Đồ án Ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin di động

động thế hệ ba được xây dựng chủ yếu trên công nghệ CDMA, WCDMA và CDMA2000, kỹ thuật trải phổ (SS: Spreading Sprectrum), kỹ thuật xử lý số quan trọng được sử dụng cho hệ thống thông tin di động CDMA. Công nghệ CDMA với những đặc tính ưu việt của nó như chất lượng dịch vụ tốt,vùng phủ sóng rộng, dung lượng lớn, ít bị can nhiễu bởi fa-đinh, quy hoạch tần số đơn giản.... Hiện nay đang mở rộng nghiên cứu ứng dụng hệ thống CDMA trong vai trò sơ đồ đa truy nhập ở giao diện vô tuyến của IMT-2000/ UMTS. CDMA là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin cá nhân (PCS), không dây thế hệ thứ 3 (3G). Động lực hướng tới 3G là nhu cầu bức xúc về dịch vụ dữ liệu tốc độ cao và sử dụng phổ hiệu quả hơn. Từ năm 1985 ITU đã phát triển ITM-2000, từ 1990 ETSI đã bắt đầu tiêu chuẩn hoá UMTS. Mục tiêu chủ yếu của giao diện vô tuyến IMT-2000 là: å Phủ sóng và di động hoàn hảo trong thông tin di động 144Kbit/s, mong muốn đạt 384 Kbit/s. å Phủ sóng và di động hạn chế đối với thông tin 2Mbit/s. å Nâng cao được hiệu suất sử dụng phổ so với các hệ thống đã có. å Có độ linh hoạt cao để cung cấp các dịch vụ mới 2.2. Cấu trúc mạng CDMA Hiện nay mạng thông tin di động số có hai kỹ thuật truy cập chính là TDMA và CDMA. Cấu hình mạng của chúng có rất nhiều điểm chung. Tuy nhiên, do có nhiều nhà sản xuất khác nhau trên thế giới nên bản thân mạng CDMA cũng có nhiều điểm khác nhau tuỳ theo nhà sản xuất. WTP OS IWF PSPDN PSPDN PSPDN PSPDN ASS ISN MSC CSS BTS BSC MS BSM BS HLR EIR AC Quản lý di động Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc chung mạng CDMA MS: Mobile Station: Trạm di động. BS: Base Station: Trạm gốc. MSC: Mobile Switching Centre: Trung tâm chuyển mạch di động (của mạng di động) HLR: Home Location Register: Bộ đăng ký định vị thường trú. EIR: Equipment Identity Register: Thanh ghi nhận dạng thiết bị. AUC: Authentication Centre: Trung tâm nhận thực. OS: Operation System: Hệ thống điều khiển. IWF: Interworking Function: Chức năng tương tác mạng. PSTN: Mạng điện thoại công cộng. BTS: Base Station Transceiver Sybsystem: Phân hệ thu–phát của trạm gốc. BSC: Base Station Controller: Bộ điều khiển của trạm gốc. BSM: Base Station Manager: Bộ quản lý của trạm gốc. ASS: Access Switching Subsystem: Phân hệ chuyển mạch truy cập. INS: Interconnection Network Subsystem: Phân hệ liên kết mạng. CCS: Central Control Subsystem: Phân hệ điều khiển trung tâm. WTP: Wireless Personal Terminal: Thiết bị đầu cuối di động cá nhân khác. 2.2.1. Máy thuê bao di động (MS) Máy thuê bao di động MS được sử dụng để kết cuối với đường truyền vô tuyến và là thiết bị để người dùng truy cập vào mạng. MS có thể là điện thoại cầm tay hoặc cũng có thể là các thiết bị khác như: Máy tính cá nhân, máy fax,…Anten MS nối tới bộ anten song công cho phép một anten dùng chung cho cả phát và thu, điều hưởng ở kênh vô tuyến nào đó có dải thông 1,25 MHz. Sau đó, tín hiệu được chuyển xuống trung tần, được lọc và đưa đến bộ chuyển đổi ADC. Tiếp theo, tín hiệu số được đưa đến các vi mạch đặc chủng ASIC (Application Specific Intergrated Circuit). Chức năng chủ yếu của ASIC là Modem của MS (MSM – Mobile Station Modem). MSM có 3 phần chính: Các bộ giải điều chế, bộ điều chế thuê bao và bộ giải mã Viterbi. 2.2.1.1. Bộ giải điều chế. Chức năng chủ yếu của bộ giải điều chế là chức năng máy thu Rake (quét tìm). Các bộ tương quan làm việc song song ( mỗi bộ tương quan này được gọi là ngón tay – finger). Mỗi ngón tay là một bộ giải điều chế độc lập, có thể bám sát tín hiệu về mặt tần số và về mặt thời gian xác định sự tương quan của các tín hiệu thu được theo dãy PN chỉ nén phổ đối với tín hiệu trong cuộc (tức là tín hiệu nào đã được trải phổ ở máy phát bởi cùng một dãy PN). Chúng đáp ứng môi trường truyền dẫn đa đường, có tăng ích xử lý đáng kể và cải thiện S/N. Tín hiệu đầu ra các ngón tay được cộng theo tỷ lệ S/N của chúng, do đó được cực đại S/N sau khi cộng. Tín hiệu pilot phát từ trạm gốc có thể được dùng để xác định quan hệ pha sao cho việc cộng được thực hiện theo nguyên lý tương can. Ngoài ra, một bộ giải điều chế thứ tư làm nhiệm vụ quét tìm liên tục tín hiệu đa đường và gán tín hiệu mạnh nhất vào các finger, bộ giải điều chế quét tìm này cũng phục vụ việc chuyển giao. 2.2.1.2 Bộ điều chế. Bộ điều chế phục vụ việc phát, xử lý dữ liệu: Mã hoá vòng xoắn, cài xen khối và trải phổ. Công suất phát được điều khiển bởi vi xử lý điều khiển: Sau đó, tín hiệu được chuyển lên cao tần 850 MHz. Trong bộ điều chế có cả bộ giải cài xen phục vụ việc thu dữ liệu. Quá trình xử lý tín hiệu phát CDMA hướng lên (điều chế số) được trình bày kỹ trong phần Đặc tính điều chế và Tổ chức kênh. 2.2.2. Trạm gốc (BS) Trạm gốc BS một mặt kết cuối với đường truyền dẫn vô tuyến, một mặt nối đến trung tâm chuyển mạch di động (MSC), có thể nói BS đóng vai trò giao diện giữa máy di động MS và tổng đài di động MSC, cung cấp hành trình gởi các gói và như một đầu cuối cố định của giao diện vô tuyến. Nơi cung cấp các chức năng điều khiển và bao phủ vô tuyến cho một hay nhiều tế bào và các máy di động liên quan của chúng. Phân hệ BSS bao gồm: å Thiết bị điều khiển trạm gốc: BSC (Base Station Controler). å Các hệ thống con các máy thu phát của trạm gốc: BTS (Base Station Transceiver Subsystem) được bố trí ở xa. å Thiết bị quản lý trạm gốc BSM (Base Station Manager). BSM sau này trong mạng thương mại được phát triển thành trung tâm khai thác, bão dưỡng và quản lý mạng. OMC/NMC (Operation & Maintenance Center/ Network Manager Center). 2.2.2.1. Hệ thống con BTS RF BTS CD BIN GPS BCP BSC Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống con BTS RF: Khối tần số vô tuyến (Radio Frequency Block) CD: Khối xử lý số (CDMA Digital Block) BIN: Mạng liên kết BTS (BTS Interconnection Network) BCP: Bộ xử lý điều khiển BTS (BTS Control Processor) GPS: Đồng hồ hệ thống (định vị toàn cầu) (Global Positioning System) å BTS bao gồm một bộ xử lý điều khiển BCP (BTS controler processor) để thực hiện việc quản lý chung trên một BTS, một khối CD (CDMA Digital) để xử lý tín hiệu CDMA, một khối tần số vô tuyến RF, một mạng liên kết BIN (BTS Interconnection Nework) và một thiết bị định thời hệ thống, chẳng hạn như đồng hồ hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Postioning System). å Khối BCP bao gồm 1 bộ xử lý điều khiển quét SCP (Scan Control System) để liên kết khối Digital. Một tập hợp các bộ xử lý điều khiển BTS để xử lý cuộc gọi của BTS và tập hợp các bộ quản lý địa chỉ tế bào SCA để vận hành và bảo dưỡng BTS. å Khối xử lý số CD dùng để xử lý tín hiệu CDMA, đó là các công việc CODEC, MODEM, định thời, phối ghép giữa các dải quạt của BTS. å Khối RF có chức năng giữ mức tạp âm thấp, khuyếch đại, lọc, chuyển đổi tần số xuống và lên, kết hợp và phân bố đa tần. 2.2.2.2. Thiết bị điều khiển trạm gốc BSC Thiết bị điều khiển trạm gốc BSC được kết hợp cùng với tổng đài di động MSC và chịu trách nhiệm phân phối các kênh giao diện vô tuyến, điều khiển công suất và chuyển vùng mềm cho các MS trong vùng phục vụ của nó. BSC bao gồm: å Các mạng liên kết CIN (CDMA Interconnection Network) để cung cấp các đường truyền dẫn chung giữa các khối, chẳng hạn như một bộ định tuyến gói. å Các bộ chuyển mã và các bộ chọn TSB (Transcoder and Selector Bank) để mã hóa tiếng nói, phân bố các bộ chọn, đóng mở gói, điều khiển công suất và điều khiển chuyển giao cứng trong cell. å Các bộ xử lý điều khiển cuộc gọi CCP (Cell Control Processor) cấp phát và quản trị các tài nguyên, thực hiện chuyển giao mềm và điều khiển cuộc gọi. Nó còn bao gồm các khối để truyền dẫn thông tin nối tiếp với CIN và MSC. å Bộ phân chia đồng hồ CKD (Clock Distributor) đồng bộ định thời từ đồng hồ GPS cho các phần tử trong mạng. CKD TSB CCP BSC MSC BTS CIN BSMP BSM ALM Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc phân hệ BSC và BSM CIN: Mạng liên kết (CDMA Interconnection Network) CKD: Bộ phân chia đồng hồ (Clock Distributor) TSB: Bộ chuyển mã và chọn (Transcoders & Selector Bank) CCP: Bộ xử lý điều khiển cuộc gọi (Call Control Processor) BSMP: Bộ xử lý điều hành quản lý trạm gốc (Base Station Network) ALM: Cảnh báo (Alam) Các bản tin giữa BTS & BSC được truyền đi trên các tuyến T1 hoặc E1 với tốc độ là 1,544 hay 2,048 Mbps. Dòng bít các gói được chuyển từ các byte 8 bít nối tiếp thành các byte 8 bít song song ở CIN rồi chuyển đến MSC qua CCP. TSB hỗ trợ việc truyền dẫn thông tin tiếng nói giữa các khối thuê bao, xử lý thông báo giao thức CAI (giao diện vô tuyến chung) và còn cung cấp 1 đường truyền dẫn T1/ E1 giữa các tổng đài di động. 2.2.2.3. Điều hành trạm gốc BSM BSM bao gồm bộ xử lý quản trị trạm gốc BSMP (Base Station Manager Platform) hỗ trợ một giao diện giữa người khai thác và máy, tiến hành điều hòa tải (down loading) theo chương trình, vận hành và bảo dưỡng trạm gốc. Bộ cảnh báo ALM (Alarm) xử lý cảnh báo các sự kiện hư hỏng. Bản thân BSMP là một trạm hoạt động với mục đích chung và được trang bị dự phòng. 2.2.3. Trung tâm chuyển mạch di động (Tổng đài di động MSC) Tổng đài di động MSC bao gồm 3 hệ thống là: ASS, INS và CCS. MSC cung cấp các dịch vụ căn bản và dịch vụ phụ cho MS. MSC có bộ đăng ký vị trí tạm thời để lưu giữ tạm thời VLR các tin tức về thuê bao. MSC được thực thi thành một hệ thống điều khiển phân bố có đẳng cấp. Nó được modul hóa theo chức năng và có cấu hình dự phòng. HLR PSTN BSC INS ASS-7 ASS-T ASS-M ASS CSS AMS LSR Hình 2.5. Sơ đồ tổng đài di động MSC ASS: Phân hệ chuyển mạch truy cập (Access Switching Subsystem ) ASS-7: Phần tử kết nối với mạng báo hiệu SS7 ASS-T: Phần tử truy cập trung kế PSTN ASS-M: Phần tử truy cập thuê bao di động INS: Phân hệ mạng liên kết (Interconnection Network Subsystem) CCS: Phân hệ điều khiển trung tâm (Central Control Subsystem) AMS: Phân hệ quản trị và bảo dưỡng (Administration & Maintenance Subsystem) LRS: Phân hệ đăng ký vị trí (Location Register Subsystem). 2.2.3.1. Hệ thống chuyển mạch truy nhập ASS Hệ thống chuyển mạch truy nhập ASS được chia các khối nhỏ hơn tương ứng các đối tượng truy cập khác nhau, chẳng hạn như ASS-T để phối ghép giữa MSC và PSTN, ASS-M để phối ghép các MS, ASS-7,... 2.2.3.2. Hệ thống mạng liên kết INS INS thực hiện việc xử lý cuộc gọi một cách tập trung hóa (như phiên dịch số thuê bao, chuyển mạch, định tuyến) và đồng bộ hóa mạng chuyển mạch, ngoài ra INS còn cung cấp sự đấu nối cho ASS và CSS. 2.2.3.3. Hệ thống điều khiển trung tâm CCS Hệ thống CSS bao gồm khối chức năng điều hành và bảo dưỡng AMS (Administration & Maintenance Subsystem) cho tổng đài di động và khối đăng ký vị trí LRS (Location Register Subsystem) để quản lý và lưu trữ thông tin về thuê bao nhằm cung cấp sự đăng ký và xác định vị trí. Việc quản lý khả năng di động bằng LRS được thực hiện bằng sự đăng ký khởi tạo di động hoặc sự đăng ký khởi tạo MSC. Mỗi cuộc gọi cần được gán vào 1 bộ chọn và 1 bộ giải mã thoại tương ứng. Chất lượng đường thoại được đánh giá bằng S/N trong từng cửa sổ 20 ms của vocoder. CCS cộng tác với CCP để định tuyến cuộc gọi giữa MSC và BS, cấp phát mã trải phổ PN cho cuộc gọi đang xét. 2.2.4. Bộ đăng ký định vị thường trú HLR (Home Location Register) HLR AES NIS DBS MSC OMS Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc phân hệ HLR AES: Phân hệ ứng dụng (Application Entity Subsystem) DBS: Cơ sở dữ liệu (Database Subsystem) NIS: Phân hệ phối ghép mạng (Network Interface Subsystem) OMS: Phân hệ khai thác và bảo dưỡng (Operation & Maintenance Subsystem). HLR được thiết kế để lưu giữ thông tin tạm thời hoặc vĩnh viễn, chẳng hạn như vị trí MS, các dịch vụ phụ, số liệu tính cước, HLR bao gồm: Một AES (Application Entity Subsystem) để lưu giữ và quản lý các dữ liệu thuê bao. Một hệ thống giao diện mạng NIS (Network Interface Subsystem) để hỗ trợ các chức năng của lớp thấp hơn cho tín hiệu số 7 và một hệ thống con khai thác và bảo dưỡng OMS (Operation & Maintenance Subsystem). 2.2.5. Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR) Bộ ghi nhận dạng thiết bị lưu trữ số liệu thiết bị ME của MS. Bộ phận SIM của MS phục vụ giám sát thuê bao, bộ phận SIM có thể tách rời khỏi ME hoặc có thể chuyển từ ME này sang ME khác và EIR sẽ kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị. Mặt khác EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến trạm di động MS và nó được nối đến MSC thông qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị. 2.2.6. Trung tâm nhận thực (AC) Trung tâm nhận thực là một hệ thống xử lý, nó thực hiện chức năng kiểm tra tính hợp pháp của thuê bao. AC thường được đặt chung với thanh ghi định vị thường trú (HLR) bởi vì nó thường xuyên được yêu cầu để truy cập và cập nhật một cách liên tục, liên quan đến hồ sơ thuê bao trong hệ thống. Quá trình nhận thực thường xảy ra mỗi thời điểm bắt đầu của quá trình liên lạc của thuê bao trong hệ thống. Trước khi truy cập vào mạng thì thuê bao (MS) và mạng phải thực hiện quá trình nhận thực. 2.2.7. Hệ thống điều khiển (OS) Hệ thống điều khiển OS có trách nhiệm quản lý sự vận hành của toàn mạng, phát hiện và điều khiển khi có sự cố. 2.3. Kỹ thuật trải phổ Ở các hệ thống thông tin di động thông thường thì độ rộng băng tần là một vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng ít càng tốt, ở hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng thông thường hàng trăm lần trước khi phát.Khi chỉ có một người sử dụng băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy không hiệu quả. Nhưng ở môi trường nhiều người sử dụng họ có thể sử dụng chung một băng tần SS (Spread Spectrum –Trải phổ) và là hệ thống trở nên sử dụng băng tần có hiệu suất mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ. Như vậy một số hệ thống thông tin số được coi là trải phổ nếu: å Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết. å Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu. Có ba kiểu hệ thống thông tin trải phổ cơ bản: å Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS - Direct Sequence Spread Spectrum) å Trải phổ nhảy tần (FH/SS - Frequency Hopping Spread Spectrum) å Trải phổ dịch thời gian (TH/SS - Time hopping Spread Spectrum) 2.3.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS) 2.3.1.1. Các hệ thống DS/SS-BPSK a. Máy phát DS/SS-BPSK Ta có thể biểu diễn các bản tin nhận các giá trị ±1 như sau: b(t) = å bkpT(t-kT) ¥ k=-¥ (3.1) Trong đó bk = ±1 là bit số liệu thứ k với + tương ứng với bít “0” và - tương ứng với bit “1”, pT là hàm xung đơn vị, Tb là độ rộng của một bít số liệu (tốc độ số liệu là R=1/Tb bit/s). Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng tín hiệu PN c(t) bằng cách nhân hai tín hiệu này với nhau. Tín hiệu nhận được b(t).c(t) sau đó sẽ được điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, cho ta tín hiệu DS/SS-BPSK xác định theo công thức: (3.2) s(t) = 2Eb/Tb *b(t).c(t).cos(2p) trong đó Eb là năng lượng bit, Tb là độ rộng bit, fc tần số sóng mang, q là pha của sóng mang. Trong rất nhiều ứng dụng một bit bản tin bằng một chu kỳ của tín hiệu PN, nghĩa là Tb = NTc. Ta sử dụng giả thiết này cho các hệ thống DS/SS trong toàn bộ các phần sau. Trong trường hợp hình (3.1) ta sử dụng N = 7. Ta có thể thấy rằng tích của b(t).c(t) cũng là một tín hiệu cơ số hai có biên độ là ±1, có cùng tần số với tín hiệu PN. Tín hiệu DS/SS-BPSK nhận được được vẽ ở đồ thị cuối cùng của hình (3.1). Bộ điều chế (BPSK) Bản tin cơ hai b(t) b(t)c(t) Tín hiệu PN cơ hai c(t) Sóng mang Tín hiệu DS/SS-BPSK s(t)= 1 3Tb 2Tb t b(t) Tb 0 -1 Một chu kỳ 1 c(t) t -1 (giả thiết là N=7; T=NTc) 2NTc NTc Tc 0 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 1 t c(t) 2NTc NTc Tc 0 -1 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● A s(t) t -A 0 2NTc NTc Tc (ở hình này sóng mang có q =-p/2 và fc=1/Tc) ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Hình 3.1. Sơ đồ khối của máy phát DS/SS-BPSK b. Máy thu DS/SS-BPSK Mục đích của máy thu là lấy ra bản tin b(t) (số liệu {bi}) từ tín hiệu thu được bao gồm cả tín hiệu được phát cộng với tạp âm. Do tồn tại trễ truyền lan t nên tín hiệu thu được là: A = 2Eb/Tb (3.3) s(t-t) + n(t) = ABb(t-t).c(t-t).cos[2pfc(t-t) + q] + n(t) trong đó: n(t) là tạp âm của kênh và đầu vào máy thu. Để mô tả lại quá trình khôi phục lại bản tin ta giả thiết không có tạp âm. Trước hết tín hiệu thu được nén phổ để giảm băng tần rộng thành băng tần hẹp. Sau đó được giải trải phổ để đưa từ băng tần rộng về băng tần hẹp sau đó nó được giải điều chế để nhận được tín hiệu băng gốc. Để nén phổ tín hiệu thu được nhân với tín hiệu đồng bộ PN c(t-t) được tạo ra ở máy thu. Ta được: r(t) = ABb(t-t).c2(t-t).cos(2pfc + q’) = ABb(t-t).cos(2pfc + q’) (3.4) Vì c(t) bằng ±1 trong đó q’= q - 2pfct . Tín hiệu nhận được là một tín hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần giữa hai giá trị là 2/Tb. Để giải điều chế ta giả thiết rằng máy thu biết được pha q’ (và tần số fc) cũng như điểm khởi đầu của từng bít. Một bộ giải điều chế BPSK bao gồm một bộ tương quan (Correlator), sau đó là một thiết bị đánh giá ngưỡng. Để tách ra bit số liệu thứ i, bộ tương quan phải tính toán : zt = r(t).B.cos(2pfc + q’)dt ò ti+T ti = AB b(t-t).cos2(2pfc + q’)dt ò ti+T ti AB 2 ò ti+T ti b(t-t).[1 + cos(4pfc + 2q’)dt = (3.5) AB = Eb 2 T BA = 2/Tb A = 2Eb/Tb trong đó: ti = iTb + t là thời điểm bắt đầu của bit thứ i. Vì b(t–t) là +1 hoặc -1 trong thời gian một bit. Thành phần thứ nhát tích phân sẽ cho ta T hoặc -T. Eb zi = ABTb/2 (= Eb) zi =-ABTb/2 (= -Eb) Thành phần thứ hai là thành phần nhân đôi tần số nên sau tích phân bằng 0. Vậy kết quả cho là hoặc . Cho kết quả này qua thiết bị đánh giá ngưỡng (hay bộ so sánh) với ngưỡng 0, ta được đầu ra cơ số hai 1 (logic “0”) hay –1 (logic “1”). Ngoài thành phần tín hiệu ± , đầu ra của bộ tích phân cũng có thành phần tạp âm nên có thể gây ra lỗi. Tín hiệu PN đóng vai trò như một “mã” đã được biết trước cả ở máy phát lẫn máy thu chủ định. Vì máy thu chủ định biết trước mã nên nó có thể nén phổ tín hiệu SS để nhận được bản tin. Mặt khác một máy thu không chủ định không biết được mã, vì thế ở các điều kiện bình thường nó không thể “giải mã” bản tin. Do c(t) nên máy không chủ định chỉ nhìn thấy một tín hiệu ngẫu nhiên ±1. Ta đã gia thiết rằng máy thu biết trước một số thông số sau: t, ti, q’ và fc. Thông thường máy thu biết được tần số mang fc, nên nó có thể được tạo ra bằng cách sử dụng một bộ dao động mới. Nếu có một khác biệt nào đó giữa tần số của bộ dao động nội và tần số sóng mang, thì một tần số gần với fc có thể được tạo ra và có thể theo dõi được tần số chính xác bằng một mạch vòng hồi tiếp, chẳng hạn như vòng khoá pha. Máy thu phaỉ nhận được các thông số khác nhau như t, t và q’ từ tín hiệu thu được. Quá trình nhận được t được gọi là qúa trình đồng bộ, thường được thực hiện ở hai bước: bắt đồng bộ và bám đồng bộ. Quá trình nhận được ti được gọi là quá trình khôi phục đồng hồ (định thời) ký hiệu (Symbol Timing Recovery). Còn qúa trình nhận được q’ (cũng như fc) được gọi là quá trình khôi phục sóng mang. Việc khôi phục sóng mang và đồng hồ cần thiết ở mọi máy thu thông tin số liệu đồng bộ. Khi Tb/Tc=N (chu kỳ của chuỗi PN), có thể nhận được định thời của ký hiệu ti một khi đã biết t. ti Bộ giải điều chế BPSK r(t) c(t-t) 1 hay -1 + - Khôi phục ĐHKH Khôi phục SIM Bộ tạo TH PN nôi Đồng bộ tín hiệu PN ò ti+T ti (.)dt s(t-t)=Ab(t-t)c(t-t) cos(2pfc(t-t)+q) Bcos(2pfc(t-t)+q) NTc s(t-t) -A A NTc NTc t0 t1 t2 t3 t c(t-t) 1 -1 t A -A w(t) t Hình 3.2. Sơ đồ khối của máy thu DS/SS-BPSK Ta hãy khảo sát một cách ngắn gọn ảnh hưởng của sai pha sóng mang và sai pha mã ở máy thu. Giả thiết rằng máy thu sử dụng cos(2pfc+q’+g) thay cho cos(2pfc+q’) cho bộ giải điều chế và sử dụng c(t-t’) làm tín hiệu PN nội, nghĩa là sóng mang có sai pha g và tín hiệu PN có sai pha t-t’. Khi này zi sẽ là: ò zt = AB b(t-t)c(t-t)c(t-t’)cos(2pfc + q’)cos(2pfct+q’+g)dt ti+Tb ti AB 2 ò ti+Tb ti b(t-t)c(t-t)c(t-t’)cos(g)dt = ò ti+Tb ti cos(g) ATb 2 = ± 1 T c(t-t)c(t-t’)dt (3.6) ABTb 2 cos(t-t)Rc(t-t’) = ± trong đó dòng thứ 2 được rút ra tự lập luận là tích phân của thành phần tần số nhân đôi bằng 0. Vì thế ½zi½ cực đại khi g=0 và t -t’=0. Nếu |t -t’|>Tc hay |g|=p/2, thì zi=0 và máy thu vô dụng. Khi |t -t’|<Tc và |g|<p/2, thì ½zi½giảm đại lượng, như vậy tỷ số tín hiệu trên tạp âm sẽ nhỏ hơn gây ra xác suất lỗi cao hơn. Tuy nhiên nó vẫn có thể hoạt động đúng khi các sai pha |t -t’| và |g| nhỏ.zi + c. Mật độ phổ công suất PSD: Xét mật độ phổ công suất PSD (Power Spectral Density) của các tín hiệu ở các thời điểm khác nhau trong máy phát và máy thu. Giả sử mô hình bản tin và tín hiệu PN như là các tín hiệu cơ số 2 ngẫu nhiên (mỗi bit hay mỗi chip nhận các giá trị +1 hoặc -1 với xác suất như nhau). Bản tin (với biên độ ±1) có tốc độ bit R=1/T bit/s và PSD: (3.7) Sb (f) = Tbsinc2(fTb) có độ rộng băng tần ở giá trị “0” đầu tiên) 1/Tb Hz [1]; còn tín hiệu PN (với biên độ ±1) có tốc độ chip 1/Tc và PSD là: (3.8) Sc (f) = Tbsinc2(fTc) với độ rộng băng tần R=1/T Hz. Vì T/Tc là một số nguyên và vì khởi đầu của mỗi bít b(t) trùng với khởi đầu của chip c(t) nên tích b(t)c(t) có PSD như sau: Sbc(f) = Tcsinc2(fTc) (3.9) với độ rộng băng tần R=1/Tc Hz giống như độ rộng băng tần của c(t). Vì thế quá trình trải phổ sẽ tăng độ rộng băng tần T/Tc=N lần, thông thường giá trị này rất lớn. Điều chế sóng mang chuyển đổi tín hiệu băng gốc b(t)c(t) vào tín hiệu băng thông s(t) có PSD [1]: Ss(f) = {sinc2((f-fc)Tc + sinc2((f+fc)Tc)} A2Tb 4 (3.10) A = A2Tb 4 Thay và chỉ xét PSD cho tần số dương ta được: Ss(f) = Ec {sinc2((f-fc)Tc = sinc2((f+fc)Tc)} P Rc (3.11) trong đó P là công suất, R=1/T là tốc độ bit của bản tin. S(f) a) P/Rb -1/Tc -1/Tb 0 1/Tb 1/Tc f - fc b) P/Rc Mật độ phổ công suất S(t) cho trường hợp không trải phổ và trải phổ được cho ở hình sau a và b: Hình 3.3. Mật độ phổ công suất của tín hiệu điều chế BPSK không trải phổ (a) và có trải phổ (b) Từ hình trên ta thấy do trải phổ tín hiệu điều chế BPSK có độ rộng băng tần tăng N=Tb/Tc lần so với không trải phổ. Ngoài ra tín hiệu BPSK có trải phổ cho mật độ công suất tại tần số sóng mang fc thấp hơn không trải phổ là Rc/Rb=Tb/Tc lần. Tỷ số N cho phép đánh giá hiệu quả trải phổ nên được gọi là hệ số trải phổ. Trong máy thu tín hiệu s(t-t) là phiên bản trễ của tín hiệu DS s(t). Nên PSD của nó cũng giống như PSD của tín hiệu s(t) vì trễ không làm thay đổi phân bố công suất ở vùng tần số. Ngoài ra PS của c(t-t) cũng giống như PSD của c(t). Sau khi trải phổ ta được tín hiệu r(t) với PSD được xác định bởi: (3.12) Pr Rc Sr(f) = sinc2((f - fc)Tb trong đó Pr là công suất thu bằng công suất phát bị suy giảm do đường truyền. Từ PSD của các tín hiệu khác nhau ta thấy rằng PSD của b(t) được trải phổ bởi c(t) và sau đó được nén phổ bởi c(t-t) ở máy thu. d. Độ lợi xử lý GP Độ lợi xử lý (Gp: Processing Gain) được định nghĩa là : Gp= Độ rộng băng tần của tín hiệu SS Độ rộng băng tần của bản tin (3.13) Ta thường biểu diễn Gp ở dB: 10 lg(Gp). Độ lợi xử lý cho thấy tín hiệu bản tin phát được trải phổ bao nhiêu lần bởi hệ thống trải phổ. Đây là một thông số chất lượng quan trọng của một hệ thống SS, vì Gp cao có nghĩa là khả năng chống nhiễu tốt hơn. Đối với hệ thống DS/SS-BPSK, nếu coi độ rộng băng tần của tín hiệu SS là Rc=1/Tc thì độ lợi xử lý là =Tb/Tc=N. Chẳng hạn N=1023, độ rộng tín hiệu trải phổ điều chế BPSK tăng 1023 lần so với tín hiệu không trải phổ điều chế BPSK và PG 1023 hay 30,1 dB. 2.3.1.2. Các hệ thống DS/SS-QPSK a. Máy phát Các kiểu điều chế khác như: khoa dịch pha cầu phương (QPSK: Quadrature Phase Shift Keying) và khoá chuyển cực tiểu (MSK: Minimum Shift Keying) cũng thường được sử dụng ở các hệ thống SS. Bộ tạo PN 1 Bộ tạo PN 1 Acos(2pfct+q) -Acos(2pfct+q) b(t)c2(t) b(t)c1(t) c2(t) c1(t) b(t) s1(t) Tín hiệu DS/SS-QPSK s(t)=s1(t)+s2(t) = Acos(2pfct+q+g(t)) 2 s2(t) Bộ ĐC (BPSK) Dịch p/2 Bộ ĐC (BPSK) (Cho q=-p) A -A s1(t) t A (Cho q=-p) -A s1(t) t b(t)c2(t) 1 -1 t 1 -1 c2(t) t 1 -1 b(t)c1(t) t t 1 -1 c1(t) b1(t) 1 -1 t 0 T 2T t A -A s2(t) t A s(t) -A g= 7p/4 3p/4 5p/4 p/4 3p/4 7p/4 p/4 p/4 3p/4 7p/4 Hình 3.4. Các dạng sóng ở hệ thống DS/SS-QPSK Sơ đồ khối chức năng cho máy phát của một hệ thống DS/SS sử dụng điều chế QPSK được cho ở hình trên cùng với dạng sóng ở các điểm khác nhau trên sơ đồ. Sơ đồ trên gồm hai nhánh: một nhánh đồng pha và một nhánh vuông góc. Trong thí dụ này cùng một đầu vào số liệu điều chế các tín hiệu PN c1(t) và c2(t) ở cả hai nhánh. Tín hiệu DS/SS-QPSK có dạng: S(t) = s1(t)+s2(t)=-Ab(t)c1(t)sin2pfct+q)+Ab(t)c2(t)cos(2pfc+q) = 2 Acos(2pfct+q+g(t)) = (3.14) A = Eb Tb trong đó g(t)= tan-1 c1(t)b(t) c2(t)b(t) = p/4, nếu c1(t)b(t)=1, c2(t)b(t)=1 3p/4, nếu c1(t)b(t)=1, c2(t)b(t)=-1 5p/4, nếu c1(t)b(t)=-1, c2(t)b(t)=-1 7p/4, nếu c1(t)b(t)=-1, c2(t)b(t)=1 Vậy tín hiệu số s(t) có thể nhận 4 trạng thái pha khác nhau: q+p/4, q+3p/4, q+5p/4, q+7p/4. + - 1 hay -1 zi u1(t) u2(t) r2(t) r1(t) s(t-t) c1(t-t) c2(t-t) -Bsin(2pfct+q’) Bcos(2pfct+q’) ò (.)dt ti ti+Tb B = 1/Tb b. Máy thu Hình 3.5. Sơ đồ khối máy thu cho hệ thống DS/SS-QPSK s(t-t) = -Ab(t-t)c1(t-t)sin(2pfct+q’)+Ab(t-t)c2(t-t)cos(2pfct+q’) Giả thiết rằng trễ là