Đề tài Truyền số liệu trong mạng thông tin di đông

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN: TRUYỀN SỐ LIỆU ĐỀ TÀI: Truyền số liệu trong mạng thông tin di đông Giáo viên hướng dẫn : Tống Văn Luyên Sinh viên thực hiện : Lê Đức Quảng Nguyễn Châu Vi Nguyễn Mạnh Hùng Lớp : Điện tử 4 – K3 MỤC LỤC: LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các nhu cầu của con người cũng ngày càng đòi hỏi cao hơn cho cuộc sống. Nhu cầu về sử dụng các công nghệ trong viễn thông một cách có hiệu quả nhất cũng trở nên rất bức thiết. Và lĩnh vực này được coi là một trong những nền tảng để đánh giá sự phát triển cho mỗi quốc gia. Sự phát triển của ngành viễn thông đã chứng minh cho điều này. Các máy tính cá nhân, điện thoại, … đã trở nên phổ biến làm cho nhu cầu về nhiều loại hình dịch vụ viễn thông khác nhau như: thoại, số liệu, video,... đều tăng lên mạnh mẽ. Tuy nhiên các mạng viễn thông hiện tại không còn đáp ứng được các nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng. Xuất phát từ những hạn chế của mạng viễn thông hiện tại, cùng với những nhu cầu của người sử dụng đã ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự phát triển của công nghệ viễn thông. Nhiều công nghệ hiện đại đã ra đời đáp ứng những nhu cầu ngày càng tăng của con người. Một trong những thay đổi mạnh mẽ nhất phải kể đến là hệ thống thông tin di động. Nhận thức được tầm quan trọng và hướng phát triển của mạng thông tin di động trong tương lai nên chúng em đã nghiên cứu về “truyền số liệu trong mạng thông tin di động” để thấy được những công nghệ đã làm thay đổi chất lượng của mạng di động cụ thể đó là “phương pháp điều chế BPSK trong kỹ thuật trải phổ trực tiếp của hệ thống thông tin di động CDMA”. Trong phần Báo cáo này cáo này vẫn còn nhiều sai sót, em mong các thầy cô chỉ dạy tần tình để chúng em hiểu sâu hơn. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện: Lê Đức Quảng Nguyễn Châu Vi Nguyễn Mạnh Hùng TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN SỐ LIỆU Ngày nay với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ đã tạo ra một bước tiến dài trong lĩnh vực truyền số liệu. Sự kết hợp giữa phần cứng, các giao thức truyền thông các thuật toán đã tạo ra các hệ thống truyền số liệu hiện đại, những ký thuật cơ sở vẫn được dùng nhưng chúng được xử lý tinh vi hơn. Về cơ bản một hệ thống truyền số liệu hiện đại mô tả như hình 1.2: a) DTE ( Data Terminal Equipment – Thiết bị đầu cuối dữ liệu) Đây là thiết bị lưu trữ và xử lý thông tin. Trong hệ thống truyền số liệu hiện đại thi DTE thường là máy tính hoặc máy Fax hoặc là trạm cuối ( terminal). Như vậy tất cả các ứng dụng của người sử dụng ( chương trình, dữ liệu ) đều nằm trong DTE Chức năng của DTE thường lưu trữ các phần mềm ứng dụng , đóng gói dữ liệu rồi gửi ra DCE hoặc nhận gói dữ liệu từ DCE theo một giao thức ( protocol) xác định DTE trao đổi với DCE thông qua một chuẩn giao tiếp nào đó . Như vậy mạng truyền số liệu chính là để nối các DTE lại cho phép chúng ta phân chia tài nguyên, trao đổi dữ liệu và lưu trữ thông tin dùng chung. b) DCE (Data Circuit terminal Equipment- Thiết bị cuối kênh dữ liệu ) Đây là thuật ngữ dùng để chỉ các thiết bị dùng để nối các DTE với các đường (mạng) truyền thông nó có thể là một Modem, Multiplexer, Card mạng...hoặc một thiết bị số nào đó như một máy tính nào đó trong trường hợp máy tính đó là một nút mạng và DTE được nối với mạng qua nút mạng đó. DCE có thể được cài đặt bên trong DTE hoặc đứng riêng như một thiết bị độc lập. Trong thiết bị DCE thường có các phần mềm được ghi vào bộ nhớ ROM phần mềm và phần cứng kết hợp với nhau để thực hiện nhiệm vụ của nó vẫn là chuyển đổi tín hiệu biểu diễn dữ liệu của người dùng thành dạng chấp nhận được bởi đường truyền. Giữa 2 thiết bị DTE việc trao đổi dữ liệu phải tuân thủ theo chuẩn, dữ liệu phải gửi theo một Format xác định. Thí dụ như chuẩn trao đổi dữ liệu tầng 2 của mô hình 7 lớp là HDLC ( High level Data Link Control) Trong máy Fax thì giao tiếp giữa DTE và DCE đã thiết kế và được tích hợp vào trong một thiết bị, phần mềm điều khiển được cài đặt trong ROM. c)Kênh truyền tin Kênh truyền tin là môi trường mà trên đó 2 thiết bị DTE trao đổi dữ liệu với nhau trong phiên làm việc Trong môi trường thực này 2 hệ thông được nối với nhau bằng một đoạn cáp đồng trục và một đoạn cáp sợi quang, modem C để chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự để truyền trong cáp đồng trục modem D lại chuyển tín hiệu đó thành tín hiệu số và qua Tranducer E để chuyển đổi từ tín hiệu điện sang tín hiệu quang để truyền trên cáp sợi quang cuối cùng Tranducer F lại chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện để tới DTE. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN SỐ LIỆU TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất Hệ thống xuất hiện vào đầu năm 80, dùng kỹ thuật điều chế FM tương tự, trong đó có hệ thống AMPS (Advanced Mobile Phone Service): Dịch vụ thoại tiên tiến. Bao gồm các hệ thống thông tin di động tổ ong tương tự: AMPS: hệ thống thoại tiên tiến, ra đời năm 1983, do Mỹ sản xuất. NAMPS: Narrow AMPS băng thông hẹp, do hãng motorola đề xướng và thực hiện. TACS: (Total Access Communication System): hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ, kỹ tượng tự của Anh. Chỉ tiêu ban đầu được mở rộng thành Extended TACS. Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ mở rộng. Hệ thống dùng kỹ thuật điều chế FM tương tự và đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), tức là mỗi kênh được gán cho một băng tần duy nhất trong một nhóm cell. Thực hiên các loại hình dịch vụ: Sử dụng công nghệ điều chế FM để truyền dẫn thoại và báo hiệu số cho thông tin điều khiển. Mạng chỉ có phạm vi cung cấp dịch vụ trong nước. Băng tần hoạt đông trong khoảng từ: 450 đến 900MHz. Tất cả các hệ thống cellular thuộc thế hệ này trên đều sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), mỗi kênh được phân cho một tần số duy nhất trong một nhóm cell. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai Sự phát triển nhanh về số lượng thuê bao, và nhiều nhu cầu dịch vụ mà thế hệ thứ nhất không đáp ứng được đã thúc đẩy tiến trình phát triển của thế hệ di động thứ hai (2G). Thế hệ thứ hai này ra đời nhằm cải tiến chất lượng thoại, khả năng phủ sóng đồng thời tăng dung lượng của hệ thống. Hệ thống này chủ yếu sử dụng các kỹ thuật nén và mã hoá phối hợp với kỹ thuật số. Các tiêu chuẩn của hệ thống 2G được định nghĩa và thiết kế chỉ để hỗ trợ thoại và truyền dữ liệu tốc độ thấp, chương trình duyệt internet (wap). Các kỹ thuật truy nhập như: TDMA, CDMA sử dụng cùng FDMA trong hệ thống. Các hệ thống thông tin di động chủ yếu ở thế hệ 2G: GSM: (Global System for Mobile Communication): Đây là hệ thống thông tin di động toàn cầu, ra đời ở Châu Âu. Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). Hệ thống GSM được phát triển năm 1982 khi các nước Bắc Âu gởi kiến nghị đến CEPT để qui định một số dịch vụ viễn thông chung Châu Âu ở băng tần 900Mhz. CDMA IS – 95: (Code Division Mutilple Access): Công nghệ sử dụng trải phổ trước đó đã áp dụng trong quân đội. Đa truy nhập phân chia theo mã IS-95. Lý thuyết trải phổ đã trở thành động lực cho sự phát triển nhiều ngành vô tuyến công nghiệp như: Thông tin cá nhân, thông tin đa thâm nhập làm cho công nghệ CDMA trở thành công nghệ hàng đầu trong việc giảm tắc nghẽn gây ra do sự bùng nổ của các máy điên thoại di động và cố định cũng như các đầu cuối số liệu vô tuyến. TDMA IS – 136: đa truy nhập phân chia theo thời gian. Các Hệ thống thông tin di động trên hầu hết điều dùng kỹ thuật nén, mã hoá phối hợp với kỹ thuật số. Các phương pháp đa truy nhập như: TDMA, FDMA, CDMA. Cung cấp các loại hình dịch vụ như: Nhận thức, số liệu, mật mã hoá, đặc biệt kết nối với mạng ISDN, đồng thời cung cấp các loại hình dịch vụ giải trí đa phương tiện. Mạng có khả năng sử dụng trong và ngoài nước. Tần số hoạt động trong khoảng từ: 824 ÷ 960Mhz Thống Thông Tin Di Động Thế Hệ Thứ Ba (3G) Dựa trên các yêu cầu dịch vụ mới của thông tin di động, nhất là các dịch vụ truyền số liệu đòi hỏi các nhà khai thác phải đưa ra các hệ thống thông tin di động mới. Trong bối cảnh đó ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động ở thế hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000 nhằm phục vụ các mục tiêu chính sau: Tốc độ truy cập cao để đảm bảo các dịch vụ băng thông rộng như truy cập internet nhanh, hoặc các dịch vụ đa phương tiện. Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân toan cầu, và điện thoại vệ tinh. Các chức năng này sẽ mở rộng đáng kể khả năng phủ sóng của các hệ thống thông tin di động. Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có, để đảm bảo tính bảo mật cùng với sự phát triển liên tục của thông tin di động. Các hệ thống cơ bản: CDMA – 2000: (Code Division Multiple Access – 2000): Đây là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã – 2000. WCDMA: Đây là hệ thống CDMA băng thông rộng. Công nghệ IMT- 2000: (International Mobile Telecommunication - 2000): Đây là hệ thống viễn thông di động quốc tế -2000. Hệ thống chủ yếu sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Cung cấp băng thông rộng. Phục vụ các loại hình dịch vụ: Cung cấp băng tần rộng để truy cập internet tốc độ cao, truyền hình và ảnh chất lương rất tốt. Phạm vi sử dụng của mạng là: Mạng sử dụng rất tốt trong nước và trên toàn thế giới. Sử dụng tần số quy định quốc tế là 2Ghz. KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRỰC TIẾP CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA Tổng quan về CDMA trong thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng một kênh vô tuyến, đồng thời tiến hành cuộc gọi. Những người sử dụng được phân biệt nhau nhờ sử dụng đặt trưng không trùng nhau. Các kênh vô tuyến CDMA được dùng lại ở mỗi cell trong toàn mạng. Một kênh CDMA rộng 1,23Mhz với hai dãy phòng vệ 0,27Mhz. CDMA dùng mã trải phổ có tốc độ cắt, tốc độ này cũng chính là tốc độ mã đầu ra của máy phát PN. Để nén phổ trở lại data gốc, máy thu phải dùng mã trải phổ PN chính xác, như khi tin tức được xử lý ở máy phát, thì tin tức đã truyền có thể được thu nhận. Phổ của tín hiệu sau khi trải phổ được mở rộng so với tín hiệu gốc. Tạp âm có phổ rộng được giảm nhỏ do bộ lọc ở máy thu sau khi được nén phổ nhiều từ các máy di động khác không được nén phổ cũng tượng tự như tạp âm. Nhiễu từ các nguồn phát sóng không trải phổ có băng tần trùng với băng tần của máy thu CDMA sẽ bị trải phổ, mật độ phổ công suất nhiễu sẽ giảm xuống. Phổ của tín hiệu càng trải rộng ở máy phát, và tương ứng nén hẹp ở máy thu thì càng lợi về tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N). Tín hiệu số thoại (9,6Kbps) phía phát được mã hoá, lặp, chèn và được nhân với sóng mang f0, và mã PN ở tốc độ 1,2288Mbps. Tín hiệu đã được điều chế đi qua bộ lọc băng thông có độ rộng băng 1,25Mhz sau đó phát xạ qua anten. Ở đầu thu, sóng mang và mã PN của tín hiệu thu được từ anten được đưa đến bộ tương quan, qua bộ lọc băng thông rộng 1,25Mhz, và số liệu thoại mong muốn được tách ra để tái tạo lại số thoại ban đầu nhờ sử dụng bộ tách, chèn và mã giả ngẫu nhiên PN. Sơ đồ thu và phát CDMA Tổng quan về trải phổ trực tiếp trong hệ thống CDMA Kỹ thuật trải phổ Kỹ thuật trải phổ xuất hiện vào những năm 1950, nó ứng dụng trực tiếp lý thuyết thông tin của Shanon. Do có nhiều ưu việt nên đã trở thành hết sức quan trọng trong hệ thống thông tin. Có ba kỹ thuật trải phổ chính đó là: - Trải phổ chuỗi trực tiếp. - Trải phổ nhảy tần. - Trải phổ dịch thời gian. Trong ba kỹ thuật trên có sử dụng các chuỗi xung giả ngẫu nhiên có tần số cao đóng vai trò quan trọng, quyết định phần lớn các thông số kỹ thuật của tín hiệu trải phổ và các chuỗi giả ngẫu nhiên này chỉ có phía phát và phía thu biết do đó bảo mật thông tin. Trải phổ là kỹ thuật được thực hiện bằng cách điều chế lần hai một tín hiệu đã được điều chế bình thường nhằm tạo ra một dạng sóng mang mà nó sẽ là nhiễu đối với bất kỳ một tín hiệu nào khác hoạt động trong cùng một băng tần. Trải phổ trực tiếp (DS) Hệ thống DS (nói chính xác là sự điều chế các dãy mã đã được điều chế thành dạng sóng điều chế trực tiếp) là hệ thống được biết đến nhiều nhất trong các hệ thống thông tin trải phổ. Chúng có dạng đơn giản vì chúng không yêu cầu tính ổn định nhanh hoặc tốc độ tổng hợp tần số cao. Hệ thống DS điều chế sóng mang có dãy mã bằng điều chế AM (xung), FM hay điều chế pha hoặc biên độ, nó tương tự như điều chế BPSK 1800. Lý do chọn các loại điều chế này không thể được giải thích một cách rõ ràng nhưng dạng cơ bản của tín hiệu DS là loại điều chế hai pha đơn giản. Độ rộng băng (từ 0 đến 0) của vấu chính gấp đôi tốc độ nhịp của dãy mã dùng cho tín hiệu điều chế và có cùng độ rộng băng như tốc độ nhịp của. Nghĩa là, nếu dãy mã của sóng đã điều chế có tốc độ hoạt động là 5 Mcps(chip/s) thì độ rộng băng của vấu chính là 10 MHz và mỗi vấu bên có độ rộng băng là 5 MHz . Hình 3.3 miêu tả bộ điều chế DS 2 pha điển hình. Dãy mã được đưa vào bộ điều chế cân bằng để có đầu ra là sóng mang RF điều chế 2 pha. Quá trình này được chỉ ra trên hình dạng sóng theo trục thời gian. Sóng mang có lệch pha 1800 giữa pha 1 và pha 0 theo dãy mã. Sự khác pha không thành vấn đề trong đa số các hệ thống điều chế 2 pha, nhưng điều chế cân bằng áp dụng đối với các loại điều chế khác như PAM (điều biên xung) là quan trọng trong hệ thống DS như miêu tả dưới đây . Sóng mang đầu vào fc Bộ trộn cân bằng Điều chế 2 pha đầu ra Dãy mã đầu vào fc+G(c) G(c) Hình 3.3: Điều chế loại DS(2 pha) Rất khó phát hiện được các sóng mang bị triệt nếu không có các kỹ thuật phức tạp. Các bộ thu thông thường rất khó tách được sóng mang vì mức sóng mang nằm bên dưới của mức tạp âm khi điều chế mã . Yêu cầu nhiều công suất cho việc truyền thông tin vì công suất phát chỉ được sử dụng đối với việc truyền tín hiệu đã được điều chế. Hiệu quả sử dụng công suất phát trong trường hợp sử dụng hằng số duy trì độ rộng băng là lớn nhất vì các thành phần tín hiệu có một mức giới hạn nhất định. Trong hệ PAM vì sóng mang được điều chế mã thì phổ công suất [(sinx)/x]2 được tạo ra hoặc yêu cầu công suất đỉnh . Đưa ra sơ đồ khối của mạch thông tin DS điển hình. Ở đây sóng mang RF được xem như là chu kỳ đã được điều chế để điều chế mã đối với thủ tục điều chế và giải điều chế đơn giản. Sóng mang đầu vào fc Bộ trộn cân bằng Điều chế 2 pha đầu ra Dãy mã đầu vào fc+G(c) G(c) Hình 3.3: Điều chế loại DS(2 pha) Tín hiệu thu được khuyếch đại và nhân với mã đồng bộ liên quan tại đầu phát và đầu thu. Trong trường hợp đó, nếu mã tại đầu phát và đầu thu được đồng bộ thì sóng mang tách pha là lớn hơn 1800 và sóng mang được khôi phục. Các sóng mang băng tần hẹp được khôi phục này đi qua bộ lọc băng thông được thiết kế sao cho chỉ các sóng mang đã điều chế băng gốc được đi qua . Các sóng mang giả cũng được đi qua cùng một thủ tục nhân tần số nhờ hoạt động của phía thu mà tại đây tín hiệu DS thu được sẽ chuyển thành băng tần sóng mang ban đầu. Tín hiệu thu mà không được đồng bộ với tần số liên quan của đầu thu thì được cộng với băng tần liên quan và sau đó trải ra . Bộ lọc thông có thể giới hạn hầu hết các công suất tín hiệu giả vì tín hiệu đầu vào không đồng bộ sẽ trải ra băng tần không đồng bộ của bộ thu. Độ rộng băng RF của hệ thống DS ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống một cách trực tiếp. Nếu băng là 2 KHz thì độ lợi xử lý được giới hạn là 20 MHz. Trong lĩnh vực ứng dụng đòi hỏi bảo mật tín hiệu thì quan điểm là chọn vừa phải một độ rộng băng hẹp và công suất phát trên 1 Hz trong băng được dùng nên là nhỏ nhất. Các độ rộng băng rộng cũng được yêu cầu trong trường hợp độ lợi xử lý lớn nhất là cần thiết để ngăn chặn giao thoa . Xem xét cơ bản trong hệ thống trải phổ là vấn đề độ rộng băng hệ thống theo sự cảm ứng không trực tiếp với hệ thống khác làm việc trong cùng một kênh hoặc kênh bên cạnh. Bất kì một loại DS nào đều có năng lượng mấu bên cao mặc dù có một sự thật là mấu bên không cải thiện chất lượng truyền dẫn tín hiệu. JTIDS (Joint Tactical Information Distribution System) chấp nhận một loại. Điều chế DS đặc biệt gọi là MSK vì băng tần được sử dụng chung giống như hệ thống IFF (Identification Friend & Foe) và TACAN (Tactical air Navigation) . Dao động sóng mang Điều chế cân bằng Bộ tạo PN Bộ trộn IF BPF Tới bộ giải điều chế 1 2 3 4 6 Bộ tạo PN Điều chế cân bằng fc+fIF 5 Receiving signal 4 1. RF carrier AcosWct 2. PN Code Pn(t) =± 1 Reference code 5 AcosWct ± 90o Demodulated RF Carrier 6 Hình 3.4: Dạng sóng và cấu hình của hệ thống DS Tín hiệu DS/SS nhận được khi nhân bản tin với một tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng. Tích là một tín hiệu băng rộng. Trước hết ta khảo sát một số thuộc tính của các tín hiệu giả ngẫu nhiên. Sau đó ta nghiên cứu các máy phát và các máy thu cho các hệ thống DS/SS sử dụng khoá chuyển pha cơ số 2(BPSK- Binary Phase Shift Keying) và khoá chuyển pha vuông góc (QPSK- Quadrature Phase Shift Keying). Ta cũng xét ảnh hưởng của tạp âm và gây nghẽn lên hoạt động của hệ thống DS/SS. Cuối cùng sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng chung kênh của nhiều người sử dụng: nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng và ảnh hưởng của truyền đa tia, đồng thời đề cập đến các giao diện vô tuyến cần thiết cho quá trình định vị. Giả tạp âm: Người ta dùng mã “ngẫu nhiên” để trải phổ bản tin ở phía phát và giải trải phổ tín hiệu thu ở phía thu. Mã ngẫu nhiên đóng vai trò trung tâm trong các hệ thống SS. Tuy nhiên nếu mã này thực sự ngẫu nhiên thì thậm chí máy thu chủ định cũng không thu được bản tin vì không thể biết được phương pháp để đồng bộ với mã thực sự ngẫu nhiên, dẫn đến hệ thống vô dụng. Vì vậy phải thay thế bằng một mã giả ngẫu nhiên. Đây là một mã xác định biết trước đối với máy thu chủ định. Nhưng thể hiện giống tạp âm đối với máy thu không chủ định. Các chuỗi PN là các số được lặp lại theo một chu kỳ nhất định. Ta sử dụng {ci, i = số nguyên} è {…,c-1, c0, c1, …} để biểu thị một chuỗi PN. Giả sử N là chu kỳ sao cho ci+N = ci. Trong thực tế vì chuỗi PN phải tuần hoàn nên chu kỳ của nó phải lớn để đạt thuộc tính ngẫu nhiên tốt. Trong một hệ thống DS/SS, một tín hiệu liên tục theo thời gian gọi là tín hiệu PN được tạo ra từ chuỗi PN được dùng để trải phổ. Giả thiết chuỗi PN này là cơ số 2 (nghĩa là ci = ±1), thì tín hiệu PN này là: c(t) = Trong đó: là xung chữ nhật đơn vị, ck được gọi là chip và khoảng thời gian Tc giây được gọi là thời gian chip (tín hiệu PN có chu kỳ NTc) 1 , 0£ t < T 0 , nếu khác = Với : N = 15; {ci, i= 0.. . ., 14} ={1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1} 1 -1 c(t) t Một chu kỳ Hình 3.7 : Thí dụ về tín hiệu PN c(t) được tạo từ chuỗi PN có chu kỳ N=15 qc (t) =ATc(t) = 1 -, |t| £ Tc 0 nếu khác Khi này hàm tự tương quan là: Và mật độ phổ công suất (PSD) được xác định bởi: Hệ thống DS-SS BPSK Máy phát DS/SS BPSK: Ta có thể biểu diễn số liệu hay bản tin nhận các giá trị ±1 như sau: b(t) = Trong đó : bk = ±1 là bit số liệu thứ k và T là độ rộng của một bít số liệu (tốc độ số liệu là 1/T bit/s). Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng các 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 điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, cho ta tín hiệu DS/SS BPSK xác định theo công thức sau: s(t) = Ab(T).c(t).cos(2pfct+q) Trong đó A là biên độ, fc là tần số mang và q là pha của sóng mang. Trong rất nhiều ứng dụng 1 bit bản tin bằng một chu kỳ của tín hiệu nghĩa là T=N.Tc. Ta sử dụng giả thiết này cho các hệ thống DS/SS BPSK. 3T T 2T 0 1 -1 b(t) t 2NTc . . . 0 1 -1 c(t) t NTc . . . Tc . . . Một chu kỳ ( Giả thiết N =7; T =NTc ) 2NTc . . . 0 1 -1 b(t)c(t) t NTc . . . Tc . . . Hình 3.8: Sơ đồ khối máy phát DS/SS-BPSK Bản tin cơ số hai b(t) Tín hiệu PN cơ số hai c(t) Sóng mang Acos(2pfct +q) Tín hiệu DS/SS-BPSK s(t) =Ab(t)c(t)cos(2pfct +q) Bộ điều chế (BPSK) c(t) Tc . . . . NTc . . . . .2NTc . . . . . (Ở hình này sóng mang có q = -p/2 và fc =1/Tc) A -A Hình 3.8: Sơ đồ khối máy phát DS/SS-BPSK Máy thu DS/SS-BPSK: Mục đích của máy thu DS/SS –BPSK là lấy bản tin b(t) (số liệu {bi} từ tín hiệu thu được bao gồm tín hiệu được phát cộng với tạp âm. Do tồn tại trễ lang truyền t nên tín hiệu thu là: s(t-t) + n(t) = Ab(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. Giải thích quá trình khôi phục lại bản tin ta giả thiết không có tạp âm. Trước hết tín hiệu thu được trải phổ để giảm băng tần rộng vào băng tần 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 (đồng bộ) PN c(t-t) được tạo ra ở máy thu, ta được: w(t) = Ab(t-t). c2(t-t).cos (2pfct + q’) = Ab(t-t).cos (2pfct + q’) 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 là 2/T. 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 bit. Một bộ giải điều chế BPSK bao gồm một bộ tương quan (Correlator) đi sau là một thiết bị đánh giá ngưỡng. Hình 3.9: Sơ đồ khối máy thu DS/SS-BPSK Tín hiệu PN đóng vai trò như một ‘mã’ được biết trước ở cả máy phát và máy thu chủ định. Vì máy thu chủ định biết trước nên nó có thể giải trải phổ tín hiệu SS để nhận được bản tin. Mặt khác có một máy thu không chủ định không được biết mã, vì thế ở các điều kiện bình thường nó không thể giải mã bản tin. Điều này thể hiện rõ ở phương trình của máy thu, do c(t) nên máy thu không chủ định chỉ nhìn thấy một tín hiệu ngẫu nhiên ± 1. Ta giả thiết rằng máy thu biết trước một số thông số sau :t, ti, q’ và fc. Thông thường máy thu biết được tần số sóng mang fc, nên nó có thề tạo ra bằng cách sử dụng một bộ dao động nội. Nếu có một sự khác biệt 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 nối tiếp, (dùng vòng khoá pha). Máy thu phải nhận được các thông số khác như t, ti và q’ từ tín hiệu thu được. Quá trình nhận được t được gọi là quá trình đồng bộ gồm hai gia đoạn :bắt mã bám mã. Quá trình nhận được ti được gọi là quá trình khôi phục đồng hồ (định thời) ký hiệu (STR). Còn quá trình nhận được q’ (cũng như fc) được gọi là quá trình khôi phục sóng mang. Việc khôi phục sóng mang và đồng bộ có vai trò quan trọng trong máy thu. Khi T/Tc =N (chu kỳ của chuỗi PN), có thể nhận được định thời của ký hiệu ti một khi đã biết t. Ta khảo sát một cách ngắn gọn ảnh hưởng của sai pha sóng mang và sai pha mã ở máy thu. Giả thiết máy thu sử dụng cos (2pfct +q’ + g) thay cho (2pfct +q’) cho bộ giải điều chế và sử dụng c(t -t’) làm tín hiệu PN nội, nghĩa là sóng pha có sai pha g và tín hiệu PN có sai pha t -t’. Khi đó zi sẽ là: Zi = Ab(t -t) c(t -t) c(t -t’)cos(2pfct +q’ + g) (2pfct +q’)dt = A/2b(t -t) c(t -t) c(t -t’)cos( g)dt = ± AT/2 cos(g)1/Tc(t -t) c(t -t’)dt = ± AT/2 cos(g)qc(t -t’) Tích phân của thành phần tần số nhân đôi bằng 0. Vì thế |zi| cực đại khi g = 0 và t -t’= 0. Nếu | t -t’| >Tc hay |g| =p/2, thì zi=0 thì máy thu vô dụng. Khi | t -t’| <Tc và|g| < p/2 thì |zi| giảm đại lượng, như vậy tỉ số tín hiệu trên tạp âm sẽ nhỏ gây ra xác xuất lỗi cao hơn. Tuy nhiên nó vẫn có thể hoạt động đúng khi sai pha | t -t’| và |g| nhỏ . Mật độ phổ công suất (PSD): Ta xét mô hình bản tin và tín hiệu PN như các tín hiệu cơ số 2 ngẫu nhiên (mỗi bit hay mỗi chip nhận các giá trị +1 hay –1 đồng xác suất ). Bản tin (với biên độ ±1) có tốc độ bit 1/T bit/s và PSD: fb(f) = Tsinc2(fT) Có độ rộng băng tần 1/T Hz. Còn tín hiệu PN ( với biên độ ±1) có tốc độ chip 1/Tc và PSD là: fc(f) = Tsinc2(fTc) Với độ rộng băng tần 1/T Hz. Vì T/Tc là một số nguyên và vì khởi đầu của bit b(t) trùng với khởi đầu của chip c(t) nên tích b(t)c(t) có PSD như sau: fbc(f) = Tcsinc2(fTc) Có độ rộng băng tần 1/Tc Hz giống như độ rộng của c(t). Điều chế sóng mang chuyển đổi tín hiệu băng gốc vào tín hiệu băng thông s(t) có PSD là: fs(f) = có độ rộng băng tần 2/Tc Hz. Ở máy thu tín hiệu s(t-t) là phiên bản trễ của tín hiệu DS s(t). Nên PSD cũng giống như s(t) vì trễ không làm thay đổi phân bố công suất ở vùng tần số. Sau khi trải phổ ta được tín hiệu w(t) với PSD được xác định là: fw(f) = fw(f) có PSD băng hẹp với dạng phổ như b(t) nhưng được dịch sang trái và phải fc. Độ rộng băng tần của nó là 2/T, gấp 2 lần b(t). 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 giải trải phổ bởi c(t-t) ở máy thu. Độ lợi xử lý PG(dB): PG= Hiệu năng lượng của hệ thống: Cho đến nay chúng ta chưa đề cập kỹ đến các vấn đề tạp âm và nhiễu. Trong phần này em sẽ đề cập các hiệu năng của một hệ thống DS/SS-BPSK trong môi trường tạp âm Gausơ trắng cộng (AWGN – Additive White Gaussian Noise) và nhiễu. Em cũng khảo sát giao thoa nhiều người sử dụng gây ra do các tín hiệu DS khác và nhiễu tự gây do truyền nhiều tia. Ảnh hưởng của tạp âm trắng và nhiễu gây nghẽn: Hình 3.10 sau đây cho sơ đồ khối chức năng của máy phát và máy thu DS/SS-BPSK. Ơ đây ta cho rằng tín hiệu PN nội và sóng mang nội đồng bộ tốt với tín hiệu PN thu và sóng mang thu. Vì thế ta có thể giả thiết rằng trễ t bằng không. Lưu ý rằng pha của sóng mang q (hình 3.2.1 cho máy phát của DS/SS-BPSK) được coi bằng -p/2. (a) Máy phát Bộ điều chế (BPSK) c(t) b(t) (b) Máy thu Tín hiệu DS/SS- BPSK s(t) = Ab(t)c(t)cos(2pfct) b(t).c(t) Sóng mang r(t) =Ab(t)c(t) cos(2pfct) + n(t) + j(t) b’’(t) Ước tính của b(t) so+n0+j0 c(t) cos(2pfct) Thiết bị đánh giả ngưỡng (hạn biên cứng) Hình 3.10: Sơ đồ khối của máy phát và máy thu DS/SS-BPSK Đầu vào của bộ hạn biên cứng bao gồm ba thành phần: s0 từ tín hiệu mong muốn, n0 do tạp âm kênh và j0 do nhiễu của phát. Trước hết ta coi rằng không có nhiễu phát, nghĩa là j(t) =0, nên j0=0. SNR0 ta đánh giá s0 và n0. Với b(t) = ±1 và c(t) = ±1, thành phần tín hiệu s0 cho mỗi bit số liệu là: (1) Thành phần tạp âm n0 là: Giả thiết tạp âm là tạp âm Gausơ trắng cộng (AWGN) n(t) trung bình không có hàm tự tương quan là: (2) Nghĩa là hai biên PSD (mật độ phổ công suất) của tạp âm là N0 /2. Khi này n0 là một biến ngẫu nhiên Gausơ có trung bình không và phương sai: (3) Quá trình rút ra từ biểu thức trên ® vậy SNR0 là: SNR0 = (4) Ta có thể nhận thấy rằng SNR0 độc lập với tốc độ chip. Như vậy trải phổ không có ưu điểm về AWGN trong kênh. Hiệu năng hoạt động của hệ thống thường được đánh giá bằng xác suất lỗi bit hay xác suất lỗi ký hiệu. Xác suất lỗi thường được biểu diễn ở dạng Eb/N0, trong đó Eb là năng lượng tín hiệu trên một bit và N0 /2 là PSD hai biên của tạp âm Gausơ trong kênh . Tiếp theo ta sẽ xét ảnh hưởng của nhiễu phát. Giả định rằng có một tín hiệu nhiễu phát băng thông (với tần số trung tâm là f1) trong kênh. Cho tín hiệu nhiễu phát này là: j(t) = J(t) cos(2pf1t +y) (5) trong đó J(t) là tín hiệu thông thấp (quá trình ngẫu nhiên) và y là một biến ngẫu nhiên đồng đều ở (0,2p), độc lập với J(t). Ta rút ra rằng j(t) có trung bình không. Các hàm j(t) và J(t) tương quan với nhau theo biểu thức : fj(t) = ½fj (t)cos (2pf1t) (6) Công suất trung bình j(t) là Pj = fj(0) = fJ(0)/2. Giả sử j0 là thành phần đầu ra của bộ tích phân tương ứng với tín hiệu nhiễu phát. Xem rằng tín hiệu nhiễu phát là một tín hiệu băng hẹp, (nghĩa là độ rộng băng tần của tín hiệu nhiễu phát nhỏ hơn nhiều so với tín hiệu DS), ta có thể chỉ ra rằng phương sai được xác định bởi : E(j02) (7) Nếu ta kết hợp cả tạp âm Gausơ trắng cộng với tín hiệu nhiễu phát và giả thiết rằng chúng độc lập với nhau, thì SNR0 đầu ra bộ tích phân là: SNR0 = (8) Ta thấy rằng nhiễu phát ảnh hưởng giống như tạp âm trắng có PSD hai biên bằngPj Tc /2. Anh hưởng kết hợp của tạp âm trắng và nhiễu phát tương đương với ảnh hưởng của một tạp âm trắng có PSD hai biên là N0’/2 = (N0 +PjTc) /2. Vậy Tc càng nhỏ thì Pj càng ít ảnh hưởng lên sự giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm. Khi Tc đủ nhỏ đến mức PjTc <<N0 thì nhiễu phát không còn tác dụng . Bây giờ giả thiết rằng ta có tín hiệu nhiễu phát băng rộng, nghĩa là độ rộng băng tần của tín hiệu nhiễu phát lớn hơn độ rộng băng tần của tín hiệu DS (Bj >BDS). Khi đó, tín hiệu nhiễu phát giống như tạp âm trắng có tạp âm hai biên PSD : Pj /(2Bj), trong đó Bj là độ rộng băng tần của j(t). Công suất ra do tín hiệu nhiễu phát gây ra bây giờ sẽ là: Bởi vậy: SNR0 = và SNR0 = (9) Khi N lớn, độ rộng băng tần của tín hiệu DS: BDS cũng lớn, nghĩa là Bj lớn và ảnh hưởng của nhiễu phát nhỏ. Vậy công suất trung bình Pj phải lớn để nhiễu phát còn tác dụng . Điều chế BPSK Đối với loại điều chế này thì tín hiệu sau khi điều chế có hai loại sóng mang được biểu thị như sau: S1(t) = A* Cost S0(t) = -A* Cost = - S1(t) = A* Cos(t-) Trong đó: S1(t): đại diện cho mức nhị phân 1. S0(t): đại diện cho mức nhị phân 0. Trong điều chế PSK hai trạng thái (BPSK), biên độ giữ nguyên trong quá trình truyền dẫn, nhưng có sự chuyển đổi giữa hai trạng thái +A và –A, trạng thái –A có thể xem như là thay đổi pha 1800. Sơ đồ khối bộ điều chế BPSK: Output (FSK) Input Binary BPF Hình 3.26: Sơ đồ khối điều chế BPSK - Nguyên lý: Luồng tín hiệu nhị phân vào được đưa qua bộ chuyển đổi mức để chuyển thành các mức điện áp +V và –V, tín hiệu sau khi được chuyển đổi mức được đưa vào bộ điều chế cân bằng để nhân với sóng mang cao tần sin. Tín hiệu sau khi nhân được đưa qua bộ lọc thông băng BPF (Band Pass Filter) để lọc lấy băng tần cần thiết để truyền đi. Sau bộ lọc thông băng sẽ là tín hiệu điều chế BPSK, nó có dạng như sau: S(t) = Ak(t)* Vsin[2fct + (t)] Giả sử ở thời điểm ban đầu (t) = 0 thì ta được: S(t) = Ak(t)* Vsin(2fct) Vì luồng bít vào là luồng bit nhị phân, nên Ak(t) có giá trị ứng với các bit “0” và “1” là: Ak(t) = 1V, lúc đó: S(t)= Vsin2fct. Ak(t) = -1V, luc đó: S(t)= Vsin(2fct +). Từ đây ta thấy dạng sóng của tín hiệu điều chế BPSK đảo pha 1800 mỗi khi luồng bit vào có sự thay đổi từ bit 0 sang bit 1 và ngược lại. - Dạng sóng của tín hiệu BPSK: Giả sử luồng tín hiệu nhị phân vào là : 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0, thì dạng sóng của tín hiệu BPSK là: BPSK Output Carrier Binary Input 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 Hình 3.27: Dạng tín hiệu BPSK +Sin - Cos Cos Logic 1 00 Logic 1 1800 -900 900 -Sin Hình 3.28: Quan hệ vị trí pha BPSK Giản đồ pha và phổ tín hiệu BPSK: f F0 1/T 2/T 3/T -1/T -2/T -3/T T Hình 3.29: Phổ tín hiệu BPSK - Sơ đồ khối giải điều chế số BPSK: Output Binary Input BPSK BPF Hình 3.30: Sơ đồ khối bộ giải điều chế BPSK LPF CR Tín hiệu BPSK ngõ vào có dạng ±Sinct được đưa qua bộ lọc thông băng BPF và tách ra thành hai đường. Một đường được đưa đến bộ khôi phục sóng mang CR để khôi phục lại sóng mang, sau đó sóng mang này được đưa tới bộ giải điều chế cân bằng để phục vụ cho việc giải điều chế. Một đường được đưa tới bộ điều chế cân bằng để nhân với tín hiệu sóng mang đã được khôi phục Sinct. Giả sử tín hiệu BPSK ở đầu vào là Sinct (ứng với mức logic 1) thì lúc đó tín hiệu ở ngõ ra của bộ điều chế cân bằng sẽ là: (Sinct)*( Sinct) = Sin2ct = ½ +1/2 * Cos2ct Tín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông thấp và thành phần tần số cao 2c sẽ bị lọc, đầu ra của bộ loc thông thấp chỉ còn thành phần một chiều ½ V DC tương ứng với mức logic 1. Tương tự nếu tín hiệu BPSK ngõ vào là - Sinct (ứng với mức logic 0) thì tín hiệu ngõ ra bộ lọc LPF sẽ là: -1/2 V DC tương ứng với mức logic 0. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DS-SS BPSK Máy phát Data PN Spreading Điều chế BPSK Máy thu Despreading Data Trường hợp có nhiễu: Bên phát Điều chế BPSK Máy thu Despreading