intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Chương 1: tổng quan hệ thống thông tin số

Chia sẻ: Nguyenvan Hung | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:14

984
lượt xem
98
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khối định dạng: hầu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số (tiếng nói, hình ảnh, âm thanh…) là tín hiệu tương tự nên ta cần có khối định dạng để chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang dãy từ mã số. các từ mã này được biểu diễn bằng các bit nhị phân, rồi tùy ứng dụng cụ thể mà biễu diễn các bit hay nhóm bit ở dạng thức thích hợp.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chương 1: tổng quan hệ thống thông tin số

  1. Đồ an tôt nghiêp ́ ́ ̣ Trang:1 Chương 1 TÔNG QUAN HỆ THÔNG THÔNG TIN TRAI PHỔ ̉ ́ ̉ 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số 1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống tin số Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin số Khối định dạng: hầu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số (tiếng nói, hình ảnh, âm thanh…) là tín hiệu tương tự nên ta cần có khối định dạng để chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang dãy từ mã số. các từ mã này được biểu diễn bằng các bit nhị phân, rồi tùy ứng dụng cụ thể mà biễu diễn các bit hay nhóm bit ở dạng thức thích hợp. Khối giải định dạng: có nhiệm vụ là chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự. Việc số hóa tín hiệu tương tự làm tăng băng thông truyền dẫn của tín hiệu nhưng cho phép bộ thu hoạt động ở tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp hơn. Khối mã hóa nguồn: làm giảm số bit nhị phân yêu cầu để truyền bản tin. Việc này có thể xem như là loại bỏ các bit dư không cần thiết, giúp cho băng thông đường truyền được sử dụng hiệu quả hơn. Khối mật mã hóa: làm nhiệm vụ mật mã hóa bản tin gốc nhằm mục đích an ninh. Nó bao gồm cả sư riêng tư (đảm bảo chỉ người phát có quyền với tin đang truyền) và xác thực (đảm bảo chỉ người thu nào mà người phát yêu cầu thì mới được nhận tin). Khối mã hóa kênh: làm nhiệm vụ đưa thêm các bit dư vào tín hiệu số theo một quy luật nào đấy, nhằm giúp cho bên thu có thể phát hiện và thậm chí sửa được cả lỗi xảy ra trên kênh truyền. Giải mã nguồn, giải mật mã và giải mã hóa kênh được thực hiện ở bộ thu, các quá trình này ngược với các quá trình mã hóa bên bộ phát. Khối ghép kênh: giúp cho nhiều tuyến thông tin có thể cùng chia sẻ môt đường truyền vật lý chung như là cáp, đường truyên vô tuyến… Trong thông tin số, kiểu ghép kênh thường là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM). Khối điều chế: giúp cho dòng tín hiệu số có thể truyền đi qua một phương tiện vật lý cụ thể theo một tốc độc cho trước, với mức độ méo chấp nhận được, yêu cầu một băng thông tần số cho phép. Khối điều chế có thể thay đổi dạng xung, dịch chuyển phổ tần số của tín hiệu đến một băng thông khác phù hợp. Đầu vào của bộ điều chế là tín hiệu băng gốc trong khi đầu ra của bộ điều chế là tín hiệu thông dải. Khối giải điều chế bên thu chuyển dạng sóng thu được ngược lại thành tín hiệu băng gốc. Khối đa truy cập: liên quan đến các kỹ thuật hoặc nguyên tắc nào đó. Cho phép nhiều cặp thu phát cùng chia sẽ một phương tiện vật lý chung (như là một sơi quang, một bộ phát đáp của vệ tinh…). Đây là biện pháp hữu hiệu và hợp lý để chia sẻ tài nguyên thông tin hạn chế của các phương tiện truyền dẫn. Có một số kiểu đa truy cập, mỗi kiểu có nhưng ưu điểm và khuyết điểm riêng. 1.1.2 Mã hóa nguồn: Mã hóa nguồn là quá trình xử lý dữ liệu để giảm bớt dư thừa của nguồn tín. Nguồn tin trong hệ thống thông tin số được chia làm hai loại là nguồn liên tục và nguồn rời rạc. Cho nên có hai loại mã hóa nguồn là mã hóa nguồn liên tục và mã hóa nguồn rời rạc. Chương 1: Tông quan hệ thông thông tin trai phổ ̉ ́ ̉
  2. Đồ an tôt nghiêp ́ ́ ̣ Trang:2 Mã hóa nguồn liên tục chính là quá trình số hóa tín hiệu liên tục Mã hóa nguồn rời rạc là làm cho cấu trúc thống kê của nguồn trở nên hợp lý bằng cách tăng entropy của các ký tự dùng để mã hóa nguồn. Nguyên tắc của mã hóa nguồn rời rạc là mã hóa các ký tự có xác suất sinh ra lớn bằng các từ mã ngắn và mã hóa các ký tự có xác suất sinh ra bé bằng các từ mã dài. Loại mã này gọi là mã hóa thông kê. Kỹ thuật mã thống kê có độ dài trung bình của từ mã là nhỏ nhất thì được gọi là mã thống kê tối ưu. Để có thể giải mã duy nhất và tức thời thì mã phải có tính prefix tức là trong bộ mã không có từ mã hoàn thành nào là phần đầu của từ mã khác dài hơn nó. 1.1.3 Mã hóa kênh Mã hóa kênh là quá trình mã hóa dữ liệu phát bằng cách đưa thêm độ dư vào dữ liệu nhằm để đạt được một tốc độ truyền tin theo yều cầu của hệ thống với một tỷ số BER và thời gian trễ chấp nhận được. Mã hóa kênh bao gồm hai loại chính là mã khối và mã chập. 1.1.4 Mật mã thông tin Mật mã thông tin là việc biến đổi một thông báo sao cho nó không thể hiểu nổi đối với bất kỳ một ai ngoại trừ người nhận được mong muốn. dễ hiểu hơn mật mã thông tin là việc ngụy trang hay che giấu thông tin, văn bản dưới một dạng khác để cho những người ngoài cuộc không thể xác định được thông tin hay văn bản gốc. Phép mật mã thông tin thường được ký hiệu là e(m), với m là thông tin cần mật mã hóa. Mật mã hóa có thể thuộc dạng bí mật hoặc công khai. Hệ mật mã hóa bí mật: hay còn gọi là hệ mã đối xứng là hệ mã mà trong đó việc giải mã và mã hóa dùng chung một khóa bí mật. Hệ mật mã hóa công khai: hay còn gọi là hệ mã bất đối xứng, hệ mã trong đó việc giải mã và mã hóa sử dụng hai khóa khác nhau, từ khóa này không thể tìm ra khóa kia một cách dễ dàng. Khóa dùng để mã hóa thường được thông báo công khai và được gọi là khóa công khai (public key), còn khóa dùng để giả mã được giữ bí mật gọi là khóa bí mật hay khóa riêng tư (private key). 1.2 Các loại điều chế và giải điều chế số Điều chế và giải điều chế số là các phương pháp kỹ thuật để chuyển đổi tín hiệu số thành các tín hiệu sóng mang băng hẹp, có thể được truyền trên các kênh có băng thông hạn chế. Tín hiệu băng hẹp được xem là tín hiệu có dải băng tần rất hẹp so với tần số sóng mang cơ bản của nó. Ta có các kiểu điều chế số cơ bản sau: • Điều chế dịch biên ASK • Điều chế dịch pha PSK • Điều chế dịch tần FSK 1.2.1 Điều chế và giải điều chế ASK Trong điều chế số dịch biên ASK, biên độ của sóng mang hình sin tần số cao sẽ bị biến thiên theo mức luận lý của chuỗi tín hiệu số. Biểu thức của tín hiệu ASK Biểu thức tổng quát có dạng (1.1) Trong đó: Ao và là biên độ và tần số của sóng mang d(t) = ± 1 tùy theo mức luận lý của chuỗi số là cao hay hoặc thấp. là độ dịch biên độ. Dạng sóng theo thời gian của tín hiệu điều chế số dịch biên nhị phân ASK Hình 1.2 Dạng sóng của tín hiệu điều chế số ASK Chương 1: Tông quan hệ thông thông tin trai phổ ̉ ́ ̉
  3. Đồ an tôt nghiêp ́ ́ ̣ Trang:3 Phổ của tín hiệu ASK Mật độ phổ công suất của tín hiệu VASK(t) theo biểu thức (1.1), với : (1.2) Với Tb = là chu kỳ bit của chuỗi số. Khi cho tín hiệu trên đi qua mạch lọc thông dải tại tần số fo, mật độ phổ công suất là (1.3) Hình 1.3 Phổ mật đô công suất của tín hiệu điều chế ASK nhị phân Trong mật độ phổ của tín hiệu ASK, năng lượng các dải phổ bên chủ yếu tập trung quanh vùng fo ±1/Tb. Do đó dải tần của tín hiệu ASK gần đúng là: (1.4) Mạch điều chế và giải điều chế ASK kiểu kết hợp Trong biểu thức (1.1) của tín hiệu ASK, nếu ΔA=Ao thì tín hiệu ASK sẽ có hai mức biên độ 2Ao ứng với d(t) = +1 và mức 0 ứng với d(t) = -1. Lúc này dạng sóng vASK(t) có dạng biên độ “tắt – mở”, đó là kiểu điều chế OOK (On-Off key). Hình 1.4 Mô hình mạch điều chế tín hiệu OOK Trong cách giải điều chế ASK kiểu kết hợp, tần số của sóng mang tái tạo tại máy thu được đồng bộ với tần số tại nơi phát. Hình 1.5 Mô hình mạch giải điều chế ASK kết hợp 1.2.2 Điều chế và giải điều chế FSK Trong điều chế số dịch tần FSK, chuỗi dư liệu nhị phân được dùng để thay đổi dịch chuyển tần số của sóng mang hình sin. Với phương thức truyền từng bit nhị phân một, ta có hai tần số sóng mang, được gọi là điều chế dịch tần nhị phân BFSK. Biểu thức của BFSK Giả sử hai tần số sóng mang được chọn ωH và ωL tương ứng với chuỗi bit b(t) như sau: ω = ωH khi b(t) = logic 1 (hoặc d(t) = +1). ω = ωL khi b(t) = logic 0 (hoặc d(t) = -1). Biểu thức của BFSK có thể được viết dưới dạng: (1.5) Trong đó: và (1.6) Biểu thức vBFSK(t) có thể được viết dưới dạng khác như sau: (1.7) Trong đó hàm pH(t) và pH(t) có giá trị được cho trong bảng 1.1 Bảng 1.1 Giá trị của hàm pH(t) và pL(t) tương ứng với các trạng thái nhị phân d(t) pH(t) pL(t) +1 +1 0 -1 0 +1 Dạng sóng theo thời gian của tín hiệu điều chế số dịch tần FSK Hình 1.6 Dạng số của tín hiệu điều chế FSK Phổ của tín hiệu BFSK Từ biểu thức của tín hiệu BFSK được xem là tổng của hai tín hiệu ASK có sóng mang ωH và ωL cho nên phổ của BFSK là tổng hợp của hai phổ ASK Chương 1: Tông quan hệ thông thông tin trai phổ ̉ ́ ̉
  4. Đồ an tôt nghiêp ́ ́ ̣ Trang:4 Hình 1.7 Phổ của tín hiệu BFSK Từ bề rộng phổ của tín hiệu ASK suy ra bề rộng phổ của tín hiệu BFSK là: (1.8) Mạch điều chế và giải điều chế tín hiệu BFSK: Từ biểu thức (1.7) của tín hiệu vBFSK(t) suy ra sơ đồ khối của khối điều chế BFSK như sau Hình 1.8 Sơ đồ khối điều chế BFSK Tín hiệu VBFSK(t) có thể được xem như tổng hợp của hai tín hiệu ASK ở hai sóng mang ωH và ωL khác nhau, do đó, có thể dùng phương pháp tách sóng nhân kết hợp để giải điều chế. Hình 1.9 Sơ đồ khối bộ giải điều chế BFSK kiểu kết hợp 1.2.3 Điều chế và giải điều chế PSK Trong điều chế số dịch pha PSK, pha của sóng mang hình sin tần số cao sẽ biến thiên theo mức logic 0 hoặc 1 của chuỗi số. Với phương thức truyền từng bit nhị phân một, người ta thường chọn hai trạng thái pha ngược nhau (dịch pha 180o) của sóng mang sin tương ứng với 0 và 1, do đó có kiểu điều chế số BPSK, còn gọi là điều chế dịch pha hai trạng thái. Biểu thức của BPSK (1.9) Trong đó A là biên độ; wo là tần số và Ф là góc pha ban đầu của sóng mang; d(t) là luồng bit nhị phân cần truyền, với qui ước d(t) = +1 nếu bit nhị phân có mức luận lý 1 và d(t) = -1 nếu bit có mức luận lý 0. Mối quan hệ giữa biên độ A của sóng mang với công suất phát của sóng mang PS là: (1.10) Do đó, biểu thức (1.9) trở thành: (1.11) Phổ tần số của BPSK Từ biểu thức (1.11) thì tín hiệu vBPSK(t) có thể được xem là tích số của tín hiệu xung với sóng mang . Do đó khi gọi G(f) là hàm mật độ phổ công suất của (1.12) Thì hàm mật độ phổ công suất của vBPSK(t) là: (1.13) Trong đó Tb là chu kỳ bit. Hình 1.10 Phổ tần số của tín hiệu vBPSK(t) Do phổ của vBPSK(t) trải rộng về hai phía đến vô tận chung quanh tần số sóng mang ±fo. Trong thực tế, hơn 90% công suất tín hiệu tập trung trong búp phổ chính do đó có thể xem dải tần phổ của BPSK là B = 2 fb. Mạch điều chế và giải điều chế BPSK Mạch điều chế BPSK dựa trên nguyên tắc mạch nhân giữa một sóng mang Acosωot với chuỗi số d(t) đặc trưng cho tín hiệu nhị phân (d(t) = ±1). Hình 1.11 Mạch điều chế BPSK Mạch giải điều chế BPSK dựa trên nguyên tắc mạch nhân giữa tín hiệu vBPSK(t) với sóng mang được tái tạo cos ωot, có tần số và pha đồng bộ với sóng mang gốc. Chương 1: Tông quan hệ thông thông tin trai phổ ̉ ́ ̉
  5. Đồ an tôt nghiêp ́ ́ ̣ Trang:5 Hình 1.12 Mạch giải điều chế BPSK 1.3 Kênh truyên ̀ Đặc tính kênh đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu, lựa chọn và thiết kế các trình tự điều chế. Các trình tự điều chế được nghiên cứu cho các kênh khác nhau để biết chất lượng của chúng trong các kênh này. Các trình tự điều chế được lựa chọn hoặc thiết kế tương ứng với đặc tính kênh để tối ưu chất lượng của chúng. 1.3.1 Kênh nhiễu trắng Gauss cộng (Additive White Gaussian Noise Channel-AWGN channel) Kênh AWGN là một mô hình phổ biến để phân tích các trình tự điều chế. Trong mô hình này, kênh không làm việc gì ngoài cộng thêm một nhiễu Gauss trắng vào tín hiệu đi qua nó. Điều này nhấn mạnh rằng đáp ứng tần số biên độ của kênh là phẳng (dù với băng thông giới hạn hay không giới hạn) và đáp ứng tần số pha của kênh là tuyến tính cho mọi tần số sao cho các tín hiệu đã điều chế khi đi qua nó mà không mất biên độ và méo pha hay các thành phần tần số. Tín hiệu ở đầu thu trong kênh truyền nhiễu trắng Gauss cộng : (1.14) r(t) = s(t) + n(t) Với n(t) là nhiễu AWGN. Tính “trắng” của n(t) nhấn mạnh rằng có một quá trình ngẫu nhiên tĩnh với mật độ phổ công suất phẳng (PSD) cho tất cả các tần số. Có một quy ước giả thiết rằng PSD của nó bằng (1.15) Điều này nhấn mạnh rằng một quá trình trắng có công suất hữu hạn. Điều này dĩ nhiên mang tính lí tưởng về mặt toán học. Ứng với định lí Wiener-Khinchine, hàm tự tương quan của nhiễu AWGN là (1.16) Trong đó là hàm delta Dirac. Điều này chỉ ra các mẫu nhiễu là không tự tương quan cho dù hiệu thời gian nhỏ tới đâu chăng nữa. Các mẫu cũng độc lập do quá trình là quá trình Gauss. Tại mỗi điểm thời gian, biên độ của n(t) tuân theo hàm mật độ xác suất Gauss cho bởi: (1.17) Trong đó được dùng để biểu diễn các giá trị của quá trình ngẫu nhiên n(t) và là độ lệch của quá trình ngẫu nhiên. Có một điểm thú vị cần lưu ý là với quá trình AWGN do là công suất của nhiễu, là bất định do tính “trắng” của nó. Tuy nhiên, khi r(t) được lấy tương quan với hàm trực giao , thì nhiễu trong đầu ra có độ lệch hữu hạn. Trên thực tế: Chương 1: Tông quan hệ thông thông tin trai phổ ̉ ́ ̉
  6. Đồ an tôt nghiêp ́ ́ ̣ Trang:6 (1.18) Trong đó (1.19) Và (1.20) Độ lệch của n bằng: (1.21) Khi đó hàm mật độ xác suất (PDF) của n có thể viết như sau: (1.22) Nói một cách khác, kênh AWGN không hề tồn tại do không hề có kênh truyền nào có thể có băng thông là vô định. Tuy nhiên, khi băng thông tín hiệu là nhỏ hơn so với băng thông kênh, một số kênh thực tế có thể xấp xỉ với kênh AWGN. Chẳng hạn, các kênh vô tuyến thẳng tuyến LOS (line of sight), bao gồm các kết nối sóng cực ngắn mặt đất c ố định và các kết nối vệ tinh cố định, xấp xỉ với các kênh AWGN khi thời tiết tốt. Các cáp đồng trục băng rộng cũng xấp xỉ kênh AWGN do đó không tồn tại nhiễu nào khác ngoài nhiễu Gauss. 1.3.2 Kênh giới hạn băng thông Khi băng thông kênh nhỏ hơn băng thông tín hiệu, kênh gọi là có băng thông hạn chế. Sự giới hạn băng thông phục vụ gây nên nhiễu liên kí hiệu ISI (chẳng hạn, các xung số sẽ mở rộng thời gian truyền (chu kỳ kí hiệu )) và gây nhiễu lên kí hiệu tiếp theo, hay thậm chí là cả kí hiệu tiếp theo nữa. ISI gây tăng xác suất lỗi bit () hay tỉ lệ lỗi bit BER, như nó vẫn được gọi. Khi việc tăng băng thông kênh truyền là điều không thể hoặc không hiệu quả kinh tế, các kĩ thuật cân bằng kênh được sử dụng để chống lại ISI. 1.3.3 Kênh pha đinh Pha đinh là một hiện tượng xảy ra khi biên độ và pha của tín hiệu vô tuyến biến đổi nhanh trong một khoảng thời gian ngắn hay khoảng lan truyền ngắn. Pha đinh được tạo Chương 1: Tông quan hệ thông thông tin trai phổ ̉ ́ ̉
  7. Đồ an tôt nghiêp ́ ́ ̣ Trang:7 nên bởi nhiễu giữa hai hay nhiều phiên bản của tín hiệu phát khi chúng tới máy thu ở những thời điểm khác nhau một chút. Các sóng này, gọi là các sóng đa đường, kết hợp với nhau tại anten cho một tín hiệu tổng mà có thể biến đổi rất rộng về cả biên độ và tần số. Nếu các thời gian trễ của các tín hiệu đa đường dài hơn chu kì kí hiệu, các tín hiệu đa đường đó phải được xem như tín hiệu khác. Trong trường hợp này, ta có các tín hiệu đa đường độc lập. Trong các kênh thông tin di động, như kênh di động mặt đất và kênh di động vệ tinh, nhiễu pha đinh và đa đường được tạo nên bởi những phản hồi từ các công trình bao quanh và các địa hình. Thêm vào đó, sự di chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu cho kết quả là điều chế tần số ngẫu nhiên trong tín hiệu do mức dịch tần Doppler khác nhau trên mỗi thành phần đa đường. Sự di động của các đối lượng bao quanh, như xe tải, cũng tạo nên một mức dịch tần Doppler trên thành phần đa đường. Tuy nhiên, nếu các đối tượng bao quanh di chuyển ở tốc độ nhỏ hơn tốc độ của di động, thì hiệu ứng của chúng có thể được bỏ qua. Pha đinh tạo nên các biến đổi nhanh về biên độ và những độ lệch pha trong các tín hiệu nhận. Đa đường tạo nên nhiễu liên kí hiệu. Dịch tần Doppler tạo nên sự trôi tần số sóng mang và trải băng thông tín hiệu. Tất cả điều đó dẫn tới sự suy hao chất lượng của điều chế. 1.4 Các loại đa truy nhập Mục tiêu chính của truyền thông dữ liệu là khả năng chia sẻ nguồn tài nguyên trên kênh thông tin chung cho nhiều người dùng tại cùng một thời điểm. Tài nguyên dùng chung ở đây có thể là các tuyến truyền dẫn tốc độ cao bằng sợi quang ở khoảng cách xa, phổ tần sử dụng như đối với hệ thống điện thoại tế bào, hay thông tin trên một đường cáp xoắn ở trong công sở. Để nhiều người dùng có thể chia sẻ tài nguyên chung một cách hiệu quả và có quản lý, cần phải có một số dạng giao thức truy nhập để định nghĩa việc thực hiện chia sẻ như thế nào và biện pháp để các thông điệp từ các người sử dụng riêng biệt có thể được nhận dạng ở phía thu. Quá trình chia sẻ này được gọi là ghép kênh trong các hệ thống truyền thông bằng cáp và đa truy nhập trong truyền thông vô tuyến số. Có ba hình thức đa truy nhập cơ bản là đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, đa truy nhập theo thời gian TDMA, đa truy nhập theo mã CDMA. 1.4.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA Trong hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật FDMA toàn bộ dải thông của băng tần được chia thành 2N dải con, mỗi dải con gọi là một kênh vô tuyến. Như vậy sẽ có N kênh kế tiếp dành cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N kênh kế tiếp dành cho liên lạc hướng xuống. Mỗi thuê bao sẽ được cấp phát một cặp kênh trong suốt quá trình liên lạc.Với kiểu truy nhập này các kênh sẽ phát đi liên tục đồng thời một số sóng mang. Do vậy nhất thiết phải cung cấp các khoảng bảo vệ giữa mỗi dải mà một sóng mang chiếm, để tính đến sự không hoàn hảo của các bộ tạo dao động và các bộ lọc. Kỹ thuật FDMA có khả năng sử dụng được với cả hệ thống truyền dẫn số và truyền dẫn tương tự. Ưu điểm : • Đơn giản • Không cần đồng bộ giữa bên thu và bên phát. Nhược điểm: • Thiếu linh hoạt trong trường hợp tái cấu hình. • Tổn thất dung lượng khi số các truy nhập tăng lên. • Cần phải điều khiển công suất phát của các trạm. Chương 1: Tông quan hệ thông thông tin trai phổ ̉ ́ ̉
  8. Đồ an tôt nghiêp ́ ́ ̣ Trang:8 1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Trong hệ thống TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời gian. Năng lượng của tín hiệu được hạn chế ở một trong các khe thời gian. Nhiễu của các kênh kề nhau được giới hạn bởi việc sử dụng khoảng thời gian giữa các kênh. Từng cuộc đàm thoại được biến đổi thành tín hiệu số, sau đó được gán cho một trong các khe thời gian này. Số lượng các khe thời gian trong một kênh vô tuyến có thể thay đổi tuỳ thuộc vào cách thiết kế hệ thống. Có ít nhất là hai khe thời gian cho một kênh, và thường thì nhiều hơn. Điều đó có nghĩa là TDMA có khả năng phục vụ số lượng khách hàng nhiều hơn vài lần so với kỹ thuật FDMA với cùng một dải thông như vậy. Ưu điểm: • Không có các sản phẩm xuyên điều chế do tại một thời điểm chỉ khuyếch đại một sóng mang duy nhất. • Hiệu suất truyền cao dù số lượng truy nhập là rất lớn. • Không cần phải khống chế công suất phát của các trạm. • Đơn giản hoá việc điều hưởng do phát và thu trên cùng một tần số. • Việc xử lý tín hiệu số dẫn đến sự đơn giản hoá trong vận hành. Nhược điểm: • Cần phải đồng bộ hoá. • Cần phải mở rộng kích thước của trạm để phát với hiệu suất cao. • Giá thành đắt do trang thiết bị phức tạp. 1.4.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA hoạt động theo nguyên lý trải phổ. Nó không tìm cách phân bố các tiềm năng tần số và thời gian rời rạc cho mỗi thuê bao. Ngược lại, giải pháp này cung cấp tất cả các tiềm năng đồng thời cho mọi thuê bao, khống chế mức công suất phát từ mỗi thuê bao ở mức tối thiểu đủ để duy trì một tỷ số tín hiệu/tạp âm theo mức chất lượng yêu cầu. Mỗi thuê bao sử dụng một tín hiệu băng rộng như tạp âm chiếm toàn bộ dải tần phân bố. Theo cách như vậy mỗi thuê bao tham gia vào tạp âm nền tác động tới tất cả các thuê bao khác, nhưng ở phạm vi ít nhất có thể. Can nhiễu bổ xung này làm hạn chế dung lượng, nhưng vì phân bố tiềm năng thời gian và dải thông không bị hạn chế cho nên dung lượng cũng lớn hơn đáng kể so với các hệ thống TDMA và FDMA Trong hệ thống thông tin CDMA nhiều thuê bao có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi (phát liên tục). Những thuê bao này được phân biệt do mỗi thuê bao dùng một dãy mã giả ngẫu nhiên riêng không trùng với bất kỳ một thuê bao nào khác. Ưu điểm: • Dung lượng cao hơn đáng để, • Khả năng chống nhiễu tốt, • Bảo mật cao, • Giảm pha đinh đường truyền, • Bảo đảm truyền dẫn chất lượng cao • Cho phép chuyển vùng mềm giữa các trạm gốc. Nhược điểm: • Phức tạp • Khó đồng bộ 1.5 Kỹ thuật DS_CDMA 1.5.1 Tổng quan về hệ thống CDMA: Chương 1: Tông quan hệ thông thông tin trai phổ ̉ ́ ̉
  9. Đồ an tôt nghiêp ́ ́ ̣ Trang:9 Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã dần dần được thương mại hoá. Hệ thống CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nhằm thực hiện cho các hệ thống thông tin có khả năng chống phá sóng cao. Trải phổ là một kỹ thuật được thực hiện bằng cách điều chế lần thứ hai một tín hiệu đã được điều chế nhằm tạo ra một dạng sóng sẽ là nhiễu đối với bất kỳ một tín hiệu nào khác hoạt động trong cùng băng tần. Tính chất của kỹ thuật trải phổ • Băng thông tín hiệu phát lớn hơn nhiều so với băng thông cần thiết để truyền thông tin chứa trong tín hiệu đó. • Việc trải phổ được thực hiện nhờ tín hiệu trải phổ c(t), thường được gọi là tín hiệu mã (code). Tín hiệu này độc lập với dữ liệu truyền đi. • Ở đầu thu, việc thu lại tín hiệu ban đầu được thực hiện nhờ kỹ thuật dồn phổ (despreading) khôi phục dữ liệu nguyên thuỷ bằng cách xét sự tương quan của tín hiệu thu được với tín hiệu giống hệt và được đồng bộ với tín hiệu mã dùng để trải phổ. Có 3 kỹ thuật trải phổ: • Chuỗi trực tiếp (DS - Direct Sequence). • Nhảy tần số (FH - Frequency Hopping). • Nhảy thời gian (TH - Time Hopping). Do giới hạn của đề tài nên nhóm thực hiện đề tài chỉ trình bày hệ thống DS_CDMA. 1.5.2 Hệ thống DS_CDMA 1.5.2.1 Nguyên lý: Một tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp là một tín hiệu mà biên độ của tín hiệu đã được điều chế trước đó được điều chế lại một lần nữa bằng một chuỗi nhị phân NRZ có tốc độ rất cao. Giả sử tín hiệu gốc là: (1.23) thì tín hiệu trải phổ DS là: (1.24) với g(t) là chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên PN có các giá trị 1 và 0. Tốc độ bit của g(t) là fc >> fb (tốc độ bit của chuỗi dữ liệu). Hay có thể nói rằng g(t) phân chia các bit của d(t) thành các chip nên tốc độ g(t) gọi là tốc độ chip (chip rate) còn tốc độ d(t) gọi là tốc độ bit (bit rate). Băng thông của tín hiệu v(t) là 2fb và băng thông tín hiệu trải phổ là 2fc nên phổ của tín hiệu được trải ra theo tỷ số fc/fb. Vì công suất phát của hai tín hiệu v(t) và s(t) bằng nhau nên mật độ phổ công suất Gs(f) sẽ giảm theo một tỷ số là fb/fc. Hình 1.13 Dạng sóng của d(t), g(t) và d(t)g(t) Quá trình trải phổ, thu và phát Hình 1.14 Sơ đồ thu-phát trải phổ của DS 1.5.2.2 Ảnh hưởng của nhiễu nhiệt Ở hệ thống trên, dạng sóng dữ liệu d(t) là một chuỗi bit NRZ có giá trị +1 và -1 ở tốc độ fb trong khi dạng sóng của chuỗi giả ngẫu nhiên cũng có giá trị +1 và -1 ở tốc độ fc. Trên đường truyền, tín hiệu đầu vào của hệ thống được nhân hai lần với g(t) và vì g(t)g(t) = 1 nên sẽ không có ảnh hưởng gì đến tín hiệu nhận được. Nhiễu n(t) xâm nhập vào kênh và tại máy thu sẽ bị trải phổ bởi g(t) trước khi đến bộ tích phân. Điều đó có nghĩa là cứ sau Chương 1: Tông quan hệ thông thông tin trai phổ ̉ ́ ̉
  10. Đồ an tôt nghiêp ́ ́ ̣ Trang:10 một khoảng ngẫu nhiên, cực của sóng nhiễu sẽ bị đảo ngược một lần. Sự đảo cực này không ảnh hưởng đến mật độ phổ công suất hay hàm mật độ xác suất của nhiễu Gauss. Do vậy cả tín hiệu và các đặc tính của nhiễu không bị ảnh hưởng bởi kỹ thuật trải phổ. xác suất lỗi đối với hệ thống là: (1.25) Trong đó Eb: năng lượng bit η/2: mật độ phổ công suất của nhiễu 1.5.2.3 Nhiễu băng rộng Trong hệ thống CDMA, giả sử có K user và mỗi user được phân chia một chuỗi mã giả ngẫu nhiên riêng biệt, những mã này không tương quan với nhau. Các user truyền dữ liệu ở cùng tần số sóng mang fc và cùng thời gian. Tại mỗi máy thu của các user sẽ nhận các dạng sóng giống nhau bao gồm tất cả các thông tin truyền đi của k user: (1.26) Trong đó gi(t) và di(t) là mã giả ngẫu nhiên có tốc độ fc và thông tin truyền đi có tốc độ fb của user i; θi là pha ngẫu nhiên độc lập với pha của các user khác. Nếu ở máy thu muốn nhận được K thông tin từ K user thì cần phải có K bộ tương quan. Giả sử cần nhận tín hiệu của user 1 thì cần tạo ra mã giả ngẫu nhiên g1(t) và thành phần sóng mang . Khi đó, ngõ ra của bộ tích phân là: (1.27) Tích g1(t)gi(t) là một chuỗi giả ngẫu nhiên riêng biệt và có thể viết lại g1(t)gi(t)≡g1i(t). Tương tự cos(θi - θ1) ≡ cosθ1i: (1.28) Mật độ phổ công suất tổng cộng của K -1 nhiễu độc lập là: (1.29) Với Pj = (K -1) Ps, xác suất lỗi bit là: (1.30) Để đảm bảo xác suất lỗi thấp thì độ lợi xử lý phải được hiệu chỉnh sao cho: fc/fb >> (k - 1)/2 (1.31) Trong công thức (1.26) của tín hiệu ngõ vào tài đầu đầu thu, các tín hiệu được truyền đi có cùng mức công suất Ps tại đầu thu nhưng trong thực tế, các mức công suất này không phải là bằng nhau. Khi truyền đến user sẽ có các mức công suất cao và thấp vì các khoảng cách xa-gần khác nhau. Khi công suất của tín hiệu không mong muốn lớn hơn nhiều công suất của tín hiệu mong muốn thì sẽ xuất hiện lỗi. Đó là vấn đề gần-xa (near-far problem) giới hạn khả năng sử dụng của hệ thống DS. 1.5.2.4 Đồng bộ Đồng bộ tín hiệu trải phổ ở đầu thu cần yêu cầu ba loại đồng bộ: • Đồng bộ sóng mang và pha (khôi phục sóng mang). • Đồng bộ bit (khôi phục định thời bit). • Đồng bộ chuỗi giả ngẫu nhiên. Quá trình đồng bộ được tiến hành qua hai giai đoạn: • Đồng bộ thô (coarse synchronization). • Tinh chỉnh đồng bộ (fine synchronization). • Đồng bộ thô Đồng bộ thô là quá trình tìm kiếm tất cả các pha của tín hiệu đến khi pha của chuỗi tín hiệu nhận được có cùng pha với chuỗi giả ngẫu nhiên tạo ra ở máy thu. Kỹ thuật đồng bộ thô thường sử dụng là tìm nối tiếp từng bước (stepped serial search). Kỹ thuật này có thể thực hiện như sau: Chương 1: Tông quan hệ thông thông tin trai phổ ̉ ́ ̉
  11. Đồ an tôt nghiêp ́ ́ ̣ Trang:11 Hình 1.15 Mạch đồng bộ thô DS Tín hiệu thu có dạng: (1.32) Đầu tiên, công tắc S ở vị trí 1 có điện áp cố định cho phép cổng AND. Bộ dao động hoạt động ở tần số fc cho ra các xung clock điều khiển bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên. Giả sử rằng bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên ở máy thu và ở máy phát không đồng bộ nên tín hiệu vào BPF có phổ trải rộng. Tín hiệu này sẽ có mật độ phổ công suất nhỏ. Do đó mức công suất ở ngõ ra của BPF và của mạch tách sóng bao hình là mức thấp . Sau đó tín hiệu ngõ ra bộ tách sóng bao hình cho qua mạch tích phân. Nếu tín hiệu chưa đồng bộ thì ngõ ra của mạch tích phân sẽ không đủ lớn hơn điện áp ngưỡng của mạch so sánh. Khi công tắc S sẽ chuyển sang vị trí 2 thì cổng AND không hoạt động và dừng bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên. Sau đó công tắc S chuyển sang vị trí 1 quá trình được lặp lại.. Đồng bộ thô được xác lập khi tích g(t)g(t - iTc) = g2(t) = 1, lúc này ngõ ra của mạch tách sóng hình bao và của mạch tích phân có mức cao nên ngõ ra của bộ so sánh cũng ở mức cao. Công tắc S chuyển sang vị trí 1 hay 2 không làm dừng hoạt động của bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên. • Đồng bộ tinh Tín hiệu sau khi được đồng bộ thô sẽ đưa vào mạch tinh chỉnh đồng bộ, sử dụng DLL (Delay Locked Loop) như sau: Hình 1.16 Mạch tinh chỉnh đồng bộ DS Tín hiệu ngõ vào DLL liên quan đến tốc độ chuỗi giả ngẫu nhiên g(t) và chuỗi dữ liệu d(t). Bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên ở máy thu sẽ tạo ra chuỗi giống như chuỗi thu được nhưng sẽ lệch một khoảng thời gian, tức là g(t + τ) và sau đó sẽ tạo ra hai chuỗi sớm và trễ một lượng Tc/2: g(t + τ - Tc/2) và g(t + τ + Tc/2). (1.33) (1.34) Các tín hiệu này cho qua các bộ BPF giống nhau có BW = 2fb và tần số trung tâm f0. Băng thông của BPF nhỏ hơn nhiều so với băng thông của chuỗi giả ngẫu nhiên nên chỉ cho giá trị trung bình của g(t) g(t + τ ± Tc/2) đi qua. Do đó ngõ ra của mạch lọc là: (1.35) (1.36) Giá trị trung bình của tích g(t)g(t + τ ± Tc/2) là hàm tự tương quan của g(t): (1.37) Mạch tách sóng bao hình sẽ loại dữ liệu d(t) nên tín hiệu ngõ ra là: (1.38) Và (1.39) Ngõ vào của VCO là: (1.40) Hình 1.17 Ngõ vào VCO Nếu τ > 0 thì điện áp dương xuất hiện ở ngõ vào VCO làm tăng tần số của VCO và làm giảm τ. Tương tự, nếu τ < 0 thì điện áp âm xuất hiện ở ngõ vào VCO làm giảm tần số của VCO và làm tăng τ. 1.5.3 Chuỗi giả ngẫu nhiên Chương 1: Tông quan hệ thông thông tin trai phổ ̉ ́ ̉
  12. Đồ an tôt nghiêp ́ ́ ̣ Trang:12 Trong hệ thống CDMA, để thực hiện trải phổ thì người ta dùng các chuỗi giả ngẫu nhiên. Chuỗi ngẫu nhiên là chuỗi có sự thay đổi không thể đoán trước được nghĩa là giá trị của nó tại một thời điểm không phụ thuộc vào các giá trị của chuỗi tại các thời điểm trước. Sự thay đổi của nó chỉ có thể biểu diễn bằng phương pháp thống kê. Tuy nhiên một chuỗi ngẫu nhiên đơn giản như trên cũng cần đòi hỏi bộ nhớ lớn vô hạn tại cả máy phát và máy thu. Do đó, người ta phải sử dụng các chuỗi giả ngẫu nhiên. Các chuỗi này không phải là một chuỗi ngẫu nhiên hoàn toàn tức là nó sẽ được lặp lại sau một chu kỳ nào đó. Chuỗi giả ngẫu nhiên là các chuỗi nhị phân có chu kỳ bit lớn hơn nhiều so với chù kỳ bit của dữ liệu nên để phân biệt thì người ta quy ước gọi chu kỳ bit của chuỗi giả ngẫu nhiên là chip. Các chuỗi giả ngẫu nhiên của các user khác nhau trong một hệ thống CDMA là phải khác nhau. Chuỗi giả ngẫu nhiên phải có các tính chất sau đây: • Tính cân bằng: tần suất xuất hiện của số bit 0 và bit 1 trong chuỗi là ½ (nghĩa là số lần xuất hiện của bit 0 và bit 1 chênh lệch tối đa là 1). • Tính Run: mỗi đường chạy (run length) của một chuỗi nhị phân được định nghĩa là một chuỗi con chỉ chứa giá trị 0 hay 1. Nếu xuất hiện một số nhị phân khác thì sẽ bắt đầu đường chạy mới. Một chuỗi giả ngẫu nhiên phải có tính Run nghĩa là tổng số các đường chạy có chiều dài n bằng 1/2n tổng số các đường chạy. Ví dụ như chuỗi 000100110101111 có 4 Run 0 (0,0,00,000) và 4 Run 1 (1,1,11,1111) (tổng cộng 8 Run, trong đó có 4 Run có chiều dài 1, 2 Run có chiều dài 2, 1 Run có chiều dài 3 và 1 Run có chiều dài 4) thoả mãn tính Run. • Tính tương quan: nếu so sánh một chuỗi giả ngẫu nhiên với chính nó dịch đi một số bit bất kỳ nào đó thì độ chênh lệch giữa số bit giống nhau và khác nhau tối đa là 1 (hàm tự tương quan bằng -1). • Sự tự tương quan: Hàm tự tương quan của một chuỗi ngẫu nhiên d(t) với độ rộng bit Tb định nghĩa như sau: (1.41) Nếu d(t) = ±1 thì Rd(τ) có dạng như sau: Hình 1.18 Hàm tự tương quan của chuỗi ngẫu nhiên d(t) Gọi g(t) là chuỗi giả ngẫu nhiên có hàm tự tương quan là: (1.42) Ta xét với τ = nTc với n N với Tc là độ rộng chip: (1.43) Ở đây, g(t + kTc) là một chuỗi giả ngẫu nhiên và có giá trị trung bình là 1/L. Chuỗi g(t) có chu kỳ LTc nên hàm tự tương quan cũng có chu kỳ LTc. Hình 1.19 Hàm tự tương tương quan của chuỗi giả ngẫu nhiên g(t) Các tính chất của chuỗi: • Hai chuỗi giả ngẫu nhiên độc lập với nhau nếu nhân với nhau sẽ cho một chuỗi giả ngẫu nhiên mới độc lập với hai chuỗi giả ngẫu nhiên đã cho. • Trong một chu kỳ LTc, số bit 1 luôn luôn nhiều hơn số bit 0 là 1. • Nếu đặt một cửa sổ có độ dài N bit trượt dọc theo suốt một chu kỳ LTc, mọi giá trị có thể có của một số nhị phân N bit sẽ xuất hiện một lần và chỉ một lần trừ giá trị 00…0 (N bit). • Mật độ phổ công suất: Chương 1: Tông quan hệ thông thông tin trai phổ ̉ ́ ̉
  13. Đồ an tôt nghiêp ́ ́ ̣ Trang:13 Do RPN(τ) có chu kỳ LTc nên GPN(f) sẽ bao gồm các xung tại các vị trí là bội số của tần số 1/LTc. Ngoài ra GPN(f) cũng có một xung tại f = 0, đó là giá trị DC của chuỗi PN. Do số bit 1 lớn hơn số bit 0 là 1 nên giá trị DC của chuỗi là V/L trong đó chuỗi g(t) có giá trị ±V và công suất là V2/L2 → GPN(0) = (V2/L2)δ(f). Mật độ phổ công suất GPN(f) là: (1.44) Hình 1.20 Mật độ phổ công suất của chuỗi giả ngẫu nhiên 1.5.3.1 Chuỗi nhị phân có chiều dài cực đại Chuỗi nhị phân có chiều dài cực đại, gọi tắt là chuỗi m (m sequence) có thể được tạo ra từ thanh ghi dịch n trạng thái. Chuỗi m có chu kỳ là 2n- 1 và được tạo ra bằng một đa thức h(x): h(x) = h0xn+ h1xn-1+ … + hn-1x1+ hnx0 (1.45) Trong đó h0 = hn = 1 và các giá trị của hi (i ≠ 0,n) là 0 hay 1 theo quan hệ như sau: h0aj h1aj-1 h2aj-2 … hnaj-n = 0 (1.46) Trong đó a là các thành phần nhờ trong thanh ghi dịch Từ h0 = 1: aj = h1aj-1 h2aj-2 … hnaj-n (1.47) Như vậy: aj + n = h1aj+n-1 h2aj+n-2 … hnaj (1.48) Quá trình tạo chuỗi có thể được mô tả như sau: Hình 1.21 Bộ tạo chuỗi ghi dịch tuyến tính Trong đó nếu hi = 0 thì không có đường liên kết và nếu hi = 1 thì có đường liên kết. Các tính chất của chuỗi m Chu kỳ của chuỗi nhị phân a tạo ra từ đa thức h(x) tối đa là 2n- 1 trong đó n là bậc của h(x). Nếu a có chiều dài cực đại thì h(x) là đa thức nguyên thuỷ. Chuỗi m có các tính chất sau: • Tính chất 1: Chu kỳ chuỗi là 2n-1. • Tính chất 2: Có đúng L = 2n- 1 chuỗi khác 0 tạo ra từ h(x) và chúng chính là các chuỗi a, T1a, …, TN-1a (với Tka là chuỗi a được dịch vòng sang trái k lần). • Tính chất 3: Nếu lấy hai số nguyên khác nhau n và p với 0 ≤ n, p ≤ N thì tồn tại duy nhất một số nguyên k khác n và p sao cho: Tna Tpa = Tka. Tính chất này gọi là tính dịch và cộng (shift and add) của chuỗi m. • Tính chất 4: w(a) = 2n-1= ½(L + 1). Trong đó w(a) là trọng số của chuỗi a (weight of the sequence), tức là số bit 1 trong chuỗi. • Tính chất 5: Hàm tự tương quan tuần hoàn của chuỗi m có hai giá trị ( two- valued) và được cho bởi ra(k) = • Tính chất 6: Chuỗi a có tính chất ai = a2i (∀i ∈Z) gọi là chuỗi m đặc tính (characteristic) và chuỗi này tồn tại duy nhất trong N chuỗi được tạo ra bởi đa thức h(x). • Tính chất 7: Gọi q là một số nguyên dương và xét chuỗi u tạo ra từ a bằng cách lấy mẫu mỗi bit thứ q của chuỗi a thì chuỗi u được gọi là chuỗi chia nhỏ theo q của a (decimation), tức là ui = aqi và được ký hiệu là a[q]. Giả sử rằng a[q] khác không, khi đó a[q] có chu kỳ L/gcd(L,q). 1.5.3.2 Chuỗi gold Chương 1: Tông quan hệ thông thông tin trai phổ ̉ ́ ̉
  14. Đồ an tôt nghiêp ́ ́ ̣ Trang:14 Xét hai chuỗi m là a và b có chu kỳ L = 2n- 1 được tạo ra từ hai đa thức nguyên thuỷ h(x) và g(x) hai chuỗi này gọi là cặp chuỗi m mong muốn khi thỏa mãn điều kiện: • n mod 4 ≠ 0. • b = a[q] trong đó q = 2m - 1 hay q = 22m - 2m + 1. • gcd(n,m) = Khi đó một tập hợp các chuỗi G(a ,b)={a ,b ,a b, a T1b, …, a TL-1b} gọi là tập chuỗi Gold cho cặp chuỗi m mong muốn. Ứng với hai chuỗi m mong muốn a và b, có tất cả L + 2 chuỗi Gold. Đa thức tạo ra họ chuỗi Gold này là f(x) = g(x)h(x). Bất kỳ hai chuỗi nào trong tập chuỗi Gold này đều có hàm tương quan chéo có 3 giá trị là: Họ chuỗi Gold có đặc tính tương quan tốt hơn họ chuỗi m và cũng có chu kỳ là L = 2n - 1. 1.5.3.3 Chuỗi kasami Xét a là một chuỗi m được tạo ra bởi đa thức h(x) có chu kỳ L = 2n- 1 trong đó n là một số chẵn. Ta xét chuỗi b = a[s(n)] = a[2n/2+ 1] có chu kỳ là 2n/2- 1. Ta định nghĩa tập: Ks(a) = {a, a b, a T1b, …, a ⊕ b} Kasami đã chứng minh rằng hàm tương quan của các chuỗi trong tập Ks(a) có giá trị là -1, -s(n) hay s(n) - 2. Tập này được gọi là tập chuỗi Kasami. Tập Ks(a) có tất cả 1 + L chuỗi. 1.5.3.4 Chuỗi Walsh Mã trực giao Walsh được xây dựng trên cơ sở ma trận Hadamard. Ma trận thường sử dụng trong hệ thống CDMA là H64. Các mã Walsh được đánh dấu từ W0 đến W63 được sử dụng để trải phổ, nhận dạng kênh đường xuống và điều chế trực giao cho đường lên. Người ta sử dụng các ma trận khác nhau để tạo ra các mã Walsh WnN. Trong đó , để nhận dạng các kênh cho đường xuống và đường lên, N tương ứng với chỉ số ma trận, n là chỉ số của mã. Chương 1: Tông quan hệ thông thông tin trai phổ ̉ ́ ̉
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2