Vì sao CDMA giảm được nhiễu băng hẹp

Trải phổ là một kỹ thuật quan trọng dùng trong 2 G (CDMA), 3 G (W-CDMA) ... Bên cạnh những bài viết trích dẫn đã có nguồn thì những cái còn lại mình lấy trong slide của thày Đỗ Quốc Trinh.

Tóm tắt lịch sử của Trải phổ

• Công nghệ thông tin trải phổ được trình bày đầu tiên trong báo cáo của một nữ diễn viên và một nghệ sĩ!
• Năm1941, nữ diễn viên Hollywood Hedy Lamarr và nghệ sĩ dương cầm George Antheil đã miêu tả một đường vô tuyến để điều khiển các ngư lôi và nhận được bằng sáng chế ở Mỹ.
  
  
  
   

  Wow, so hot !!!

• Giờ đây nó đã trở nên phổ biến rộng rãi cho các ứng dụng thông tin vô tuyến trong các môi trường khắc nghiệt. 
• Các phiên bản ban đầu của nhảy tần được sử dụng 1 trục lăn piano để chuyển đổi giữa 88 tần số và dùng làm tín hiệu vô tuyến dẫn đường ngư lôi, gây khó khăn cho đối phương phát hiện và gây nhiễu. 

Kỹ thuật Trải Phổ và An Ninh Trong Truyền Thông Vô Tuyến

(Spread SpectrumTechniques and Security Issue in Wireless Communications)

Vấn đề truyền một thông điệp từ điểm A đến điểm B qua môi trường vô tuyến cực kỳ nguy hiểm bởi trên đường truyền, người ta có thể thu tín hiệu và giải điều chế rồi từ đó biết được thông điệp đang được truyền đi. Vấn đề này đối với các ứng dụng dân dụng thì không có vấn đề gì to tát lắm (Cùng lắm là hai cô cậu đang yêu nhau nói tục về chuyện ''tối hôm qua'' bị người ta giải mã ra là cùng nhưng cũng có sao đâu). Tuy nhiên, trong Quân Sự thì vấn đề này lại trở nên vô cùng quan trọng. Do đó, kỹ thuật trải phổ đã được áp dụng để tăng tính bảo mật của thông tin truyền trong môi trường vô tuyến. Kỹ thuật này lúc đầu được áp dụng trong quân sự nhưng sau đó đã được đưa vào các ứng dụng dân sự, CDMA là một ví dụ về kỹ thuật trải phổ.

Kỹ thuật trải phổ về cơ bản là sử dụng một mã đặc biết để trải phổ của tín hiệu trong một băng thông hẹp (thậm trí rất hẹp) ra một băng thông cực rộng làm cho tín hiệu truyền đi rất giống với nhiễu trắng có trong tự nhiên. Chính vì vậy, nếu như trên đường truyền, kẻ thù (trong quân sự) có thu được tín hiệu của ta nhưng không biết cái mã đặc biệt kia để thu hẹp phổ của tín hiệu lại thì họ không thể hiểu được nội dung thông tin đang được truyền đi là gì vì tín hiệu sau khi được trải rộng phổ ra rất giống với nhiễu trắng trong tự nhiên.

Mã trải phổ càng dài thì càng khó có thể dò ra phía phát đã dùng mã gì để trải phổ và do đó tính bảo mật của thông tin được truyền càng cao. Tuy nhiên, dùng mã càng dài thì càng cần một băng thông rộng. Ví dụ: Độ rộng dải phổ của tín hiệu hữu dụng là W Hz, nếu ta dùng một mã trải phổ với độ dài K thì tín hiệu sau khi được trải phổ sẽ có độ rộng dải phổ là KW Hz, tức rộng gấp K lần phổ của tín hiệu trước khi trải phổ. Nếu K rất lớn thì phổ của tín hiệu được truyền đi (sau khi trải phổ) sẽ gần như phẳng giống như phổ của nhiễu trắng vậy.

Mục đích ban đầu của kỹ thuật trải phổ để giải quyết vấn đề an ninh. CDMA được thừa hưởng cái đặc tính này của trải phổ nên nó đúng là có độ bí mật cao hơn các kỹ thuật trước đó như TDMA, FDMA. Tuy nhiên, trong các hệ thống CDMA hiện hành, độ dài của mã chưa cao nên khả năng an ninh cũng chưa phải là cao. Thậm trí người ta còn sử dụng những mã mà mọi người đều biết như mã vàng (Gold Code). CDMA về cơ bản có thể dò ra mã được. Vấn đề mấu chốt trong việc dùng mã trong CDMA là vì mục đích khử nhiễu do nhiều người sử dụng (Multi-User Interference - MUI). Các mã được sử dụng trong CDMA được thiết kế sao cho chúng có tính chất tương quan tốt (Good Correlation Properties) tức là hệ số tự tương quan cao, hệ số tương quan chéo giữa các mã rất thấp, và các mã này phải đảm bảo giữ được tính chất tương quan ngay cả khi sự đồng bộ giữa những người sử dụng trong cell bị mất (không đồng bộ - Asynchronous CDMA - Cái này thông thường xảy ra trong trường hợp truyền thông tin từ điện thoại di đống đến Base Station).

(Theo Nguyễn Văn Tèo -TTVNOL http://www3.ttvnol.com)

Ưu nhược điểm

a. Ưu điểm

b. Hạn chế

Nguồn http://www.wirelessvn.com/thong-tin-di-dong/492-ky-thuat-trai-pho 

Cơ sở toán học

C = B log_2 (1+ S/N) trong đó: C là dung lượng kênh [bps], B là độ rộng phổ tần chiếm [Hz] của tín hiệu

S/N là tỷ số công suất tín hiệu và tạp âm 

Phân loại hệ thống SS

• Dãy trực tiếp DS (Direct Sequence): nhân nguồn với tín hiệu giả ngẫu nhiên (có tốc độ thật nhanh -> sẽ làm phổ rộng ra, các bạn nên tham khảo giáo trình chuyên sâu nếu muốn biết rõ cơ chế)
• Nhảy tần FH (Frequency Hopping): nhảy tần số sóng mang của nó trên một tập lớn các tần số, mẫu nhảy tần là giả ngẫu nhiên.
• Nhảy thời gian TH (Time Hopping): 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.
• Kết hợp

Kết luận

Trải phổ chủ yếu thấy được dạy trên lớp là trải phổ trực tiếp, nhân tín hiệu với một tín hiệu tốc độ nhanh với một mã giả ngẫu nhiên. Mã này hay nhé, có đặc tính là nhân tín hiệu vào thì tín hiệu trải dài ra như nền nhiễu, tuy nhiên nếu bên thu có đúng mã đấy thì có thể khôi phục được, còn những cái khác thì chỉ như nhiễu thôi, người ta có nhiều mã, và phân biệt được người dùng (hoặc bảo mật chỉ ai biết mã mới xem được), đó là cơ sở của CDMA  xem ở đây. Các bạn xem hình dưới minh họa cho điều này.

Còn nếu nhiễu cường độ lớn, xảy ra toàn bộ thời gian truyền, nhiều tần số thì đứt kênh hoàn toàn rồi, biện pháp gì thì cũng thế, lúc đó dùng tín hiệu hữu tuyến (adsl, cáp quang) mà xài đỡ thôi.

Page 2

LỜI NÓI ĐẦULý thuyết trải phổ được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong các hệthống thông tin quân sự hơn nửa thế kỉ qua với mục đích hạn chế tác động củaviệc gây nhiễu tín hiệu và che dấu tín hiệu tránh để đối phương thu trộm.Điều này có thể thực hiện bằng cách trải phổ tín hiệu tới độ rộng băng tần cầnthiết làm cho tín hiệu bị che lấp bởi tạp âm.Điều chế trải phổ khi được sử dụng kết hợp với kĩ thuật đa truy nhậpphân chia theo mã đang được đề xuất cho việc sử dụng hoặc ứng dụng trongnhiều lĩnh vực mới và đặc biệt cho hiệu quả tốt ở các hệ thống thông tin diđộng tế bào. Hệ thống này cho hiệu quả sử dụng dải tần hơn hẳn so với các hệthống FDMA và TDMA. Khi áp dụng công nghệ CDMA cho hệ thống thôngtin di động tế bào sẽ đạt được dung lượng hệ thống cao hơn nhờ đặc tính mềmdẻo về dung lượng, nó cho phép cải thiện chất lượng truyền dẫn trong môitrường pha đinh nhiều tia đồng thời giảm thiểu xuyên nhiễu trong môi trườngnhiều người sử dụng và giải quyết tốt vấn đề gần xa. Ngoài ra, nó còn cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức độ cao vàkhả năng chuyển giao mềm dựa trên nguyên tắc kết nối “nối trước khi cắt”đảm bảo không xảy ra gián đoạn thông tin trong quá trình chuyển giao.Các mạng CDMA thương mại đã được đưa vào khai thác tại nhiều nướctrên thế giới cũng như trong khu vực. Ở nước ta hiện nay kĩ thuật trải phổ vàhệ thống thông tin di động sử dụng kĩ thuật CDMA mới chỉ được đưa vào thửnghiệm. Do vậy, đồ án này sẽ tập trung vào nghiên cứu các đặc trưng cơ bảncủa thông tin trải phổ và khả năng ứng dụng trong hệ thống thông tin di độngtế bào CDMA.Nội dung đồ án được trình bày thành 3 chương, chương I đi vào trìnhbày những khái quát chung nhất về thông tin trải phổ là các khái niệm và đặctính của kĩ thuật trải phổ và nghiên cứu sâu hơn vào kĩ thuật trải phổ chuỗitrực tiếp. 1Chương II trình bày cơ sở của hệ thống thông tin di động CDMA trongđó đưa ra so sánh giữa ba phương thức đa truy nhập dùng trong thông tin diđộng CDMA, TDMA và FDMA. Đồng thời đi khảo sát một số vấn đề trongCDMA là giải điều chế, vấn đề dung lượng của hệ thống, các hiệu ứng phađinh và dịch tần Doppler và thu phân tập trên máy thu RAKE. Chương III đi xem xét dung lượng của hệ thống CDMA đa tế bào, đượctính toán trên cơ sở bảo đảm được điều khiển công suất để chống lại hiệu ứngxa gần nhằm khắc phục ảnh hưởng của nhiễu tới dung lượng của hệ thống, từđó đưa ra lưu đồ thuật toán tính toán dung lượng của hệ thống. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Thạc sĩ Vũ Văn Quyết và các thầycô giáo trong Khoa Vô Tuyến Điện Tử đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ emhoàn thành nội dung của đồ án. Do trình độ và thời gian có hạn nên trong quátrình thực hiện còn có nhiều sai sót. Kính mong được sự đóng góp ý kiến củacác thầy giáo và bạn bè xa gần có quan tâm đến lĩnh vực thông tin trải phổ vàkĩ thuật CDMA. Hà nội 9- 06- 2003 2CHƯƠNG ITỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ1.1 Khái niệm về hệ thống trải phổThông tin trải phổ là một hệ thống thông tin để truyền các tín hiệu nhờtrải phổ của các tín hiệu số liệu thông tin có sử dụng mã với độ rộng băngrộng hơn độ rộng băng của các tín hiệu số liệu thông tin. Trong đó các mã sửdụng độc lập với số liệu thông tin. Ở phía thu, thực hiện việc nén phổ tín hiệuthu được khi dùng phép tương quan nó với bản sao của tín hiệu trải phổ tạo raở bên thu đồng bộ với bên phát. Mô hình tổng quan nhất về các hệ thống trải phổ được thể hiện như hìnhvẽ Hình 1.1 Hệ thống thông tin trải phổTừ mô hình của hệ thống ta thấy ở phần phát tín hiệu được điều chế sơcấp tạo thành tín hiệu băng hẹp sn sau đó phổ của nó được trải ra trên mộtbăng tần rộng nhờ phép toán ξ(.), tín hiệu này được kí hiệu là sw và được phátqua kênh truyền dẫn. Những kênh này có thể gây ra các suy giảm chất lượngdo nhiễu, tạp âm và suy hao đường truyền. Tại phía thu, tín hiệu thu đượcđưa qua bộ giải điều chế tín hiệu, sau đó nén phổ bằng phép toán ξ-1(.)=ξ(.).Như vậy, sau khi nén phổ tín hiệu băng rộng sw được biến đổi trở lại thành tínhiệu băng hẹp sn. Cuối cùng là giải mã và giãn tín hiệu để nhận lại tín hiệu số3ξ(.) ξ-1(.)=ξ(.)snsw n(t)j(t)snMáy phátMáy thuNhiễu tạpKênhban đầu. Nếu nguồn là tương tự thì tín hiệu số được biến đổi thành tín hiệutương tự qua bộ biến đổi D/A.1.2 Các ưu điểm của hệ thống trải phổ 1.2.1 Khả năng chống nhiễu Ở các hệ thống thông tin thông thường truyền tín hiệu băng hẹp khinhiễu băng hẹp cùng tần số với tín hiệu và có cường độ lớn thì có thể gây ảnhhưởng rất nghiêm trọng đến chất lượng truyền tin thậm chí phía thu không thểkhôi phục lại được tín hiệu. Đối với hệ thống thông tin trải phổ ngay cả trong trường hợp có nhiễumạnh tác động vẫn có thể thu tín hiệu một cách tin cậy. Nói một cách khác, hệthống thông tin trải phổ có thể loại trừ được nhiễu băng hẹp. Giả thiết rằng, ởphía thu tín hiệu thu được gồm sw và nhiễu mạnh in(t), quá trình nén phổ đượcthực hiện : ξ-1(sw +in(t)) =ξ-1(ξ(sn)) + ξ-1 (in(t)) = sn +iw Như vậy, quá trình nén phổ thực hiện biến đổi ngược tín hiệu đầu vàothành tổng của tín hiệu băng hẹp có ích và các tín hiệu nhiễu băng rộng. Saukhi qua bộ lọc băng hẹp có dải thông là Bn bằng độ rộng phổ tín hiệu sn thì chỉcó một phần nhỏ năng lượng nhiễu đi qua bộ lọc là iwr do băng tần Bw củanhiễu iw lớn hơn Bn rất nhiều 4finswfiBwHình 1.1 Phổ của tín hiệu thu khi có nhiễu băng hẹp tác độngfsniniwBnBwηiHình 1.2 Tín hiệu được nén về phổ gốc, nhiễu bị trải phổ Ta thấy rằng, công suất nhiễu đi qua bộ lọc P(iwr) = ηi.Bn so với côngsuất toàn bộ nhiễu là :P(iwr)=wnBBP(iw)=G1.P(iw) (1.1)với G =nwBB cho thấy mức độ bị nén của nhiễu, nó được gọi là hệ sốkhuyếch đại xử lí.Trong trường hợp công suất nhiễu quá lớn ta phải nén bớt nhiễu trướckhi thực hiện giải trải phổ tín hiệu. Có thể sử dụng một số thuật toán thíchhợp để tạo ra khe hẹp trong băng tần bị chiếm bởi nhiễu mà không gây ảnhhưởng nhiều đến sự thay đổi các tham số của tín hiệu và nhiễu.Tuy nhiên, việc tạo khe hẹp nhằm nén nhiễu sẽ làm một phần tín hiệu cóích trong cùng băng tần sẽ bị mất đi, độ suy giảm tín hiệu là chấp nhận đượckhi độ rộng băng tần nhiễu loại bỏ nhỏ hơn 20% độ rộng băng tần tín hiệu. 5sniwrBnfHình 1.3 Phổ của tín hiệu và nhiễu sau khi qua lọc băng hẹp1.2.2 Khả năng loại trừ ảnh hưởng của truyền sóng nhiều tiaTrong môi trường truyền đa tia, tín hiệu thu bao gồm thành phần truyềnthẳng và các thành phần phản xạ từ môi trường truyền do các công trình nhântạo hoặc địa hình tự nhiên. Nói chung các thành phần tín hiệu này sẽ tươngtác với nhau dẫn đến làm giảm chất lượng của hệ thống. Giả sử rằng chỉ cómột tia không đi thẳng, ta có thể sử dụng mô hình có phương trình :r(t) = A.b(t)c(t).cos(2πfct ) + A’b’(t - τ).c’(t - τ).cos[2πfc(t - τ) + θ’] (1.2) với τ’ là trễ truyền lan, A’= kA với k là hệ số suy giảm. Do đó, nhiễu dothành phần không đi thẳng là s0’= 21 cos (θ’)∫−−TdttctctkAb0//)()()(ττ =±)()cos(2//τφθckAT (1.3)s0’= 0 khi /τ>Tc , vì vậy ảnh hưởng của truyền được loại bỏ hay trở thành nhiễu nhỏ nếu độ lâu của chíp nhỏ hơn trễ truyền lan của đường không đi thẳng. Ta có thể giải thích kết quả trên quan điểm tần số, tín hiệu truyền thẳng và các bản sao bị trễ của nó đều là tín hiệu băng rộng. Tín hiệu PN nội được đồng bộ đến tín hiệu đi thẳng do đó tín hiệu truyền thẳng được giải trải phổ còn tín hiệu trễ thì bị trải phổ. Sau bộ lọc băng hẹp chỉ một phần nhỏ tín hiệu không truyền thẳng lọt qua và trở thành nhiễu. Như vậy tín hiệu không truyền thẳng chỉ làm giảm SNR một ít. 1.2.3 Đa truy nhập phân chia theo mã Đa truy nhập là một trong các đặc tính quan trọng của các hệ thốngthông tin trải phổ đang được sử dụng hoặc đang được đề xuất cho việc sửdụng trong nhiều lĩnh vực như mạng thông tin cá nhân PCN, các mạng vùngnội hạt vô tuyến …và đặc biệt là đối với hệ thống thông tin di động tế bào.6 Các ứng dụng đa truy nhập giúp cho việc sử dụng băng tần một cách cóhiệu quả trong đó nhiều người sử dụng cùng chia xẻ một độ rộng băng tầntruyền dẫn. Ở hệ thống DS/SS máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chínhxác để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cách giải trải phổ. Ở các hệ thốngFH/SS và TH/SS mỗi người sử dụng được ấn định một mã giả ngẫu nhiên saocho không có cặp máy phát nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian.Giả sử rằng, có n người sử dụng cùng dùng chung một băng tần, khi nàytín hiệu mà mỗi máy thu thu được có thể biểu diễn: si=∑iwis=∑iniis )(ξ (1.5)Trong đó chỉ số i tương ứng với người sử dụng thứ i trong băng tầnchung và kí hiệu iξ() là phép trải phổ đối với tín hiệu của người thứ i. Quá trình nén phổ trong máy thu thứ i được thực hiện : (1.6) Từ phương trình ta thấy, việc nén phổ sẽ tạo ra tín hiệu phổ hẹp khi i ≡ jvà tín hiệu phổ rộng jwis khi i ≠ j, qua lọc dải tín hiệu ban đầu được khôiphục cùng với thành phần nhiễu mức thấp jris Như vậy, nhờ việc phân bổ mã duy nhất PN có thuộc tính tương quanchéo thấp cho phép nhiều người sử dụng dùng chung một băng tần, các tínhiệu của người sử dụng khác trở thành nhiễu giống tạp âm. 1.2.4 Dung lượng của hệ thống CDMA Ở các hệ thống FDMA, TDMA tồn tại giới hạn cứng đối với số người sửdụng cực đại nên hiệu suất của toàn hệ thống thấp. Ngược lại, với hệ thốngCDMA dung lượng của nó chỉ bị giới hạn mềm, nghĩa là số người sử dụngcực đại không được giới hạn rõ ràng. Khi số người sử dụng tăng lên thì xácsuất lỗi bít càng tăng, tức có thể thoả mãn được cuộc gọi thêm vào nhờ việctăng tỉ lệ lỗi bít cho tới khi các cuộc gọi hoàn thành.7 -1(swj) =-1((snj )) = snj với i ≡ j swij với i ≠ jGiả sử có K tín hiệu có cùng công suất Pk tồn tại trên một băng tần, bỏqua tạp âm nhiệt và các thành phần nhiễu của những người sử dụng khác bịnén bởi hệ số G thì tại đầu vào của máy thu bất kì là :1−=KGyb (1.7)Khi xét đến tạp âm nhiệt có công suất là ρthì :ρ+−=)1(KPGPykb (1.8)Dung lượng của hệ thống được tính là : bbyGyGK≈+=1 (1.9)với yb là tỉ số tín trên tạp với tỉ số lỗi bít xác định của hệ thống. Như vậy,dung lượng của hệ thống phụ thuộc vào mức tín hiệu nhiễu.1.3 Các hệ thống thông tin trải phổ Đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin trải phổ là phổ của tín hiệu đượcmở rộng hàng trăm lần trước khi phát đi. Một hệ thống được coi là hệ thốngthông tin trải phổ nếu nó thoả mãn hai yêu cầu sau:• Tín hiệu truyền đi chiếm một độ rộng băng truyền dẫn W lớn hơnrất nhiều bề rộng băng tần tối thiểu Bi cần thiết để truyền thôngtin. • Việc trải phổ tín hiệu được thực hiện nhờ một mã độc lập với sốliệu. Với các tín hiệu có độ rộng băng tần là W (Hz) và khoảng thời gian tồntại là T thì phân lượng phổ của nó là 2WT. Để tăng phân lượng phổ của nó cóthể thực hiện bằng hai cách là tăng độ rộng băng tần hoặc tăng khoảng thờigian TKhi tăng độ rộng băng tần W có nghĩa là mở rộng phổ tần tín hiệu trướckhi phát đi, có nhiều cách thực hiện khác nhau nhưng về cơ bản có hai8phương pháp chính : trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS) và trải phổ nhảy tần(FH/SS).• Trải phổ chuỗi trực tiếp thực hiện bằng cách nhân tín hiệu nguồnvới tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng, tích này trở thành một tínhiệu băng rộng.• Trải phổ nhảy tần thực hiện được bằng cách nhảy tần số sóng mangtrên một tập lớn các tần số.Khi tăng khoảng thời gian, có nghĩa là một khối các bit số liệu được nénvà được phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian của một khungchứa số lượng lớn các khe thời gian. Một mẫu nhảy thời gian sẽ xác định cáckhe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung. Do vậy, cóthể nói các khối bit bị trải theo thời gian và phương pháp này gọi là trải phổnhảy thời gian (TH/SS).Ngoài ra, người ta có thể xây dựng các hệ thống lai ghép bằng cách kếthợp các kỹ thuật DS, FH, TH để tận dụng các ưu điểm của từng kỹ thuật trảiphổ như DS/FH, FH/TH … Các hệ thống lai ghép này khá phức tạp nênthường ứng dụng trong các hệ thống thông tin quân sự. 1.3.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SSTín hiệu DS/SS nhận được khi điều chế (nhân) bản tin bằng một tín hiệugiả ngẫu nhiên băng rộng, tích này trở thành một tín hiệu băng rộng. Tín hiệungẫu nhiên này được xem như là một dạng mã (mã ngẫu nhiên) hay còn gọi làchuỗi giả tạp âm PN.Từ sơ đồ khối của hệ thống, thấy rằng tại máy phát phổ của tín hiệu x(t)được trải rộng nhờ nhân với mã trải phổ c(t) trước khi được phát đi. Tại máythu, quá trình khôi phục lại tín hiệu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệuthu được với bản sao của mã trải phổ c(t) rồi qua lọc dải thông để tách ra tínhiệu mong muốn. Mô hình tổng quát của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếpđược cho trên hình 1.4.9 Quá trình nén phổ tín hiệu làm cho mật độ công suất của tín hiệu thutăng lên, do đó tỉ số S/N cũng tăng. Đồng thời cũng trải rộng phổ của tín hiệunhiễu đầu vào làm cho mật độ công suất của nhiễu giảm xuống. Như vậy, trảiphổ tín hiệu làm tăng khả năng chống nhiễu cho tín hiệu trải phổ. Ở hệ thống DS/SS, tín hiệu dùng để trải phổ được tạo ra từ chuỗi giảngẫu nhiên PN. Giả thiết chuỗi PN này là cơ số hai, thì tín hiệu PN có dạng : )()(cTckkTtctc−Π=∑+∞∞− (1.10)Trong đó ΠT(t) là xung chữ nhật đơn vị, ck gọi là chíp và khoảng thờigian Tc giây được gọi là thời gian chíp. Để đơn giản ta mô hình hoá tín hiệuPN là tín hiệu cơ số hai giả ngẫu nhiên, khi này ta xác định được hàm tựtương quan tuần hoàn của nó với chu kì đầu là: (1.11)Trong phần này chủ yếu ta sử dụng hàm tam giác ở phương trình trên làhàm tự tương quan của tín hiệu PN tham gia trải phổ tín hiệu DS/SS. Ta đi xét phương thức trải phổ trực tiếp cho một số dạng tín hiệu điềuchế khác nhau. 10 1 - với ≤ Tc 0 nếu khác Bộ tạo mã trải phổ c(t)Dữ liệu x(t)s(t)s(t)+n(t)Bộ lọcDữ liệuBộ tạo mã trải phổ c(t)Tín hiệu không mong muốnTín hiệu trải phổHình 1.4 Mô hình của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp1.3.1.1 Trải phổ dẫy trực tiếp tín hiệu điều chế pha nhị phân (DS/SS _BPSK)Một dạng đơn giản của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp là dữ liệu pha nhịphân liên kết (BPSK) được nhân trực tiếp với dẫy mã trải phổ PN.Sơ đồ khốimáy phát DS/SS sử dụng BPSK mô tả ở hình 1.5Số liệu vào nhận các giá trị ±1 được biểu diễn bằng biểu thức sau : b(t)=)( kTtbTk−Π∑+∞∞− (1.12)trong đó kb= ±1 : bít số liệu thứ k và T là độ rộng một bít số liệu. Tín hiệub(t) được trải phổ bằng các tín hiệu PN {c(t)}bằng cách nhân hai tín hiệu này11Tín hiệu PN cơ số hai c(t)Bản tin cơ số hai b(t)Bộ điều chế(BPSK)Sóng mangA cos(2fct +)Tín hiệu DS/SS_BPSKs(t)= A.b(t).c(t).cos(2fct + )b(t)-1 1 0T2T 3T t 10 Tc . . . NTc . . . 2NTc . . .b(t).c(t)-1tb(t)-1 10 Tc . . . NTc . . . 2NTc . . .tMột chu kì(giả thiết T=N.Tc)s(t)-A A Tc . . . NTc . . . 2NTc . . .t(giả thiết sóng mang có và fc=1/Tc)Hình 1.5 Sơ đồ khối của máy phát DS/SS_BPSKvới nhau. Tín hiệu nhận được b(t).c(t) sẽ điều chế cho sóng mang sử dụngBPSK, tín hiệu DS/SS_BPSK nhận được là : s(t) = A.b(t).c(t).cos(2πfct + θ) (1.13)dải thông của s(t) được xác định bởi c(t) và lớn hơn rất nhiều so với của tínhiệu b(t) vì 1/Tc >> 1/T ( T=N.Tc).Ở phía thu tín hiệu thu được bao gồm tín hiệu tín hiệu phát đi cộng vớitạp âm. Do tồn tại trễ truyền lan τ nên tín hiệu thu được có dạng :s(t-τ)+n(t) = A.b(t -τ).c(t - τ). cos[2πfc(t - τ) + θ] +n(t)(1.14)với n(t) là tạp âm của kênh và đầu vào máy thu. Sơ đồ máy thu được chỉ ratrên hình 1.6. Quá trình khôi phục lại bản tin ta giả thiết không có tạp âm, tín hiệu thuđược giải trải phổ để giảm băng tần rộng vào băng tần hẹp. Sau đó nó đượcgiải điều chế để nhận được tín hiệu băng gốc. Thực hiện giải trải phổ tín hiệubằng cách nhân tín hiệu thu với c(t - τ) được tạo ra ở máy thu, ta được : w(t) = A.b(t - τ).c2(t - τ). cos(2πfct + θ’ ) = A b(t - τ). cos(2πfct + θ’ ) (1.15)12Bộ tạo tín hiệu PN nộiBộ giải điều chế(BPSK)s(t)= A.b(t-τ).c(t-τ).cos(2fct + ) c(t-τ)w(t)cos(2fct + ) Hình 1.6 Sơ đồ máy thu DS/SS _BPSKvì c(t)= ±1, θ’ = θ - 2πfc τ. Tín hiệu nhận được là tín hiệu băng hẹp với độrộng băng tần là 2/T, sau đó tín hiệu này được đưa qua bộ giải điều chế BPSKđể lấy ra tín hiệu băng gốc.1.3.1.2 Trải phổ trực tiếp tín hiệu khoá chuyển pha vuông góc (QPSK) Ngoài việc sử dụng BPSK cho quá trình điều chế người ta còn dùng cáckiểu điều chế khác như dùng khoá chuyển pha vuông góc QPSK, khoáchuyển cực tiểu MSK .Với hệ thống DS/SS khi sử dụng kiểu điều chế QPSK với cùng một đầuvào số liệu hoặc hai đầu vào độc lập điều chế các tín hiệu PN c1(t) và c2(t) ởcả hai nhánh, tín hiệu DS/SS_QPSK có dạng :s(t)= s1(t) + s2(t) = -A.b(t),c1(t).sin(2πfct + θ) + A.b(t)c2(t).cos(2πfct + θ) = 2.Acos(2πfct + θ + )(tγ) (1.16)với )(tγ =tan-1)().()().(21tbtctbtc nhận các giá trị 4π , 43π, 45π, 47π tuỳthuộc vào tích c1(t).b(t) và c2(t).b(t) bằng ±1. Do đó tín hiệu s(t) cũng có 4trạng thái pha khác nhau: θ+4π , θ+43π, θ+45π, θ+47π. Khi thực hiện giải trải phổ các thành phần đồng pha và vuông pha đượcgiải trải phổ độc lập với nhau bởi c1(t) và c2(t) trong đó tín hiệu PN c1(t) vàc2(t) có thể là hai tín hiệu độc lập hoặc được lấy từ cùng một tín hiệu PN.* Ưu điểm của các hệ thống DS/SS_QPSK so với DS/SS_BPSK thể hiệnlà độ rộng băng tần được sử dụng, PG tổng và tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR :• Cùng một tín hiệu phát đi hệ thống DS/SS_QPSK chỉ sử dụng mộtnửa băng tần so với DS/SS_BPSK với cùng PG và SNR, SNR0.• Cùng một tín hiệu phát đi với cùng độ rộng băng tần và PG thìDS/SS_QPSK ưu việt hơn DS/SS_BPSK về SNR dẫn đến xácsuất lỗi thấp hơn.13Ưu điểm của DS/SS_QPSK đạt được so với BPSK là nhờ tính trực giaocủa các sóng mang sin)2(θπ+tfc và cos)2(θπ+tfc ở các nhánh đồng pha vàvuông góc.Tuy vậy hệ thống DS/SS_QPSK khá phức tạp và đòi hỏi đồng bộ cao ởphần thu nếu không sẽ xảy ra xuyên âm giữ hai nhánh làm giảm chất lượngcủa hệ thống. Trong thực tế ở một số hệ thống như IS –95 nhằm tăng tối đa dunglượng của hệ thống trước khi tín hiệu đưa vào thực hiện trải phổ nó được mãhoá bằng mã xoắn, điều chế trực giao bằng hàm Walsh để tăng khả năngchống nhiễu và sử dụng tín hiệu PN có hai thành phần:• Mã dài cl(t) dùng để phân biệt các tế bào là tăng tính ngẫu nhiên .• Mã ngắn cs(t) dùng tăng khả năng đồng bộ.1.3.1.3 Hiệu năng của các hệ thống DS/SS* Ảnh hưởng của tạp âm trắng cộng(AWGN)Ta đi xem xét hiệu năng của hệ thống DS/SS trong môi trường tạp âmGausse trắng cộng và nhiễu đồng thời khảo sát nhiễu giao thoa nhiều ngườisử dụng gây ra do các tín hiệu DS khác và nhiễu tự gây do truyền nhiều tia.Một cách tổng quát ta coi tín hiệu thu được bao gồm các thành phần :r(t) = A.b(t)c(t).cos(2πfct ) + A’b’(t - τ).c’(t - τ).cos[2πfc(t - τ) + θ’] +n(t)+j(t) (1.17)Để đánh giá được tỉ số công suất trên công suất tạp âm (SNR0) ta giảthiết rằng trễ truyền lan τ bằng không, không có nhiễu phá j(t) và nhiễu giaothoa, tạp âm là tạp âm Gause (AWGN) có PSD bằng N0/2, tạp âm của kênh làn0, s0 là tín hiệu mong muốn.s0 cho mỗi bít số liệu là : s0=±2AT (1.18)14Do giả thiết tạp âm là tạp âm Gause nên n0 là một biến ngẫu nhiên cótrung bình không và phương sai là : E[n02]=40TN (1.19)SNR0 được tính là : SNR0=[ ]2020nEs=(AT/2)2/ (N0T/4) =A2T/N0 (1.20)Ta thấy rằng SNR0 độc lập với tốc độ chíp, như vậy trải phổ không có ưuđiểm về AWGN trong kênh. còn tỉ số tín hiệu trên tạp âm được tính :SNR=Eb/N0 =022/NTA =(1/2)SNR0 (1.21)* Ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và truyền đa tiaKhi xét đến ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và truyền đa tia ta coi tínhiệu thu bao gồm thành phần tín hiệu mong muốn và thành phần nhiễu giaothoa từ các DS khác :r(t) = A.b(t)c(t).cos(2πfct ) + A’b’(t - τ).c’(t - τ).cos[2πfc(t - τ) + θ’] + +n(t) (1.22)Ta giả thiết b(t), b’ (t), c’ (t) là ±1 và b(t) độc lập với b’(t). Tín hiệu nhậnđược giải trải phổ bằng cách nhân với c(t) cos(2πfct ) và lấy tích phân, ta có :s0 = s0’ + n0 (1.23) s0’= A’ ∫T0 b’(t - τ’).c’(t - τ’).cos(2πfct + θ’) cos(2πfct).dt =2/TAcos(θ’)−±−±∫∫TdttctcTdttctcT///0/)()(.1)()(.1ττττ (1.24)15Hai thành phần trong ngoặc vuông ∫−±/0/)()(.1ττdttctcT và∫−±TdttctcT//)()(.1ττlà hàm tương quan chéo từng phần được chuẩn hoá của c(t) và c’(t). Tương quan chéo nhỏ gây nhiễu giao thoa cũng nhỏ, do đó trong môi trường đa người sử dụng đòi hỏi phải tạo được tập hợp các tín hiệu PN sao cho chúng có tương quan chéo nhỏ nhất. Trong môi trường truyền đa tia, tín hiệu thu bao gồm thành phần truyềnthẳng và các thành phần phản xạ từ môi trường. Giả sử rằng chỉ có một tiakhông đi thẳng, ta có thể sử dụng mô hình ở phương trình (1.22) với τ’ là trễtruyền lan, A’=kA với k là hệ số suy giảm. Do đó, nhiễu do thành phần khôngđi thẳng là s0’= 21 cos (θ’)∫−−TdttctctkAb0//)()()(ττ = ±)()cos(2//τφθckAT (1.25)s0’=0 khi /τ>Tc , vì vậy ảnh hưởng của truyền được loại bỏ hay trở thànhnhiễu nhỏ nếu độ lâu của chíp nhỏ hơn trễ truyền lan của đường không đithẳng.* Hiệu ứng gần- xa (Near-Far)Ngoài ra đối với hệ thống có nhiều người sử dụng còn xảy ra hiệu ứnggần xa. Ta xét hệ thống đa truy nhập DS/SS, giả thiết có M người sử dụngphát tín hiệu trên cùng một kênh. Ở phía thu, tín hiệu thu được bị nhiễu do tạpâm và của M-1 người sử dụng khác. Giả sử Pk là công suất trung bình củatừng tín hiệu, PSD của từng người sử dụng là (PkTc/2)[sinc2((f-fc)Tc)+sinc2((f+fc)Tc)] nên PSD kết hợp được xấp xỉ hoá bằng (M-1)Pk.Tc /2SNR tương đương là :16SNR=/0NEb=)1(0−+MTPNTPckk (1.26)Trường hợp có một trong M-1 người rất gần máy thu thì tín hiệu củangười gây nhiễu sẽ ảnh hưởng rất nhiều tới máy thu, giả sử Pk/ =aPk trong đó atăng bình phương khi người gây nhiễu tiến đến gần máy thu SNR tương đương là : /0NEb =)2(0−++MTPTaPNTPckckk (1.27)Khi a lớn, SNR giảm mạnh và xác suất lỗi trở lên quá lớn, khi đó để duytrì xác suất lỗi ở mức cho phép bằng cách giảm M-2 người sử dụng.1.3.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần FH/SSHệ thống trải phổ nhảy tần (FH/SS) được xây dựng trên ý tưởng làchuyển đổi tần số sóng mang ở một tập hợp các tần số theo mẫu được xácđịnh bởi chuỗi giả tạp âm PN. Chuỗi PN có nhiệm vụ xác định mẫu nhảy tần.Tốc độ nhảy tần có thể nhanh hay chậm hơn tốc độ số liệu. Trường hợp tốc độnhảy tần nhanh hơn tốc độ số liệu gọi là nhảy tần nhanh và ngược lại.Với trình độ khoa học công nghệ ngày nay độ rộng băng tần của tín hiệutrải phổ nhảy tần có thể đạt tới vài GHz. Tuy nhiên, do việc thay đổi nhanhtần số sóng mang nên máy thu khó theo kịp sự thay đổi pha của sóng mang, vìvậy điều chế FSK thường được sử dụng với phương pháp giải điều chế khôngnhất quán trong các hệ thống FH/SS.Ta kí hiệu Th là thời gian của một đoạn nhảy và T là thời gian của mộtbit số liệu. Sơ đồ khối cho máy phát và máy thu của các hệ thống FH/SS đượcmô tả trên hình 1.7Từ sơ đồ khối máy phát, ta thấy tín hiệu FSK cơ số hai sn(t) được tạo ratừ luồng số liệu. Trong khoảng thời gian mỗi bít sn(t) có một trong hai tần số fhoặc (f + ∆f) tương ứng với bít 0 hay bít 1 của dữ liệu vào b(t), nó có dạng :sn(t) = cos 2π[ f0 +b(t)∆f ]t (1.28)17Quá trình trải phổ tín hiệu sn(t) được trộn với tín hiệu sr(t) từ bộ tổ hợptần số, cứ Th giây tần số của sr(t) lại thay đổi theo các giá trị j bít nhận đượctừ bộ tạo chuỗi PN. Do đó ở đầu ra bộ tổng hợp tần số có thể có tới 2j các tầnsố khác nhau, tín hiệu trên đó tính trong đoạn nhảy λ có thể được viết là:sr(t) = Acos[2π(fg +iλ ∆f)t + θ] (1.29) với λTh < t < (λ +1)Th ;iλ ∈ {0, 2, …2(2j -1) ; fg là tần số không đổiTín hiệu trên đầu ra bộ lọc BPF trong bước nhảy λ được tính :sw(t) = Acos[2π(fg +iλ ∆f +mλ.∆f)t + θλ] (1.30)với λTh < t < (λ +1)Th Trong đó mλ ∈{0, 1} là giá trị của số liệu ở λTh < t < (λ +1)Th và f0 = f’+ fg. Tần số có thể được phát đi là {f0, f0 +∆f , … , f0 +(J-1)∆f } với J=2j+1 vàpha θλ có thể thay đổi từ bước nhảy này đến bước nhảy khác.Do tần số của tín hiệu FH/SS không thay đổi trong một đoạn nhảy tần,trong toàn bộ khoảng thời gian tín hiệu phát ở cả J tần số nên độ rộng băngtần nó chiếm là:BFH/SS = J. ∆f (Hz) (1.31)18Dữ liệu NRZb(t)Bộđiềuchế FSKBPF băng rộngBộ tạo chuỗi PNBộ tổng hợp tần sốsr(t)sn(t)sw(t)Hình 1.7 Sơ đồ khối máy phát FH/SS Trường hợp thời gian bit T >Th hệ thống là nhảy tần nhanh còn khi T <Th hệ thống là nhảy tần chậm, ta tính được độ lợi xử lí bằng : (1.32) = TfJ/2∆ = hTJT2 (1.33)với giả thiết độ rộng băng tần số liệu bằng 1/T và phân cách tần số là1/Th.Ở phía thu, tín hiệu thu được đưa qua bộ lọc băng thông BPF băng rộngsau đó thực hiện nén phổ. Giả thiết rằng, chuỗi PN tạo ra ở phía thu đồng bộvới bên phát. Tín hiệu đưa ra đầu ra của bộ tổng hợp tần số trên đoạn nhảy λlà :sr’ (t) = cos[2π(fg +iλ ∆f)t + θ’] (1.34) với λTh < t < (λ +1)ThTín hiệu ở đầu vào bộ lọc khi bỏ qua tạp âm là :sw(t).sr’(t) = 2A{cos[2π(fg+ f0+2iλ ∆f +mλ.∆f)t+θλ+θ’λ]+ +cos[2π(fg- f0 +mλ.∆f)t + θλ-θ’λ]} (1.35)19 Độ rộng băng tín hiệu 2(Độ rộng băng bản tin)PG =BPF băng rộngBPF băng rộng (f, f+∆f)Bộ giải điều chế FSK không nhất quánBộ tổng hợp tần sốBộ tạo chuỗi PN tại chỗJ bitsw(t) +n(t)sr(t) sn(t) b(t)Hình 1.8 Sơ đồ khối máy thu FH/SSTín hiệu ở đầu vào bộ giải điều chế FSK chỉ có thành phần tần số thấpcó dạng: sn’(t) = 2A cos[2π( f’ +mλ.∆f)t + θλ-θ’λ] với f0 = fg+ f’ (1.36)Trong khoảng thời gian một bít bộ giải điều chế FSK tách ra tần sốmong muốn để tái tạo lại dữ liệu như ban đầu.Nếu chuỗi PN phí thu không đồng bộ với bên phát thì sau khi nén phổtín hiệu nhận được là băng rộng.Khi xét đến môi trường đa truy nhập có k người sử dụng với iλk số khácnhau để tạo ra các chuỗi PN thì tín hiệu thu tại máy thu thứ j là :( )[ ]tfibfkkk∆++∑λπ//2cos (1.37)bỏ qua sự phụ thuộc vào thời gian của bk và iλk để đơn giản khi đánh giáhệ thống. Ưu điểm của hệ thống FH so với DS là tốc độ đồng hồ ở bộ tạo chuỗiPN không cần cao như ở hệ thống DS để đạt được cùng độ rộng băng tần. Tađi xét hệ thống DS/SS-BPSK có tốc độ đồng hồ bằng tốc độ chíp 1/Tc ,độrộng băng tần là 2/Tc (Hz). Ở hệ thống FH nhanh bộ tạo chuỗi có khả năngtạo ra j bit trong Th giây hay j/Th bit.giây thì tốc độ đồng hồ là j/Th (Hz). Độrộng băng tần của hệ thống là : 1112222+++=⇔=∆jhhjjTTTf (1.38)Nên : (1.39)sẽ lớn hơn 1 với giá trị j thực tế.20Tốc độ đồng hồ ở hệ thống DS 1/T 2jTốc độ đồng hồ ở hệ thống DS j/Th j1.3.3 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian và lai ghép 1.3.3.1 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gianTrong hệ thống trải phổ nhảy thời gian, số liệu được phát thành các cụm.Mỗi cụm gồm k bit số liệu và thời gian chính xác để phát mỗi cụm được xácđịnh bởi một chuỗi PN. Giả sử thang thời gian được chia thành các khung Tcgiây, mỗi khung lại được chia tiếp thành j khe thời gian vì vây mỗi khe thờigian có độ rộng là Ts = Tc/j giây.Khe thời gian sử dụng để phát được xác định bởi chuỗi PN. Mỗi bit chỉchiếm T0 = Ts/k giây. Tín hiệu TH/SS có thể được biểu diễn :sTH(t) = ∑ ∑∞−∞=−=+−−−ΠisickTikTTaiTtb )(0100 (1.40)trong đó 0TΠ(t) là xung chữ nhật có biên độ dơn vị và độ rộng T0 giây, ai∈{0, 1, … , J-1} thể hiện số khe thời gian với J=2j , là số thứ tự bít trongmỗi cụm.Tốc độ bit khi phát cụm là 1/T0, để truyền băng gốc độ rộng băng tần là1/T0 (Hz) còn để truyền băng thông độ rộng băng tần là 2/T0.1.3.3.2 So sánh các hệ thống SSPhần trên ta đã nghiên cứu về các hệ thống SS, mỗi loại hệ thống đều cócác ưu và nhược điểm Thứ nhất, ở các hệ thống DS/SS giảm nhiễu giao thoa bằng cách trảirộng nó ở phổ tần rộng, với hệ thống FH/SS thì giảm nhiễu giao thoa bằngcách phát các tần số khác nhau ở trong thời điểm xác định. Còn ở TH/SS thìtránh không để trong một thời điểm có nhiều hơn 1 người phát.Thứ hai, các hệ thống DS/SS có chất lượng tốt hơn (SNR hơn khoảng3dB) so với FH/SS nhờ giải điều chế nhất quán nhưng đòi hỏi cao ở mạchkhoá pha sóng mang.Thứ ba, với cùng tốc độ đồng hồ của bộ tạo mã PN, FH/SS có thể nhảytrên băng tần rộng hơn nhiều so với băng tần của tín hiệu DS/SS. Ngoài ra có21thể tạo tín hiệu TH/SS có độ rộng băng tần gấp nhiều lần so với DS/SS khicùng tốc độ đồng hồ. Các hệ thống DS/SS nhạy cảm với vấn đề gần xa cònFH/SS nhạy cảm với việc bảo mật thông tin.Thứ tư là thời gian bắt mã PN ở FH/SS ngắn nhất còn với DS/SS vàTH/SS đòi hỏi dài hơn. Ngoài ra, các hệ thống FH/SS chịu được fading nhiềutia và nhiễu trong khi DS/SS lại chịu tác động khá nhiều.1.3.3.3 Các hệ thống lai ghép Ngoài các kĩ thuật trải phổ ta đã nghiên cứu trên người ta có thể xâydựng các hệ thống lai ghép bằng cách kết hợp các kĩ thuật DS, FH, TH. Cáchệ thống này là sự kết hợp những ưu điểm của từng kĩ thuật trải phổ. Tuynhiên việc thực hiện các hệ thống này khá phức tạp và ứng dụng chủ yếutrong hệ thống thông tin quân sự. * Nhảy tần/chuỗi trực tiếp FH/DS Tín hiệu có dạng:SFH/DS(t)=A.c(t).sFH(t) (1.41)Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu gây nghẽn và phađinh nhiều tia đồng thời cho phép trải phổ trên băng tần không liên tụcvà ít nhạy cảm với hiện tượng gần-xa.* Hệ thống nhảy tần-thời gian lai ghép Tín hiệu có dạng như sau:STFH(t)=A.sTH(t)sTH(t) (1.42)Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa nhiềungười sử dụng theo thời gian cũng như tần số, giải quyết tốt vấn đề gầnxa.* Hệ thống nhảy thời gian/chuỗi trực tiếp Tín hiệu có dạng :STH/DS(t)=A.sTH(t)c(t)cos(2πfct+ θ) (1.43)22Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa nhiềungười sử dụng theo thời gian và giảm ảnh hưởng của nhiễu gần.* Hệ thống nhảy thời gian-tần số/chuỗi trực tiếp TFH/DSTín hiệu có dạng :STHF/DS(t)=A.sTH(t).sFH(t) (1.44)Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa kênh lớnnhất nhưng rất phức tạp và tốn kém. Kết luận: Chương I đã nghiên khái quát về lý thuyết trải phổ và đặc điểm của hệthống thông tin trải phổ từ đó đưa ra mô hình tổng quát nhất của hệ thốngthông tin trải phổ và đánh giá khả năng của các hệ thống đó. Đồng thời trìnhbày về các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS), hệ thống trải phổ nhảytần và các hệ thống trải phổ nhảy thời gian và lai ghép.Trong chương này ta nghiên cứu sâu hơn vào kỹ thuật trải phổ chuỗi trựctiếp khi xem xét đến các hệ thống trải phổ dẫy trực tiếp tín hiệu điều chế phanhị phân (DS/SS_BPSK) và trải phổ trực tiếp tín hiệu khoá chuyển pha vuônggóc (DS/SS _QPSK), so sánh để thấy được ưu nhược điểm của các hệ thốngnày. Sau cùng là đánh giá hiệu năng của hệ thống (DS/SS) trong môi trườngtạp âm Gausse trắng cộng và nhiễu đồng thời khảo sát nhiễu giao thoa nhiềungười sử dụng gây ra do các tín hiệu DS khác và nhiễu tự gây do truyền nhiềutia. Phần cuối là so sánh các hệ thống trải phổ để thấy được ưu điểm vànhược điểm của mỗi hệ thống làm cơ sở cho việc nghiên cứu và ứng dụng nótrong các hệ thống thông tin di động tế bào mà ta xét ở các chương sau.23CHƯƠNGIICƠ SỞ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA2.1 Đặc điểm Vấn đề quan trọng đặt ra khi thiết kế mạng thông tin di động số là việclựa chọn sơ đồ đa truy nhập cho phép chia sẻ cùng một dải tần vô tuyến. Cáckĩ thuật đa truy nhập chính được sử dụng trong thông tin di động số như sau:- Đa truy nhập theo tần số (FDMA)- Đa truy nhập theo thời gian (TDMA)- Đa truy nhập theo mã (CDMA)Ở các sơ đồ ứng dụng kĩ thuật FDMA, toàn bộ dải tần của hệ thốngđược chia nhỏ thành 2N băng tần con, mỗi băng tần con được gán cho mộtngười sử dụng và nó bị chiếm dụng trong suốt quá trình cuộc gọi. Trong sơ đồTDMA mỗi người sử dụng được cấp cho một khe thời gian trong suốt quátrình gọi. Ở cả hai hệ thống này số lượng người dùng được quyết định bởi sốlượng các tần số hoặc các khe thời gian có sẵn. Với sơ đồ CDMA tất cảnhững người sử dụng cùng phát trên một kênh vô tuyến. Tín hiệu phát đichiếm toàn bộ dải thông của hệ thống và các mã được sử dụng để phân biệtcác người dùng với nhau.Trên kênh Gaussian các sơ đồ đa truy nhập trên cho dung lượng tươngđương nhau với giả thiết dãy mã trong CDMA là trực giao. Còn trong các hệthống thông tin di động tế bào và thông tin vệ tinh thì CDMA hơn hẳn so vớicác kĩ thuật khác. Thứ nhất là giảm ảnh hưởng của fading nhiều tia tới SNR của hệ thốngnhờ kĩ thuật thu kết hợp phân tập. Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều24chế FM analog sử dụng trong hệ thống điện thoại tế bào thế hệ đầu tiên thìfading nhiều tia có thể gây tổn hao rất lớn SNR. Tính nghiêm trọng của vấnđề fading đa đường được giảm đi trong điều chế CDMA băng rộng vì các tínhiệu qua các đường khác nhau được thu một cách độc lập. Phân tập theo tầnsố, thời gian và theo đường truyền làm giảm đáng kể fading trong CDMA.Trong đó phân tập theo đường truyền được áp dụng hiệu qủa đối với CDMAdãy trực tiếp và mức độ phân tập cao tạo nên khả năng hoạt động tốt hơntrong môi trường MUI (xuyên nhiễu đa người sử dụng) lớn.Thứ hai là nhờ có điều chỉnh công suất mà hệ thống thông tin di động tếbào CDMA trong môi trường đa người sử dụng hạn chế được hiệu ứng gần-xavà giảm thiểu nhiễu lên dung lượng hệ thống tức làm giảm giao thoa với cáctrạm gốc khác (tế bào lân cận). Việc công suất phát thấp tức giảm tỉ số Eb/N0không chỉ làm tăng dung lượng hệ thống mà còn giảm thiểu được tạp âm vànhiễu giao thoa đồng thời giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động.Hơn nữa việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng khả năng phục vụ dẫnđến làm giảm giá thành và cho phép hoạt động trong các vùng rộng lớn hơnvới công suất thấp khi so với hệ thống TDMA và FDMA có công suất tươngtự.. Ngoài ra ưu điểm của việc điều khiển công suất trong CDMA là việcgiảm công suất phát trung bình, trong hệ thống FDMA hay các hệ thống bănghẹp thì công suất phát cao luôn được yêu cầu để khắc phục fading theo thờigian, còn ở CDMA công phát tăng chỉ khi có fading và công suất yêu cầu chỉphát khi có điều khiển công suất.Thứ ba là hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mứcđộ cao nên việc sử dụng máy thu tìm kiếm và sử dụng bất hợp pháp kênh RFlà khó khăn đối với hệ thống tế bào số CDMA bởi vì tín hiệu CDMA đã đượctrộn bởi chuỗi giả ngẫu nhiên nên máy thu không chủ định rất khó thu đượcnếu không biết được mã.25