e. Số bít cùn gA và số bít khá cD khi dãy PN7 dịch một bít
2.8. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TRONG CDMA
2.8.1. Phương pháp điều chế và giải điều chế khóa dịch tần số FSK
Đối với phương pháp điều chế này, người ta thay đổi tần số sóng mang theo dải tín hiệu số cần truyền đi. Khi truyền dẫn tín hiệu số nhị phân, tần số sóng
mang được thay đổi thành f0 (tần số thấp) và f1 (tần số cao) tương ứng với hai giá
trị “0” và “1” của luồng số vào.
Trong FSK, biên độ của sóng mang không thay đổi trong quá trình điều chế nên không gây lãng phí công suất và tạo khả năng loại trừ đối với tạp âm. Hệ thống FSK có tỉ lệ lỗi ít hơn ASK và giá trị C/N nhỏ.Tuy nhiên hệ thống FSK không hiệu quả bằng hệ thống PSK về mặt công suất và độ rộng băng sử dụng. 2.8.1.1. Sơ đồ khối bộ điều chế FSK
Bộ điều chế FSK thực chất là một bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO. Luồng tín hiệu vào được đưa qua bộ chuyển đổi mức logic thành các mức điện áp để điều khiển bộ VCO tạo ra sóng mang thay đổi theo mức điện áp đầu vào. Đầu ra (FSK) Đầu vào VCO
Hình 2.23: Sơ đồ khối của bộ điều chế FSK
Tín hiệu FSK cần tạo ra là tín hiệu sóng mang ở đầu ra có tần số thay đổi theo luồng tín hiệu số vào. Với sơ đồ trên, dạng tín hiệu đầu ra FSK như sau:
S(t)=Vc* Cos[(ωc ±∆ω/2)t]
Với: ωc - tần số sóng mang trung tâm.
∆ω/2 - Độ di tần tỉ lệ với biên độ và cực tính của tín hiệu nhị phân ngõ vào.
bit 1 là +V, bit 0 là -0V tạo nên độ di tần tương ứng là +∆ω/2 và-∆ω/2.
2.8.1.2. Sơ đồ khối bộ giải điều chế FSK
Hình 2.24: Sơ đồ khối của bộ giải điều chế FSK 2.8.1.3. Đặc điểm
Do hệ thống CDMA thực hiện truyền qua môi trường vô tuyến, nên việc sử dụng tần số phải bảo đảm theo quy hoạch. Vì thế, điều chế FSK ít được dùng trong thông tin vô tuyến, nhưng nó có thể kết hợp với điều chế mã để tạo ra tính năng hữu dụng của nó. Ở đây, do thực hiện truyền qua môi trường vô tuyến nên mọi phương pháp tách sóng phải thực hiện theo phương pháp tách sóng không liên kết là nhiều hơn tách sóng liên kết.
• Giải điều chế FSK liên kết
Đối với phương pháp này, người ta căn cứ vào tín hiệu thu được để khôi phục sóng mang(đồng bộ sóng mang). Loại tách sóng này ít dùng trong thực tế, do khó khăn trong việc liên kết tần số. Khoảng cách biệt tần số tối thiểu hay độ
di tần đỉnh tới đỉnh cực tiểu là: 2fd, khi trực giao (tương quan chéo bằng 0) với
tách sóng kết hợp là: 2fd = rb/2 (với rb là tốc độ bit tiêu chuẩn hóa) và xác suất lỗi
Pe xác định theo công thức sau:
PeFSK = ½ erfc[(1/2)* (W/rb)* (C/N)]1/2
FSK nếu so sánh với PSK về mặt xác suất lỗi thì ta thấy rằng xác suất lỗi bằng nhau nếu như công suất sóng mang của FSK tăng thêm 3dB. FSK kết hợp 99% độ rộng băng tần yêu cầu tuân theo quy luật Carlson, tức là 2 băng 2 lần di tần đỉnh đến đỉnh cộng với hai lần tần số điều chế cao nhất nếu tần số điều chế cao nhất được tính từ 0, có thể xem bằng một nữa độ rộng băng trung tần W. Độ di tần đỉnh tới đỉnh chia hết cho tần số điều chế cao nhất được định nghĩa là chỉ số điều chế m và có thể xem là độ di tần đỉnh tới đỉnh chia hết cho độ rộng băng W, và 99% độ rộng băng tần truyền dẫn là 2(1+m)W. Đối với phương pháp điều
chế FSK kết hợp thì có độ di tần càng nhỏ càng tốt và xác suất lỗi Pe cũng là một Đầu ra Đầu vào FSK PD LPF AP VCO
hàm của độ di tần. Giảm độ di tần, Pe sẽ tăng lên. Giá trị tối ưu của độ di tần được xác định xấp xỉ bằng 0,7.
• Giải điều chế FSK không liên kết
Phổ tần của điều chế FSK khi độ di tần từ đỉnh tới đỉnh là 2fd=krb (k là số
nguyên) có các tần số sóng mang f0 - fd và f0 + fd.Từ phổ tần này, ta có thể dễ
dàng tách ra tín hiệu mang tin nhờ hai bộ lọc băng thông với tần số trung tâm là
f0 –fd và f0 + fd. Khi tần số sóng mang và tốc độ bit có quan hệ đơn trị như f0
=nrb, thì có nghĩa là sóng mang có quan hệ với tốc độ bit của tín hiệu mang tin.
Tách sóng không liên kết sẽ là phương pháp thích hợp nhất trong việc truyền dẫn ở môi trường vô tuyến như trong thông tin di động CDMA (phương pháp thông dụng nhất).
Xác suất lỗi Pe được xác định như sau:
Pe = ½ exp[(1/2)* (W/rb)* (C/N)]
Nó có thể có giá trị sau chỗ bộ tách sóng hình bao, khoảng cách tần số 2fd
phải có giá trị ít nhất là 1/T (m≥1). Ta có thể dùng bộ tách sóng tần số để chuyển những biến thiên tần số thành những biến thiên biên độ sao cho tách sóng hình bao điều biên có thể thực hiện được. Sở dĩ ta dùng bộ tách sóng tần số là để tránh băng thông của hai bộ lọc chồng lẫn lên nhau. Phương pháp này hạn chế được những nhược điểm như đã đề cập ở trên với chỉ số điều chế m ≥ 1.
• So sánh
Ta thấy FSK không cho tỉ lệ lỗi tốt hơn ASK trừ khi giá trị C/N nhỏ. Nếu dùng bộ tách sóng hạn chế thì độ rộng băng tần cần thiết của FSK rộng hơn ASK, những ưu điểm của FSK so với ASK là:
+ Tính chất biên độ không đổi của biên độ sóng mang không gây lãng phí công suất và tạo khả năng miễn trừ đối với tạp âm.
+ Mức ngưỡng tối ưu của bộ tách sóng độc lập đối với biên độ Vc của
sóng mang và C/N, nghĩa là không cần phải hiệu chỉnh ngưỡng khi thay đổi đặc tính kênh truyền dẫn.
2.8.1.4. Dạng sóng của tín hiệu FSK
Giả sử ta xét luồng tín hiệu nhị phân là: 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0. Lúc đó dạng của tín hiệu điều chế FSK là: Đầu vào Sóng mang 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1
Hình 2.25: Dạng sóng của tín hiệu FSK 2.8.2. Điều chế khóa dịch pha hai trạng thái (BPSK)
2.8.2.1. Sơ đồ khối bộ điều chế FSK
Tín hiệu sau khi điều chế BPSK có hai loại sóng mang được biểu thị như sau: S1(t) = A* Cosωct
S0(t) = -A* Cosωct = - S1(t) = A* Cos(ωct-π)
Với: S1(t) - đại diện cho mức nhị phân 1; S0(t) - đại diện cho mức nhị phân 0
Trong điều chế PSK hai trạng thái (BPSK), biên độ giữ nguyên trong quá trình truyền dẫn, nhưng có sự chuyển đổi giữa hai trạng thái +A và –A, trạng
thái –A có thể xem như là thay đổi pha 1800.
Hình 2.26: Sơ đồ khối điều chế BPSK 2.8.2.2. Dạng sóng của tín hiệu BPSK
Giả sử luồng tín hiệu nhị phân vào là : 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0, thì dạng sóng của tín hiệu BPSK là: Hình 2.27: Dạng tín hiệu BPSK FSK Output t Sinωc Đầu ra (FSK) Đầu vào BPF Đầu ra BPSK Sóng mang Đầu vào Input 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1
2.8.2.3. Sơ đồ khối giải điều chế số BPSK
Hình 2.28: Sơ đồ khối bộ giải điều chế BPSK
Tín hiệu BPSK ngõ vào có dạng ±Sinωct được đưa qua bộ lọc thông băng
BPF và tách ra thành hai đường. Một đường được đưa đến bộ khôi phục sóng mang CR để khôi phục lại sóng mang, sau đó sóng mang này được đưa tới bộ giải điều chế cân bằng để phục vụ cho việc giải điều chế. Một đường được đưa tới bộ điều chế cân bằng để nhân với tín hiệu sóng mang đã được khôi phục Sin
ωct. Giả sử tín hiệu BPSK ở đầu vào là Sinωct (ứng với mức logic 1) thì lúc đó
tín hiệu ở ngõ ra của bộ điều chế cân bằng sẽ là:
(Sinωct)*( Sinωct) = Sin2ωct = ½ +1/2 * Cos2ωct
Tín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông thấp và thành phần tần số cao 2ωc sẽ
bị lọc, đầu ra của bộ loc thông thấp chỉ còn thành phần một chiều ½ V DC tương ứng với mức logic 1.
Tương tự nếu tín hiệu BPSK ngõ vào là - Sinωct (ứng với mức logic 0) thì tín
hiệu ngõ ra bộ lọc LPF sẽ là: -1/2 V DC tương ứng với mức logic 0.
t Sinωc Đầu ra Đầu vào BPSK BPF LPF CR
Chương 3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THU PHÁT DS-SS
3.1. Mô tả mô phỏng
Mô phỏng hệ thống thu phát trải phổ trực tiếp nhằm đánh giá tỷ lệ lỗi bít (BER) tại máy thu phụ thuộc tỷ số tín/tạp và phụ thuộc số lượng người sử dụng. Hệ thống mô phỏng bao gồm các thành phần sau:
• Máy phát trải phổ trực tiếp
• Máy thu trải phổ trực tiếp
• Mô hình của kênh truyền sử dụng kênh truyền đa đường có tác động của
nhiễu trắng phân bố Gaussian. Đây là mô hình kênh truyền phổ biến nhất được sử dụng khi mô phỏng hệ thống CDMA. Mô hình này giả thiết tín hiệu phát đi được cộng thêm nhiễu trắng có phổ công suất phân bố đều trên mọi khoảng tần số.
• Số lượng người dùng đồng thời trong hệ thống (số lượng người phát tín
hiệu đồng thời) có thể thay đổi
• Tỷ số tín/tạp tại máy thu thay đổi trong một khoảng cho trước
• Sử dụng điều chế BPSK
Hệ thống mô phỏng giả thiết không sử dụng các sơ đồ mã hóa có sửa sai hoặc sử dụng nhiều an ten thu phát. Mô phỏng cũng bỏ qua hiệu ứng Fading gây ra khi máy thu nhận được nhiều hơn một tín hiệu do phản xa từ các vật chắn của môi trường.
Sơ đồ mô phỏng được thể hiện trên Hình 3.1 dưới đây. Trong sơ đồ có các thành phần sau:
• Người dùng n: mô phỏng máy phát thứ n do người dùng tương ứng sử
dụng để phát tín hiệu lên kênh truyền. Mỗi người dùng sử dụng một máy phát hoàn chỉnh được mô tả trong Hình 3.2. Tín hiệu cần phát đi được tạo ra ngẫu nhiên từ một bộ sinh số ngẫu nhiên. Độ dài của chuỗi tín hiệu cần phát đi được tính theo bit và có thể thay đổi. Chú ý: nếu chiều dài càng lớn thì càng mất nhiều thời gian để xử lý. Giả thiết, tất cả n người dùng đều phát đi các chuỗi dữ liệu có độ dài bằng nhau.
• Kênh truyền: có chứa n tín hiệu tương ứng với nu máy phát. Kênh truyền
được giả thiết có sự tác động của nhiễu trắng dẫn đến tín hiệu thu được ở máy thu sẽ khác với tín hiệu phát ra.
• Máy thu: mô phỏng máy thu tại trạm BTS sử dụng trong mạng di động để
đồng thời thu tín hiệu của nu người dùng, tách tín hiệu của mỗi người và đánh giá tỷ lệ lỗi bit khi truyền. Sơ đồ máy thu hoàn chỉnh được mô tả trong Hình 3.3.
Hình 3.1: Sơ đồ mô phỏng hệ thống trải phổ trực tiếp 3.2. Mô hình hệ thống máy thu phát trải phổ trực tiếp
Hình 3.1 mô tả mô hình hệ thống trải phổ trực tiếp, chuỗi dữ liệu ban đầu được đem đến khâu điều chế. Sau đó tín hiệu được đem đi trải phổ bằng cách cho nhân với chuỗi PN. Tần số của PN cao hơn nhiều lần của tín hiệu dữ liệu. Sau đó tín hiệu được phát đi
Hình 3.2: Sơ đồ máy phát DS-SS Dữ liệu vào Sóng mang fc Điều chế BPSK PN mk Sd(t ) Sss(t) P(t) PN PN PN PN
Ở phần thu ta thực hiện quá trình ngược lại. Trước hết chúng ta thực hiện nén phổ rồi sau đó đem tín hiệu đã được nén phổ đi giải điều chế BPSK, cuối cùng khôi phục lại tín hiệu gốc.
Hình 3.3: Sơ đồ khối thu DS-SS
Cần chú ý là do môi trường nên luôn có nhiễu tác động khi truyền tín hiệu. Do đó, tín hiệu thu được bao gồm tín hiệu phát và nhiễu.
Đây là lược đồ phổ của tiến trình trên:
Hình 3.4: Phổ của dữ liệu được điều chế với tần số sóng mang f0
Hình 3.5: Phổ của dữ liệuđược trải phổ 1/2PT f0 0 mk Sss(t) PN Sóng mang fc Dữ liệu Giải điều chế BPSK Bộ lọc dải thông p(t) f0 0 1/2PTc
Hình 3.6: Tín hiệu nhận được có nhiễu
Hình 3.7: Phổ tín hiệu trước khi lọc nhiễu
Hình 3.8: Tín hiệu sau khi nén phổ qua bộ lọc
Hình 3.9: Phổ Tín hiệu và nhiễu cuối cùng thu được Tín hiệu sau
khi nén phổ
Nhiễu sau khi giãn phổ
Tín hiệu
3.3. Mô phỏng sử dụng môi trường Matlab 3.3.1. Chương trình
%% MO PHONG HE THONG CDMA SU DUNG TRAI PHO TRUC TIEP
nu = input('So luong nguoi dung dong thoi = '); u =[];
s = [];
ml = input('Do dai chuoi tin hieu goc (tinh theo bit) = '); hl = 2^nextpow2(nu);
user = input('Ve do thi tin hieu cua nguoi dung thu = '); if user > nu
errordlg('STT cua nguoi dung phai nho hon so luong nguoi dung', 'Loi nhap du lieu');
exit; end
% Tao chuoi ngau nhien co bien do trong khoong [0 - 1] cho NU nguoi dung. Chuoi ngau nhien duoc su dung nhu chuoi thong tin ma nguoi dung can truyen di
% Tao ra gia tri khoi dau khac nhau dua tren dong ho may cho bo tao so ngau nhien. Khi do, moi lan chay ham randi se tra lai cac ket qua khac nhau
RandStream.setDefaultStream(RandStream('mt19937ar','seed',sum(100*clock)) ); for k = 1:nu u_binary(k,:) = randi([0 1], 1, ml); end % Dieu che BPRK for k = 1:nu u_BPSK(k,:) = u_binary(k,:)*2-1; end
% Lan luot phat cac chuoi ngau nhien cua moi nguoi dung len kenh truyen co nhieu trang
for n = 1:nu
s(n,:) = cdmat(u_BPSK(n,:), hl, n); end
% Lay tong cua cac tin hieu truyen di cua NU nguoi dung cd1 = sum(s);
%% Lay mau tin hieu can truyen cd = rectpulse(cd1, 4);
loo = 0;
for SNR = 0:0.1:4 loo = loo + 1;
% Mo phong nhieu trang tren duong truyen tac dong len tin hieu can % truyen di voi ty so tin/tap SNR
t = awgn(cd, SNR, 'measured');
%% Ket hop va tao ra tin hieu truyen di co nhieu (downsampling) or = intdump(t, 4);
% Thu NU tin hieu tuong ung voi NU nguoi dung phat di sr = []; for p = 1:nu sr(p,:) = cdmar(or, hl, p, ml); end binary_rx = (sr + 1) / 2;
% Tinh toan BER (ty le loi bit cua tin hieu phat so voi tin hieu thu [n(loo), r(loo)] = symerr(u_BPSK, sr);
end
%% Ve tin hieu phat va tin hieu thu. Day la tin hieu tong cua NU nguoi dung figure;
% Tin hieu phat di subplot(211); plot(cd1);
title(['Tin hieu tong cua ', num2str(nu), ' nguoi dung']); xlabel('Thoi gian');
ylabel('Bien do'); grid;
% Tin hieu thu ve subplot(212); plot(or);
title('Tin hieu thu duoc co nhieu'); xlabel('Thoi gian');
ylabel('Bien do'); grid;
%% Ve bieu do tin/tap phu thuoc ty le loi bit SNR = 0:0.1:4;
figure;
semilogy(SNR, r, 'r-x');
title(['Ty le loi bit phu thuoc ty so tin/tap']); xlabel('Ty so tin/tap');
ylabel('Ty le loi bit'); grid;
%% Ve tin hieu cho 1 nguoi dung nao do (duoc chon o dau chuong trinh) figure;
% Tin hieu goc
subplot(221); stem(u_binary(user, 1:ml), 'filled');grid xlabel('Bit');
ylabel('Bien do');
title(['Tin hieu goc cua nguoi dung ', num2str(user)]); % Tin hieu sau dieu che BPSK
subplot(222); stem(u_BPSK(user, 1:ml), 'filled');grid xlabel('Bit');
ylabel('Bien do');
title(['Tin hieu dieu che BPRK cua nguoi dung ', num2str(user)]); % Tin hieu sau trai pho
subplot(223);
stem(s(user, 1:ml), 'filled'); grid
xlabel('Bit'); ylabel('Bien do');
title(['Tin hieu sau trai pho cua nguoi dung ', num2str(user)]); % Tin hieu thu duoc voi nhieu
stem(sr(user, 1:ml), 'filled'); grid
xlabel('Bit'); ylabel('Bien do');
title(['Tin hieu thu da giai ma cua nguoi dung ', num2str(user)]);
3.3.2. Kết quả mô phỏng3.3.2.1. Mô tả3.3.2.1. Mô tả 3.3.2.1. Mô tả
Căn cứ trên chương trình Matlab, ta có thể chạy với các thống số khác nhau. Các thông số bao gồm:
• Số lượng người dùng đồng thời
• Độ dài chuỗi tín hiệu gốc phát đi (tính theo bit)
• Tỷ số tín/tạp
Kết quả nhận được bao gồm các đồ thị mô tả các tham số sau:
• Tỷ lệ lỗi bít phụ thuộc tỷ số tín/tạp
• Tín hiệu tổng của n người dùng phát lên kênh truyền (không có nhiễu)
• Tín hiệu tổng của n người dùng phát lên kênh truyền (có nhiễu)
• Tín hiệu gốc của người dùng thư i tại các khâu khác nhau trong quá trình
phát và thu
3.3.2.2. Một số kết quả thu được
• Tỷ lệ lỗi bit phụ thuộc vào tỷ lệ tín trên tạp :
-ví dụ 1 :
+ Số lượng người dùng đồng thời: 10; + Độ dài chuỗi tín hiệu gốc tính theo bit: 20 + Tỷ số tín/tạp: 0 – 4 với bước nhảy 0,1 + Thể hiện tín hiệu của người dùng thứ 2
Hình 3.10 : Tín hiệu tổng và tín hiệu thu được có nhiễu của 10 người dùng
Hình 3.11 : Tín hiệu tổng số của 10 người dùng đồng thời
Hình 3.13 : Tỷ lệ lỗi bít của 10 người dùng đồng thời