Nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) W-CDMA và khả năng ứng dụng ở Việt Nam trong tương lai

chế độ đồng bộ) Phương pháp mã hóa thoại AMR ( 1,95 kb/s – 12,2 kb/s ) Ghi chú: AMR: Mã hóa nhiều tốc độ thích ứng; BPSK: điều chế hai trạng thái; HPSK: điều chế pha hỗn hợp (lai); QPSK: điều chế pha bốn trạng thái; FDD: song công phân chia theo tần số. 2.1.5.2 Cấu trúc của mạng truy nhập vô tuyến Mạng truy nhập vô tuyến (RAN: Radio Access Network) bao gồm thiết bị điều khiển mạng vô tuyến (RNC: Radio Network Control ) và nút B, mạng này được nối với mạng lõi (CN: Core Network) qua giao diện Iu. Theo 3GPP, RAN được xem như mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN). RNC có chức năng quản lý các tài nguyên vô tuyến và điều khiển nút B, ví dụ như nó thực hiện điều khiển chuyển giao. Nút B là nút logic có chức năng thu và phát vô tuyến, nó còn được gọi là trạm thu phát gốc (BTS). Giao diện giữa nút B và RNC được gọi là Iub. Giao diện giữa các RNC cũng được quy định với tên gọi là Iur. Đây là một giao diện logic để có thể thực hiện đấu nối vật lý giữa các RNC. Tuy nhiên, các phương pháp truyền dẫn luân phiên có thể được ứng dụng như một kết nối vật lý qua mạng lõi (CN). Nút B phủ sóng cho một hoặc nhiều ô. Nếu BS được phân chia sector bởi các anten định hướng thì mỗi sector cũng được xem như một ô nhỏ. Nút B được kết nối với thiết bị thuê bao (UE: User Equiment ) qua giao diện vô tuyến 32 Hình 2.4: Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến 2.1.6 Các công nghệ then chốt trong W-CDMA 2.1.6.1 Sử dụng chế độ không đồng bộ giữa các BS và phân chia mã đường xuống Chế độ không đồng bộ (dị bộ ) được áp dụng khi không cần duy trì một quá trình đồng bộ chính xác giữa tất cả các BS. Nó được sử dụng nhằm mục đích đảm bảo dễ dàng triển khai phủ kín sóng bởi các BS cho cả môi trường truyền sóng trong nhà và ngoài trời. 2.1.6.2 Cấu trúc hoa tiêu Quá trình tách sóng nhất quán có sự trợ giúp của ký hiệu hoa tiêu được áp dụng không chỉ với đường xuống mà cả với đường lên. Các ký hiệu hoa tiêu trong đường xuống được ghép theo thời gian với các ký hiệu số liệu để giảm thiểu độ trễ cho quá trình điều chỉnh công suất phát TPC (Transmission 33 Power Control) và đơn giản hoá quá trình thu trong UE. Ký hiệu hoa tiêu đã sử dụng cho các kênh riêng ghép theo thời gian theo đường xuống cũng có hiệu quả trong TPC nhanh ở đường xuống. Mặt khác, đối với đường lên các ký hiệu số liệu được ghép vuông pha (I/Q) với các ký hiệu hoa tiêu. Hay nói cách khác, chúng được điều chế BPSK và được kết hợp ở hai trạng thái pha 0 và π/2. Điều này làm cho quá trình truyền dẫn tốc độ biến thiên ở đường lên được liên tục và không thay đổi bất thường. Nó cũng giảm thiểu hệ số đỉnh trong dạng sóng truyền sẫn và giảm bớt các yêu cầu cho bộ khuếch đại phát trong UE. Đối với đường xuống, CPICH đã được sử dụng để giải điều chế các kênh chung cũng được sử dụng để giải điều chế các kênh riêng. Các ký hiệu hoa tiêu riêng được ghép trên kênh riêng cũng là một giải pháp hữu hiệu để đảm bảo khả năng mở rộng, khả năng ứng dụng các anten thích nghi và các công nghệ khác để phát triển hơn nữa. 2.1.6.3 Phương pháp truy nhập gói Khi mà truyền gói trở thành kỹ thuật then chốt đối với các dịch vụ 3G thì nhiều nghiên cứu khác nhau đã được tiến hành trên các công nghệ truyền. W-CDMA chọn giải pháp sử dụng hệ thống có khả năng chuyển đổi thích ứng giữa các kênh chung và các kênh riêng theo lưu lượng số liệu. Khi lượng số liệu cần truyền lớn thì việc ấn định kênh riêng DPCH là hiệu quả hơn và công suất sử dụng là thấp hơn nhờ quá trình TPC. Ngược lại, khi lượng số liệu cần truyền nhỏ và lưu lượng thay đổi đột biến thì sử dụng một kênh chung sẽ hiệu quả hơn. Trong phương pháp này, hệ thống sẽ chuyển đổi thích ứng giữa các kênh chung và kênh riêng theo lưu lượng số liệu. Các phương pháp khác cũng được sử dụng, bao gồm phương pháp kênh chia sẻ (chung) đường xuống, trong đó một kênh đường xuống được chia sẻ bởi nhiều thuê bao. Các kênh riêng tốc độ thấp được gắn vào kênh chia sẻ đường xuống. Các kênh điều khiển vật lý (CCH) trên các kênh riêng này thực 34 hiện việc điều khiển và chỉ ra thông tin cần để giải mã kênh chia sẻ đường xuống. Kênh chia sẻ đường xuống được tin cậy để truyền số liệu tốc độ cao ở đường xuống một cách hiệu quả. 2.1.6.4 Phân tập truyền dẫn Một số công nghệ phân tập truyền dẫn đã được nghiên cứu và sau đó được áp dụng để nâng cao hiệu suất gồm: phương pháp phân tập anten phát chuyển mạch thời gian (TSTD) và phân tập anten phát dựa trên mã khối thời gian – không gian (STTD) dạng vòng mở - trong đó không sử dụng vòng hồi tiếp; và hai phương pháp này ở dạng vòng kín trong đó có sử dụng hồi tiếp. TSTD chuyển đổi anten phát trong mỗi khe, ngược lại STTD cải thiện hiệu quả sửa lỗi nhờ việc ngẫu nhiên hóa các lỗi tại điểm thu bằng cách mã hóa số liệu giống nhau và gửi đồng thời chúng tới hai anten phát. Dạng vòng kín, được áp dụng với kênh riêng sẽ làm giảm ảnh hưởng của pha đinh bằng cách điều chỉnh pha sóng mang phát ra từ hai anten theo tín hiệu tham chiếu phản hồi từ UE tại điểm thu. Tóm lại : IMT-2000 đã đáp ứng được yêu cầu theo mục tiêu hướng tới đa phương tiện và toàn cầu hoá nhờ việc ứng dụng các công nghệ then chốt, hiện đại hoá và thống nhất chung trên toàn thế giới. Nó đã chứng tỏ được khả năng vượt trội so với hệ thống thông tin di động thế hệ 2G về tốc độ truyền số liệu cũng như các dịch vụ gia tăng. 2.2 Kỹ thuật trải phổ trong W-CDMA Kỹ thuật trải phổ là kỹ thuật quan trọng được sử dụng trong W-CDMA nhờ vào khả năng bảo mật và tính chống nhiễu cao, do vậy cần nghiên cứu sâu về kỹ thuật này 2.2.1 Giới thiệu chung Kỹ thuật trải phổ với các hệ thống thông tin số nguyên thủy được phát triển và ứng dụng trong thông tin nhằm cung cấp khả năng chống lại việc gây nhiễu cố ý, che dấu tín hiệu bằng cách phát nó với mức công suất thấp, nhờ 35 đó làm cho người nghe không mong muốn khó phát hiện ra được sự có mặt của tín hiệu trong nền tạp âm, hoặc để làm cho nhiều người sử dụng có thể truyền qua cùng một kênh. Ngày nay, các kỹ thuật trải phổ đang được sử dụng nhằm cho phép truyền tin tin cậy trong một loạt các ứng dụng thương mại, bao gồm cả thông tin trên xe di động thông tin vô tuyến liên sở ( interoffice). Các hệ thống thông tin trải phổ là các hệ thống sử dụng tín hiệu có băng tần W rất rộng, thường gấp hàng trăm lần tốc độ bit của hệ thống nhờ sử dụng kỹ thuật trải phổ tín hiệu bằng các tín hiệu giả tạp PN (Pseudo Noise). Khi chỉ có một người sử dụng băng tần trải phổ, sử dụng băng tần này là không hiệu quả. Tuy nhiên trong môi trường nhiều người sử dụng, những người sử dụng này có thể sử dụng chung một băng tần trải phổ và hệ thống sử dụng băng tần có hiệu quả mà vẫn giữ được các ưu điểm của trải phổ. Ý tưởng của trải phổ trong các hệ thống thông tin là dựa vào định lý Shannon, định lý này được phát biểu như sau: Với một kênh có tạp âm trắng cộng tính (AWNG) thì tương quan giữa dung lượng, công suất và độ rộng dải tần cho bởi: C = W log 2 ( 1+ S/N ) Trong đó: C: dung lượng của kênh W: độ rộng dải tần của tín hiệu S: công suất tín hiệu N: công suất tạp nhiễu Như vậy, với cùng dung lượng C xác định. Nhờ tăng W mà có thể truyền được tín hiệu với tỷ số S/N rất thấp, thậm chí < 1. Điều này có thể đạt được nhờ thực hiện trải rộng phổ cần truyền ở phần phát và nén phổ ở phần thu. Trên cơ sở này cho phép hệ thống liên lạc làm việc tốt trong các điều kiện có nhiễu mạnh, thậm chí che giấu tín hiệu chìm vào trong nền nhiễu, nhờ đó đối phương rất khó phát hiện được tin tức truyền đi. Hơn nữa, nhờ việc sử 36 dụng các dãy giả ngẫu nhiên để trải phổ nên đối phương hầu như không thể giải mã được thông tin. Đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin trải phổ là phổ tín hiệu được truyền đi rất rộng. Tuy vậy, không phải loại hệ thống thông tin nào có phổ rộng cũng là hệ thống thông tin trải phổ. Một hệ thống thông tin được gọi là hệ thống trải phổ nếu nó thỏa mãn ba yếu tố sau: • Tín hiệu sau khi trải phổ có bề rộng phổ lớn hơn gấp nhiều lần so với bề rộng phổ ban đầu của nó trước khi trải phổ. • Việc trải phổ được thực hiện bởi tín hiệu trải phổ thường gọi là mã trải phổ, mã trải phổ này độc lập với dữ liệu và có tốc độ lớn hơn nhiều lần tốc độ dữ liệu. Tín hiệu trải được lựa chọn sao cho tạo ra một phổ tổng cộng gần với phổ của tạp âm. • Quá trình nén phổ được thực hiện nhờ tính tương quan giữa tín hiệu thu được và tín hiệu giải trải phổ là bản sao đồng bộ của tín hiệu trải đã được sử dụng ở phần phát Các phần tử cơ sở của một hệ thống thông tin trải phổ được minh họa trên hình 2.5 Hình 2.5: Mô hình một hệ thống thông tin trải phổ Chúng ta đã thấy rằng bộ mã hóa và giải mã, bộ điều chế và giải điều chế là các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin số truyền thống. Ngoài các phần tử này, một hệ thống thông tin trải phổ còn áp dụng hai bộ tạo chuỗi giả 37 ngẫu nhiên như nhau, một trong chúng giao tiếp với điều chế ở đầu phát và bộ kia thì giao tiếp với bộ giải điều chế ở đầu thu. Hai bộ này tạo ra một chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên hay giả tạp PN được sử dụng tại bộ điều chế để trải tín hiệu được phát đi về phổ và trải phổ tín hiệu thu được tại bộ giải điều chế ở phía máy thu. Chuỗi giả ngẫu nhiên PN được tạo ra ở máy thu phải đồng bộ với chuỗi PN hàm chứa trong tín hiệu thu để được giải trải chính xác tín hiệu thu được đã được trải phổ. Trong một hệ thống thực tế, việc đồng bộ được thiết lập trước khi truyền đưa thông tin bằng cách truyền một mẫu bit cố định được thiết kế sao cho máy thu sẽ tách được nó với một xác suất cao ngay cả khi có nhiễu. Sau khi việc đồng bộ thời gian của các bộ tạo chuỗi PN đã thực hiện xong, việc truyền thông tin bắt đầu. Trong chế độ truyền dữ liệu, máy thu thường bám định thời với tín hiệu thu và giữ cho bộ tạo chuỗi PN được đồng bộ. Sơ đồ chức năng hệ thống thông tin trải phổ được trình bày trên hình 2.6. Từ sơ dồ ta thấy vị trí của khối trải phổ trong hệ thống thông tin vô tuyến. Phổ của tín hiệu sau khi được xử lý sẽ được trải rộng đến độ rộng băng tần cần thiết, sau đó qua bộ điều chế chuyển phổ này tới băng tần truyền dẫn. Tín hiệu đã điều chế được khuếch đại và phát trên kênh truyền dẫn – kênh mặt đất hoặc kênh vệ tinh [6] 2.2.2 Phân loại các kỹ thuật trải phổ Căn cứ vào cấu trúc và phương pháp điều chế người ta phân loại kỹ thuật trải phổ như sau: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS – Direct Sequence) Trải phổ nhảy tần (FH – Frequency Hopping) Trải phổ nhảy thời gian (TH – Time Hopping) Ngoài ra còn phương pháp kết hợp giữa chúng chẳng hạn như FH/DS, TH/FH, TH/DS và DS/FH/TH. 38 Nén dữ liệu Mã hóa sửa sai Điều chế KĐCS Tạo chuỗi PN Tạo sóng mang Đ/c Kênh truyền Tạp âm NhiễuA/D Trạm thu &phát vệ tinh Giải điều chế Giải nén Giải mã Đồng bộ chuỗi Tạo chuỗi PN Máy thu Kênh truyền Tạp âm Nhiễu Kênh truyền Tạp âm Nhiễu A/D Kênh vệ tinh Kênh mặt đất Đường lên Đường xuốngTín hiệu số Tín hiệu tương tự Tín hiệu số Tín hiệu tương tự Hình 2.6: Sơ đồ chức năng hệ thống thông tin trải phổ Trải phổ nhảy tần (FH): Thực chất là sự dịch chuyển tần số được chọn theo mã. Thành phần cơ bản của hệ thống là bộ tạo mã PN và bộ tổ hợp tần số. Trong trải phổ nhảy tần (FH) độ rộng băng kênh sẵn có W được chia nhỏ thành một số lớn các khe tần số không lấn lên nhau. Trong bất kỳ khoảng thời gian truyền tin nào, tín hiệu được truyền đều chiếm một (hay nhiều hơn một ) khe tần số nói trên. Việc chọn khe (hay các khe) tần số nào trong mỗi một khoảng thời gian truyền tín hiệu được thực hiện một cách giả ngẫu nhiên theo tín hiệu lối ra của một bộ tạo chuỗi PN. 39 Trải phổ nhảy thời gian (TH): Nguyên lý của hệ thống này là một bản tin có tốc độ dòng số Rb được phân phối khoảng thời gian cần thiết được dùng để truyền bản tin ấy bằng các hệ thống thông thường. Trong khoảng thời gian này, dòng số được gửi đi theo từng loạt phù hợp với sự điều khiển của mã PN. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS): Trong phương pháp này mã trải phổ PN sẽ trải phổ tín hiệu sóng mang đã điều chế dữ liệu một cách trực tiếp. Phương pháp này là dạng đơn giản nhất trong kỹ thuật trải phổ và được sử dụng rộng rãi trong thông tin di động, vệ tinh và rada. Trong hệ thống thông tin di động W-CDMA cũng sử dụng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS. 2.2.3 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS) Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp là cơ sở cho kỹ thuật W-CDMA. Như ta đã biết hệ thống thông tin di động trước đây thường sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA và đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, nhưng đứng trước nhu cầu về tăng dung lượng và loại hình dịch vụ thì hai kỹ thuật này gặp rất nhiều khó khăn. Đó cũng là lý do tại sao kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng W-CDMA được coi là kỹ thuật thay thế trong tương lai. Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS: Direct Sequence Spectrum Spreading) có thể được trình bày như sau: Gọi chuỗi dữ liệu cần được phát đi là s(t) có tốc độ là R (b/s) và chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên hay giả tạp PN là chuỗi chip c(t), (c(t) = ±1) có tốc độ Rc (b/s) rất lớn hơn tốc độ chuỗi dữ liệu s(t) là R. Chuỗi tín hiệu băng gốc phát sau trải phổ là: r1(t) = s(t) × c(t) (2.1) Phổ tín hiệu băng gốc phát sau trải phổ là: R1(f) = S(f) * C(f) (2.2) 40 Trong đó S(f) và C(f) lần lượt là phổ của tín hiệu dữ liệu s(t) và chuỗi chip c(t) Do chuỗi trải phổ (chuỗi chip) có tốc độ lớn hơn rất nhiều tốc độ của chuỗi dữ liệu, phổ của c(t) là C(f) có độ rộng băng lớn hơn rất nhiều so với chuỗi dữ liệu, vì vậy độ rộng băng tín hiệu phát đi (bề rộng phổ chiếm của R1(f)), là tổng độ rộng băng của c(t) và s(t), sẽ rộng hơn độ rộng băng của s(t) rất nhiều lần. s(t) do vậy đã được trải rộng về phổ với mật độ công suất phổ rất thấp. Ở máy thu, tín hiệu thu được được giải trải phổ bằng cách nhân với chuỗi chip giải trải là bản sao đồng bộ với chuỗi chip trải phổ ở phần phát để thu lại tín hiệu dữ liệu đã truyền đi. Bỏ qua tác động của tạp âm nhiệt trắng chuẩn cộng tính, xét ở băng tần gốc, tín hiệu sau trải phổ là: s(t) ×c(t) = s(t) ×c(t) ×c(t) = s(t) (2.3) 2.2.4 Điều chế và giải điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp Hai loại điều chế số sẽ được xem xét liên quan với trải phổ, đó là PSK và FSK. Điều chế PSK nói chung được sử dụng với trải phổ DS là thích hợp cho các ứng dụng trong đó sự kết hợp về pha giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu có thể duy trì được trên khoảng thời gian bao trùm vài symbol (hay bit). Về phương diện khác, điều chế FSK nói chung được sử dụng với trải phổ nhảy tần và thích hợp cho các ứng dụng trong đó sự kết hợp pha sóng mang không thể duy trì được do đặc tính truyền dẫn của kênh truyền tin biến đổi theo thời gian. Sau đây ta đi tìm hiểu một số kỹ thuật điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS). 2.2.4.1 Trải phổ DS BPSK (Direct Sequence – Binary Phase Keying) Dạng đơn giản nhất của kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp là điều chế trải phổ PSK có sơ đồ như hình 2.6 41 P2 0ω P2 0ω Hình 2.7: Sơ đồ khối trải phổ DS Tín hiệu đầu ra của bộ điều chế là tín hiệu Sm (t) có tần số sóng mang ω0 , công suất là P, được điều chế pha bởi dữ liệu m(t)với độ dịch pha θm(t): Sm (t) = cos[2P ω0t + θm(t)] (2.4) Tín hiệu Sm (t) có độ rộng băng thông truyền dẫn tối thiểu là R/n, với R là tốc độ bit của dữ liệu m(t), n là số bit thông tin trong một ký hiệu: Sm (t) được trải phổ bởi mã trải phổ c(t) như hình 2.6, cho ra tín hiệu phát là: S(t) = Sm (t).c(t) = cos[)(2 tcP ω0t + θm(t)] (2.5) Máy thu sẽ nhận được tín hiệu này sau một thời gian trễ truyền dẫn Td cùng với can nhiễu và tạp âm; và giải trải phổ qua việc nhân tín hiệu thu r(t) với mã trải phổ c(t-T’d), trong đó T’d là thời gian trễ truyền dẫn do máy thu đánh giá. Tín hiệu sau trải phổ sẽ là: x(t) = cos[)'()(2 dd TtcTtcP −− ω0t + θm(t–T’d) + φ ] (2.6) trong đó φ là pha ngẫu nhiên gây nên bởi tạp âm và nhiễu Khi máy thu đồng bộ với máy phát hay Td = T’d và c(t) là các bit nhị phân ±1, thì c(t - Td)c(t – T’d) = 1; biểu thức (2.6) trở thành: x(t) = cos[2P ω0t + θm(t–T’d) + φ ] (2.7) 42 Do đó tại đầu ra bộ giải trải phổ, tín hiệu Sm (t) được phục hồi sai khác tín hiệu phát một góc pha ngẫu nhiên φ và sau khi Sm (t) được giải điều chế PSK kết hợp thông thường sẽ cho dữ liệu m(t) ban đầu. Trong trường hợp điều chế sóng mang BPSK với m(t) là tín hiệu nhị phân ±1 thì θm(t) sẽ nhận các giá trị 0 và π nên Sm (t) và St (t) sẽ trở thành: Sm (t) = ttmP 0cos)(2 ω (2.8) S(t) = ttctmP 0cos)()(2 ω (2.9) Lúc này chỉ cần sử dụng bộ điều chế pha số còn dữ liệu sẽ được cộng modun 2 với mã trải phổ trước khi đưa vào bộ điều chế pha. Khi này sơ đồ của trải phổ DS-BPSK có dạng như hình 2.8 P2 0ω P2 0ω Hình 2.8: Sơ đồ khối của DS-BPSK Hình 2.9 minh họa các dạng sóng tín hiệu trong trường hợp điều chế BPSK được sử dụng cho cả điều chế dữ liệu và điều chế trải phổ. Với hình a, b, c, d, là các dạng sóng dữ liệu, mã trải phổ, Sm (t) và St (t); hình 2.9e và 2.9f minh họa trường hợp thời gian trễ truyền dẫn Td = 0 nhưng mã trải phổ thu (hình 2.9e) không đồng pha với mã trải phổ phát nên sau giải trải phổ (hình 2.9f) không phục hồi được tín hiệu; hình 2.9g minh họa trường hợp thời gian 43 truyền dẫn Td = 0 và mã trải phổ thu đồng bộ với mã trải phổ phát nên tín hiệu sau trải phổ (hình 2.9g) phục hồi được là Sm (t). Hình 2.9: Các dạng sóng trong trải phổ DS-QPSK 2.2.4.2 Trải phổ DS-QPSK Để tận dụng hiệu quả băng tần truyền dẫn, các kỹ thuật điều chế nhiều mức được sử dụng. Sơ đồ khối mạch trải phổ DS sử dụng điều chế QPSK cân bằng như hình 2.10 Tại máy phát, sóng mang được điều chế pha bởi dữ liệu m(t): Sm (t) = cos[2P ω0t + θm(t)] (2.10) 44 Điều chế pha Hybird cầu phương Bộ chia công suất Lọc thông dải Giải điều chế pha m(t) )(tSm )(1 tc )(2 tc )(1 tS )](cos[ 0 ttP mθω + )](sin[2 0 ttP mθω + tP 0cos2 ω Dao động )'(2 dTtc − )'(1 dTtc − ])sin[(2 0 φωω ++ tIF ])cos[(2 0 φωω ++ tIF )'()( dTtstr −= r(t)r’(t) x(t) y(t) m(t) (a) (b) Hình 2.10: Sơ đồ khối trải phổ DS sử dụng QPSK (a) phần phát ; (b) phần thu Công suất đầu ra sau mạch Hybird sẽ bằng nửa công suất vào Sm (t) và tín hiệu phát S1 (t) sẽ là: St (t) = )](sin[)()](cos[)( 0201 tttcPtttcP mm θωθω +++ (2.11) Trong đó c1(t) và c2(t) là các mã trải phổ có giá trị ±1. Với thời gian trễ truyền dẫn là Td thì tín hiệu thu r(t) sẽ là: r(t) = )](sin[)()](cos[)( 0201 ttTtcPttTtcP mdmd θωθω +−++− (2.12) 45 Tín hiệu r(t) sẽ được giải trải phổ qua bộ điều chế QPSK với các thành phần x(t) và y(t) là: ( ) 12cPtx = ( ) ( ) ( )[ ]ttTtcTt mIdd θω −−− F'1 cos + ( ) ( ) ( )[ ]ttTtcTtcp mIdd θω −−− F"22 sin2 (2.13) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]ttTtcTtcPty mdd θω −−−−= IF'11 sin2/ + ( ) ( ) ( )[ ]ttTtcTtcP mdd θω −−− IF'21 cos2/ Khi trải phổ máy thu đồng bộ với máy phát hay thời gian trễ truyền dẫn do máy thu đánh giá ( ) ( ) ( ) ( ) 1'22'11 =−−=−− dddd TtcTtcTtcTtc (2.14) Thì tín hiệu ra sẽ là: ( ) ( ) ( ) ( )[ ]ttPtytxtz mI θω −=+= Fcos2 (2.15) Do đó tại đầu ra bộ giải trải phổ, tín hiệu )(tSm được phục hồi và sau khi )(tSm được giải điều chế PSK kết hợp sẽ cho dữ liệu m(t) ban đầu. 2.2.5 Đồng bộ trong trải phổ DS Sự đồng bộ của chuỗi giả ngẫu nhiên ở máy thu và chuỗi giả ngẫu nhiên ở máy phát là yếu tố cơ bản để nhận đúng tín hiệu. Nó cho phép máy thu nhận ra thông tin hữu ích m(t). Hiệu quả của một hệ thống trải phổ tuỳ thuộc vào khả năng máy thu tạo ra một tín hiệu PN (hoặc chuỗi) như là một bản sao của tín hiệu PN thu được và đồng bộ nó với tín hiệu PN thu được. Máy thu đã biết tín hiệu PN được dùng, song nó không biết pha của tín hiệu khi tới máy thu. Đồng bộ PN thông thường cần có hai bước. Bước thứ nhất được gọi là bám, là bước điều chỉnh thô độ lệch pha của tín hiệu PN tới với tín hiệu PN nội vào trong một khoảng nào đó, cỡ một chíp hay nhỏ hơn. Bước thứ hai được gọi là dò tìm, thực hiện việc điều chỉnh tinh để làm cho sai lệch của hai pha tiến tới không. Nguyên lý thu mã DS-CDMA được trình bày trên hình 2.10 46 Giả sử tín hiệu thu nhận được là: ( ) ( ) ( )mttcPtS θω += 01 cos2 (2.16) Trước quá trình bám các chuỗi mã trải phổ ở đầu thu lệch pha so với ở đầu phát một giá trị δ nào đó, nên tín hiệu đầu ra bộ nhân có dạng: ( ) ( ) ( )δ+= tctStS 12 (2.17) Hình 2.11: Nguyên lý thu mã trong DS-CDMA Tín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông dải (BPF) có tần số trung tần cω , dải thông đủ rộng tương ứng với phổ m(t) nhưng đủ hẹp so với phổ của c(t). Tín hiệu sau bộ lọc dải thông đưa đến bộ tách sóng đường bao để phát hiện giá trị đỉnh của tín hiệu này. Nếu biên độ sóng mang điều chế bởi m(t) không đổi thì tín hiệu đầu ra bộ tách sóng đường bao có giá trị của hàm tự tương quan như sau: ( ) ( ) ( ) ( )δδ cRtctctS =+=4 (2.18) )(δcR nhận giá trị cực đại tại δ =0. Biên độ điện áp ra của bộ tách sóng đường bao phụ thuộc vào δ . Nếu giá trị điện áp ra nhỏ hơn ngưỡng thì δ được gia tăng trong thời gian chip T c . Quá trình được lặp lại cho đến khi biên 47 độ điện áp ra vượt quá ngưỡng (tương ứng với δ ≈0), thì nó sẽ chuyển sang quá trình dò tìm. Sơ đồ mô tả quá trình dò tìm như sau: ( )2/cc TR +δ ( )2/cc TR −δ Hình 2.12: Nguyên lý dò tìm trễ trong DS-CDMA Sau quá trình bám thì chuỗi mã PN có được do bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên trong nhánh “sớm” là ( )2/cTtc + , còn trong nhánh “trễ” là ( )2/cTtc − . Hai tín hiệu ở đầu ra bộ tách sóng đường bao sẽ trừ cho nhau tạo tín hiệu ( )δe : ( ) ( ) ( )2/2/ cccc TRTRe +−+= δδδ (2.19) Tín hiệu này sau khi qua bộ lọc vòng sẽ điều khiển quá trình tạo chuỗi c(t). Dấu của e(δ ) chỉ thị hướng điều chỉnh của việc tạo mã. 2.2.6 Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ 2.2.6.1 Giảm nhiễu Kể từ khi ra đời, các hệ thống thông tin trải phổ đã và đang ngày càng phát triển. Các hệ thống này đã chứng tỏ được tính ưu việt của kỹ thuật trải phổ, đó là khả năng chống nhiễu cao. 48 Nếu chỉ xét đối với tạp âm trắng chuẩn cộng tính AWGN thì trải phổ không có ưu điểm làm giảm tạp âm AWGN. Song điều này không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của hệ thống bởi vì tạp âm AWGN phân bố đồng đều và rộng vô hạn trên cả dải tần với mức công suất tín hiệu nhiễu khá nhỏ. Tuy nhiên đối với nhiễu cố ý thì trải phổ có hiệu quả tương đối cao. Điều này đã thoả mãn được yêu cầu cần đạt được ban đầu khi đề xuất ra ý tưởng trải phố tín hiệu. Để hiểu rõ được hệ thống thông tin trải phổ có khả năng chống nhiễu cố ý như thế nào, trước tiên ta cần hiểu rõ các phương thức gây nhiễu của đối phương ra sao. Việc gây nhiễu này được thực hiện bằng hai cách đó là: a) Gây nhiễu toàn bộ băng tần tín hiệu của hệ thống. Khi thực hiện phương pháp này thì mỗi toạ độ tín hiệu chỉ bị gây nhiễu với một mức năng lượng đồng đều và công suất tín hiệu nhiễu không cao. b) Gây nhiễu một số toạ độ tín hiệu hoặc là gây nhiễu toàn bộ dải tần tín hiệu nhưng công suất nhiễu ở các toạ độ khác nhau. Khi đó công suất tín hiệu nhiễu tại một toạ độ có thể đạt được khá lớn. Nhìn chung cả hai phương pháp trên đều khá hiệu quả đối với các hệ thống thông tin thông thường. Đối với hệ thống thông tin trải phổ, do phổ của tín hiệu được trải ra rất rộng cho nên việc gây nhiễu theo phương pháp thứ nhất thì năng lượng tại mỗi toạ độ tín hiệu rất nhỏ, khó có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Một điều khác biệt nhất của hệ thống trải phổ với hệ thống thông tin thông thường là: với cách gây nhiễu chọn lọc theo toạ độ tín hiệu thì tại máy thu chỉ có tín hiệu trải phổ mới tương quan với mã trải phổ và được khôi phục lại còn các tín hiệu nhiễu tuy có mức công suất khá lớn nhưng khi đó sẽ biến thành dạng tương tự như tạp âm AWGN và công suất khá nhỏ. Như vậy ta thấy rằng bằng việc trải phỏ tín hiệu thì tác động của nhiễu cố ý bị giảm đi đáng kể. 49 2.2.6.2 Giảm mật độ năng lượng Việc bảo đảm tính bảo mật của hệ thống phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Một trong những yếu tố phải kể đến đó là mật độ năng lượng của tín hiệu. Để tăng tính bảo mật của hệ thống, khả năng chống bị phát hiện và thu trộm, thì công suất tín hiệu phát đi phải rất thấp. Thế nhưng mật độ năng lượng của tín hiệu thấp thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm bE / 0N thấp theo, điều này đồng nghĩa với việc chất lượng của hệ thống giảm. Để giải quyết vấn đề trên, hệ thống thông tin trải phổ ra đời. Trong hệ thống trải phổ, phổ của tín hiệu được trải ra trên một băng tần rất rộng. Do đó mật độ năng lượng của tín hiệu khá thấp có thể thấp hơn tạp âm AWGN và như vậy tín hiệu bị chìm trong tạp âm nên khó có thể phát hiện được. Tuy nhiên phổ của tín hiệu lại được khôi phục nhờ việc giải trải phổ bằng mã trải phổ, do đó tỷ số tín hiệu trên tạp âm bE / 0N vẫn được đảm bảo. 2.2.6.3 Đa truy nhập theo mã