. Mó hoỏ thoại và mó hoỏ kờnh 1.4.2.6.1. Mó hoỏ thoại
a. Thuật toỏn dự đoỏn tuyến tớnh kớch hợp theo mó (CELP)
Cỏc kỹ thuật mó hoỏ PCM và ADPCM trước đõy hoạt động trong miền thời gian. Khụng cú một cỏi gỡ được tạo ra để hiểu hoặc phõn tớch thụng tin gửi đi. Để đạt được tốc độ mó hoỏ thấp hơn, sử dụng kỹ thuật loại bỏ phần dư trong miền tần số. Thuật toỏn mó hoỏ tớn hiệu trong miền tần số phõn tớch tớn hiệu thoại thành những thành phần cú tần số và biờn độ khỏc nhau. Bộ mó hoỏ theo miền tần số là hệ thống tương đối phức tạp và hoạt động tốt ở tốc độ bit trung bỡnh (16 Kbps). Khi thiết kế để hoạt động ở phạm vi từ 4,8 tới 9,6 Kbps thỡ độ phức tạp tăng lờn đỏng kể.
Một cấp độ khỏc của kỹ thuật mó hoỏ thoại bao gồm những thuật toỏn gọi là Vocoder, trong đú mụ tả cấu trỳc của tớn hiệu thoại với một vài thụng số độc
lập. Những thụng số này cú được qua phõn tớch tớn hiệu núi trong dải õm tần, nhờ đú cú thể mó hoỏ thoại thành những bản tin để gửi đi phớa thu. Phớa thu phõn tớch qua những bản tin nhận được để tỏi tạo lại tớn hiệu thoại.
Quỏ trỡnh mó hoỏ hoạt động như sau: vocoder sẽ xe, tớn hiệu thoại được tạo ra từ cỏc bộ phỏt – lọc cú sắp đặt. Tớn hiệu thọai cú được nhờ kớch hoạt thoại cỏc bộ phỏt – lọc với mỗi một xung tuần hoàn (mụ phỏng khoảng thời gian bắt đầu và kết thỳc thoại). Vocoder xử lý tớn hiệu vào thụng qua bộ xử lý tiếng núi và một tập cỏc bộ phỏt – lọc để mó hoỏ và phỏt tớn hiệu. Tại phớa thu, tớn hiệu được giải mó và qua bộ tổng hợp tiếng núi phự hợp với tiếng núi ban đầu.
Vocoder là hệ thống cú độ phức tạp trung bỡnh và hoạt động với tốc độ bit thấp, tiờu chuẩn là 2,4 kbps. Chất lượng thoại thấp do hai nguyờn nhõn: sự đơn giản hoỏ xử lý tiếng núi đến quỏ mức và giả thiết cỏc nguồn phỏt – lọc là độc lập tuyến tớnh.
Với tốc độ 5kbps đến 16kbps, bộ mó hoỏ lại kết hợp kỹ thuật mó hoỏ tần số và kỹ thuật vocoder tạo ra chất lượng tốt. Mó hoỏ dự đoỏn tuyến tớnh kớch
hoạt phần dư (RELP) là hệ thống lai đơn giản cho mó hoỏ chất lượng thoại tiờu
chuẩn với một số bộ xử lý số tớch hợp. RELP tuỳ thuộc vào một cấp độ mó hoỏ được biết là mó hoỏ phõn tớch – tổng hợp dựa trờn mó dự đoỏn tuyến tớnh (LPC)
Loại bỏ DC Cửa số hamming Hệ số tương quan Xỏc định hệ số LPC điều chỉnh hệ số LPC Chuyển đổi hệ số LPC-LSP Chuyển đổi tần số LPC mó LSP Chuyển A/D Tớn hiệu thoại Mó LSI
Hỡnh 2-8: Mó hoỏ CELP cho LSP
CDMA sử dụng một kiểu RELP gọi là dự đoỏn tuyến tớnh kớch hoạt mó dự đoỏn tuyến tớnh (CELP).
b. Thuật toỏn mó hoỏ nõng cao tốc độ biến đổi (EVRC)
Kỹ thuật mó hoỏ thoại sử dụng thuật toỏn mó hoỏ nõng cao tốc độ biến đổi (EVRC) làm giảm số lượng bit yờu cầu cho cỏc hệ số nhõn dự đoỏn tuyến tớnh và sự tổng hợp õm thanh cung cấp cho bộ mó phỏt tớn hiệu. Vỡ vậy mà EVRC cú chất lượng tốt hơn CELP.
Khụng giống nh mó hoỏ CELP truyền thống, EVRC khụng cố gắng đạt tới tớn hiệu thoại ban đầu một cỏch chớnh xỏc mà chỳ ý vào thời gian của phổ tiếng núi dư phự hợp với õm thanh đó đơn giản hoỏ. Đường õm thanh này đạt được nhờ việc tớnh toỏn độ trễ õm sắc tại mỗi khung thời gian và việc đưa thờm vào cỏc õm sắc từ khung này sang khung kia. Kết quả là chất lượng õm thanh cho mỗi bit truyền đi sẽ cao hơn. Sự thể hiện cỏc õm sắc đó đơn giản hoỏ cũng để lại nhiều bit trong mỗi gúi phục vụ cho việc kớch hoạt và bvj kờnh. Kết quả là cỏc lỗi tham gia vào quỏ trỡnh xử lý khụng ảnh hưởng đến chất lượng thoại và giảm xuống mức thấp nhất. Ngoài ra EVRC cũn nõng cao chất lượng bằng việc loại bỏ tạp õm nền.
Thuật toỏn EVRC được dựa trờn thuật toỏn CELP. Nú sử dụng thuật toỏn dự đoỏn tuyến tớnh kớch hoạt theo mó giảm nhẹ (RCELP) và vỡ thế chỳ ý tớn hiệu dư mà hướng vào thời gian của phổ tiờng núi dư phự hợp với đường õm thanh đó đơn giản hoỏ. Điều này làm giảm số lượng bit trờn khung thời gian sử dụng cho việc thể hiện cỏc õm sắc cho phộp cỏc bit cũn lại sử dụng cho việc kớch hoạt bảo vễ kờnh. Thuật toỏn EVRC phõn 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. Mó hoỏ kờnh.
Mó hoỏ kờnh được sử dụng để làm giảm tư số Eb/N0 (dB) sao cho đạt được đến một xỏc suất lỗi xỏc định của hệ thống mà hoỏ so với hệ thống khụng mó hoỏ với cựng kiểu điều chế và cú cựng đặc điểm kờnh truyền. Quỏ trỡnh mó hoỏ kờnh được chia làm hai giai đoạn: mó hoỏ khối và mó hoỏ xoắn.
Mó hoỏ khối cú nhiều loại bao gồm mó hoỏ khối tuyến tớnh, mó hoỏ vũng nhị phõn và mó hoỏ Bose – Chadhushi – Hocquenghem (BHC). Mó vũng nhị phõn cũn gọi là mó kiểm tra phần dư (CRC). Mó BCH là một dạng mó CRC đặc
biệt, mó BCH được thể hiện bởi cỏc giỏ trị (n, k, q) trong đú k bit được miờu tả trờn n bit đầu ra (n > k) và q là năng lực sửa lỗi. Vớ dụ mó BHC (15, 7, 2) phỏt 7 bit thụng tin sử dụng từ mó 15 bit cú thể sửa 2 lỗi trong mỗi từ mó.
Mó hoỏ xoắn được tạo ra khi đưa tớn hiệu vào qua bộ ghi dịch. Bộ ghi dịch bao gồm k trạng thỏi và m hàm đại số tuyến tớnh. Số lượng bit ra cho mỗi k bit số liệu đầu vào là n. Tốc độ mó r = k/n. Thụng số k được gọi là độ dài bắt buộc và thụng số này chỉ định số lượng bit đầu vào.
Năng lực sửa lỗi của bộ mó hoỏ xoắn tăng lờn khi tư số giảm r giảm. Tuy nhiờn, độ rộng băng tần của kờnh và độ phức tạp của giải mó sẽ tăng lờn với giỏ trị k. Tỏc dụng của tư số mó hoỏ thấp khi sử dụng mó hoỏ xoắn với kết cấu khoỏ dịch pha (PSK) là tư số Eb/N0 giảm, cho phộp phỏt dữ liệu tốc độ cao với một cụng suất cho trước hoặc giảm cụng suất phỏt với tốc độ dữ liệu cho trước. Những nghiờn cứu mụ phỏng chỉ ra rằng với một chuỗi bắt buộc cố định thỡ việc giảm tư số mó hoỏ 1/2 xủng 1/3 sẽ làm giảm tư số Eb/N0 xuống khoảng 0,4dB. Tuy nhiờn độ phức tạp chỉ khi giải mó sẽ tương ứng tăng lờn 17%. Với một giỏ trị tư số mó hoỏ nhỏ hơn thỡ độ phức tạp sẽ cũn tăng lờn nhiều hơn nữa.
Trong chuẩn IS-95, khung dữ liệu hướng đi và hướng vè được đưa vào bộ mó hoỏ xoắn Viterbi. Cả hai bộ mó hướng đi về đều sử dụng ghi dịch 8 bit với độ dài bắt buộc là 9. Tư số mó hoỏ hơnứg đi là 1/3 tức là đưa ra 3 bit đầu ra ứng với mỗi bit đầu vào. Tại tốc độ 9,6kpbs, tốc độ bit đầu ra được lặp lại để đưa số lượng bit trong một khung thời gian 20ms là 575biy, với tốc độ tổng là 28,8kbps. Tư số 9,6kbps, tốc độ bit đầu ra được lặp lại để đưa số lượng bit trong một khung thời gian 20ms là 384 bit, với tốc độ tổng là 19,2 kbps.
2.2.7.Dung lượng của hệ thống CDMA.
Xột một hệ thống CDMA đơn ô, số mỏy di động đang phỏt đồng thời ở cựng một tần số. ở đõy mỗi mỏy di động được cấp một chuỗi PN duy nhất, cho:
P = Cụng suất súng mang Eb = Năng lượng mỗi bit
Bc = Độ rộng băng tần tớn hiệu trải phổ R = Tốc độ bit thụng tin
I = Cụng suất do nhiễu Ta cú:
Bởi vậy
ở đõy Gp là độ rộng băng tần RF chia cho tốc độ bit thụng tin. Trong hệ thống CDMA, tớn hiệu được điều chế khoỏ dịch pha cầu phương QPSK cú độ rộng băng tần RF xấp xỉ bằng tốc độ chip. Núi một cỏch khỏc, nếu Rchip là tốc độ chip thỡ Bc = Rchip và trong trường hợp này Gp = Rchip/R gọi là tăng ớch xử lý. Với một tư lệ lỗi bit cho trước thỡ Eb/N0 khụng thay đổi. Do đú, tăng ớch xử lý lớn thỡ nhiễu cho phộp lớn.
Nếu cú N mỏy phỏt, tất cả đang phỏt ở cựng một cụng suất và sử dụng cựng một tốc độ chip thỡ:
I = (I – 1).P
⇒
Hay (1.8)
Từ đõy ta thấy tăng ớch xử lý càng lớn thỡ dung lượng N càng lớn với tư lệ lỗi bit cố định.
Cụng suất nhận được từ phương trỡnh (1.8) chỉ trong điều kiện lý tưởng. Trong trường hợp thực tế, nú cú thể giảm đỏng kể bởi nhiều lý do. Thớ dụ, dung lượng sẽ giảm nếu điều khiển cụng suất khụng hoàn hoả. Tương tự trong một hệ