Thông tin trải phổ và ứng dụng 253433
- 101 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
PHẠM THỊ ÁNH HỒNG
THÔNG TIN TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Hà Nội, 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
PHẠM THỊ ÁNH HỒNG
THÔNG TIN TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS NGUYỄN QUỐC TRUNG
Hà Nội, 2010
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ
1.1. Giới thiệu:
Trong các hệ thống thông tin, ta thường quan tâm đến tính năng của hệ thống
theo khía cạnh hiệu quả dải thông và hiệu quả năng lượng. Trong đó, phổ tần vô
tuyến từ lâu đã được coi là nguồn tài nguyên công cộng quí báu của quốc gia và tự
nhiên. Tuy nhiên phổ tần vô tuyến về cơ bản là tài nguyên hữu hạn, song dùng lại
được, tức là khi một hệ thống ngừng dùng một tần số nào đó thì một hệ thống khác
có thể bắt đầu dùng tần số này. Mặc dù những tiến bộ về công nghệ tiếp tục mở
rộng dải tần dùng được, các tính chất cơ bản của sóng vô tuyến làm cho một số tần
số hay được dùng hơn, do đó quí giá hơn các tần số khác. Theo đó, các tính chất
truyền dẫn sóng vô tuyến trong dải 0.5-3 GHz là đặc biệt quí giá đối với nhiều dịch
vụ cố định và di động.
Vấn đề là ngày càng nhiều công nghệ và dịch vụ tranh dành nhau đoạn phổ
tần quí giá đó, nhất là vì nhu cầu về phổ tần vô tuyến tăng nhanh đối với các dịch vụ
mới, như là dịch vụ thông tin cá nhân (Personal Communication Service-PCS) và
điện thoại tế bào…. Quản lí việc sử dụng phổ tần là nhiệm vụ cực kì phức tạp vì
hiện nay có nhiều loại dịch vụ và vông nghệ mới. Trước đây việc này được thực
hiện bằng cách cấp các băng hoặc các blocks phổ cho các dịch vụ khác nhau như là
quảng bá, di động, nghiệp dư, vệ tinh, điểm-điểm và thông tin hàng không…, gần
đây có cách tiếp cận khác để giải quyết vấn đề này, nó dựa trên khả năng của một số
phương pháp điều chế chia sẻ cùng băng tần mà không gây nên nhiễu đáng kể. Đó
chính là phương pháp điều chế trải phổ (Spread Spectrum-SS), nhất là khi dùng kết
hợp với kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access-
CDMA), hay còn gọi là kĩ thuật đa truy nhập trải phổ (Spread Spectrum Multiple
Access-SSMA).
Kỹ thuật trải phổ đã đi qua quãng đường phát triển dài, nó có từ thời trước
chiến tranh Thế giới II. Đồng thời ở Mĩ và Đức, vào thời gian đó nó là hoạt động tối
mật. Những cải tiến sau đó, đặc biệt là trong lĩnh vực CDMA, được xem xét lại và
tỏ ra là phương tiện hấp dẫn để xác định vị trí xe cộ , nhờ khả năng xác định cự li
đồng thời của nó trong khi đang sử dụng kênh. Ngoài ra nó còn cung cấp giải pháp
cho vấn đề tắc nghẽn phổ trong điện thoại tế bào đang phát triển nhanh.
Như vậy có thể hình dung, sử dụng kỹ thuật trải phổ đang thu hút sự chú ý
đáng kể. Kỹ thuật trải phổ hoặc là đang sử dụng hoặc đang được đề xuất sử dụng
trong nhiều ứng dụng mới, như mạng thông tin cá nhân (Personal Communication
Networks-PCN), WLAN (Wireless Local Area Networks), tổng đài nhánh cá nhân
vô tuyến (Wireless Private Branch Exchanges-WPBX), các hệ thống điều khiển
kiểm kê vô tuyến, các hệ thống báo động trong tòa nhà và hệ thống định vị toàn cầu
(Global Positioning System-GPS).
Kỹ thuật trải phổ có một số đặc điểm hấp dẫn đó là:
• Khả năng chống lại nhiễu cố ý và không cố ý- đặc điểm này quan trọng đối
với thông tin trong các vùng đông đúc như thành phố.
• Có khả năng loại bỏ hoặc giảm nhẹ ảnh hưởng của đường truyền lan đa
đường, có thể là vật cản lớn trong thông tin thành phố.
• Có thể chia sẻ cùng băng tần (như “tấm phủ”) với các người dùng khác, nhờ
tính chất tín hiệu giống như tạp âm của nó.
• Có thể dùng cho thông tin vệ tinh đã cấp phép trong chế độ CDMA.
• Cho mức độ riêng tư nhất định nhờ dùng các mã trải ngẫu nhiên làm cho nó
khó bị nghe trộm.
1.2. Các hệ thống thông tin trải phổ:
Trong các hệ thống thông tin, dải thông à điều quan tâm chủ yếu và các hệ
thống đều được thiết kế sao cho sử dụng càng ít dải thông càng tốt. Dải thông cần
để phát nguồn tín hiệu tương tự bằng hai lần dải thông của nguồn trong các hệ thống
điều biên hai biên. Nó bằng vài lần dải thông của nguồn trong các hệ thống điều tần
tùy thuộc vào chỉ số điều chế. Đối với nguồn tín hiệu số, dải thông yêu cầu là cùng
bậc với tốc độ bít của nguồn, dải thông yêu cầu chính xác phụ thuộc vào loại điều
chế (BPSK, QPSK,…).
Trong các hệ thống thông tin trải phổ, dải thông của tín hiệu được mở rộng,
thường bằng vài bậc dải thông trước khi phát. Khi chỉ có một người dùng trong
băng tần trải phổ, hiệu quả dải thông là thấp. Tuy nhiên trong môi trường đa người
dùng, các người dùng có thể chia sẻ cùng một băng tần trải phổ và hệ thống trở nên
hiệu quả về dải thông trong khi vẫn duy trì các ưu điểm của hệ thống trải phổ.
Hình 1.1 là sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin trải phổ điển hình
đối với cả hai cấu hình mặt đất và vệ tinh. Nguồn có thể là số hay tương tự. Nếu
nguồn là tương tự, đầu tiên nó được số hóa bằng bộ biến đổi tương tự/số (Analog to
digital- A/D) như điều chế xung mã (Pulse code modulation-PCM) hay điều chế
delta (DM). Bộ nén dữ liệu loại bỏ hoặc giảm bớt độ dư thừa thông tin trong nguồn
số. Sau đó tín hiệu ra được mã hóa bằng bộ mã hóa sửa sai, đưa thêm độ dư mã hóa
vào nhằm mục đích phát hiện và sửa các lỗi có thể phát sinh khi truyền qua kênh tần
số vô tuyến (Radio frequency-RF). Phổ của tín hiệu nhận được trải ra trên dải thông
mong muốn, tiếp sau là bộ điều chế có tác dụng dịch phổ đến dải tần phát được gán.
Sau đó tín hiệu đã điều chế được khuếch đại và gửi qua kênh truyền mặt đất hoặc vệ
tinh. Kênh gây ra một số tác động xấu như: nhiễu, tạp âm, suy hao công suất tín
hiệu. Chú ý rằng bộ nén/giải nén dữ liệu và bộ mã sửa sai/giải mã là tùy chọn.
Chúng dùng để cải thiện chất lượng của hệ thống. Vị trí của các chức năng trải phổ
và điều chế có thể đổi lẫn cho nhau. Hai chức năng này thường được kết hợp và
thực hiện như một khối duy nhất.
Tín hiệu số Nén Mã Trải phổ
dữ sửa Điều KĐ Đường lên
liệu sai chế CS
Kênh Tạp âm
Tín hiệu tương tự truyền
A/D Tạo Sóng Nhiễu
dãy PN mang
Máy
Kênh mặt đất phát
Máy phát Tạp âm Kênh đáp Kênh vệ tinh
Máy thu Nhiễu truyền
Tạp âm
Sóng mang Kênh
truyền Nhiễu
Giải trải
Tín hiệu số Giải Giải phổ Giải KĐ
nén mã điều CS Đường xuống
chế
Tín hiệu tương tự D/A Tạo Đồng
dãy bộ
PN dãy
PN
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số trải phổ điển hình
Tại đầu thu, máy thu cố gắng khôi phục lại tín hiệu gốc bằng cách biến đổi
ngược lại các quá trình sử dụng ở máy phát; nghĩa là tín hiệu thu được giải điều chế,
giải trải phổ, giải mã và giải nén để nhận được tín hiệu số. Nếu nguồn là tương tự,
tín hiệu số được biến đổi thành tín hiệu tương tự nhờ bộ biến đổi D/A.
Trong các hệ thống thông thường, các chức năng trải phổ và giải trải phổ
không có trong sơ đồ khối hình 1.1. Đây là điểm khác nhau duy nhất giữa hệ thống
thông thường và hệ thống trải phổ.
Hệ thống thông tin số được coi là hệ thống trải phổ nếu thỏa mãn hai tiêu
chuẩn:
• Dải thông của tín hiệu truyền đi cần phải lớn hơn nhiều so với dải thông của
tín hiệu mang.
• Sự mở rộng dải thông được thực hiện nhờ một mã không phụ thuộc dữ liệu
(Dải thông tương đối rộng của tín hiệu mang cần được tạo ra bởi một tín hiệu
dùng để điều biên, được gọi là tín hiệu mã trải, tín hiệu này cần được biết bởi
bộ thu để khôi phục tín hiệu mang tin).
Có 3 loại hệ thống trải phổ cơ bản:
• Dãy trực tiếp (DS/SS- Direct sequence spread spectrum): ta sử dụng điều
biên không tải tin.
• Nhảy tần (FH/SS- Frequency hopping spread spectrum): ta sử dụng điều tần,
ở đó tần số nhảy được xác định bởi các từ có độ dài k bít nhận được từ tín
hiệu mã trải.
• Nhảy thời gian (TH/SS- Time hopping spread spectrum).
Cũng có thể kết hợp các loại trải phổ cơ bản với nhau, gọi là các kỹ thuật lai
bao gồm cả chuỗi trực tiếp và nhảy tần.
Hệ thống DS/SS đạt được trải phổ nhờ nhân với nguồn tín hiệu giả ngẫu
nhiên. Hệ thống FH/SS đạt được trải phổ bằng cách nhảy tần số sóng mang của nó
trên một tập lớn các tần số. Mẫu nhảy tần là giả ngẫu nhiên. Trong hệ thống TH/SS,
khối các bít dữ liệu được nén và phát đi một cách gián đoạn trong một hoặc nhiều
khe thời gian trong khung gồm một số lớn các khe thời gian. Mẫu nhảy thời gian giả
ngẫu nhiên xác định khe thời gian nào được dùng để truyền trong mỗi khung.
Hiện nay các quan tâm chính đến hệ thống trải phổ là trong các ứng dụng đa
truy nhập, ở đó nhiều người dùng cùng chia sẻ dải thông truyền dẫn. Trong hệ thống
DS/SS, tất cả các người dùng chia sẻ cùng một băng tần và phát tín hiệu của mình
một cách đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để khôi
phục tín hiệu mong muốn bằng quá trình giải trải phổ. Các tín hiệu không mong
muốn khác sẽ giống như các can nhiễu phổ rộng công suất thấp, và ảnh hưởng của
chúng được lấy trung bình bởi phép giải trải phổ. Trong các hệ thống FH/SS và
TH/SS mỗi người dùng được gán một mã giả ngẫu nhiên khác nhau sao cho không
có hai máy phát nào sử dụng cùng một tần số hoặc cùng một khe thời gian đồng
thời, nghĩa là máy phát tránh xung đột với nhau. Vì thế, FH và TH là một hệ thống
tránh, trong khi DS là một hệ thống lấy trung bình.
1.3. Nguyên lý trải phổ:
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 tỉ 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.
CHƯƠNG II: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ
2.1. Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DS/SS:
2.1.1. Mở đầu:
Tín hiệu DS/SS nhận được bằng cách điều chế tin tức bởi tín hiệu giả ngẫu
nhiên băng rộng. Sản phẩm trở thành tín hiệu băng rộng. Trước tiên ta nghiên cứu
một số tính chất của các tín hiệu giả ngẫu nhiên. Sau đó ta xem xét các máy phát và
máy thu của hệ thống DS/SS sử dụng BPSK và QPSK. Ta cũng nghiên cứu ảnh
hưởng của tạp âm và nhiễu cố ý đến chất lượng của hệ thống DS/SS. Cuối cùng ta
nghiên cứu ảnh hưởng của việc chia sẻ cùng kênh với vài người dùng (nhiễu đa truy
nhập) và ảnh hưởng của đa tia.
2.1.2. Tín hiệu giả tạp:
Như đã đề cập trong chương I, ta dùng mã “ngẫu nhiên” để trải phổ của tin
tức tại máy phát và giải trải phổ của tín hiệu thu được tại máy thu. Mã ngẫu nhiên
đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống trải phổ. Tuy nhiên nếu mã này là
ngẫu nhiên thực sự, thì ngay cả máy thu mong muốn cũng không thể lấy được tin
tức vì chưa có phương pháp nào để đồng bộ với mã ngẫu nhiên thực sự, như vậy hệ
thống trở thành vô dụng. Thay vào đó ta phải dùng mã giả ngẫu nhiên, là mã tất
định mà máy thu mong muốn biết được, còn đối với máy thu không mong muốn thì
nó giống như tạp âm. Nó thường được gọi là dãy giả tạp (Pseudo Noise-PN). Dãy
PN là dãy các con số tuần hoàn với chu kì nhất định. Ta sử dụng {c i ,i=integer}≡{L,
c -1 ,c 0 ,c 1 ,L} để chỉ dãy PN. Giả sử N là chu kì của nó tức là c i+N =c i . Đôi khi ta còn
gọi N là độ dài của dãy PN, và dãy tuần hoàn chỉ đơn thuần là phần mở rộng có chu
kì của dãy dài N.
Để dãy {a i }là dãy tạp ngẫu nhiên tốt, giá trị của ai phải độc lập với giá trị aj
với bất kì i≠j. Để điều này xảy ra thì dãy không được lặp lại, tức chu kì phải là ∞.
Vì dãy PN là tuần hoàn, chu kì của nó phải lớn để nhận được tính chất ngẫu nhiên
tốt.
Trong hệ thống DS/SS, tín hiệu liên tục thời gian (gọi là tín hiệu PN)
được tạo ra từ dãy PN để trải phổ. Giả sử dãy PN là nhị phân, tức c i =±1,
thì tín hiệu PN là:
∞
c(t ) = ∑ ck pTc (t − kTc ) (2.1)
k = −∞
Ở đây pT(t) là xung vuông biên độ bằng 1. Số ck được gọi là chíp và độ dài
thời gian Tc giây được gọi là thời gian chíp. Để ý rằng tín hiệu PN có chu kì NTc.
Một ví dụ như hình 2.1 với N=15 và {ci,i=0,1,K,14}={1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-
1,-1,-1}
Tín hiệu PN (dãy) cũng được gọi là tín hiệu trải (dãy), tín hiệu (dãy) ngẫu nhiên và
dạng sóng (dãy) đặc trưng :
Một chu kì
1
C(t) t
-1
Tc ….. NTc …..
N=15; {ci,i=0,….,14}={1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1}
Hình 2.1 Ví dụ của tín hiệu PN c(t), tạo nên từ dãy PN có chu kì N=15
Để thuận tiện, ta mô hình hóa tín hiệu PN như tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên
tức giả sử ci bằng 1 hoặc -1 với xác suất như nhau và rằng ci và cj là độc lập nếu i≠j.
Do đó hàm tự tương quan của nó là :
τ
1 − , τ ≤ Tc
Rc (τ ) = Λ Tc (τ ) = Tc (2.2)
0
Và mật độ phổ công suất PSD của nó bằng :
ϕ c ( f ) = Tc sin c 2 ( fTc ) (2.3)
Tín hiệu PN thực chất là tín hiệu tất định, cho nên hàm tự tương quan của nó có thể
tính được với Tp=NTc tức là :
NT
1 c
Rc (τ ) = ∫ c(t + τ )c(t )dt (2.4)
NTc 0
Hàm tự tương quan nhận được là hàm tuần hoàn với chu kì NTc.
Một loại daột loại dax gọi là dãy độ dài cực đại hoặc dãy m đã được nghiên cứu
mạnh mẽ. Dãy m với chu kì N có hàm tự tương quan chuẩn hóa xác định bởi :
k=0,±N,±2N,K
N −1 1
rc (k ) = ∑ ci + k ci = 1
1
Các giá trị khác (2.5)
N i =0 − N
Hàm này được biểu diễn trên hình 2.2. Dãy PN tương ứng có hàm tự tương quan
tuần hoàn với chu kì NTc.
rc(k)
1
-N 0 N k
(a) Hàm tự tương quan của dãy m
Rc(τ)
1
1/N
τ
-NTc 0 NTc
(b) Hàm tự tương quan của dãy PN
Hình 2.2 Hàm tự tương quan của tín hiệu PN nhận được từ dãy m
Dạng của nó là hình tam giác như hình 2.2b. Với N lớn, (2.6) xấp xỉ bằng
(2.2) và xét theo các tính chất tự tương quan dãy m trở thành dãy ngẫu nhiên khi
N→∞.
NT
1 c
Rc (τ ) = c(t + τ )c(t )dt
NTc ∫0
τ 1
1 − 1 + , 0 ≤ τ ≤ Tc
= Tc N (2.6)
− 1 , 1
Tc ≤ τ ≤ NTc
N 2
1
= 1 + ΛTc (τ ) −
1
N N
2.1.3. Các hệ thống DS/SS-BPSK :
1. Máy phát :
Sơ đồ khối của máy phát DS/SS-BPSK như hình 2.3. Dữ liệu hoặc tin tức
b(t) nhận các giá trị ±1, có thể biểu diễn như sau :
∞
b(t ) = ∑ bk pT (t − kT ) (2.7)
k = −∞
Ở đây bk=±1 là bít dữ liệu thứ k và T là độ dài của nó (tức tốc độ dữ liệu là 1/T
bps). Tín hiệu b(t) được trải ra bởi tín hiệu PN c(t) qua phép nhân. Tín hiệu kết quả
b(t)c(t) sau đó điều chế sóng mang dùng BPSK, tạo nên tín hiệu DS/SS-BPSK như
sau :
s(t ) = Ab(t )c(t )sin (2πf ct + θ ) (2.8)
Ở đây A là biên độ, fc là tần số sóng mang và θ là pha sóng mang.
Bộ điều chế BPSK
Tin tức nhị phân
b(t) b(t)c(t) Tín hiệu DS/SS-BPSK
s(t)=Ab(t)c(t)sin(2πfct+θ)
c(t)
Tín hiệu PN nhị phân Sóng mang
Asin(2πfct+θ)
1
b(t) t
-1 T 2T 3T
Một chu kì
1
c(t) t
-1
Tc ..... NTc 2NTc .....
Giả sử N=7 ; T=NTc
1
b(t)c(t) t
-1
Tc ..... NTc ........ 2NTc .....
A
s(t) t
-A
Tc NTc 2NTc
Trong hình này, sóng mang
có fc=1/Tc và θ=0
Hình 2.3 Sơ đồ khối của máy phát DS/SS-BPSK
Trong nhiều ứng dụng, một bít tin tức bằng một chu kì của tín hiệu PN tức là
T=NTc. Trong hình 2.3 ta có N=7. Có thể thay tích b(t)c(t) lại là tín hiệu nhị phân
với biên độ ±1 và có cùng tần số như tín hiệu PN.
2. Máy thu :
Khôi phục
định thời
symbol
sin(2πfct+θ’) ti
Khôi phục
sóng mang
s(t-τ)=Ab(t-τ)c(t-τ)sin(2πfct+θ’) w(t) ti +T Zi +
∫ (.)dt
ti
-
c(t-τ)
Đồng bộ Tạo PN
PN tại chỗ Bộ giải điều chế BPSK
τ
A t
s(t-τ)
…
-A
NTc NTc NTc
t0 t1 t2
1 t
c(t-τ)
-1
A t
w(t)
-A
Hình 2.4 Sơ đồ khối máy thu DS/SS-BPSK
Sơ đồ khối của máy thu DS/SS-BPSK trên hình 2.4. Mục đích của máy thu là
khôi phục tin tức b(t) (dữ liệu {bi}) từ tín hiệu thu được gồm tín hiệu phát cộng với
tạp âm. Vì có độ trễ τ trong truyền sóng nên tín hiệu thu được là :
s (t − τ ) + n(t ) = Ab(t − τ )c(t − τ )sin (2πf c (t − τ ) + θ ) + n(t ) (2.9)
Ở đây n(t) là tạp âm từ kênh và từ front-end của máy thu.
Để giải thích quá trình khôi phục, giả sử rằng không có tạp âm. Đầu tiên tín
hiệu thu được giải trải phổ để đưa băng rộng về băng hẹp, sau đó nó được giải điều
chế để nhận được tín hiệu băng gốc. Để giải trải phổ, tín hiệu thu được nhân với tín
hiệu PN (đồng bộ) c(t-τ) tạo ra tại máy thu, kết quả được :
w(t)=Ab(t-τ)c2(t-τ)sin(2πfct+θ’)
=Ab(t-τ)sin (2πfct+θ’) (2.10)
Vì c(t)=±1 còn θ’=θ-2πfcτ. Đây là tín hiệu băng thông dải hẹp với dải thông 2/T. Để
giải điều chế giả sử rằng máy thu biết được pha θ’ và tần số fc cũng như điểm bắt
đầu của mỗi bít. Bộ giải điều chế BPSK gồm bộ tương quan theo sau là thiết bị
ngưỡng. Để phát hiện bít dữ liệu thứ i, bộ tương quan tính toán :
ti +T
(
zi = ∫ w(t )sin 2πf ct + θ ' dt )
ti
ti +T
( )
= A ∫ b(t − τ )sin 2 2πf ct + θ ' dt (2.11)
ti
ti +T
=
A
∫
2 ti
{ ( )}
b(t − τ ) 1 − cos 4πf ct + 2θ ' dt
Ở đây ti=iT+τ là điểm đầu của bít thứ i. Vì b(t-τ) bằng +1 hoặc -1 trong mỗi bít, nên
số hạng đầu tiên trong tích phân có giá trị là T hoặc –T. Số hạng thứ hai là thành
phần tần số gấp đôi có giá trị xấp xỉ bằng không sau tích phân. Do đó kết quả là zi
bằng AT/2 hoặc ----AT/2. Cho tín hiệu này đi qua thiết bị ngưỡng (hoặc bộ so
sánh) với ngưỡng bằng 0 sẽ được tín hiệu ra nhị phân 1 (logic “1”) hoặc -1 (logic
“0”). Ngoài thành phần tín hiệu ±AT/2, lối ra bộ tích phân còn có thành phần tạp
âm, đôi khi gây nên các lỗi.
Lưu ý rằng thứ tự của nhân tín hiệu PN và nhân sóng mang có thể trao đổi
cho nhau mà không làm thay đổi kết quả. Tín hiệu PN được cả máy thu mong muốn
và máy phát biết. Vì máy thu mong muốn biết mã nên nó có thể giải trải phổ tín
hiệu SS để khôi phục tin tức. Mặt khác, máy thu không mong muốn không biết mã
c(t) do đó trong điều kiện bình thường nó không thể giải mật tin tức. Điều này có
thể thấy rõ từ phương trình (2.8): máy thu không mong muốn chỉ nhìn thấy tín hiệu
ngẫu nhiên ±1.
Ta đã giả thiết rằng máy thu biết được một vài tham số:τ, ti, θ’, fc. Máy thu
có thể tạo nên tần số mang fc bằng bộ dao động tại chỗ. Nếu có sự sai khác nào đó
giữa tần số mang và tần số dao động tại chỗ, thì có thể tạo ra tần số ở lân cận fc và
tần số đúng có thể bám bằng vòng hồi tiếp như vòng khóa pha. Máy thu phải nhận
được các tham số khác nữa tức là :τ, ti, θ’ từ tín hiệu nhận. Quá trình xác định τ
được gọi là đồng bộ tín hiệu PN, thường thực hiện theo hai bước: bắt (đồng bộ thô)
và bám (đồng bộ tinh). Quá trình xác định ti được gọi là khôi phục định thời smbol,
còn xác định θ’ (cũng như fc) được gọi là khôi phục sóng mang. Khôi phục sóng
mang và khôi phục định thời là cần thiết trong bất kì máy thu thông tin dữ liệu nào.
Khi T/Tc=N=chu kì của dãy PN, thì định thời symbol ti có thể nhận được một khi đã
biết τ. Hình 2.4 cũng chỉ ra các khối chức năng để đồng bộ tín hiệu PN, khôi phục
định thời symbol và khôi phục sóng mang.
Xét ngắn gọn ảnh hưởng của pha sóng mang sai và pha mã sai trong máy
thu. Giả sử rằng máy thu sử dụng sin(2πfct+θ’+γ) thay cho sin(2πfct+θ’) để giải
điều chế và sử dụng c(t-τ’) làm tín hiệu PN tại chỗ, tức sóng mang có sai pha γ và
tín hiệu PN có sai pha τ-τ’. Khi đó ta có:
ti +T
( ) ( ) ( )
zi = A ∫ b(t − τ )c(t − τ )c t − τ ' sin 2πf ct + θ ' sin 2πf ct + θ ' + γ dt
ti
t +T
=
Ai
∫
2 ti
( )
b(t − τ )c(t − τ )c t − τ ' cos(γ )dt
(2.12)
ti +T
=±
AT
2
1
(
cos(γ ) ∫ c(t − τ )c t − τ ' dt
T ti
)
=±
AT
2
(
cos(γ )Rc t − τ ' )
Ở đây dòng thứ hai nhận được do số hạng tần số gấp đôi khi tích phân cho kết quả
là 0. Do đó |zi| là cực đại khi γ=0 và (τ-τ’)=0. Nếu |τ-τ’|>Tc hoặc |γ|=π/2 thì zi=0 và
máy thu trở nên vô dụng. Khi |τ-τ’|tỉ số tín/tạp sẽ nhỏ hơn, tạo nên xác suất lỗi cao hơn. Do đó máy thu hoạt động tốt
nhất khi không có sai pha nào. Tuy nhiên, nó vẫn còn có thể hoạt động được khi các
sai pha |τ-τ’|và |γ| là nhỏ.
3. Mật độ phổ công suất:
Để hiểu rõ hơn các hệ thống DS/SS-BPSK, ta xét PSD của các tín hiệu tại
các điểm khác nhau trong máy phát và máy thu ở hình 2.3 và 2.4. Ta mô hình hóa
tin tức và tín hiệu PN như các tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên (mỗi bít hoặc chíp có
xác suất bằng +1 hoặc -1 như nhau). Tin tức (với biên độ ±1) có tốc độ bít 1/T bps
và PSD:
ϕb ( f ) = T sin c 2 ( fT ) (2.13)
Có dải thông 1/T Hz, còn tín hiệu PN (với biên độ ±1) có tốc độ chíp 1/Tc chíp/s và
PSD:
ϕc ( f ) = Tc sin c 2 ( fTc ) (2.14)
Với dải thông 1/Tc Hz. Vì T/Tc là số nguyên và vì điểm xuất phát của mỗi bít của
b(t) trùng với điểm xuất phát của chíp c(t) nên tích của chúng b(t)c(t) có PSD là :
ϕbc ( f ) = Tc sin c 2 ( fT/c ) (2.15)
tức là dải thông 1/Tc Hz, giống như của c(t). Như vậy quá trình trải phổ làm tăng dải
thông T/Tc=N lần (thường rất lớn). Điều chế sóng mang làm thay đổi tín hiệu băng
gốc b(t)c(t) thành tín hiệu băng thông s(t) có PSD :
ϕs ( f ) =
A2Tc
4
{ }
sin c 2 (( f − f c )Tc ) + sin c 2 (( f + f c )Tc ) (2.16)
và có dải thông 2/Tc Hz. Các ví dụ của các PSD được cho trên hình 2.5a và 2.5b, ở
đó ta đã sử dụng T/Tc=4. So sánh ϕb(f) và ϕs(f), biên độ bị giảm đi một lượng
4T/A2Tc và dải thông không- không tăng lên một hệ số T/Tc. Vì thế T/Tc=N là tỉ số
trải phổ.
T
ϕb(f) Giả sử T/Tc=4
ϕcc (f)
-1/Tc -1/Tb 0 1/Tb 1/Tc f
(a) PSD của tin tức và tín hiệu PN
ϕs(f)
A2Tc/4 B = Wc2/T
-fc 0 fc f
(b) PSD của tín hiệu DS/SS-BPSK
ϕw(f)
A2T/4 B=W2/T
-fc 0 fc f
(c) PSD của tín hiệu w(t)
Hình 2.5 PSD của tin tức, tín hiệu PN và tín hiệu DS/SS-BPSK
Tại máy thu tín hiệu s(t-τ) là phiên bản bị trễ của tín hiệu DS s(t). Do đó PSD
của nó giống y như của s(t), vì sự trễ không làm thay đổi sự phân bố công suất trong
miền tần số. Cũng như vậy PSD của c(t-τ) giống y như PSD của c(t). Sau giải trải
phổ tín hiệu w(t) có PSD xác định bởi :
ϕw ( f ) =
A2T
4
{
sin c 2 (( f − f c )T ) + sin c 2 (( f + f c )T )} (2.17)
và có dạng như hình 2.5c. Ta thấy rằng bây giờ ϕw(f) có PSD băng hẹp với cùng
dạng phổ như của b(t) dịch sang trái và sang phải một lượng fc. Dải thông của w(t)
là 2/T, bằng 2 lần của b(t). Đây là điều mong đợi vì w(t) chính xác là phiên bản điều
chế của b(t). Từ các PSD của các tín hiệu khác nhau, ta thấy rằng PSD của b(t) được
trải phổ bởi c(t) và sau đó được giải trải phổ bằng c(t-τ) tại máy thu.
4. Độ lợi xử lý (Processing Gain- PG):
Độ lợi xử lý được định nghĩa như sau:
PG= (dải thông của tín hiệu SS)/[2(dải thông của tin tức băng gốc)]
Ta thường biểu diễn PG theo dB, bằng 10.log10(PG). Độ lợi xử lý chỉ ra tín
hiệu tin tức phát đi được trải ra bởi hệ thống SS bao nhiêu lần. Nó là tham số chất
lượng của hệ thống SS vì PG cao hơn thường kéo theo khả năng chống nhiễu tốt
hơn. Đối với hệ thống DS/SS-BPSK, độ lợi xử lý bằng (2/Tc)/(2/T)=T/Tc=N.
Ví dụ với N=1023, dải thông của tin tức đã điều chế b(t)cos(2πfct) được tăng
lên 1023 lần bởi quá trình trải phổ và PG=1023 hay 30.1dB.
2.1.4. Các hệ thống DS/SS-QPSK:
c1(t)b(t) Điều chế BPSK s1(t)
c1(t)
Tạo chuỗi PN 1 Asin(2πfct+θ) Tín hiệu DS/SS-QPSK
b(t) π/2
л
Tạo chuỗi PN 2 s (t ) = s1 (t ) + s 2 (t )
= 2 A sin (2πf c t + θ + γ (t ))
Acos(2πfct+θ)
c2(t)
Điều chế BPSK
c2(t)b(t) s2(t)
+1
b(t)
-1 t
+1
c1(t)
t
-1
+1
c2(t)
-1 t
+1
c1(t)b(t)
t
-1
+1
c2(t)b(t)
-1 t
+1
s(t) t
-1
+1
s2(t)
-1 t
+1
s1(t) t
-1
γ = 7π/4 3π/4 5π/4 π/4 3π/4 7π/4 π/4 5π/4 3π/4 7π/4
Hình 2.6 Dạng sóng của hệ thống DS/SS-QPSK
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
PHẠM THỊ ÁNH HỒNG
THÔNG TIN TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Hà Nội, 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
PHẠM THỊ ÁNH HỒNG
THÔNG TIN TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS NGUYỄN QUỐC TRUNG
Hà Nội, 2010
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ
1.1. Giới thiệu:
Trong các hệ thống thông tin, ta thường quan tâm đến tính năng của hệ thống
theo khía cạnh hiệu quả dải thông và hiệu quả năng lượng. Trong đó, phổ tần vô
tuyến từ lâu đã được coi là nguồn tài nguyên công cộng quí báu của quốc gia và tự
nhiên. Tuy nhiên phổ tần vô tuyến về cơ bản là tài nguyên hữu hạn, song dùng lại
được, tức là khi một hệ thống ngừng dùng một tần số nào đó thì một hệ thống khác
có thể bắt đầu dùng tần số này. Mặc dù những tiến bộ về công nghệ tiếp tục mở
rộng dải tần dùng được, các tính chất cơ bản của sóng vô tuyến làm cho một số tần
số hay được dùng hơn, do đó quí giá hơn các tần số khác. Theo đó, các tính chất
truyền dẫn sóng vô tuyến trong dải 0.5-3 GHz là đặc biệt quí giá đối với nhiều dịch
vụ cố định và di động.
Vấn đề là ngày càng nhiều công nghệ và dịch vụ tranh dành nhau đoạn phổ
tần quí giá đó, nhất là vì nhu cầu về phổ tần vô tuyến tăng nhanh đối với các dịch vụ
mới, như là dịch vụ thông tin cá nhân (Personal Communication Service-PCS) và
điện thoại tế bào…. Quản lí việc sử dụng phổ tần là nhiệm vụ cực kì phức tạp vì
hiện nay có nhiều loại dịch vụ và vông nghệ mới. Trước đây việc này được thực
hiện bằng cách cấp các băng hoặc các blocks phổ cho các dịch vụ khác nhau như là
quảng bá, di động, nghiệp dư, vệ tinh, điểm-điểm và thông tin hàng không…, gần
đây có cách tiếp cận khác để giải quyết vấn đề này, nó dựa trên khả năng của một số
phương pháp điều chế chia sẻ cùng băng tần mà không gây nên nhiễu đáng kể. Đó
chính là phương pháp điều chế trải phổ (Spread Spectrum-SS), nhất là khi dùng kết
hợp với kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access-
CDMA), hay còn gọi là kĩ thuật đa truy nhập trải phổ (Spread Spectrum Multiple
Access-SSMA).
Kỹ thuật trải phổ đã đi qua quãng đường phát triển dài, nó có từ thời trước
chiến tranh Thế giới II. Đồng thời ở Mĩ và Đức, vào thời gian đó nó là hoạt động tối
mật. Những cải tiến sau đó, đặc biệt là trong lĩnh vực CDMA, được xem xét lại và
tỏ ra là phương tiện hấp dẫn để xác định vị trí xe cộ , nhờ khả năng xác định cự li
đồng thời của nó trong khi đang sử dụng kênh. Ngoài ra nó còn cung cấp giải pháp
cho vấn đề tắc nghẽn phổ trong điện thoại tế bào đang phát triển nhanh.
Như vậy có thể hình dung, sử dụng kỹ thuật trải phổ đang thu hút sự chú ý
đáng kể. Kỹ thuật trải phổ hoặc là đang sử dụng hoặc đang được đề xuất sử dụng
trong nhiều ứng dụng mới, như mạng thông tin cá nhân (Personal Communication
Networks-PCN), WLAN (Wireless Local Area Networks), tổng đài nhánh cá nhân
vô tuyến (Wireless Private Branch Exchanges-WPBX), các hệ thống điều khiển
kiểm kê vô tuyến, các hệ thống báo động trong tòa nhà và hệ thống định vị toàn cầu
(Global Positioning System-GPS).
Kỹ thuật trải phổ có một số đặc điểm hấp dẫn đó là:
• Khả năng chống lại nhiễu cố ý và không cố ý- đặc điểm này quan trọng đối
với thông tin trong các vùng đông đúc như thành phố.
• Có khả năng loại bỏ hoặc giảm nhẹ ảnh hưởng của đường truyền lan đa
đường, có thể là vật cản lớn trong thông tin thành phố.
• Có thể chia sẻ cùng băng tần (như “tấm phủ”) với các người dùng khác, nhờ
tính chất tín hiệu giống như tạp âm của nó.
• Có thể dùng cho thông tin vệ tinh đã cấp phép trong chế độ CDMA.
• Cho mức độ riêng tư nhất định nhờ dùng các mã trải ngẫu nhiên làm cho nó
khó bị nghe trộm.
1.2. Các hệ thống thông tin trải phổ:
Trong các hệ thống thông tin, dải thông à điều quan tâm chủ yếu và các hệ
thống đều được thiết kế sao cho sử dụng càng ít dải thông càng tốt. Dải thông cần
để phát nguồn tín hiệu tương tự bằng hai lần dải thông của nguồn trong các hệ thống
điều biên hai biên. Nó bằng vài lần dải thông của nguồn trong các hệ thống điều tần
tùy thuộc vào chỉ số điều chế. Đối với nguồn tín hiệu số, dải thông yêu cầu là cùng
bậc với tốc độ bít của nguồn, dải thông yêu cầu chính xác phụ thuộc vào loại điều
chế (BPSK, QPSK,…).
Trong các hệ thống thông tin trải phổ, dải thông của tín hiệu được mở rộng,
thường bằng vài bậc dải thông trước khi phát. Khi chỉ có một người dùng trong
băng tần trải phổ, hiệu quả dải thông là thấp. Tuy nhiên trong môi trường đa người
dùng, các người dùng có thể chia sẻ cùng một băng tần trải phổ và hệ thống trở nên
hiệu quả về dải thông trong khi vẫn duy trì các ưu điểm của hệ thống trải phổ.
Hình 1.1 là sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin trải phổ điển hình
đối với cả hai cấu hình mặt đất và vệ tinh. Nguồn có thể là số hay tương tự. Nếu
nguồn là tương tự, đầu tiên nó được số hóa bằng bộ biến đổi tương tự/số (Analog to
digital- A/D) như điều chế xung mã (Pulse code modulation-PCM) hay điều chế
delta (DM). Bộ nén dữ liệu loại bỏ hoặc giảm bớt độ dư thừa thông tin trong nguồn
số. Sau đó tín hiệu ra được mã hóa bằng bộ mã hóa sửa sai, đưa thêm độ dư mã hóa
vào nhằm mục đích phát hiện và sửa các lỗi có thể phát sinh khi truyền qua kênh tần
số vô tuyến (Radio frequency-RF). Phổ của tín hiệu nhận được trải ra trên dải thông
mong muốn, tiếp sau là bộ điều chế có tác dụng dịch phổ đến dải tần phát được gán.
Sau đó tín hiệu đã điều chế được khuếch đại và gửi qua kênh truyền mặt đất hoặc vệ
tinh. Kênh gây ra một số tác động xấu như: nhiễu, tạp âm, suy hao công suất tín
hiệu. Chú ý rằng bộ nén/giải nén dữ liệu và bộ mã sửa sai/giải mã là tùy chọn.
Chúng dùng để cải thiện chất lượng của hệ thống. Vị trí của các chức năng trải phổ
và điều chế có thể đổi lẫn cho nhau. Hai chức năng này thường được kết hợp và
thực hiện như một khối duy nhất.
Tín hiệu số Nén Mã Trải phổ
dữ sửa Điều KĐ Đường lên
liệu sai chế CS
Kênh Tạp âm
Tín hiệu tương tự truyền
A/D Tạo Sóng Nhiễu
dãy PN mang
Máy
Kênh mặt đất phát
Máy phát Tạp âm Kênh đáp Kênh vệ tinh
Máy thu Nhiễu truyền
Tạp âm
Sóng mang Kênh
truyền Nhiễu
Giải trải
Tín hiệu số Giải Giải phổ Giải KĐ
nén mã điều CS Đường xuống
chế
Tín hiệu tương tự D/A Tạo Đồng
dãy bộ
PN dãy
PN
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số trải phổ điển hình
Tại đầu thu, máy thu cố gắng khôi phục lại tín hiệu gốc bằng cách biến đổi
ngược lại các quá trình sử dụng ở máy phát; nghĩa là tín hiệu thu được giải điều chế,
giải trải phổ, giải mã và giải nén để nhận được tín hiệu số. Nếu nguồn là tương tự,
tín hiệu số được biến đổi thành tín hiệu tương tự nhờ bộ biến đổi D/A.
Trong các hệ thống thông thường, các chức năng trải phổ và giải trải phổ
không có trong sơ đồ khối hình 1.1. Đây là điểm khác nhau duy nhất giữa hệ thống
thông thường và hệ thống trải phổ.
Hệ thống thông tin số được coi là hệ thống trải phổ nếu thỏa mãn hai tiêu
chuẩn:
• Dải thông của tín hiệu truyền đi cần phải lớn hơn nhiều so với dải thông của
tín hiệu mang.
• Sự mở rộng dải thông được thực hiện nhờ một mã không phụ thuộc dữ liệu
(Dải thông tương đối rộng của tín hiệu mang cần được tạo ra bởi một tín hiệu
dùng để điều biên, được gọi là tín hiệu mã trải, tín hiệu này cần được biết bởi
bộ thu để khôi phục tín hiệu mang tin).
Có 3 loại hệ thống trải phổ cơ bản:
• Dãy trực tiếp (DS/SS- Direct sequence spread spectrum): ta sử dụng điều
biên không tải tin.
• Nhảy tần (FH/SS- Frequency hopping spread spectrum): ta sử dụng điều tần,
ở đó tần số nhảy được xác định bởi các từ có độ dài k bít nhận được từ tín
hiệu mã trải.
• Nhảy thời gian (TH/SS- Time hopping spread spectrum).
Cũng có thể kết hợp các loại trải phổ cơ bản với nhau, gọi là các kỹ thuật lai
bao gồm cả chuỗi trực tiếp và nhảy tần.
Hệ thống DS/SS đạt được trải phổ nhờ nhân với nguồn tín hiệu giả ngẫu
nhiên. Hệ thống FH/SS đạt được trải phổ bằng cách nhảy tần số sóng mang của nó
trên một tập lớn các tần số. Mẫu nhảy tần là giả ngẫu nhiên. Trong hệ thống TH/SS,
khối các bít dữ liệu được nén và phát đi một cách gián đoạn trong một hoặc nhiều
khe thời gian trong khung gồm một số lớn các khe thời gian. Mẫu nhảy thời gian giả
ngẫu nhiên xác định khe thời gian nào được dùng để truyền trong mỗi khung.
Hiện nay các quan tâm chính đến hệ thống trải phổ là trong các ứng dụng đa
truy nhập, ở đó nhiều người dùng cùng chia sẻ dải thông truyền dẫn. Trong hệ thống
DS/SS, tất cả các người dùng chia sẻ cùng một băng tần và phát tín hiệu của mình
một cách đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để khôi
phục tín hiệu mong muốn bằng quá trình giải trải phổ. Các tín hiệu không mong
muốn khác sẽ giống như các can nhiễu phổ rộng công suất thấp, và ảnh hưởng của
chúng được lấy trung bình bởi phép giải trải phổ. Trong các hệ thống FH/SS và
TH/SS mỗi người dùng được gán một mã giả ngẫu nhiên khác nhau sao cho không
có hai máy phát nào sử dụng cùng một tần số hoặc cùng một khe thời gian đồng
thời, nghĩa là máy phát tránh xung đột với nhau. Vì thế, FH và TH là một hệ thống
tránh, trong khi DS là một hệ thống lấy trung bình.
1.3. Nguyên lý trải phổ:
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 tỉ 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.
CHƯƠNG II: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ
2.1. Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DS/SS:
2.1.1. Mở đầu:
Tín hiệu DS/SS nhận được bằng cách điều chế tin tức bởi tín hiệu giả ngẫu
nhiên băng rộng. Sản phẩm trở thành tín hiệu băng rộng. Trước tiên ta nghiên cứu
một số tính chất của các tín hiệu giả ngẫu nhiên. Sau đó ta xem xét các máy phát và
máy thu của hệ thống DS/SS sử dụng BPSK và QPSK. Ta cũng nghiên cứu ảnh
hưởng của tạp âm và nhiễu cố ý đến chất lượng của hệ thống DS/SS. Cuối cùng ta
nghiên cứu ảnh hưởng của việc chia sẻ cùng kênh với vài người dùng (nhiễu đa truy
nhập) và ảnh hưởng của đa tia.
2.1.2. Tín hiệu giả tạp:
Như đã đề cập trong chương I, ta dùng mã “ngẫu nhiên” để trải phổ của tin
tức tại máy phát và giải trải phổ của tín hiệu thu được tại máy thu. Mã ngẫu nhiên
đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống trải phổ. Tuy nhiên nếu mã này là
ngẫu nhiên thực sự, thì ngay cả máy thu mong muốn cũng không thể lấy được tin
tức vì chưa có phương pháp nào để đồng bộ với mã ngẫu nhiên thực sự, như vậy hệ
thống trở thành vô dụng. Thay vào đó ta phải dùng mã giả ngẫu nhiên, là mã tất
định mà máy thu mong muốn biết được, còn đối với máy thu không mong muốn thì
nó giống như tạp âm. Nó thường được gọi là dãy giả tạp (Pseudo Noise-PN). Dãy
PN là dãy các con số tuần hoàn với chu kì nhất định. Ta sử dụng {c i ,i=integer}≡{L,
c -1 ,c 0 ,c 1 ,L} để chỉ dãy PN. Giả sử N là chu kì của nó tức là c i+N =c i . Đôi khi ta còn
gọi N là độ dài của dãy PN, và dãy tuần hoàn chỉ đơn thuần là phần mở rộng có chu
kì của dãy dài N.
Để dãy {a i }là dãy tạp ngẫu nhiên tốt, giá trị của ai phải độc lập với giá trị aj
với bất kì i≠j. Để điều này xảy ra thì dãy không được lặp lại, tức chu kì phải là ∞.
Vì dãy PN là tuần hoàn, chu kì của nó phải lớn để nhận được tính chất ngẫu nhiên
tốt.
Trong hệ thống DS/SS, tín hiệu liên tục thời gian (gọi là tín hiệu PN)
được tạo ra từ dãy PN để trải phổ. Giả sử dãy PN là nhị phân, tức c i =±1,
thì tín hiệu PN là:
∞
c(t ) = ∑ ck pTc (t − kTc ) (2.1)
k = −∞
Ở đây pT(t) là xung vuông biên độ bằng 1. Số ck được gọi là chíp và độ dài
thời gian Tc giây được gọi là thời gian chíp. Để ý rằng tín hiệu PN có chu kì NTc.
Một ví dụ như hình 2.1 với N=15 và {ci,i=0,1,K,14}={1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-
1,-1,-1}
Tín hiệu PN (dãy) cũng được gọi là tín hiệu trải (dãy), tín hiệu (dãy) ngẫu nhiên và
dạng sóng (dãy) đặc trưng :
Một chu kì
1
C(t) t
-1
Tc ….. NTc …..
N=15; {ci,i=0,….,14}={1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1}
Hình 2.1 Ví dụ của tín hiệu PN c(t), tạo nên từ dãy PN có chu kì N=15
Để thuận tiện, ta mô hình hóa tín hiệu PN như tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên
tức giả sử ci bằng 1 hoặc -1 với xác suất như nhau và rằng ci và cj là độc lập nếu i≠j.
Do đó hàm tự tương quan của nó là :
τ
1 − , τ ≤ Tc
Rc (τ ) = Λ Tc (τ ) = Tc (2.2)
0
Và mật độ phổ công suất PSD của nó bằng :
ϕ c ( f ) = Tc sin c 2 ( fTc ) (2.3)
Tín hiệu PN thực chất là tín hiệu tất định, cho nên hàm tự tương quan của nó có thể
tính được với Tp=NTc tức là :
NT
1 c
Rc (τ ) = ∫ c(t + τ )c(t )dt (2.4)
NTc 0
Hàm tự tương quan nhận được là hàm tuần hoàn với chu kì NTc.
Một loại daột loại dax gọi là dãy độ dài cực đại hoặc dãy m đã được nghiên cứu
mạnh mẽ. Dãy m với chu kì N có hàm tự tương quan chuẩn hóa xác định bởi :
k=0,±N,±2N,K
N −1 1
rc (k ) = ∑ ci + k ci = 1
1
Các giá trị khác (2.5)
N i =0 − N
Hàm này được biểu diễn trên hình 2.2. Dãy PN tương ứng có hàm tự tương quan
tuần hoàn với chu kì NTc.
rc(k)
1
-N 0 N k
(a) Hàm tự tương quan của dãy m
Rc(τ)
1
1/N
τ
-NTc 0 NTc
(b) Hàm tự tương quan của dãy PN
Hình 2.2 Hàm tự tương quan của tín hiệu PN nhận được từ dãy m
Dạng của nó là hình tam giác như hình 2.2b. Với N lớn, (2.6) xấp xỉ bằng
(2.2) và xét theo các tính chất tự tương quan dãy m trở thành dãy ngẫu nhiên khi
N→∞.
NT
1 c
Rc (τ ) = c(t + τ )c(t )dt
NTc ∫0
τ 1
1 − 1 + , 0 ≤ τ ≤ Tc
= Tc N (2.6)
− 1 , 1
Tc ≤ τ ≤ NTc
N 2
1
= 1 + ΛTc (τ ) −
1
N N
2.1.3. Các hệ thống DS/SS-BPSK :
1. Máy phát :
Sơ đồ khối của máy phát DS/SS-BPSK như hình 2.3. Dữ liệu hoặc tin tức
b(t) nhận các giá trị ±1, có thể biểu diễn như sau :
∞
b(t ) = ∑ bk pT (t − kT ) (2.7)
k = −∞
Ở đây bk=±1 là bít dữ liệu thứ k và T là độ dài của nó (tức tốc độ dữ liệu là 1/T
bps). Tín hiệu b(t) được trải ra bởi tín hiệu PN c(t) qua phép nhân. Tín hiệu kết quả
b(t)c(t) sau đó điều chế sóng mang dùng BPSK, tạo nên tín hiệu DS/SS-BPSK như
sau :
s(t ) = Ab(t )c(t )sin (2πf ct + θ ) (2.8)
Ở đây A là biên độ, fc là tần số sóng mang và θ là pha sóng mang.
Bộ điều chế BPSK
Tin tức nhị phân
b(t) b(t)c(t) Tín hiệu DS/SS-BPSK
s(t)=Ab(t)c(t)sin(2πfct+θ)
c(t)
Tín hiệu PN nhị phân Sóng mang
Asin(2πfct+θ)
1
b(t) t
-1 T 2T 3T
Một chu kì
1
c(t) t
-1
Tc ..... NTc 2NTc .....
Giả sử N=7 ; T=NTc
1
b(t)c(t) t
-1
Tc ..... NTc ........ 2NTc .....
A
s(t) t
-A
Tc NTc 2NTc
Trong hình này, sóng mang
có fc=1/Tc và θ=0
Hình 2.3 Sơ đồ khối của máy phát DS/SS-BPSK
Trong nhiều ứng dụng, một bít tin tức bằng một chu kì của tín hiệu PN tức là
T=NTc. Trong hình 2.3 ta có N=7. Có thể thay tích b(t)c(t) lại là tín hiệu nhị phân
với biên độ ±1 và có cùng tần số như tín hiệu PN.
2. Máy thu :
Khôi phục
định thời
symbol
sin(2πfct+θ’) ti
Khôi phục
sóng mang
s(t-τ)=Ab(t-τ)c(t-τ)sin(2πfct+θ’) w(t) ti +T Zi +
∫ (.)dt
ti
-
c(t-τ)
Đồng bộ Tạo PN
PN tại chỗ Bộ giải điều chế BPSK
τ
A t
s(t-τ)
…
-A
NTc NTc NTc
t0 t1 t2
1 t
c(t-τ)
-1
A t
w(t)
-A
Hình 2.4 Sơ đồ khối máy thu DS/SS-BPSK
Sơ đồ khối của máy thu DS/SS-BPSK trên hình 2.4. Mục đích của máy thu là
khôi phục tin tức b(t) (dữ liệu {bi}) từ tín hiệu thu được gồm tín hiệu phát cộng với
tạp âm. Vì có độ trễ τ trong truyền sóng nên tín hiệu thu được là :
s (t − τ ) + n(t ) = Ab(t − τ )c(t − τ )sin (2πf c (t − τ ) + θ ) + n(t ) (2.9)
Ở đây n(t) là tạp âm từ kênh và từ front-end của máy thu.
Để giải thích quá trình khôi phục, giả sử rằng không có tạp âm. Đầu tiên tín
hiệu thu được giải trải phổ để đưa băng rộng về băng hẹp, sau đó nó được giải điều
chế để nhận được tín hiệu băng gốc. Để giải trải phổ, tín hiệu thu được nhân với tín
hiệu PN (đồng bộ) c(t-τ) tạo ra tại máy thu, kết quả được :
w(t)=Ab(t-τ)c2(t-τ)sin(2πfct+θ’)
=Ab(t-τ)sin (2πfct+θ’) (2.10)
Vì c(t)=±1 còn θ’=θ-2πfcτ. Đây là tín hiệu băng thông dải hẹp với dải thông 2/T. Để
giải điều chế giả sử rằng máy thu biết được pha θ’ và tần số fc cũng như điểm bắt
đầu của mỗi bít. Bộ giải điều chế BPSK gồm bộ tương quan theo sau là thiết bị
ngưỡng. Để phát hiện bít dữ liệu thứ i, bộ tương quan tính toán :
ti +T
(
zi = ∫ w(t )sin 2πf ct + θ ' dt )
ti
ti +T
( )
= A ∫ b(t − τ )sin 2 2πf ct + θ ' dt (2.11)
ti
ti +T
=
A
∫
2 ti
{ ( )}
b(t − τ ) 1 − cos 4πf ct + 2θ ' dt
Ở đây ti=iT+τ là điểm đầu của bít thứ i. Vì b(t-τ) bằng +1 hoặc -1 trong mỗi bít, nên
số hạng đầu tiên trong tích phân có giá trị là T hoặc –T. Số hạng thứ hai là thành
phần tần số gấp đôi có giá trị xấp xỉ bằng không sau tích phân. Do đó kết quả là zi
bằng AT/2 hoặc ----AT/2. Cho tín hiệu này đi qua thiết bị ngưỡng (hoặc bộ so
sánh) với ngưỡng bằng 0 sẽ được tín hiệu ra nhị phân 1 (logic “1”) hoặc -1 (logic
“0”). Ngoài thành phần tín hiệu ±AT/2, lối ra bộ tích phân còn có thành phần tạp
âm, đôi khi gây nên các lỗi.
Lưu ý rằng thứ tự của nhân tín hiệu PN và nhân sóng mang có thể trao đổi
cho nhau mà không làm thay đổi kết quả. Tín hiệu PN được cả máy thu mong muốn
và máy phát biết. Vì máy thu mong muốn biết mã nên nó có thể giải trải phổ tín
hiệu SS để khôi phục tin tức. Mặt khác, máy thu không mong muốn không biết mã
c(t) do đó trong điều kiện bình thường nó không thể giải mật tin tức. Điều này có
thể thấy rõ từ phương trình (2.8): máy thu không mong muốn chỉ nhìn thấy tín hiệu
ngẫu nhiên ±1.
Ta đã giả thiết rằng máy thu biết được một vài tham số:τ, ti, θ’, fc. Máy thu
có thể tạo nên tần số mang fc bằng bộ dao động tại chỗ. Nếu có sự sai khác nào đó
giữa tần số mang và tần số dao động tại chỗ, thì có thể tạo ra tần số ở lân cận fc và
tần số đúng có thể bám bằng vòng hồi tiếp như vòng khóa pha. Máy thu phải nhận
được các tham số khác nữa tức là :τ, ti, θ’ từ tín hiệu nhận. Quá trình xác định τ
được gọi là đồng bộ tín hiệu PN, thường thực hiện theo hai bước: bắt (đồng bộ thô)
và bám (đồng bộ tinh). Quá trình xác định ti được gọi là khôi phục định thời smbol,
còn xác định θ’ (cũng như fc) được gọi là khôi phục sóng mang. Khôi phục sóng
mang và khôi phục định thời là cần thiết trong bất kì máy thu thông tin dữ liệu nào.
Khi T/Tc=N=chu kì của dãy PN, thì định thời symbol ti có thể nhận được một khi đã
biết τ. Hình 2.4 cũng chỉ ra các khối chức năng để đồng bộ tín hiệu PN, khôi phục
định thời symbol và khôi phục sóng mang.
Xét ngắn gọn ảnh hưởng của pha sóng mang sai và pha mã sai trong máy
thu. Giả sử rằng máy thu sử dụng sin(2πfct+θ’+γ) thay cho sin(2πfct+θ’) để giải
điều chế và sử dụng c(t-τ’) làm tín hiệu PN tại chỗ, tức sóng mang có sai pha γ và
tín hiệu PN có sai pha τ-τ’. Khi đó ta có:
ti +T
( ) ( ) ( )
zi = A ∫ b(t − τ )c(t − τ )c t − τ ' sin 2πf ct + θ ' sin 2πf ct + θ ' + γ dt
ti
t +T
=
Ai
∫
2 ti
( )
b(t − τ )c(t − τ )c t − τ ' cos(γ )dt
(2.12)
ti +T
=±
AT
2
1
(
cos(γ ) ∫ c(t − τ )c t − τ ' dt
T ti
)
=±
AT
2
(
cos(γ )Rc t − τ ' )
Ở đây dòng thứ hai nhận được do số hạng tần số gấp đôi khi tích phân cho kết quả
là 0. Do đó |zi| là cực đại khi γ=0 và (τ-τ’)=0. Nếu |τ-τ’|>Tc hoặc |γ|=π/2 thì zi=0 và
máy thu trở nên vô dụng. Khi |τ-τ’|
nhất khi không có sai pha nào. Tuy nhiên, nó vẫn còn có thể hoạt động được khi các
sai pha |τ-τ’|và |γ| là nhỏ.
3. Mật độ phổ công suất:
Để hiểu rõ hơn các hệ thống DS/SS-BPSK, ta xét PSD của các tín hiệu tại
các điểm khác nhau trong máy phát và máy thu ở hình 2.3 và 2.4. Ta mô hình hóa
tin tức và tín hiệu PN như các tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên (mỗi bít hoặc chíp có
xác suất bằng +1 hoặc -1 như nhau). Tin tức (với biên độ ±1) có tốc độ bít 1/T bps
và PSD:
ϕb ( f ) = T sin c 2 ( fT ) (2.13)
Có dải thông 1/T Hz, còn tín hiệu PN (với biên độ ±1) có tốc độ chíp 1/Tc chíp/s và
PSD:
ϕc ( f ) = Tc sin c 2 ( fTc ) (2.14)
Với dải thông 1/Tc Hz. Vì T/Tc là số nguyên và vì điểm xuất phát của mỗi bít của
b(t) trùng với điểm xuất phát của chíp c(t) nên tích của chúng b(t)c(t) có PSD là :
ϕbc ( f ) = Tc sin c 2 ( fT/c ) (2.15)
tức là dải thông 1/Tc Hz, giống như của c(t). Như vậy quá trình trải phổ làm tăng dải
thông T/Tc=N lần (thường rất lớn). Điều chế sóng mang làm thay đổi tín hiệu băng
gốc b(t)c(t) thành tín hiệu băng thông s(t) có PSD :
ϕs ( f ) =
A2Tc
4
{ }
sin c 2 (( f − f c )Tc ) + sin c 2 (( f + f c )Tc ) (2.16)
và có dải thông 2/Tc Hz. Các ví dụ của các PSD được cho trên hình 2.5a và 2.5b, ở
đó ta đã sử dụng T/Tc=4. So sánh ϕb(f) và ϕs(f), biên độ bị giảm đi một lượng
4T/A2Tc và dải thông không- không tăng lên một hệ số T/Tc. Vì thế T/Tc=N là tỉ số
trải phổ.
T
ϕb(f) Giả sử T/Tc=4
ϕcc (f)
-1/Tc -1/Tb 0 1/Tb 1/Tc f
(a) PSD của tin tức và tín hiệu PN
ϕs(f)
A2Tc/4 B = Wc2/T
-fc 0 fc f
(b) PSD của tín hiệu DS/SS-BPSK
ϕw(f)
A2T/4 B=W2/T
-fc 0 fc f
(c) PSD của tín hiệu w(t)
Hình 2.5 PSD của tin tức, tín hiệu PN và tín hiệu DS/SS-BPSK
Tại máy thu tín hiệu s(t-τ) là phiên bản bị trễ của tín hiệu DS s(t). Do đó PSD
của nó giống y như của s(t), vì sự trễ không làm thay đổi sự phân bố công suất trong
miền tần số. Cũng như vậy PSD của c(t-τ) giống y như PSD của c(t). Sau giải trải
phổ tín hiệu w(t) có PSD xác định bởi :
ϕw ( f ) =
A2T
4
{
sin c 2 (( f − f c )T ) + sin c 2 (( f + f c )T )} (2.17)
và có dạng như hình 2.5c. Ta thấy rằng bây giờ ϕw(f) có PSD băng hẹp với cùng
dạng phổ như của b(t) dịch sang trái và sang phải một lượng fc. Dải thông của w(t)
là 2/T, bằng 2 lần của b(t). Đây là điều mong đợi vì w(t) chính xác là phiên bản điều
chế của b(t). Từ các PSD của các tín hiệu khác nhau, ta thấy rằng PSD của b(t) được
trải phổ bởi c(t) và sau đó được giải trải phổ bằng c(t-τ) tại máy thu.
4. Độ lợi xử lý (Processing Gain- PG):
Độ lợi xử lý được định nghĩa như sau:
PG= (dải thông của tín hiệu SS)/[2(dải thông của tin tức băng gốc)]
Ta thường biểu diễn PG theo dB, bằng 10.log10(PG). Độ lợi xử lý chỉ ra tín
hiệu tin tức phát đi được trải ra bởi hệ thống SS bao nhiêu lần. Nó là tham số chất
lượng của hệ thống SS vì PG cao hơn thường kéo theo khả năng chống nhiễu tốt
hơn. Đối với hệ thống DS/SS-BPSK, độ lợi xử lý bằng (2/Tc)/(2/T)=T/Tc=N.
Ví dụ với N=1023, dải thông của tin tức đã điều chế b(t)cos(2πfct) được tăng
lên 1023 lần bởi quá trình trải phổ và PG=1023 hay 30.1dB.
2.1.4. Các hệ thống DS/SS-QPSK:
c1(t)b(t) Điều chế BPSK s1(t)
c1(t)
Tạo chuỗi PN 1 Asin(2πfct+θ) Tín hiệu DS/SS-QPSK
b(t) π/2
л
Tạo chuỗi PN 2 s (t ) = s1 (t ) + s 2 (t )
= 2 A sin (2πf c t + θ + γ (t ))
Acos(2πfct+θ)
c2(t)
Điều chế BPSK
c2(t)b(t) s2(t)
+1
b(t)
-1 t
+1
c1(t)
t
-1
+1
c2(t)
-1 t
+1
c1(t)b(t)
t
-1
+1
c2(t)b(t)
-1 t
+1
s(t) t
-1
+1
s2(t)
-1 t
+1
s1(t) t
-1
γ = 7π/4 3π/4 5π/4 π/4 3π/4 7π/4 π/4 5π/4 3π/4 7π/4
Hình 2.6 Dạng sóng của hệ thống DS/SS-QPSK