Đồ án Tìm hiểu về kỹ thuật CDMA

Trường Đại Học Tôn Đức Thắng Khoa Điện-Điện Tử Nghành Điện Tử VIễn Thông ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2 TÌM HIỂU KỸ THUẬT CDMA GV :Th.S Đặng Ngọc Minh Đức Sinh viên :Trần Khánh-Nguyễn Duy Hinh MSSV : 910451D- 910424D Lớp : 09DD2N Lời cảm ơn Để có những kiến thức sâu sắc về chuyên nghành, khả năng thiết kế và phân tích mạch như ngày hôm nay em xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy và cô khoa Điện-ĐiệnTử, trường ĐH Tôn Đức Thắng ,thầy cô đã hết lòng truyền đạt cho em những kiến thức và kinh nghiệm quí báu trong quá trình giảng dạy. Em xin gữi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Đặng Ngọc Minh Đức ,thầy đã định hướng tận tình hướng dẫn và chỉ bảo cho em hoàn thành tốt đồ án 2 này,làm tiền đề cho luận văn sau này. Hiện nay, mạng thông tin di động của Việt Nam đang sử dụng công nghệ GSM, tuy nhiên trong tương lai mạng thông tin này sẽ không đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di động, do đó việc nghiên cứu và triển khai mạng thông tin di động CDMA là một điều tất yếu. Xuất phát từ những suy nghĩ như vậy nên em đã chọn đề tài “Tìm Hiểu Kỹ Thuật CDMA”. Một lần nửa em cảm ơn thầy! LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển vượt bậc cúa công nghệ thông tin và song song với sự phát triển của công nghệ thông tin thì công nghệ vô tuyến cũng phát triển theo.Với những chuẩn truyền thông mới,hiện đại đã được nghiên cứu và ứng dụng rông rãi.Cuộc cách mạng của nước ta thậ sự bùng nổ khi ba mạng điện thoại di động ra đời : VMS_Mobile Phone , GPC_VinaPhone và Viettel đều dựa trên công nghệ GSM (Golbal System for Mobile). Năm 1995 công nghệ CDMA với phiên bản đầu tiên là IS_95 được triển khai ở Hồng Kông đã khắc phục được một số nhược điểm của GSM,công nghệ này đã phát triển mạnh ở Bắc Mỹ và ở Hàn Quốc khi vừa ra đời. Nó được triển khai ở nước ta vào năm 2003 bởi công ty Sfone sử dụng công nghệ CDMA 2000_1x, và mới đây na9m 2006 EVN_Telecom cũng cho ra đời mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ CDMA 2000_1x. Nói đến việc truyền dữ liệu thì bất kỳ kiểu truyền nào cũng tính đến khả năng bảo mật, tốc độ và băng thông truyền, mã hóa và giải mã đúng với thông tin gốc ban đầu. Với cong nghệ CDMA chúng ta có thể truyền thông với khả năng bảo mật cao nhờ vào áp dụng công nghệ trải phổ hiện đại, tốc độ truyền có thể lớn hơn so với hệ thống GSM trước đó cùng với băng thông rộng ta có thể truyền được dữ liệu hình ảnh với chật lương tốt. Tuy nhiên nhược điểm của CDMA là bị giới hạn bởi nhiễu đa truy cập MAI ( Multiple Access Intreference) vì chuổi trãi phổ của các user không hoàn toàn trực giao. Khi số user tăng đến một mức nào đó ( nghẽn mềm) thì phương pháp tách sóng thông thường có thể làm mất dữ liệu. Giới hạn của GS-CDMA hiện tại là còn biểu hiện ở vấn đề gần xa. Người dùng ở trạm thu phát gốc sẽ được trạm thu phát tín hiệu với mức công suất thu phát lớn hơn so với người xa, vì vậy mặc dù khi có ít người sử dụng tích cực trong kênh truyền nhưng điều khiển công suất không tốt thì tín hiệu của người dùng ở xa vẫn bị lấn áp, lượng nhiễu MAI tăng lên nhiều sẽ làm cho chất lương hệ thống bị ảnh hưởng bởi hiện tượng gần xa. Để khắc phục nhược điểm này, các phương pháp điều khiển công suất chặ chẽ đã dược áp dụng trong hệ thống thông tin trãi phổ hiện đại. Điều này làm tăng độ phức tạp của máy thu, chức năng này là không cần thiết đối với các hệ thống thông tin di động trước đó. Như vậy, vấn đề đặt ra là làm thế nào để triệt nhiễu đa truy cập MAI nhằm tăng dung lượng, chất lượng hệ thống và giãm bớt chức năng điều khiển công suất trong máy thu. Phần 1: Tổng quan về CDMA Lịch sử phát triển CDMA: Vô tuyến di động đã được sử dụng gần 78 năm. Mặc dù các khái niệm tổ ong, các kỹ thuật trải phổ, điều chế số và các công nghệ vô tuyến hiện đại khác đã được biết đến trước đây, dịch vụ điện thoại di động mãi đến đầu những năm 1960 mới xuất hiện ở các dạng sử dụng được và khi đó nó chỉ là các sửa đổi thích ứng của các hệ thống điều vận. Các hệ thống điện thoại di động đầu tiên này ít tiện lượi và dung lượng rất thấp so với các hệ thống hiện nay cuối cùng các hệ thống điện thoại tổ ong điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo tần số (FDMA) đã xuất hiện vào những năm 1980. Cuối những năm 1980 người ta nhận thấy rằng các hệ thống tổ ong tương tự không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng vào thế kỷ sau nếu như không loại bỏ được các hạn chế cố hữu của các hệ thống này. (1) Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng thấp. (2) Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xẩy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường pha đinh đa tia. (3) Không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng. (4) Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cươ sở hạ tầng. (5) Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi. (6) Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt là ở Châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở nước khác. Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với các kỹ thuật đa truy nhập mới. Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở Châu Âu và có tên gọi là GSM. GSM được phát triển từ năm 1982 khi các nước Bắc Âu gửi đề nghị đến CEPT để quy định một dịch vụ viễn thông chung châu Âu ở băng tần 900 MHz. Năm 1985 hệ thống số được quyết định. Tháng 5 năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đã được lựa chọn. ở Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993. Ở Mỹ khi hệ thống AMPS tương tự sử dụng phương thức FDMA được triển khai vào giữa những năm 1980, các vấn đề dung lượng đã phát sinh ở các thị trường di động chính như: New York, Los Angeles và Chicago. Mỹ đã có chiến lược nâng cấp hệ thống này thành hệ thống số: chuyển tới hệ thống TDMA được ký hiệu là IS- 54. Việc khảo sát khách hàng cho thấy chất lượng của AMPS tốt hươn. Rất nhiều hãng của Mỹ lạnh nhạt với TDMA, AT &T là hãng lớn duy nhất sử dụng TDMA. Hãng này đã phát triển ra một phiên bản mới: IS - 136, còn được gọi là AMPS số (D-AMPS). Nhưng không giống như IS - 54, GSM đã đạt được các thành công ở Mỹ. Các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm ra hệ thống thông tin di động số mới là công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Công nghệ này sử dụng kỹ thuật trải phổ trước đó đã có các ứng dụng chủ yếu trong quân sự. Được thành lập vào năm 1985, Qualcom đã phát phiển công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận được nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này. Đến nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ, Qualcom đã đưa ra phiên bản CDMA đầu tiên được gọi là IS - 95 A. Các mạng CDMA thương mại đã được đưa vào khai thác tại Hàn Quốc và Hồng Kông. CDMA cũng đã được mua hoặc đưa vào thử nghiệm ở Argentina, Brasil, Chile, Trung Quốc, Germany, Irael, Peru, Philippins, Thailand và mới đây ở Nhật. Tổng công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam cũng đã có kế hoạch thử nghiệm CDMA. Ở Nhật vào năm 1993 NTT đưa ra tiêu chuẩn thông tin di động số đầu tiên của nước này: JPD (Japannish personal Digital Cellular System). Song song với sự phát triển của các hệ thống thông tin di động tổ ong nói trên, các hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số cũng được nghiên cứu phát triển. Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin này là: DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication) của Châu Âu và PHS (Personal Handy Phone System) của Nhật cũng đã được đưa vào thương mại. Ngoài các hệ thống thông tin di động mặt đất, các hệ thống thôg tin di động vệ tinh: Global Star và Iridium cũng được đưa vào thương mại trong năm 1998. Hiện nay để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các khách hàng viễn thông về cả dịch vụ viễn thông mới các hệ thống thông tin di động đang tiến tới thế hệ thứ ba. Hiện nay có hai tiêu chuẩn đã được chấp thuận cho IMT-2000 đó là: W-CDMA và CDMA2000. W-CDMA được phát triển lên từ GSM thế hệ 2 và CDMA2000 được phát triển lên từ IS-95 thế hệ 2. Ở thế hệ này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba được gọi là hệ thống thông tin di động băng rộng. Chúng ta đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ viễn thông, đặc biệt là thông tin di động và truyền thông không dây. Kỹ thuật đa truy nhập đang bùng nổ. Số lượng người sử dụng mạng di động tăng vọt. Nhu cầu dịch vụ ngày càng đa dạng, đặc biệt là các dịch vụ số liệu, kết nối Internet và multimedia.  Hệ thống thông tin đi động tế bào đầu tiên được triển khai vào năm 1971 dùng kỹ thuật điều chế tương tự FM ở dải tần 850 MHz. Tương ứng là hệ thống AMPS của Mỹ ra đời vào năm 1983. Đến đầu những năm 90, thế hệ đầu tiên của thông tin di động tế bào đã bao gồm hàng loạt hệ thống ở nhiều nước khác nhau: TACS, NMT, NAMPS … Tuy nhiên các hệ thống này đều không thỏa mãn được nhu cầu ngày càng tăng, trước hết là nhu cầu về dung lượng. Mặt khác, việc tồn tại nhiều tiêu chuẩn không tương thích với nhau làm cho liên lạc giữa các mạng cực kỳ khó khăn. Những hạn chế trên đã được đặt ra cho mạng di động tế bào thế hệ thứ hai phải giải quyết.   Mạng di động thế hệ thứ hai ra đời, sử dụng kỹ thuật số thay vì kỹ thuật tương tự như trong thế hệ thứ nhất. Việc sử dụng công nghệ số giúp cho mạng thế hệ thứ hai bảo đảm chất lượng cao trong một môi trường nhiễu mạnh, có dung lượng lớn hơn, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn, có nhiều dịch vụ hơn … Mạng thế hệ thứ hai được phát triển mạnh mẽ, trong đó nổi tiếng nhất và được sử dụng nhiều nhất là mạng GSM với khoảng 600 triệu thuê bao trên toàn thế giới. Hiện tại GSM vẫn đang là tiêu chuẩn được ứng dụng rộng khắp … Nhưng trong khi nhu cầu của người sử dụng ngày càng cao, thì hệ thống GSM vẫn còn nhiều hạn chế. Không hỗ trợ dịch vụ số liệu tốc độ cao, không thể ứng dụng multimedia, dung lượng của mạng vẫn còn thấp . Các phương pháp đa truy cập : Công nghệ viễn thông phát triển đã kéo theo nhu cầu sử dụng các dịch vụ thông tin di động ngày càng tăng. Số người sử dụng thông tin di động và truyền thông không dây tăng vọt dẫn đến việc dùng chung, chia sẻ tài nguyên (các đường truyền vô tuyến vật lý) là một xu hướng tất yếu. Việc nhiều người sử dụng chung một đường truyền vô tuyến được gọi là đa truy cập. Có 3 phương pháp đa truy cập được sử dụng trong thông tin di động: đa truy cập phân chia theo tần số FDMA, đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA, đa truy cập phân chia theo mã CDMA. Đa truy cập phân chia tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) : Trong phương pháp này, băng tần của toàn bộ hệ thống bị chia thành nhiều phần nhỏ. Hệ thống gán cho mỗi người sử dụng một tần số khác nhau, mỗi kênh truyền là một tần số, có nghĩa là mỗi người sử dụng có một kênh truyền riêng. Hệ thống phân biệt tín hiệu của những người sử dụng khác bằng các kênh tần số khác nhau. Điều này làm cho hệ thống sử dụng phổ tần kém hiệu quả nhất, vì khi đang tiến hành cuộc gọi, không một người sử dụng nào khác có thể chia sẻ cùng một kênh tần số. Mỗi kênh trong hệ thống FDMA là một cặp tần số, tần số cao dành cho đường xuống, tần số thấp dành cho đường lên. Đặc điểm chính của hệ thống FDMA: -    Một kênh FDMA chỉ mang một kênh thoại tại một thời điểm. -    Khi kênh FDMA không được sử dụng, nó sẽ ở trong tình trạng rỗi, nhưng không một thuê bao nào khác có thể chia sẻ, sử dụng kênh tần số này. -    Cuộc gọi được thu phát liên tục sau khi ấn định kênh thoại. -    Băng thông của mỗi kênh hẹp (30KHz), do đó hệ thống FDMA là hệ thống băng hẹp. -    Mức độ phức tạp của FDMA thấp hơn các hệ thống khác. -    Do phân cách thuê bao bằng các tần số khác nhau, nên hệ thống cần rất ít thông tin cho mục đích đồng bộ. -    Dung lượng của hệ thống nhỏ. Tuy nhiên có thể tăng dung lượng bằng cách sử dụng băng tần hẹp hơn thông qua cải tiến các kỹ thuật điều chế. -    Sử dụng các bộ truyền song công do cả hai hướng thu và phát hoạt động cùng một lúc, dẫn đến tăng chi phí cho thiết bị. -    Ảnh hưởng của nhiễu đối với hệ thống rất cao. Vì vậy phải sử dụng nhiều bộ lọc tần số. Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) : Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian – TDMA (time division multiple access) cũng chia nhỏ băng tần của mình thành nhiều kênh tần số khác nhau. Nhưng thời gian sử dụng kênh tần số được chia thành nhiều khe thời gian nhỏ hơn (ví dụ 8 khe trong GSM). Vì vậy, nhiều người có thể sử dụng chung một tần số. Khi đã sử dụng hết tất cả các khe thời gian trên một tần số thì người sử dụng tiếp theo sẽ được cấp phát một khe thời gian trên kênh tần số mới. Điều này làm tăng thêm hiệu quả sử dụng tần số của hệ thống so với hệ thống FDMA. TDMA là một hệ thống phức tạp hơn FDMA, bởi vì tiếng nói phải được số hoá hoặc mã hoá, sau đó được lưu trữ vào một bộ nhớ đệm để gán cho một khe thời gian trống và khi đó mới phát đi. Do đó việc truyền dẫn tín hiệu là không liên tục và tốc độ truyền dẫn phải lớn hơn vài lần tốc độ mã hoá. Ngoài ra, do có nhiều thông tin hơn chứa trong cùng một dải thông nên thiết bị TDMA được sử dụng có kỹ thuật phức tạp hơn để cân bằng tín hiệu thu nhằm duy trì chất lượng tín hiệu. Nhiều người sử dụng trên một kênh tần số được ấn định khe thời gian khác nhau. Mỗi người chỉ có thể thu phát tín hiệu trong khe thời gian của mình. Mỗi kênh tần số cùng với một khe thời gian tạo thành một kênh truyền bên trong hệ thống. Trong TDMA, vì mỗi người sử dụng không truyền liên tục mà chỉ truyền trên khe thời gian nên hệ thống phải sử dụng tín hiệu số và điều chế số. Có hai dạng song công bên trong TDMA: song công theo tần số (FDD) và song công theo thời gian (TDD). FDD sử dụng các kênh có tần số khác nhau cho truyền và nhận. Ngược lại, trong TDD, một nửa thời gian được dành cho thu và một nửa còn lại dành cho việc phát tín hiệu. Đặc điểm chính của hệ thống TDMA: -    TDMA cho phép nhiều người sử dụng chung một tần số, bằng cách chia khoảng thời gian sử dụng tần số thành nhiều khe thời gian không chồng lấp nhau, và mỗi người sử dụng một khe thời gian. Số lượng khe tùy thuộc vào kỹ thuật điều chế, băng thông … -    Việc truyền tín hiệu trong TDMA diễn ra không liên tục mà thành từng cụm nhỏ. Vì vây, máy di động có thể giảm bớt năng lượng tiêu hao cho việc thu phát tín hiệu, dẫn đến thời gian sử dụng acquy tăng lên. -    Trong các khe thời gian rỗi, máy di động đo đạc mức công suất của các trạm phát khác. -    TDMA cần nhiều thông tin cho quá trình đồng bộ ban đầu hơn FDMA do chế độ truyền không liên tục và chia khe thời gian. -    Có thể cấp phát băng tần theo yêu cầu thông qua việc ấn định nhiều kênh cho một người sử dụng để tăng tốc độ của dịch vụ. Vì vậy, tốc độ dịch vụ có thể được cải thiện. Đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA hoạt động theo nguyên lý trải phổ. Nó không tìm cách phân bố các tiềm năng tần số và thời gian rời rạc cho mỗi thuê bao. Ngược lại, giải pháp này cung cấp tất cả các tiềm năng đồng thời cho mọi thuê bao, khống chế mức công suất phát từ mỗi thuê bao ở mức tối thiểu 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 như vậy 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. Can nhiễu bổ xung này làm hạn chế dung lượng, nhưng vì phân bố tiềm năng thời gian và dải thông không bị hạn chế cho nên dung lượng cũng lớn hơn đáng kể so với các hệ thống TDMA và FDMA Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã – CDMA (code division multiple access) không phân chia nhỏ phổ tần, cũng không chia thời gian thành các khe, mà tất cả những người sử dụng khác nhau đều được phép sử dụng toàn bộ băng tần trong cùng một thời gian.  Hệ thống trải phổ có khả năng chống lại nhiễu đa đường và tăng dung lượng đa truy nhập. Hiệu quả sử dụng băng tần rất cao khi có nhiều người cùng sử dụng hệ thống. Các đặc điểm chính của CDMA: -    Cho phép mỗi người dùng sử dụng toàn bộ băng tần của hệ thống trong cùng một thời gian. -    Mỗi người sử dụng sẽ có một mã khác nhau để phân biệt. Mã được sử dụng để mã hóa và điều chế. -    Sử dụng hiệu quả phổ tần hơn các hệ thống FDMA và TDMA. -    Hệ thống có tính bảo mật cao. -    Cho phép cấp phát tài nguyên mềm dẻo. Hỗ trợ nhiều loại dịch vụ có tốc độ khác nhau. Phần 2 : Kỹ Thuật trãi phổ CDMA trong thông tin di động Nguyên lý trãi phổ : Nguyên lý chung: 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. 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) Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) Hệ thống DS/SS được trải phổ bằng cách cộng module 2 dữ liệu gốc với mã giả ngẫu nhiên. Tín hiệu sau khi trộn sẽ điều chế một sóng mang theo BPSK, QPSK… Máy thu dùng mã giả ngẫu nhiên được tạo ra giống như bên phát cộng module 2 với tín hiệu thu được, thực hiện giải trải phổ để lấy tín hiệu mong muốn. Đây là hệ thống được biết đến nhiều nhất trong các hệ thống thông tin trải phổ. Là hệ thống tương đối đơn giản vì nó không yêu cầu tốc độ tổng hợp tần số cao. Kỹ thuật DS/SS – BPSK Quá trình trải phổ tín hiệu tin được minh hoạ như hình vẽ sau: Bản tin nhị phân cần phát có tốc độ bit Rb = 1/Tb được mã hoá theo NZR sao cho b(t)= ±1. Ta có thể biểu diễn b(t) như sau: b(t) = Σb∞∞=kk ΠT(t-kT) Trong đó, bk = ±1 là bit số liệu thứ k và T là độ rộng xung của một bit số liệu. Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng cách nhân với tín hiệu p(t), p(t) = ±1 là tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ Rc= 1/Tc lớn hơn nhiều lần so với Rb. Phần tử nhị phân của chuỗi p(t) được gọi là một chip để phân biệt nó với phần tử nhị phân (bit) của bản tin. Tín hiệu b(t)p(t) nhận được sẽ được điều chế một sóng mang theo phương pháp điều chế BPSK. Tín hiệu phát DS/SS – BPSK là: s(t) = Ab(t)p(t) cos(2πfct + θ(t)) Trong đó: A là biên độ sóng mang fc là tần số sóng mang θ(t) là pha của sóng mang được điều chế Sơ đồ khối quá trình giải trải phổ như sau: Tại máy thu, tín hiệu thu được m(t) bao gồm tín hiệu phát bị trễ một khoảng thời gian τ là s(t- τ) và tạp âm trên đường truyền n(t). Do đó tín hiệu thu được là: m(t) = s(t- τ) + n(t) = Ab(t- τ)p(t- τ) cos{2πfc(t- τ) + θ(t))} + n(t) Để đơn giản quá trình giải trải phổ ta bỏ qua tạp âm. Tín hiệu r(t) tại đầu vào bộ lọc thông dải (BPF) là: r(t) = Ab(t- τ)p(t- τ) cos{2πfc(t- τ) + θ(t))} 2cos{2πfc(t- τ) + θ(t))} = Ab(t- τ)p(t- τ) + Ab(t- τ)p(t- τ) cos{2πfc(t- τ) + θ(t))} Bộ lọc thông dải của bộ tách sóng loại bỏ các thành phần tần số cao và chỉ giữ lại thành phần tần số thấp u(t) = b(t)p(t). Sau đó, thành phần này được nhân với mã nội tại p(t- τ) được tạo ra ở máy thu đã được đồng bộ. Do p(t- τ) = ±1 nên p2(t- τ) =1.Tại đầu ra của bộ nhân sẽ có: x(t) = b(t- τ)p(t- τ)p(t- τ) = b(t- τ)p2(t- τ) = b(t- τ) Sau đó, tín hiệu này được tích hợp trên một chu kỳ bit để lọc tạp âm. Bản tin phát được khôi phục tại đầu ra bộ tích hợp, giống như tín hiệu băng gốc nhưng trễ về mặt thời gian là τ. Thực tế quá trình nén phổ, bên thu sẽ nhận đồng thời tín hiệu s(t) xếp chồng cùng với các tín hiệu sóng mang si(t) (i=1,2 ... N-1) không mong muốn của (N-1) người dùng khác ở cùng một tần số. Do đó tín hiệu thu được sẽ là: Kỹ thuật DS/SS – QPSK Kỹ thuật này cho phép giới hạn băng tần cao khi tốc độ mã cho trước. QPSK là phương pháp điều chế tổ hợp hai bit dữ liệu thành một ký hiệu điều chế. Do vậy mà phương pháp này làm tăng tốc độ truyền dữ liệu lên hai lần với băng cao tần RF cho trước (hay làm giảm băng RF yêu cầu tới một nửa khi tốc độ mã cho trước). Nhưng độ lợi xử lý giảm đi nhiều tương ứng với tỉ lệ lỗi bit cao hơn. Quá trình trải phổ DS/SS – QPSK : Tín hiệu DS/SS – QPSK có dạng: s(t) = sI(t) + sQ(t) sI(t) = Ab(t)pI(t) cos[2πfct + θ(t)] sQ(t) = Ab(t)pQ(t) sin[2πfct + θ(t)] Khi đó : s(t) = Ab(t)pI(t) cos[2πfct + θ(t)] + Ab(t)pQ(t) sin[2πfct + θ(t)] Trong đó: θ(t) = π/4 nếu sI(t) = 1, sQ(t) = 1 θ(t) = 3π/4 nếu sI(t) = 0, sQ(t) = 1 θ(t) = 5π/4 nếu sI(t) = 0, sQ(t) = 0 θ(t) = 7π/4 nếu sI(t) = 1, sQ(t) = 0 Như vậy, tín hiệu s(t) có thể nhận 4 trạng thái pha khác nhau là: π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4. Nó được tổ hợp từ hai thành phần sóng mang lệch pha nhau π/2. Do đó, nó được trải phổ bằng hai mã giả ngẫu nhiên khác nhau là pI(t) và pQ(t). Tương ứng là hai quá trình trải phổ độc lập với nhau. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần (FH - CDMA) Nguyên lý chung: Kỹ thuật trải phổ nhảy tần FH/SS 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. Khác với trải phổ chuỗi trực tiếp, ở trải phổ nhảy tần mã trải phổ không trực tiếp điều chế tín hiệu mà được dùng để điều khiển bộ tổ hợp tần số tạo ra các tần số khác nhau. Tốc độ nhảy tần có thể nhanh hơn hay chậm hơn tốc độ số liệu. Tương ứng có hai trường hợp là: nhảy tần nhanh và nhảy tần chậm. Sơ đồ khối của máy thu và máy phát của hệ thống nhảy tần như sau: Bản tin nhị phân b(t) cần phát có tốc độ Rb= 1/Tb , được mã hoá NZR. Sau đó được điều chế một sóng mang mà tần số của nó fc(t) được điều khiển bởi một bộ tạo mã. Bộ tổng hợp tần số sẽ tạo ra các chip có tốc độ bit Rc. Do đó, tần số sóng mang được xác định theo một tập hợp của log2N chip ( N là số lượng các tần số sóng mang có thể có). Mỗi lần nó thay đổi là mã đã tạo ra log2N chip liên tiếp. Như vậy, tần số sóng thay đổi theo các bước. Bước của tần số là RH=Rc/log2N. Tại máy thu, sóng mang được nhân với một sóng mang chưa điều chế được tạo ra giống hệt bên phát. Sóng mang này được tạo ra nhờ bộ tạo mã PN giống như bên phát điều khiển bộ tổ hợp tần số để tạo ra tần một tần số thích hợp. Như vậy, Sự chuyển dịch tần số giả ngẫu nhiên ở bên phát sẽ được loại bỏ tại nơi thu. Điều chế FSK thường sử dụng cho các hệ thống này. Giải điều chế là không kết hợp do tần số sóng mang luôn thay đổi trong quá trình truyền tin. Hệ thống FH/SS nhanh Ở hệ thống FH/SS nhanh, có ít nhất một lần nhảy với một bít số liệu. Với T là chu kỳ của tín hiệu, Th là thời gian của một đoạn nhảy tần thì T/Th ≥ 1. Trong khoảng thời gian Th giây của mỗi lần nhảy tần, một trong số j tần số { f0, f0+Δf , f0+2Δf , … ,f0+(j-1)Δf } được phát. Trong đó Δf là khoảng cách giữa các tần số lân cận, thường được chọn bằng 1/Th . Hệ thống FH/SS chậm Khi 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 (T/TH < 1) . Về cơ bản thì hai hệ thống trải phổ nhảy tần chậm và nhảy tần nhanh tương tự nhau. Dưới đây là biểu đồ tần số của hệ thống trải phổ nhảy tần chậm với T/TH= 1/2 : Kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian TH/SS Nhảy thời gian tương tự như điều chế xung. Nghĩa là, dãy mã đóng/mở bộ phát, thời gian đóng/ mở bộ phát được chuyển đổi thành dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên theo mã và đạt được 50 % yếu tố tác động truyền dẫn trung bình. Sự khác nhau nhỏ so với hệ thống FH/SS đơn giản là trong khi tần số truyền dẫn biến đổi theo mỗi thời gian chip mã trong hệ thống FH/SS thì sự nhảy tần số chỉ xảy ra trong trạng thái dịch chuyển dãy mã trong hệ thống TH/ SS. Hình (18) là sơ đồ khối của hệ thống TH/SS. Ta thấy rằng bộ điều chế rất đơn giản và bất kỳ một dạng sóng cho phép điều chế xung theo mã đều có thể được sử dụng đối với bộ điều chế TH/ SS. TH/SS có thể làm giảm giao diện giữa các hệ thống trong hệ thống ghép kênh theo thời gian. Vì mục đích này mà sự chính xác thời gian được yêu cầu trong hệ thống nhằm tối thiểu hóa độ dư giữa các máy phát. Do hệ thống TH/SS có thể bị ảnh hưởng dễ dàng bởi giao thoa nên cần sử dụng hệ thống tổ hợp giữa hệ thống này với hệ thống FH/SS để loại trừ giao thoa có khả năng gây nên suy giảm lớn đối với tần số đơn. 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 nhiẽu 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. Ngoài ra có thể tạo ra tín hiệu TH/SS có độ rộng băng tần rộng hơn nhiều độ rộng băng tần của DS/ SS khi bộ tạo chuỗi của hai hệ thống này cùng tốc độ đồng hồ. Hệ thống FH/SS loại trừ được các kênh tần số gây nhiễu giao thoa mạnh và thường xuyên, còn DS/SS nhạy cảm nhất với vấn đề gần xa. Các hệ thống FH/SS dễ bị thu trộm hơn so với hệ thống DS/SS. Thời gian bắt mã ở các hệ thống FH/SS ngắn nhất, tuy nhiên máy phát và máy thu ở hệ thống FH/SS đắt do sự phức tạp của bộ tổng hợp tần số. Các hệ thống FH/SS chịu được fading nhiều tia và các loại nhiễu.Trong khi các máy thu DS/SS đòi hỏi các mạch đặc biệt để làm việc tốt trong môi trường nói trên. Hệ thống lai ( Hybrid ) Bên cạnh các hệ thống đã miêu tả ở trên, điều chế hybrid của hệ thống DS và FH được sử dụng để cung cấp thêm các ưu điểm cho đặc tính tiện lợi của mỗi hệ thống. Thông thường đa số các trường hợp sử dụng hệ thống tổng hợp bao gồm : FH/ DS, TH/ FH, TH/ DS. Các hệ thống tổng hợp của hai hệ thống điều chế trải phổ sẽ cung cấp các đặc tính mà một hệ thống cơ bản đã nói đến ở trên không thể nào có được. Một mạch không cần phức tạp quá có thể bao gồm bởi bộ tạo dãy mã và bộ tổ hợp tần số cho trước. Hệ thống FH/ DS Hệ thống FH/ DS sử dụng tín hiệu điều chế DS với tần số trung tâm được chuyển nhảy một cách định kỳ. Phổ tần số của bộ điều chế được minh họa trên hình (19). Một tín hiệu DS xuất hiện một cách tức thời với độ rộng băng là một phần trong độ rộng băng của rất nhiều các tín hiệu trải phổ chồng lấn và tín hiệu toàn bộ xuất hiện như là sự chuyển động của tín hiệu DS tới độ rộng băng khác nhờ các mẫu tín hiệu FH. Hệ thống tổng hợp FH/ DS được sử dụng vì các lý do sau đây: 1. Dung lượng trải phổ 2. Đa truy nhập và thiết lập địa chỉ phân tán. 3. Ghép kênh. Hệ thống điều chế tổng hợp các ý nghĩa đặc biệt khi tốc độ nhịp của bộ tạo mã DS đạt tới giá trị cực đại và giá trị giới hạn của kênh FH. Ví dụ, trong trường hợp độ rộng băng RF yêu cầu là 1 Ghz thì hệ thống DS yêu một bộ tạo mã tức thời có tốc độ nhịp là 1136Mchip/s và khi sử dụng hệ thống FH thì yêu cầu một bộ trộn tần để tạo ra tần số có khoảng cách 5 KHz. Tuy nhiên, khi sử dụng hệ thống tổng hợp thì yêu cầu một bộ tạo mã tức thời 114Mchip/s và một bộ trộn tần để tạo ra 20 tần số. Bộ phát tổng hợp FH/ DS như trên hình (20) thực hiện chức năng điều chế DS nhờ biến đổi tần số sóng mang (sóng mang FH là tín hiệu DS được điều chế ) không giống như bộ điều chế DS đơn giản. Nghĩa là, có một bộ tạo mã để cung cấp các mã với bộ trộn tần được sử dụng để cung cấp các dạng nhảy tần số và một bộ điều chế cân bằng để điều chế DS. Sự đồng bộ thực hiện giữa các mẫu mã FH/ DS biểu thị rằng phần mẫu DS đã cho được xác định tại cùng một vị trí tần số lúc nào cũng được truyền qua một kênh tần số nhất định. Nhìn chung thì tốc độ mã của DS phải nhanh hơn tốc độ nhảy tần. Do số lượng các kênh tần số được sử dụng nhỏ hơn nhiều so với số lượng các chip mã nên tất cả các kênh tần số nằm trong tổng chiều dài mã sẽ được sử dụng nhiều lần. Các kênh được sử dụng ở dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên như trong trường hợp các mã. Bộ tương quan được sử dụng để giải điều chế tín hiệu đã được mã hóa trước khi thực hiện giải điều chế băng tần gốc tại đầu thu, bộ tương quan FH có một bộ tương quan DS và tín hiệu dao động nội được nhân với tất cả các tín hiệuthu được. Hình (21) miêu tả một bộ thu FH/ DS điển hình. Bộ tạo tín hiệu dao động nội trong bộ tương quan giống như bộ điều chế phát trừ 2 điểm sau: 1. Tần số trung tâm của tín hiệu dao động nội được cố định bằng độ lệch tần số trung gian ( IF ). 2. Mã DS không bị biến đổi với đầu vào băng gốc. Giá trị độ lợi xử lý dB của hệ thống tổng hợp FH/ DS có thể được tính bằng tổng của độ lợi xử lý của hai loại điều chế trải phổ đó. Do đó, giới hạn giao thoa trở nên lớn hơn so với hệ thống FH hoặc hệ thống DS đơn giản. Hệ thống TH/ FH Hệ thống điều chế TH/FH được áp dụng rộng rãi khi muốn sử dụng nhiều thuê bao có khoảng cách và công suất khác nhau tại cùng một thời điểm. Với số lượng việc xác định địa chỉ thuê bao là trung bình thì nên sử dụng một hệ thống mã đơn giản hơn là một hệ thống trải phổ đặc biệt. Khuynh hướng chung là tạo ra một hệ thống chuyển mạch điện thoại vô tuyến có thể chấp nhận các hoạt động cơ bản của hệ thống như là sự truy nhập ngẫu nhiên hoặc sự định vị các địa chỉ phân tán. Đó cũng là một hệ thống cố thể giải quyết các vấn đề liên quan đề khoảng cách. Như trên hình (22) ta thấy hai đầu phát và thu đã được xác định và máy phát ở đường thông khác hoạt động như là một nguồn giao thoa khi đường thông đó được thiết lập. Hơn nữa, sự khác nhau về khoảng cách giữa máy phát bên cạnh và máy phát thực hiện thông tin có thể gây ra nhiều vấn đề. Hệ thống này làm giảm ảnh hưởng giao thoa chấp nhận được của hệ thống thông tin trải phổ xuống tới vài độ. Do ảnh hưởng của khoảng cách gây ra cho tín hiệu không thể loại trừ được chỉ với việc xử lý tín hiệu đơn giản mà một khoảng thời gian truyền dẫn nhất định nên được xác định để tránh hhiện tượng chồng lấn các tín hiệu tại một thời điểm. Hệ thống TH/DS Nếu phương pháp ghép kênh không đáp ứng các yêu cầu giao diện đường truyền khi sử dụng hệ thống DS thì hệ thống TH được sử dụng thay thế để cung cấp một hệ thống TDM cho khả năng điều khiển tín hiệu. Yêu cầu sự đồng bộ nhanh đối với tương quan mã giữa các đầu mối của hệ thống DS, hệ thống TH được giả quyết cho trường hợp này. Nghĩa là, đầu cuối thu của hệ thống DS nên có một thời gian chính xác để kích hoạt TDM, để đồng bộ chính xác mã tạo ra tại chỗ trong thời gian chip của mã PN. Hơn nữa, thiết bị điều khiển đóng/ mở chuyển mạch được yêu cầu để thêm TH- TDM vào hệ thống DS. Trong trường hợp này thì kết cuối đóng/ mở chuyển mạch có thể được trích ra một cách dễ dàng từ bộ tạo mã sử dụng để tạo ra các mã trải phổ và hơn nữa thiết bị điều khiển đóng/ mở được sử dụng để tách các trạng thái ghi dịch cấu thành bộ tạo mã và dựa trên các kết quả, số lượng n cổng được sử dụng để kích hoạt bộ phát có thể được thiết lập một cách đơn giản. Hình (23) minh họa bộ phát và thu TH/ DS. Bộ thu rất giống như bộ phát ngoại trừ phần phía trước và một phần của bộ tạo tín hiệu điều khiển được sử dụng để kích hoạt trạng thái đóng/ mở của tín hiệu để nó truyền đi. Điều đó nhận được nhờ chọn trạng thái bộ ghi dịch sao cho bộ ghi dịch này được tạo một cách lặp lại trong quá trình chọn mã đối với điều khiển thời gian. Trong bộ tạo mã dài nhất bậc n thì điều kiện thừ nhất tồn tại và điều này được lặp lại với chu kỳ là m. Khi chọn bậc ( n- r) và tách ra tất cả các trạng thái của nó thì bộ tạo mã có tạo tín hiệu giả ngẫu nhiên phân bố dài gấp hai chu kỳ mã. Như ở trên thì n biểu thị độ dài bộ ghi dịch và r nghĩa là bậc ghi dịch không tách được. Cũng vậy, việc tạo đầu ra và chu kỳ tạo trung bình có khoảng cách giả ngẫu nhiên có thể được chọn nhờ mã trong chu kỳ giả ngẫu nhiên. Loại phân chia thực hiện trong quá trình chu kỳ giả ngẫu nhiên này có thể có nhiều người sử dụng kênh để có nhiều truy cập và có chức năng tiến bộ hơn so với giao diện ghép kênh theo mã đơn giản. Bộ phát của TH/DS Bộ thu của TH/DS Các dãy mã ngẫu nhiên PN Giới thiệu chung về chuỗi PN Một dãy ngẫu nhiên nhị phân đơn giản nhất, dãy Bernoulli, đôi khi được xem như một dãy “xấp ngửa” mà “0” hoặc “1” tương ứng với kết quả “ngửa” hoặc “xấp” trong một chuỗi các thử nghiệm tung đồng su. Nhưng ngay cả dãy ngẫu nhiên nhị phân đơn giản nhất này cũng đòi hỏi bộ nhớ lớn vô hạn tại cả máy thu và máy phát. Tuy nhiên, sự “ngẫu nhiên” trong một dãy Bernoulli cũng có thể được tạo ra nhờ một phép toán tuyến tính đơn giản được quy địng bởi một số lượng vừa phải các tham số nhị phân (bit). Do đó, biến số ngẫu nhiên duy nhất là điểm khởi đầu của chuỗi. Các dãy giả ngẫu nhiên này phải có các thuộc tính cơ bản của “sự ngẫu nhiên” như sau: Tính cân đối Trong một chu kỳ của dãy, số bit “1” và số bit “0” khác nhau nhiều nhất là 1. 2. Khoảng chạy Một bước chạy là một dãy các số ‘1’ liên tiếp hay một dãy các số ‘0’ liên tiếp. Độ dài của bước chạy là số bít trong bước chạy. Trong tất cả các bước chạy của một chu kỳ của chuỗi, để thỏa mãn tính chạy cần có 1/2 bước chạy có độ dài là 1, 1/4 bước chạy có độ dài là 2, 1/8 bước chạy có độ dài là 3...Tổng quát có 1/2r bước chạy có độ dài r với r < n-1 và 1/2n-1 bước chạy có độ dài n với n là số phần tử nhớ. Tính tương quan Khi so sánh theo kiểu số hạng: so sánh số hạng của một dãy với chính dãy ấy nhưng bị dịch đi. Dãy có tính tương quan tốt nếu như số số hạng giống nhau khác số số hạng khác nhau không quá một chỉ số đếm. Dãy ghi dịch tuyến tính độ dài cực đại (dãy- m) Có nhiều loại mã PN khác nhau được sử dụng trong kỹ thuật trải phổ, trong đó loại quan trọng nhất là các mã PN được tạo ra từ dãy ghi dịch cơ số hai có độ dài cực đại hay dãy m. Các dãy cơ số hai m được tạo ra bằng cách sử dụng thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp và các mạch cổng hoặc loại trừ (XOR). Một dãy thanh ghi dịch tuyến tính được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính g(x) bậc m > 0. g(x) = gmxm + gm-1xm-1 + gm-2xm-2 + ... + g1x + go (2.8). Đối với chuỗi cơ số hai có giá trị {0,1} , gi bằng 0 hoặc 1và gm = g0 = 1. Đặt g(x) = 0, ta được sự hồi quy sau: 1 = go+ g1x + g2x2 + ... + gm-2xm-2 + gm-1xm-1 + xm (2.9). Với xk thể hiện đơn vị trễ, phương trình hồi quy trên xác định các kết nối hồi tiếp trong mạch thanh ghi dịch như hình (24). Trong mạch thanh ghi dịch, các mạch XOR thực hiện phép cộng mod 2. Nếu gi= 1 khóa tương ứng của mạch đóng, nếu gi≠1 thì khóa này mở. Thanh ghi dịch là một mạch cơ số 2 trạng thái hữu hạn có m phần tử nhớ. Mỗi phần tử nhớ là một Flip-Flop hai trạng thái {1,0}. Vì thế số trạng thái khác không cực đại của mạch là 2m-1. Số này bằng chu kỳ cực đại của chuỗi ra C = (co, c1, c2,...).Trong hình (24), trạng thái của thanh ghi dịch ở xung đồng hồ thứ i là: Si = { Si(1), Si(2), Si(3), ... Si(m)} Đầu ra của thanh ghi dịch ở xung đồng hồ thứ i là: Ci-m = Si(m). Thay 1=Ci vào phương trình (2.9) ta được điều kiện hồi quy của chuỗi ra: Ci = g1ci-1 + g2ci-2 + ... +gm-1ci-m+1 + ci-m Hay Ci+m = g1ci+m-1 + g2ci+m-2 + ... +gm-1ci+1 + ci (mod 2) (2.10). với i >=0. Như vậy ứng với mỗi đa thức tạo mã nhất định, ta sẽ xác định được giá trị hồi quy Ci và xây dựng được thanh ghi dịch bằng bậc m của đa thức. Số phần tử trong thanh ghi dịch bằng bậc m của đa thức.Trạng thái của thanh ghi dịch thay đổi theo điều kiện hồi quy được xác định bởi một đa thức tạo mã g(x). Đầu ra thanh ghi dịch sẽ cho ta một chuỗi cơ số hai có độ dài cực đại hay chuỗi m. Xét ví dụ với đa thức tạo mã g(x)= 1+x+x4 Đa thức có m = 4 nên có 4 phần tử nhớ (Flip- Flop). Từ đa thức tạo mã, theo công thức (2.10) ta có điều kiện hồi quy như sau: Ci = Ci-1 + Ci-4. Mạch thanh ghi dịch và chuỗi mã tạo ra ứng với đa thức này như sau: Chuỗi ra C = 111101011001000 Chuỗi có chu kỳ cực đại N = 24 = 15. Sau 15 xung nhịp thì các thanh ghi dịch trở về trạng thái ban đầu. Trạng thái 1111 là trạng thái nạp lúc khởi đầu cho các Flip- Flop. Các trạng thái đầu của các F-F có thể là bất kỳ nhưng yêu cầu phải khác không. Với việc chọn một đa thức tạo mã nguyên thủy, ta sẽ tạo ra được chuỗi m thỏa mãn các chỉ tiêu ngẫu nhiên. Đồng bộ Điều kiện cơ bản để thực hiện đa thâm nhập là phải đồng bộ bộ tạo chuỗi mã PN ở phía thu và ở phía phát để trải phổ. Điều kiện này cho phép máy thu tách được thông tin hữu ích Mi(t). Quá trình đồng bộ gồm hai giai đoạn: Bắt chuỗi (Aquistion). Bám chuỗi (Tracking). Quá trình bắt chuỗi mã (bắt đồng bộ) : Các chuỗi mã PN được tạo ta độc lập ở phía phát và phía thu nên các chuỗi PN ở phía thu sẽ bị dịch đi một lượng là τ. Tín hiệu phía phát là Ci(t) thì tín hiệu phía thu là Ci(t-τ). Để thực hiện bắt chuỗi người ta có thể sử dụng sơ đồ bắt chuỗi Sơ đồ hình (25) là sơ đồ bắt mã cho trường hợp giải điều chế kết hợp (có khôi phục sóng mang). Trong trường hợp này trước hết sóng mang đã khôi phục được nhân với sóng mang thu: S2(t) = Mi(t).Ci(t). cosωc(t) cosωc(t) = 1/2Mi(t).Ci(t)[ cos(2ωct))+1] (2.6). Sau bộ lọc thông thấp ta được: S3(t) = 1/2 Mi(t).Ci(t) Tín hiệu S3(t) được nhân với mã PN của bộ tạo mã địa phương Ci(t-τ). Sau đó tín hiệu được đưa đến bộ tách sóng hình bao. Vì biên độ của sóng mang điều chế bởi Mi(t) là không đổi, tín hiệu ở đầu ra bộ tách sóng hình bao là hàm tự tương quan của Ci(t) S4(t) = ⎥ Ci(t).Cj(t-τ)⎥ =⎥ R(τ)⎥. Tín hiệu S4(t) được đưa đến bộ tích phân có khoảng thời gian bằng một số chu kỳ của chuỗi giả ngẫu nhiên. Bộ tích phân có tác dụng tích lũy một số giá trị đo với một τ cho trước. Ta thấy rằng hàm R(τ) có giá trị cực đại khi τ=0. Sau khi qua bộ tích phân giá trị này được đưa đến bộ so sánh để so sánh với giá trị ngưỡng. Nếu nhỏ hơn giá trị ngưỡng thì τ tăng thêm một lượng là Tc/2 tương ứng với bộ tạo mã PN tạo ra mã dịch đi một lượng Tc/2. Các thao tác trên được lặp đi lặp lại cho đến khi giá trị điện áp đạt đến ngưỡng cố định chứng tỏ đã đạt được đỉnh tương quan τ=0. Khi này cho phép chuyển sang chế độ bám. Thời hạn tích phân được quy định để chống nhiễu. Nếu bị mất đồng bộ thì bộ tích phân bị xóa trở về trạng thái ban đầu. Quá trình bám : Mạch bám đồng bộ hoạt động ngay khi vừa bắt được đồng bộ. Mã PN ở máy thu đã đồng bộ với mã PN ở máy phát trong một chip, tuy nhiên nó có thể chậm hoặc nhanh hơn một khoảng thời gian τ so với mã PN máy phát (0<τ<Tc ). Hình trên mô tả nguyên lý của quá trình bám mã: Vòng bắt mã được tăng gấp hai với nhánh nhanh và nhánh trễ. Tín hiệu được tạo ra bởi bộ tạo mã ở nhánh nhanh là Ci(t+Tc/2) và ở nhánh trễ là Ci(t-Tc/2). Hai tín hiệu này trừ lẫn nhau ở đầu ra bộ tách sóng hình bao để tạo ra tín hiệu lỗi e(τ): e(τ) = | Rp (t+Tc/2)| - | Rp (t-Tc/2)|. Sau khi lọc bỏ lỗi này sẽ điều khiển làm cho bộ tạo chuỗi nhanh hơn hay trễ hơn. Dấu của e(τ) chỉ ra phương hiệu chỉnh cần thực hiện và sự thay đổi của e(τ) phụ thuộc vào τ có dạng đặc tính của một tín hiệu lỗi trong vòng điều khiển. Các đặc tính của CDMA Tính đa dạng của phân tập Trong hệ thống điện thoại tổ ong đầu tiên sử dụng điều chế băng hẹp FM analog thì tính đa đường tạo nên nhiễu fading nghiêm trọng. Nhưng trong điều chế CDMA băng rộng nhiễu fading được giảm đi đáng kể vì các tín hiệu qua các đường khác nhau được thu một cách độc lập. Tuy nhiên nhiễu fading không thể loại trừ hoàn toàn được vì các hiện tượng fading đường xảy ra một cách liên tục làm cho bộ giải điều chế không thể xử lý tín hiệu thu một cách độc lập được. Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fadinh, có ba loại phân tập là theo thời gian, theo tần số và theo khoảng cách. Phân tập theo thời gian đạt được nhờ sử dụng việc chèn và mã sửa sai. Hệ thống CDMA băng rộng ứng dụng phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng báo hiệu trong một băng tần rộng báo hiệu( 200 – 300 ) KHz. Phân tập theo khoảng cách hay theo đường truyền có thể đạt được theo 3 phương pháp sau: Thiết lập nhiều đường báo hiệu (chuyển vùng mềm) để kết nối máy di động đồng thời với 2 hoặc hiều BS. Sử dụng môi trường đa đường theo chức năng trải phổ giống như bộ thu quét thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát khác trễ thời gian. Đặt nhiều anten tại BS. Các loại phân tập để nâng cao hoạt động của hệ thống CDMA bao gồm : Phân tập theo thời gian – Chèn mã, tách lỗi và mã sửa sai. Phần tập theo tần số – Sử dụng tín hiệu băng rộng 1,25 MHx. Phân tập theo khoảng cách ( theo đường truyền ) – Thiết lập nhiều đường báo hiệu, bộ thu đa đường và kết nối với nhiều BS (chuyển vùng mềm ). Phân tập anten có thể dễ dàng áp dụng đối với hệ thống FDMA và TDMA. Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất cả các hệ thống số có tốc độ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửa sai yêu cầu. Nhưng các phương pháp khác có thể dễ dàng áp dụng chỉ cho hệ thống CDMA. Bộ điều khiển đa đường tách sóng PN nhờ sử dụng bộ tương quan song song. Máy di động sử dụng 3 bộ tương quan, BS sử dụng 4 bộ tương quan. Máy thu có bộ tương quan song song gọi là máy thu quét, nó xác định tín hiệu thu theo mỗi đường và tổ hợp, giải điều chế tát cả các tín hiệu thu được. Fading có thể xuất hiện trong mỗi tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đường thu. Vì vậy tổng các tín hiệu thu được có độ tin cậy cao vì khả năng có fading đồng thời trong tác cả các tín hiệu thu được là rất thấp. Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách đồng thời cho hệ thống thông in có 2 BS sao cho có thể thực hiện được chuyển vùng mềm cho máy di động. Điều khiển công suất CDMA Hệ thống thông tin di động số CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất hai chiều (từ máy di động MS đến trạm cơ sở BS và ngược lại) để cung cấp một hệ thống có dung lượng lớn, chất lượng dịch vụ cuộc gọi cao. Bộ thu CDMA của BS truyền tín hiệu CDMA thu được từ máy di động tương ứng thành thông tin số băng hẹp. Tín hiệu của các máy di động khác như là tín hiệu tạp âm của băng rộng.Điều khiển công suất có các chức năng sau: Điều khiển công suất tuyến lên có hai chức năng là: Cân bằng công suất mà BS nhận được từ mỗi MS. Nhờ đó khắc phục được hiệu ứng gần xa, tăng dung lượng hệ thống. Tối thiểu hóa mức công suất phát đi bởi mỗi MS sao cho vẫn đảm bảo dịch vụ tin cậy. Nhờ đó làm giảm nhiễu đồng kênh, tăng dung lượng, tránh nguy hại cho sức khỏe, kéo dài tuổi thọ nguồn công suất của MS. Điều khiển công suất tuyến xuống có ba chức năng là: Đảm bảo phủ sóng với chất lượng tốt cho những vùng tồi nhất trong vùng phục vụ. Tạo khả năng dàn trải lưu lượng giữa các ô có lượng tải không bằng nhau trong vùng phục vụ (chẳng hạn dọc theo đường cao tốc) bằng việc điều khiển nhiễu xuyên ô đối với những ô có tải nặng. Tối thiểu hóa mức công suất phát cần thiết mà vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt. Nhờ đó giảm nhiễu ô lân cận, làm tăng dung lượng và chất lượng của hệ thống. Công suất phát thấp Việc giảm tỷ số tín hiệu/ nhiễu (tức là giảm tỷ số Eb/ No) trong một giới hạn nào đó không những ta có thể tăng dung lượng của hệ thống mà còn giảm công suất phát. Việc giảm công suất phát của máy di động có các thuận lợi sau: Để giảm tạp âm và giao thoa của các máy di động khác cùng kênh gây ra. Việc giảm công suất phát sẽ làm tăng vùng phục vụ và làm giảm số lượng BS yêu cầu. Việc giảm công suất phát của máy di động dẫn đến giảm công suất phát trung bình để làm giảm fadinh. Công suất phát chỉ cao khi có fadinh. Bộ mã - giải mã thoại và tốc độ số liệu biến đổi Bộ mã - giải mã thoại của hệ thống CDMA được thiết kế với các tốc độ biến đổi 8Kb/s. Dịch vụ thoại 2 chiều của tốc độ số liệu biến đổi cung cấp thông tin thoại có sử dụng thuật toán mã - giải mã thoại tốc độ số liệu biến đổi động giữa BS và máy di động. Bộ mã - giải mã thoại phía phát lấy mẫu tín hiệu thoại để tạo ra các gói tín hiệu thoại được mã hóa dùng để truyền tới bộ mã - giải mã thoại phía thu. Bộ mã - giải mã thoại phía thu sẽ giải mã các gói tín hiệu thoại thu được thành các mẫu tín hiệu thoại. Hai bộ mã - giải mã thoại thông tin với nhau ở 4 nấc tốc độ truyền dẫn là 9600b/s, 4800b/s, 2400b/s, 1200b/s. Các tốc độ này được chọn theo điều kiện hoạt động và theo bản tin hoặc số liệu. Thuật toán mã - giải mã thoại chấp nhận CELP ( mã dự đoán tuyến tính thực tế ) , thuật toán dùng cho hệ thống CDMA là QCELP. Bộ mã - giải mã thoại biến đổi sử dụng ngưỡng tương thích để chọn tốc độ số liệu. Ngưỡng được điều khiển theo cường độ của tạp âm nền và tốc độ số liệu sẽ chỉ chuyển đổi thành tốc độ cao khi có tín hiệu thoại vào. Do đó, tạp âm nền bị triệt đi để tạo ra sự truyền dẫn thoại chất lượng cao trong môi trường tạp âm. Bảo mật cuộc gọi Vì hệ thống CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nên hệ thống này cung cấp chức năng bảo mật cao. Việc sử dụng máy thu tìm kiếm bất hợp pháp đối với hệ thống CDMA là rất khó khăn. Bởi vì tín hiệu CDMA đã được trộn làm dãn rộng phổ tín hiệu để không phân biệt được với tạp âm nền. Máy di động có chuyển vùng mềm Cả BS ban đầu và BS mới cùng tham gia vào việc chuyển giao cuộc gọi đối với chuyển vùng mềm. Việc chuyển giao cuộc gọi thông qua trình tự: BS ban đầu, cả hai BS, BS mới. Lược đồ đó làm tối thiểu hóa sự gián đoạn cuộc gọi và làm cho người sử dụng không nhận ra trạng thái chuyển vùng mềm. Do đó, trong khi hệ thống analog và hệ thống TDMA số chấp nhận hình thức chuyển mạch “cắt – trước khi – nối” thì chuyển vùng mềm của hẹ thống CDMA chấp nhận hình thức chuyển mạch “nối – trước khi – cắt”. Sau khi cuộc gọi được thiết lập thì máy di động tiếp tục tìm tín hiệu của BS bên cạnh để so sánh cường độ tín hiệu của ô bên cạnh với cường độ tín hiệu của ô đang sử dụng. Nếu cường độ tín hiệu đạt đến một mức độ nhất định nào đó có nghĩa là máy di động đã di chuyển sang một vùng phục vụ của một BS mới và trạng thái chuyển vùng mềm có thể bắt đầu. Máy di động chuyển một bản tin điều khiển tới MSC để thông báo về cường độ tín hiệu và số hiệu của BS mới. Sau đó, MSC thiết lập một đường nối mới giữa máy di động và BS mới và bắt đầu quá trình chuyển vùng mềm trong khi vẫn giữ đường kết nối ban đầu. Trong trường hợp máy di động đang trong vùng chuyển đổi giữa hai BS thì cuộc gọi được thực hiện bởi cả hai BS sao cho chuyển vùng mềm có thể thực hiện được mà không có hiện tượng ping-pong giữa chúng. BS ban đầu cắt đường kết nối cuộc gọi khi việc đấu nối cuộc gọi với BS mới đã thực hiện thành công. Tách tín hiệu thoại Trong thông tin 2 chiều song công tổng quát thì tỷ số chiếm dụng tải của tín hiệu thoại không lớn hơn khoảng 35%. Trong trường hợp không có tín hiệu thoại trong hệ thống TDMA và FDMA thì khó áp dụng yếu tố tích cực thoại vì trễ thời gian định vị lại kênh tiếp theo là quá dài. Nhưng do số liệu truyền dẫn giảm nếu không có tín hiệu thoại trong hệ thống CDMA nên giao thoa ở người sử dụng khác giảm một cách đáng kể. Dung lượng hệ thống CDMA tăng khoảng 2 lần, suy giảm truyền dẫn trung bình của máy di động giảm khoảng 1/3 và dung lượng được xác định theo mức giao thoa ở những người sử dụng khác. CHƯƠNG 3 : CÁC LOẠI NHIỄU ẢNH HƯỞNG TỚI CDMA I. FADING : Hiện tượng Fading là sự thay đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần gây nên bởi sự thay đổi môi trường truyền dẫn như áp suất không khí và do sự phản xạ của tín hiệu với các vật thể trên đường truyền như nước, mặt đất… Hai dạng fading được đề cập nhiều trong hệ thống CDMA và đặc biệt là MUD: Fading tần số phẳng (frequencey-flat fading) : gây ảnh hưởng tới biên độ thu nhưng không ảnh hưởng tới sự méo dạng dạng sóng tín hiệu xác định. Fading chọn lọc tần số (frequency-selective fading) : gây ảnh hưởng đến tín hiệu thu về cả độ mạnh lẫn hình dạng . II. VẤN ĐỀ GẦN XA: Ta thường gặp vấn đề gần xa trong hệ thống thông tin trải phổ. Như ta đã biết mỗi user là một nguồn nhiễu đối với các user khác. Càng có nhiều người truy cập cùng lúc thì giao thoa đối với user mong muốn càng tăng. Những user càng ở gần trạm thu thì công suất của nó phát ra được thu lại sẽ lớn hơn user khác cùng phát tương tự ở những vị trí xa hơn do suy hao đường truyền. Nếu các user không mong muốn có công suất tương đối lớn so với user mong muốn thì sẽ gây nhiễu đáng kể cho user mong muốn. Do vậy, việc làm sao để máy thu nhận được cùng một mức công suất từ mỗi bộ phát là rất quan trọng. Từ đó người ta đưa ra khái niệm điều khiển công suất. Việc điều khiển công suất nhằm mục đích: mọi tín hiệu của mọi user khi đến máy thu có cùng công suất thu P. Sự phân bố của ảnh hưởng gần-xa theo ngẫu nhiên chỉ phụ thuộc vào số user và số chip trên bit N. Ảnh hưởng gần-xa mong muốn của dạng sóng tín hiệu xác định ngẫu nhiên sẽ nằm ở biên dưới để tạo ra đặc tính tương quan chéo thấp. Điều này liên quan đến hệ thống trải phổ khi chiều dài của chuỗi mã giả ngẫu nhiên lớn hơn so với chiều dài kí tự. III. HIỆN TƯỢNG ĐA ĐƯỜNG : Hình 3.1 : Hiện tượng đa đường dẫn Trên kênh truyền vô tuyến luôn tồn tại sự truyền đa đường, nghĩa là có nhiều đường truyền từ máy phát tới máy thu. Nguyên nhân dẫn tới hiện tượng này là: • Sự phản xạ hay khúc xạ khí quyển . • Sự phản xạ từ mặt đất, đồi núi, các toà nhà cao ốc,… Hiện tượng đa đường sẽ gây ra sự dao động, sự thay đổi lên xuống bất thường đối với mức tín hiệu thu được. Mọi đường truyền đều có thời gian trì hoãn và sự suy giảm khác nhau. Yêu cầu đặt ra là làm sao thu được tín hiệu truyền trực tiếp và loại bỏ những tín hiệu trên những đường truyền còn lại. Trong hình trên ta xét trường hợp có hai đường truyền riêng biệt: đường trực tiếp và đường phản xạ. Trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp, giả sử máy thu đồng bộ với khoảng thời gian trễ của đường truyền trực tiếp. Chuỗi PN đến từ đường truyền gián tiếp sẽ không được đồng bộ với chuỗi PN tại máy thu như trường hợp của đường truyền trực tiếp, nên tín hiệu không được giải trải phổ và do đó xem như không đáng kể trong hệ thống. Như vậy, trong hệ thống trải phổ, nhiễu đa đường có thể được loại bỏ. Nhận xét của giáo viên