Chương I : Kỹ thuật trải phổ GVHD: TS Võ Xuân Tựu Với : H 1 = [+1] +1 +1 H2 = +1 -1 Một mã Walsh là một hàng của ma trận nói trên, trong CDMA2000 mã Walsh có chiều dài N thay đổi từ 4 đến 256. Ví dụ : với m=3 => N= 8, ta có 8 mã Walsh có chiều dài 8 chíp sau: 1.5 Các kỹ thuật trải phố: Có ba kiểu kỹ thuật trải phổ cơ bản: 1. Nhảy thời gian (TH/SS: Time Hopping Spreading Spectrum) 1.1 Kỹ thuật trải phổ trực tiếp - DS/SS: DS/SS là hệ thống phân kênh bằng cách đem tín hiệu băng gốc điều chế với chuỗi PN. Thường sử dụng chuỗi PN có biên độ là ± 1.
Ở đầu thu phải tạo ra được tín hiệu PN trùng với ở đầu phát (Kỹ thuật đồng bộ) thì mới giải điều chế được tín hiệu băng gốc. Đặc điểm : - Do PN có tần số lớn nên tín hiệu sau khi điều chế trải phổ ở máy thu có băng thông rộng và công suất thấp, phân bố năng lượng tương đối đồng đều trên băng thông, tuy nhiên nó sẽ chiếm băng thông lớn. - Sau khi giải điều chế ở máy thu ( trải phổ lần 2) tín hiệu băng gốc sẽ bị nén lại và có năng lượng lớn trong khi nhiễu lại bị trải rộng ra nên có năng lượng thấp do đó tạo ra tỉ số tín hiệu trên nhiễu lớn => chống nhiễu tốt. 17 Chương I : Kỹ thuật trải phổ GVHD: TS Võ Xuân Tựu - Do PN có tần số lớn nên thời gian 1 chip là nhỏ nên các tín hiệu đi theo đường khác có pha lệch hơn 1 chip sẽ bị loại bỏ => chống nhiễu đa đường (phading) tốt.
- Do PN là chuỗi giả ngẫu nhiên nên có tính bảo mật cao. Nhược điểm : Tín hiệu của kênh này là nhiễu của kênh kia, nhưng tập hợp của nhiều kênh thì nhiễu sẽ cao => ảnh hưởng đến dung lượng hệ thống. Tín hiệu trải phổ DS được tạo ra bằng cách nhân tín hiệu tin tức với tín hiệu giả ngẫu nhiên (PN). Với sơ đồ khối của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp như sau: S(t) Điều chế b(t) g(t) PSK Tin tức băng gốc C(t) Sóng mang Bộ phát mã trải trung tần phổ PN Hình 1.17 Sơ đồ hệ thống trải phổ Tin tức băng gốc nhị phân S(t) có tốc độ bit là f b = 1/T b trước tiên được điều chế số khóa dịch pha PSK thành tín hiệu b(t) như sau: b(t) =A.16) Trong đó: A: Biên độ tin tức.
S(t): Tín hiệu tin tức có mức tín hiệu +1 và –1. ω: Tần số sóng mang. θ: Góc pha ban đầu ngẫu nhiên. Thực hiện trải phổ với b(t) và đổi tần lên tần số vô tuyến để phát một tín hiệu trải phổ DS được tạo ra từ một máy phát lý tưởng và đơn giản có thể được mô tả bằng biểu thức sau: g(t) = b(t).17) ω o : tần số dải tần vô tuyến.
18 Chương I : Kỹ thuật trải phổ GVHD: TS Võ Xuân Tựu Tín hiệu C(t) đã được điều chế với mức tín hiệu +1 và –1. Dạng mã của C(t) là 1 NRZ, tốc độ của nó là f c =. Tc Khi nhân tín hiệu được băm vụn ra làm phổ rộng do đó tần số tăng lên và công suất được trãi đều trên vùng phổ rộng đó. Như vậy, công suất phân bố đều hơn chứ không tăng công suất.
Máy phát DS-SS: Sơ đồ phát trải phổ chuỗi trực tiếp : Bộ điều chế BPSK Đổi tần b(t) Bản tin cơ số 2 C(t) Tín hiệu PN Sóng mang Bộ tổng hợp tần số Hình 1.18: Sơ đồ máy phát DS/SS Sự đổi tần có tác dụng chuyển phổ lên đoạn tần số mới mà không làm thay đổi bề rộng dãy tần tín hiệu. Chuỗi giả ngẫu nhiên là: ∞ C(t) = ∑ C k (t).18) k = −∞ Trong đó: C k là chip số liệu thứ k. T c là độ rộng của bit (thời gian chip). C(t) do một mạch điện tử tạo ra, mạch điện tử này gồm các bộ ghi dịch và bộ cộng 1 module.
Cho nên C(t) gồm có các xung gọi là chip có độ rộng là T c rất nhỏ bằng thời N gian một chip với N là chu kỳ của C(t) hay gọi là độ dài chuỗi PN, N càng lớn càng giống chuỗi ngẫu nhiên. Nếu N → ∞ thì C(t) là chuỗi ngẫu nhiên. Nếu C(t) là chuỗi ngẫu nhiên thì đầu thu không thể lấy được thông tin, chính vì thế C(t) là chuỗi xác định và trong chu kỳ N có tính chất gần giống chuỗi ngẫu nhiên do đó gần đúng coi là ngẫu nhiên. 19 Chương I : Kỹ thuật trải phổ GVHD: TS Võ Xuân Tựu Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng tín hiệu PN bằng cách nhân 2 tín hiệu này với nhau.
Tín hiệu nhận được b(t). C(t) sau đó sẽ điều chế với sóng mang sử dụng phương thức điều chế BPSK, sau đó được đổi tần và khuyếch đại rồi đưa lên anten phát đi. Trong hệ thống đa truy nhập trải phổ gồm 2 bước cơ bản là bước trải phổ và điều chế. Bước trải phổ xem như là thực hiện nhân tín hiệu.
Thứ tự điều chế này có thể hoán chuyển cho nhau mà không ảnh hưởng đến đặc tính hệ thống. Tín hiệu trải phổ C(t).b(t) được nâng tần rộng lên tới mức mong muốn. Trong trường hợp này ta giả thiết tín hiệu IF được phát đi và được thu bỏ qua hệ thống đổi tần. Do đó tín hiệu trải phổ C(t).
Vd : với N =7, ta có biểu diễn tín hiệu trải phổ BPSK được phát đi như sau : 20 Chương I : Kỹ thuật trải phổ GVHD: TS Võ Xuân Tựu b. Máy thu DS-SS: Sơ đồ khối của máy thu DS/SS-BPSK: LNA Lọc thông BPF Giải điều dải chế Bộ tạo tín hiệu PN Hình 1.19: Sơ đồ máy thu DS/SS. Mục đích của máy thu là lấy ra bản tin ban đầu từ tín hiệu thu được. Tín hiệu thu được bao gồm: tín hiệu được phát cộng với tạp âm nhiệt và can nhiễu theo công thức: r(t) = C n (t).19) Trong đó: C n (t): chuỗi giả ngẫu nhiên PN của người sử dụng thứ n.
d (t): tín hiệu đã điều chế. I(t): tạp âm nhiệt. Bên máy thu có tín hiệu C(t) đồng bộ có chức năng nén phổ. Tín hiệu nén phổ được dùng để giải điều chế PSK.
Quá trình xử lý tín hiệu thu: Giả sử rằng thu không có tạp âm. Trước hết tín hiệu thu được trải phổ để giảm băng tần rộng vào băng tần hẹp. Sau đó nó được giải điều chế để nhận được tín hiệu băng gốc. Để trải phổ tín hiệu thu được được nhân với tín hiệu PN được tạo ra ở máy thu.
Đầu tiên loại bỏ cos(ωt +θ) (nhân sóng mang).20) Sau đó nén phổ lại bằng bộ tương quan sử dụng chuỗi PN như chuỗi PN ở đầu phát. 21 Chương I : Kỹ thuật trải phổ GVHD: TS Võ Xuân Tựu 1 Tb r’’(t) = Tb ∫ 0 C2 n (t). Các chuỗi PN ở đầu phát và đầu thu bằng nhau nên C2 n (t) =1 Do đó r’’ (t) = A. W:băng thông của tín hiệu sau trải phổ.
Quá trình thực hiện trải phổ : Tín hiệu thu được tổng cộng ở máy thu : k r(t) = ∑ C n (t).22) n =1 Mỗi một n là là tín hiệu thu được từ người sử dụng thứ n. Máy thu khôi phục lại tín hiệu tin tức bằng cách nén lại tín hiệu thu được, điều này được thực hiện tại bộ tương quan của nó với chuỗi PN tương ứng, chuỗi này là duy nhất đối với người sử dụng và nó khác với tất cả các người sử dụng khác, kết quả là các tín hiệu của người sử dụng khác xuất hiện như là một dạng tạp âm. Như vậy, xét lượng tạp âm tại bộ tương quan của máy thu ký hiệu là N(t): k −1 N(t) = ∑ S n +W.23) n =1 Trong đó: S n là công suất thu được từ người sử dụng thứ n. W: băng thông của kênh.
N 0 : mật độ phổ công suất của tạp âm. Giả sử số người sử dụng lớn thì k~ k-1và tạp âm nhiệt W.N 0 << ΣS n 22 Chương I : Kỹ thuật trải phổ GVHD: TS Võ Xuân Tựu Khi đó : N(t) = k. S n Từ đó ta có thể rút ra được: • Nhiễu hệ thống trải phổ tăng tuyến tính với số lượng người sử dụng (khi người sử dụng tăng thì nhiễu tăng ) • Quá trình hoạt động của hệ thống sẽ chịu ảnh hưởng khi có bất kỳ người sử dụng nào đó trong hệ thống tăng công suất. Giả thiết S n = const S Trong các hệ thống thông tin vô tuyến tỉ số là mối quan tâm chính vì nó quyết N S E định chất lượng hệ thống còn trong hệ thống thông tin số có liên hệ với tỉ số b.
N N0 Với E b là năng lượng của một bit được tính bằng công thức: Sn Eb = (1.24) R Trong đó: S n là công suất thu được. R là tốc độ bit. Mật độ phổ công suất của tạp âm N 0 : kS n N0 = (1.25) W Sn Eb W Do đó: = R =. Eb R N0 23 Chương I : Kỹ thuật trải phổ GVHD: TS Võ Xuân Tựu Eb Vì k và số người sử dụng và k tỉ lệ nghịch với như vậy để tăng số người sử N0 Eb dụng trong hệ thống thì càng bé càng tốt nhưng không thể nhỏ quá.
Công thức biển N0 diễn số lượng người sử dụng với chất lượng hệ thống : 1 W 1 k max = .26) Eb R Eb N 0 min N 0 min Trong đó: Eb ( ) min : giá trị cực tiểu cần thiết để có được mức tín hiệu chấp nhận được tại N0 máy thu cho bởi tỉ lệ lỗi bit BER.26) chỉ ra rằng dung lượng hệ thống CDMA phụ thuộc chính vào hệ số trải phổ G (hay độ lợi xử lý) và quá trình tại máy thu dung lượng này bị ràng buộc bởi Eb một đại lượng linh hoạt là công suất và gọi là giới hạn mềm. Nếu đòi hỏi thấp công N0 suất cho mỗi người sử dụng sẽ giảm xuống do đó số người sử dụng sẽ tăng lên. Điều này trái ngược với các hệ thống TDMA và FDMA có giới hạn cứng do dung lượng của chúng được chọn cố định bởi việc thiết kế hệ thống. Độ dự phòng nghẽn, M j được định nghĩa : S M j = G p − Lsys + (1.27) N 0 S Với là tỷ số tín hiệu trên nhiễu yêu cầu ở bộ ra bộ nén phổ .