Chương 1 đã trình bày về: - Cơ sở để thực hiện mô hình hệ thống OFDM. - Tìm hiểu, phân tích mô hình điều chế và giải điều chế OFDM sử dụng bộ biến đổi FFT/IFFT. - Phân tích một số ưu điểm và nhược điểm chính của hệ thống OFDM. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 22 Chương 2 – CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ CDMA 2.1 Giới thiệu [6] Kỹ thuật trải phổ CDMA, về lý thuyết bắt nguồn từ những ý tưởng của Shannon và Pierce.
Kỹ thuật này đã được sử dụng từ thế chiến thứ hai với mục đích đảm bảo chất lượng cho các cuộc thông tin mà không bị địch phát hiện. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực quân sự tiếp tục phát triển kỹ thuật này nhằm tăng cường khả năng chống nhiễu của tín hiệu, còn các nhà thiết kế vệ tinh sử dụng kỹ thuật trải phổ để ngăn cản sự quá tải của các bộ phát đáp analog. Kỹ thuật trải phổ có nguyên lý thực chất rất đơn giản: tín hiệu trước hết được điều chế, mã hóa sao cho gần giống với tín hiệu nhiễu, sau đó được truyền đi và được khôi phục lại tại máy thu đầu cuối. Việc biến đổi (mã hóa) tín hiệu nhằm bảo vệ tín hiệu khi nó được truyền đi trên đường truyền dẫn.
Vì vậy, chất lượng của tín hiệu sau khi được khôi phục phụ thuộc vào kỹ thuật điều chế và mã hóa. Mục đích của việc điều chế và mã hóa tín hiệu là biến đổi tín hiệu thành nhiễu. Càng giống nhiễu bao nhiêu càng khó thâm nhập bấy nhiêu, vì nhiễu là hoàn toàn ngẫu nhiên. Hơn nữa, tín hiệu càng được trải phổ tần bao nhiêu thì càng được bảo vệ bấy nhiêu, ngay cả khi một phần phổ của tín hiệu không được khôi phục, tín hiệu vẫn không bị mất.
Giao thức CDMA cấu thành nên một lớp các giao thức mà trong đó khả năng đa truy cập đạt được sử dụng phương pháp mã hóa. Trong giao thức CDMA mỗi người dùng được cung cấp một chuỗi mã duy nhất để họ mã hóa các tín hiệu thông tin của mình. Ở nơi thu, đã biết các chuỗi mã của người dùng, sẽ giải mã các tín hiệu thu được sau khi thu và sẽ lấy lại được dữ liệu gốc. Do dải thông của tín hiệu mã hóa được chọn lớn hơn nhiều so với dải thông của tín hiệu thông tin, quá trình mã hóa mở rộng phổ của tín hiệu và do đó phương pháp này cũng được gọi là phương pháp điều chế trải phổ (SS: Spread Spectrum).
Tín hiệu đã mã hóa cũng gọi là tín hiệu SS, và kỹ thuật CDMA cũng bao hàm nghĩa là giao thức đa truy nhập theo trải phổ (SSMA). Việc xác định nguồn của hệ thống thông tin trải phổ cũng khá khó khăn do thông tin trải phổ hiện nay là thành quả của nhiều thành tựu như: máy rada phân giải cao, tìm đường, dẫn đường, tách sóng tương quan, máy lọc hòa hợp, chống nhiễu phá, tránh tạo nhiễu, lý thuyết thông tin, … TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 23 Kỹ thuật điều chế trải phổ có nguồn gốc từ yêu cầu sử dụng rada trong quân đội và trong các hệ thống liên lạc, bởi vì kỹ thuật này chống lại tín hiệu nhiễu phá và xác suất thu trộm tín hiệu thấp. Chỉ vài năm gần đây, với sự phát triển của tin tức, công nghệ mới rẻ, nhu cầu trong quân đội giảm nên các nhà sản xuất và chế tạo các thiết bị trải phổ đã quan tâm hơn tới việc đưa các kỹ thuật của họ vào các ứng dụng dân sự. Kỹ thuật gọi là điều chế trải phổ, phải tuân theo hai tiêu chuẩn như sau: 1.
Dải thông của tín hiệu phát đi lớn hơn rất nhiều so với dải thông của dữ liệu thông tin. Dải thông của tần số vô tuyến thu được là một hàm khác so với dữ liệu thông tin được phát đi. Điều chế trải phổ biến đổi một tín hiệu thông tin thành tín hiệu phát có dải thông lớn. Sự biến đổi này được thực hiện nhờ việc mã hóa các tín hiệu thông tin, trong đó tín hiệu mã hóa độc lập với chuỗi dữ liệu, và tín hiệu mã hóa có độ rộng phổ lớn hơn rất nhiều độ rộng phổ của tín hiệu ban đầu.
Việc mã hóa này sẽ trải rộng công suất tín hiệu gốc trên vùng dải thông rộng hơn rất nhiều, kết quả cho mật độ công suất thấp. Tỷ số của dải thông phát đi so với dải thông của thông tin được gọi là độ lợi xử lý G p của hệ thống trải phổ.1) Bi Trong đó: Bt - dải thông phát đi Bi - dải thông của tín hiệu thông tin Bộ thu sẽ tương quan tín hiệu thu được với một bản sao phát đồng bộ của tín hiệu mã hóa được sử dụng tại nơi phát để thu lại tín hiệu thông tin ban đầu. Điều này chỉ ra rằng, bộ thu phải biết tín hiệu mã hóa đã sử dụng trong việc điều chế dữ liệu. Vì thực hiện quá trình mã hóa và kết quả là mở rộng dải thông, nên tín hiệu trải phổ có một số đặc trưng khác với các đặc trưng của tín hiệu băng hẹp.
Điều chúng ta quan tâm nhất đối với các hệ thống thông tin sẽ được thảo luận trong phần sau. Để hiểu rõ ràng hơn, mỗi đặc trưng sẽ được giải thích ngắn gọn có minh họa như sau: 1. Khả năng đa truy cập: Nếu nhiều người dùng cùng truyền một tín hiệu trải phổ tại cùng một thời điểm, ở nơi thu vẫn có thể phân biệt được những người dùng này với nhau vì mỗi TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 24 người dùng được cấp một chuỗi mã duy nhất đủ để có thể tương quan chéo ở mức thấp với các người dùng khác. Việc tương quan giữa tín hiệu thu được với tín hiệu mã hóa từ một người dùng quan tâm sẽ chỉ giải trải phổ (nén phổ) tín hiệu của người dùng đó, trong khi các tín hiệu trải phổ khác vẫn trải rộng trên toàn dải thông rộng.
Do đó, trong khoảng băng thông của tín hiệu thông tin, công suất người dùng mong muốn sẽ lớn hơn nhiều so với công suất nhiễu được cung cấp khi không có quá nhiều can nhiễu, và ta sẽ tách ra được tín hiệu mong muốn. Công suất đa truy nhập được minh họa trên hình 2.1(a), hai người dùng cùng phát đi một tín hiệu trải phổ từ các tín hiệu băng hẹp của họ.1(b), cả hai người dùng này cùng truyền đi các tín hiệu trải phổ của họ tại cùng một thời điểm. Tại nơi thu, chỉ có một tín hiệu của người dùng thứ nhất được giải trải phổ và thu lại được tín hiệu đã phát. Công suất Công suất Công suất 1 1 và 2 2 f f f Công suất Công suất Công suất 1 1 2 2 f f f a) b) Hình 2.1: Nguyên lý của kỹ thuật đa truy nhập theo trải phổ: a) Trải phổ; b) Giải trải phổ 2.
Sự bảo vệ chống lại nhiễu đa đường: Trong một kênh vô tuyến, giữa nơi phát và nơi thu không chỉ có duy nhất một đường truyền. Do vậy sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ (và khúc xạ), một tín hiệu có thể thu được từ một số các đường truyền khác nhau. Các tín hiệu tại các đường truyền khác nhau là những bản sao của tín hiệu đã phát đi nhưng sai khác về biên độ và pha. Tổng của tất cả các tín hiệu ở nơi thu được có tính chất xây dựng một vài tần số và phá hủy ở những tần số khác.
Vì vậy, ta sẽ thu được tín hiệu bị tán sắc trong miền thời gian. Điều chế trải phổ có thể chống lại nhiễu đa đường, tuy nhiên, việc loại bỏ nhiễu đa đường phụ thuộc rất nhiều vào việc ta sử TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 25 dụng loại điều chế nào.2, chúng ta sẽ nghiên cứu các giao thức CDMA dựa vào nguyên lý của các loại điều chế khác nhau, và xem xét các loại giao thức này loại bỏ nhiễu đa đường như thế nào. Sự riêng tư (privacy): Tín hiệu phát đi chỉ được giải trải phổ, và dữ liệu sẽ được khôi phục lại nếu ở nơi thu biết được cách mã hóa. Sự loại bỏ nhiễu: Tín hiệu mã hóa tương quan chéo với một tín hiệu băng hẹp sẽ trải rộng công suất của tín hiệu băng hẹp, do đó sẽ làm giảm công suất can nhiễu trong phạm vi băng thông của tín hiệu.
Điều này được minh họa trên hình 2. Tín hiệu trải phổ (s) thu được một nhiễu băng hẹp (i). Tại nơi thu, tín hiệu băng thông được giải trải phổ trong khi tín hiệu nhiễu trải rộng ra, làm nó giống tạp âm nền so với tín hiệu giải trải phổ. Công suất Công suất i f i f Hình 2.2: Loại trừ nhiễu của hệ thống SSMA.
Khả năng chống nhiễu phá đặc biệt là nhiễu băng hẹp: Điều này tương tự như đã nói ở trên, là việc loại bỏ nhiễu phá. Đặc trưng này làm cho tín hiệu trải phổ được ứng dụng nhiều hơn trong quân sự. Xác suất thu trộm thấp hoặc phát hiện hoạt động khó: Do mật độ công suất thấp nên tín hiệu trải phổ rất khó tách. Có nhiều công nghệ điều chế để phát tín hiệu trải phổ.
Chúng ta chỉ bàn luận ngắn gọn về một số công nghệ quan trọng nhất.2 Phân loại hệ thống CDMA [5,6] Hệ thống CDMA có thể phân loại dựa theo hai cách khác nhau: dựa vào khái niệm của các giao thức hoặc dựa vào nguyên lý loại điều chế được sử dụng. Cách phân loại thứ nhất cho chúng ta hai nhóm giao thức có tên là các hệ thống lấy trung bình (averaging) và các hệ thống phòng tránh (avoidance). Hệ thống lấy trung bình giảm nhiễu bằng cách lấy trung bình nhiễu trong một TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 26 khoảng thời gian dài. Hệ thống phòng tránh giảm nhiễu bằng cách tránh nhiễu trong phần lớn thời gian.
Phân loại các giao thức CDMA theo nguyên lý điều chế cho ta 5 nhóm giao thức như sau: 1. Chuỗi trực tiếp (DS-Direct Sequence) (hoặc chuỗi giả nhiễu) 2. Hệ thống nhảy tần số (FH-Frequency Hoping) 3. Hệ thống nhảy thời gian (TH-Time Hoping) 4.
Trải phổ lệch tần (Chirp Spread Spectrum) 5. Hệ thống lai (Hybrid) Trước tiên, chuỗi trực tiếp DS là giao thức trải phổ lấy trung bình, và các giao thức lai cũng có thể là giao thức lấy trung bình nhưng phụ thuộc vào điều kiện nếu chuỗi trực tiếp được sử dụng là một bộ phận của hệ thống lai. Tất cả các giao thức khác là giao thức phòng tránh.1 Chuỗi trực tiếp – DS Hiện nay, người ta sử dụng hai phương pháp chính để mã hóa tín hiệu, đó là: phương pháp nhảy tần FH và phương pháp dãy trực tiếp DS. Phương pháp trải phổ trực tiếp DS-SS trong hệ thống CDMA được sử dụng khi cần tốc độ truyền cao.