Chương 1 :Tổng quan về kênh truyền Nếu kênh truyền vô tuyến có một đường truyền thẳng (LoS – Line Of Sight) chiếm ưu thế so với các đường dẫn khác (về biên độ) thì quá trình ngẫu nhiên r(t) không thể xem là có trung bình bằng 0. Khi đó kênh truyền vô tuyến phả được mô hình hóa bởi Ricean. Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean và Rayleigh : Hình 1-3 Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean và Rayliegh Trang 6 Chương 2 :Kỹ thuật trải phổ CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG HỆ THỐNG CDMA 2. Các kỹ thuật trải phổ 2.
Nguyên lý : Nguyên lý trải phổ là cung cấp tất cả các tiềm năng tần số và thời gian đồng thời cho mọi thuê bao, khống chế mức công suất phát từ mỗi thuê bao đủ để duy trì một tỷ số tín hiệu/tạp âm theo mức chất lượng yêu cầu. Mỗi thuê bao sử dụng một tín hiệu băng rộng như tạp âm chiếm toàn bộ dải tần phân bố. Theo cách đó mỗi thuê bao tham gia vào tạp âm nền tác động tới tất cả các thuê bao khác, nhưng ở phạm vi ít nhất có thể bằng cách khống chế công suất phát. Như vậy một hệ thống được coi là trải phổ nếu: - Tín hiệu trải phổ (tín hiệu phát) phải có độ rộng phổ lớn hơn nhiều lần độ rộng phổ của thông tin gốc cần truyền.
- Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với dữ liệu gốc. Hình 2-1 : Tín hiệu trước và sau khi trải phổ Có 3 kỹ thuật trải phổ cơ bản: • Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS – Direct Sequence Spread Spectrum) • Trải phổ nhảy tần (FH/SS – Frequence Hopping Spread Spectrum) • Trải phổ dịch thời gian (TH/SS – Time Hopping Spread Spectrum) Trang 7 Chương 2 :Kỹ thuật trải phổ 2. Kỹ thuật trải phổ chuỗi trức tiếp (DS-SS) Trong DS-CDMA tín hiệu mang tin tức (tín hiệu dữ liệu) được điều chế trực tiếp bởi một giá trị mã rời rạc về giá trị và thời gian. Tốc độ của tín hiệu mã được gọi là tốc độ chip.
Một chip biểu hiện cho một ký tự trong các tín hiệu mã trải rộng. Tín hiệu dữ liệu có thể là tương tự hoặc số. Hình 2-2 : Sơ đồ khối bộ phát DS-SS đơn giản Với dữ liệu nhị phân và dùng BPSK cho sự điều chế mã ta có sơ đồ khối sửa đổi của một bộ phát DS-SS. Hình 2-3 : Sơ đồ khối sửa đổi của một bộ phát DS-SS Bộ thu được dùng để giải điều chế đồng bộ để giải tín hiệu trải phổ.
Để có thể thực hiện sự giải trải phổ, bộ thu không những phải biết chuỗi mã để thực hiện trải rộng phổ tín hiệu mà mã được tạo ra bên trong bộ thu cũng phải được đồng bộ với các mã của tín hiệu nhận được. Sau khi giải trải phổ, quá trình giải điều chế được thực hiện để khôi phục tín hiệu ban đầu. Trang 8 Chương 2 :Kỹ thuật trải phổ Hình 2-4 : sơ đồ khối bộ thu DS-SS đơn giản Ưu điểm : o Việc tạo các tín hiệu mã hóa đơn giản, có thể thực hiện bằng các bộ nhân đơn giản. o Vì chỉ cần tạo một sóng mang nên việc tổng hợp tần số đơn giản.
o Có thể dùng bộ giải điều chế kết hợp (coherent demodulation) của tín hiệu DS-CDMA. o Không cần thiết phải đồng bộ giữa các user. Nhược điểm : o Thật khó để đạt được và duy trì sự đồng bộ giữa tín hiệu thu được và chuỗi mã nội. Để thu đúng, sai số đồng bộ phải rất nhỏ trong một phần thời gian của chip.
o Công suất thu được của các user gần trạm gốc lớn hơn so với các user ở xa. Vì các user luôn phát liên tục trên toàn băng thông nên các user gần trạm gốc sẽ gây nhiều nhiễu cho các user ở xa trạm gốc làm cho việc thu chúng sẽ rất khó có thể thực hiện được. Hiệu ứng gần xa này có thể được khắc phục bằng thuật toán điều khiển công suất sao cho công suất trung bình của tất cả các user nhận được ở trạm gốc là như nhau. Việc điều khiển công suất khó khăn do độ trễ của vòng hồi tiếp, ước lượng công suất không tốt, lỗi ở kênh truyền hồi tiếp và điều kiện lưu lượng.
Trang 9 Chương 2 :Kỹ thuật trải phổ 2. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần (FH-SS) : Nguyên lý : Kỹ thuật trải phổ nhảy tần là sự chuyển dịch sóng mang có tần số được chọn theo mã trong một tập hợp các tần số. Độ rộng toàn bộ băng tần được chia nhỏ thành các khe tần số không lấn lên nhau. Chuỗi mã PN sẽ xác định khe tần số nào được dùng để truyền tin trong một khoảng thời gian nhất định.
Sự chiếm dụng tần số trong hệ thống FH-CDMA thì rất khác so với hệ thống DS-CDMA. Một hệ thống DS-CDMA sẽ chiếm dụng toàn bộ dải tần khi truyền. Trong khi đó một hệ thống FH-CDMA chỉ sử dụng một phần nhỏ của dải tần khi truyền, tuy nhiên vị trí của dải tần này sẽ thay đổi theo thời gian. Sự khác nhau giữa FH-CDMA và DS-CDMA được mô tả ở hình 2-5.
Hình 2-5 : Sự khác nhau giữa FH-CDMA và DS-CDMA Döõ lieäu Boä ñieàu cheá Boä chuyeån Boä chuyeån Boä giaûi ñieàu Döõ lieäu daûi neàn ñoåi leân ñoåi xuoáng cheá döõ lieäu Ñoàng boä/ theo daáu Boä toång Boä taïo maõ hôïp taàn soá Boä toång Boä toång hôïp taàn soá hôïp taàn soá Hình 2-6 :Sơ đồ khối của bộ phát và bộ thu của một hệ thống FH-SS Tín hiệu dữ liệu được điều chế ở dải nền. Bằng việc sử dụng một bộ tổ hợp tần số nhanh được điều khiển bởi tín hiệu mã, tần số sóng mang sẽ được chuyển lên tần số truyền dẫn. Quá trình ngược lại diễn ra ở bộ thu. Tín hiệu thu sẽ được chuyển xuống dải nền nhờ vào sự sử dụng chuỗi mã được tạo ra trong bộ thu.
Dữ liệu sẽ được khôi phục sau bộ dải điều chế mạch nền. Mạch đồng bộ/ theo dấu sẽ đảm bảo sự nhảy Trang 10 Chương 2 :Kỹ thuật trải phổ tần của sóng mang được tạo ra bên trong bộ thu sẽ đồng bộ với quy luật nhảy tần của sóng mang thu được. Hệ thống FH/SS nhanh Ở hệ thống FH/SS nhanh, có ít nhất một lần nhảy với một bit số liệu. Trong đó Ts là chu kỳ của tín hiệu, Tc là thời gian của một đoạn nhảy tần thì Tc < Ts.
Ví dụ trải phổ nhảy tần nhanh sử dụng MFSK( M = 4, K =2) Hình 2-7 : Ví dụ về trải phổ nhảy tần nhanh. Hệ thống FH/SS chậm : Tốc độ nhảy tần số của sóng mang trải phổ nhỏ hơn tốc độ dữ liệu ta có hệ thống trải phổ nhảy tần chậm Tc ≥ Ts Trang 11 Chương 2 :Kỹ thuật trải phổ Ví dụ về trải phổ nhảy tần chậm sử dụng MFSK (M = 4, K =2) Hình 2-8 : ví dụ về trải phổ nhảy tần chậm. Ưu điểm : o Dễ đồng bộ hơn DS-CDMA do FH cho phép sai số đồng bộ lớn hơn (thời gian nhảy tần lớn hơn thời gian chip trong DS). o Xác suất nhiều user truyền trên một tần số tại một thời điểm là rất nhỏ.
User ở xa trạm gốc vẫn thu được ngay cả khi user ở gần trạm gốc đang phát do có thể là các user đang phát ở các tần số khác nhau. Hiệu ứng gần xa thực hiện tốt hơn so với DS-CDMA. o Vì hệ thống FH có thể dùng băng thông rộng hơn nên khả năng triệt nhiễu băng hẹp tốt hơn DS-CDMA. Khuyết điểm : o Cần bộ tổng hợp tần số phức tạp.
o Sự thay đổi đột ngột của các tín hiệu khi di chuyển băng tần dẫn đến tăng băng tần sử dụng. Để tránh điều này, tín hiệu cần được tắt và mở khi đổi tần số. o Giải điều chế kết hợp là rất khó vì vấn đề duy trì sự liên hệ pha Trang 12 Chương 2 :Kỹ thuật trải phổ trong lúc nhảy tần. Kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian (TH-SS) Trong TH-CDMA, tín hiệu dữ liệu được truyền thành từng cụm trong những khoảng thời gian được quyết định bởi mã người dùng.
Trục thời gian được chia thành các khung (Frame) và mỗi khung được chia thành các khe thời gian. Trong mỗi khung người dùng sẽ chiếm một khe thời gian để truyền, tuy nhiên vị trí của khe sẽ phụ thuộc vào tín hiệu mã của người dùng Sơ đồ khối bộ phát và bộ thu TH-SS Hình 2-9 : sơ đồ khố bộ phát và bộ thu TH-SS Hình 2-10 : sự sử dụng khe thời gian của một user trong TH-CDMA Ưu điểm : o Dễ thực hiện hơn so với FH-CDMA. o TH-CDMA rất hữu dụng cho máy phát có công suất trung bình hữu hạn nhưng công suất đỉnh không giới hạn vì dữ liệu được truyền trong thời gian rất ngắn. Trang 13 Chương 2 :Kỹ thuật trải phổ o Giống như FH-CDMA, hiệu ứng gần xa ít khó khăn hơn do hầu hết thời gian truyền ở xa độc lập không bị trở ngại bởi sự truyền ở gần trạm gốc.
Khuyết điểm : o Cần thời gian dài trước khi mã được đồng bộ, thời gian máy thu thực hiện đồng bộ thì ngắn. o Nếu truyền đa đường xuất hiện, một lượng lớn bit dữ liệu sẽ mất, nên sử dụng mã sửa sai và kỹ thuật phân tán dữ liệu (interleave) là cần thiết. So sánh các hệ thống SS : Mỗi loại hệ thống đều có ưu - nhược điểm. Việc chọn hệ thống nào phải dựa trên ứng dụng đặc thù.
Chúng ta sẽ so sánh các hệ thống DS, FH và TH. Các hệ thống DS/ SS giảm nhiễu giao thoa bằng cách trải rộng nó ở một phổ tần rộng. Trong các hệ thống FH/ SS ở mọi thời điểm cho trước, những người sử dụng phát các tần số khác nhau vì thế có thể tránh được nhiễu giao thoa. Các hệ thống TH/ SS tránh nhiễu giao thoa bằng cách tránh không để nhiễu hơn một người sử dụng phát trong một thời điểm.
Có thể thiết kế các hệ thống DS/ SS với giải điều chế kết hợp và không kết hợp. Tuy nhiên, do sự nhảy chuyển tần số phát nhanh rất khó duy trì đồng bộ pha ở các hệ thống FH/SS vì thế chúng thường đòi hỏi giải điều chế không kết hợp. Trong thực tế các hệ thống DS/SS có chất lượng tốt hơn do sử dụng giải điều chế kết hợp nhưng giá thành của mạch pha sóng mang đắt. Với cùng tốc độ đồng hồ của bộ tạo mã PN, FH/SS có thể nhảy tần trên băng tần rộng hơn nhiều so với băng tần của tín hiệu DS/SS.