Giáo trình Công nghệ CDMA
CÔNG NGHỆ CDMA
1. Tổng quan về hệ thống điện thoại di động tổ ong
1.3. Sự phát triển của hệ thống tổ ong
1.3.2. TDMA
1.3.3. CDMA
2. Trải phổ
2.1.1. Đặc tính của tín hiệu DS
2.1.2. Độ rộng băng RF của hệ thống DS
2.2.1. Đặc tính của tín hiệu dịch tần
2.2.2. Tốc độ dịch tần
2.4.1. FH/DS
2.4.2. TH/FH
2.4.3. TH/DS
2.5. Dãy TN
2.6. Điều chế
2.6.1. Điều chế PSK
3. Hệ thống tổ ong CDMA
3.1. Thiết kế hệ thống CDMA
3.1.6. Chức năng hệ thống
3.2. Các đặc tính điều chế
1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG TỔ ONG
1.1. Tổng quan
Toàn bộ vùng phục vụ của hệ thống điện thoại di động tổ ong được chia thành nhiều vùng phục vụ nhỏ,
gọi là các ô, mỗi ô có một trạm gốc phụ trách và được điều khiển bởi tổng đài sao cho thuê bao có thể
vẫn duy trì được cuộc gọi một cách liên tục khi di chuyển giữa các ô.
Hình 1.1 đưa ra một mạng điện thoại di động tổ ong bao gồm các trạm gốc (BS). Một vùng phục vụ của
một BS được gọi là ô và nhiều ô được kết hợp lại thành vùng phục vụ của hệ thống.
Trong hệ thống điện thoại di động tổ ong thì tần số mà các máy di động sử dụng là không cố định ở một
kênh nào đó mà kênh đàm thoại được xác định nhờ kênh báo hiệu và máy di động được đồng bộ về tần
số một cách tự động. Vì vậy các ô kề nhau nên sử dụng tần số khác nhau còn các ô ở cách xa hơn là
một khoảng cách nhất định có thể tái sử dụng cùng một tần số đó. Để cho phép các máy di động có thể
duy trì cuộc gọi liên tục trong khi di chuyển giữa các ô thì tổng đài sẽ điều khiển các kênh báo hiệu hoặc
kênh lưu lượng theo sự di chuyển của máy di động để chuyển đổi tần số của máy di động đó thành một
tần số thích hợp một cách tự động.
Hiệu quả sử dụng tần số của hệ thống điện thoại di động tăng lên vì các kênh RF giữa các BS kề nhau
có thể được định vị một cách có hiệu quả nhờ việc tái sử dụng tần số và do đó dung lượng thuê bao
được phục vụ sẽ tăng lên.
Hình 1.1: Hệ thống điện thoại di động
1.2. Cấu hình hệ thống
Hệ thống điện thoại di động tổ ong bao gồm các máy điện thoại di động trên ô tô (hay xách tay), BS và
MSC (trung tâm chuyển mạch điện thoại di động).
Máy điện thoại di động bao gồm các bộ thu/phát RF, anten và bộ điều khiển; BS bao gồm các bộ thu/phát
RF để kết nối máy di động với MSC, anten, bộ điều khiển, đầu cuối số liệu và nguồn.
MSC sử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điều khiển trung tâm cho hoạt động
của tất cả các BS một cách hiệu quả và để truy nhập vào tổng đài của mạng điện thoại công cộng.
Chúng bao gồm bộ phận điều khiển, bộ phận kết nối cuộc gọi, các thiết bị ngoại vi và cung cấp chức
năng thu nhập số liệu cước đối với các cuội gọi đã hoàn thành.
Các máy di động, BS và MSC được liên kết với nhau thông qua các đường kết nối thoại và số liệu. Mỗi
máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phát RF. Vì các kênh lưu lượng không cố định ở một kênh RF
nào mà thay đổi thành các tần số RF khác nhau phụ thuộc vào sự di chuyển của máy di động trong suốt
quá trình cuộc gọi nên cuộc gọi có thể được thiết lập qua bất cứ một kênh nào đã được xác định trong
vùng đó. Cũng từ những quan điểm về hệ thống điện thoại di động mà thấy rằng tất cả các kênh đã được
xác định đều có thể bận do đã được kết nối một cách đồng thời với các máy di động.
Bộ phận điều khiển của MSC, là trái tim của hệ thống tổ ong, sẽ điều khiển, sắp đặt và quản lý toàn bộ
hệ thống.
Tổng đài tổ ong kết nối các đường đàm thoại để thiết lập cuộc gọi giữa các máy thuê bao di động với
nhau hoặc các thuê bao cố định với các thuê bao di động và trao đổi các thông tin báo hiệu đa dạng qua
đường số liệu giữa MSC và BS.
Các thông tin thoại và báo hiệu giữa máy di động và BS được truyền đi qua kênh RF, các đường kết nối
thoại và số liệu cố định được sử dụng để truyền các thông tin thoại và báo hiệu giữa BS và MSC.
.3. Sự phát triển của hệ thống tổ ong
Hệ thống điện thoại di động thương mại đầu tiên được đưa vào áp dụng sử dụng băng tần 150 MHz tại
Saint Louis - Mỹ vào năm 1946 với khoảng cách kênh là 60 KHz và số lượng kênh bị hạn chế chỉ đến 3.
Đó là hệ thống bán song công và vì thế mà người đàm thoại bên kia không thể nói được trong khi người
đàm thoại bên này đang nói và việc kết nối là nhân công nhờ điện thoại viên.
Sau đó, nhờ một số cải tiến mà hệ thống IMTS MJ bao gồm 11 kênh ở băng tần 150 MHz và hệ thống
ITMS MK bao gồm 12 kênh ở băng tần 450 MHz đã được sử dụng vào năm 1969.
Đó là hệ thống song công và một BS có thể phục vụ cho một vùng bán kính rộng tới 80 Km.
1.3.1. AMPS (Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến)
AMPS là một hệ thống điện thoại di động tổ ong do AT & T và Motorola - Mỹ đề xuất sử dụng vào năm
1982. Để sử dụng hiệu quả hơn nguồn tần số có giới hạn nên vùng phục vụ rộng của nó được phân chia
thành các ô nhỏ và dịch vụ cung cấp sử dụng một tần số nhất định với một công suất nhỏ để cho phép
các BS ở cách xa một khoảng cách nhất định có thể tái sử dụng cùng một tần số đó một cách đồng thời.
Sau đó, người ta coi vùng phục vụ tương ứng như một hình lục giác để làm đơn giản hoá việc thiết kế và
tính toán lý thuyết về mạng điện thoại di động.
Tái sử dụng tần số liên quan đến việc định vị các BS để tái sử dụng các tần số chính xác, không phải sử
dụng cùng một tần số giữa các BS kề nhau mà chỉ sử dụng lại ở một khoảng cách nhất định hoặc xa hơn
nhằm làm giảm giao thoa giữa các kênh giống nhau. Hình 1.2 đưa ra các mẫu tái sử dụng tần số khác
nhau.
Hình 1.2 Mẫu tái sử dụng tần số
Trên hình 1.2 ta thấy các cụm mẫu tái sử dụng tần số của các BS với tất cả các băng tần có thể, số
lượng các ô trong cụm đó được gọi là yếu tố tái sử dụng tần số (K).
Hình 1.3: Búp sóng của anten định hướng
Trong trường hợp này thì hiệu quả tái sử dụng tần số tăng lên nếu một anten định hướng được sử dụng
tại BS vì giao thoa tần số chỉ ảnh hưởng đến các BS sử dụng cùng một kênh trong anten phát xạ định
hướng và vì vậy mà giao thoa của các kênh chính tăng (thông thường sử dụng vùng phủ sóng 120o).
Khi xuất hiện trạng thái chuyển vùng thì tín hiệu đã được kết nối với BS có khả năng thu nhận tín hiệu tốt.
Trong trạng thái chuyển vùng thì kênh bị ngắt trong một khoảng thời gian ngắn (150 ms) và chuyển vùng
sẽ bị trì hoãn hoặc bị cản trở trong trường hợp không có kênh trong ô mới.
Dịch vụ chuyển vùng ngoài hệ thống thông thường có thể được cung cấp trong một vùng phục vụ khác,
do một hệ thống khác điều khiển mà thuê bao nói đến không đăng ký.
1) So sánh giữa các hệ thống analog
Bảng 1.1 đưa ra các so sánh về tham số của 4 hệ thống thông dụng.
Tham số
AMPS
8000 MHz
30 KHz
45 MHz
832
TSCS/ETACS NMT900
NMT450
Băng Tx
9000 MHz
25 KHz
45 MHz
920*
9000 MHz
450-470 MHz
Khoảng cách kênh
Khoảng cách song công
Các kênh
25/1,25 KHz 25/20 KHz
45 MHz
1000 (1999)
FM
10 MHz
180/225
FM
Loại điều chế
FM
FM
Độ lệch đỉnh
12 KHz
2:1 Syllabic
4, 7, 12
FSK
9,5 KHz
2:1 Syllabic
4, 7, 12
FSK
4,7 KHz
2:1 Syllabic
7, 9, 12
FFSK
4,7 KHz
Không
7
Thiết bị nén dãn
Kế hoạch ô
Điều chế kênh điều khiển
Độ lệch kênh điều khiển
Mã kênh điều khiển
Dung lượng kênh điều khiển
Tốc độ truyền dẫn
Bí mật thoại
FFSK
8 KHz
6,4 KHz
Manchester
62000
3,5 KHz
NRZ
3,5 KHz
NRZ
Manchester
77000
13000
13000
1,2 Kb/s
Không
Bị giới hạn
10 Kb/s
Có thể
Có
8 Kb/s
1,2 Kb/s
Không
Có
Có thể
Có
Dịch vụ chuyển vùng ngoài hệ thống
Bảng 1.1: So sánh các tham số của các hệ thống tổ ong
1.3.2. TDMA
1) Tổng quan
Trong thông tin TDMA thì nhiều người sử dụng một sóng mang và trục thời gian được chia thành nhiều
khoảng thời gian nhỏ để giành cho nhiều người sử dụng sao cho không có sự chồng chéo.
TDMA được chia thành TDMA băng rộng và TDMA băng hẹp. Mỹ và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn
Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng nhưng cả 2 hệ thống này đều có thể được coi như là sự tổ hợp của
FDMA và TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định cả về tần số và các khe thời gian
trong băng tần.
Hình 1.4: Phổ TDMA
2) Loại hệ thống TDMA Bắc Mỹ
Loại hệ thống TDMA Bắc Mỹ sử dụng băng tần (869 - 894) MHz và (824 - 849) MHz giống như hệ thống
AMPS.
Khoảng cách sóng mang là 30 KHz và mỗi kênh tần số được chia thành 6 khe thời gian.
Hệ thống AMPS hiện tại có khả năng chuyển vùng với cấu trúc khung và cấu trúc khe thời gian được chỉ
ra trên hình 1.5 và hình 1.6.
Hệ thống này mã hoá tín hiệu thoại theo mã VSELP (dự đoán tổng vectơ tuyến tính tồn tại), điều chế /4
DQPSK và hoạt động theo kiểu cặp đôi.
6 thuê bao với một nửa tốc độ trên một kênh
Hình 1.5: Cấu trúc khung.
a) Dạng khe thời gian từ máy di động đến trạm gốc
b) Dạng khe thời gian từ trạm gốc tới máy di động
Với : 324 bit = 162 ký hiệu = 40/6 ms = 6,67 ms
G - thời gian guard
R - thời gian ramp
SACCH - kênh điều khiển liên kết chậm
CDVCC - mã xác minh màu số đã mã
Hình 1.6: Dạng khe thời gian
3) GSM (Group Special Mobile)
GSM là một hệ thống thông tin số của Châu Âu tương thích với hệ thống báo hiệu số 7. Chúng sử dụng
hệ thống TDMA với cấu trúc khe thời gian sao cho tạo nên được sự linh hoạt trong truyền thoại, số liệu
và thông tin điều khiển.
Hệ thống GSM sử dụng băng tần (890 - 915) MHz để truyền dẫn tín hiệu từ máy di động đến BS và băng
tần (935 - 960) MHz để truyền dẫn tín hiệu từ BS đến máy di động. Hình 1.7 mô tả cấu trúc khung của hệ
thống GSM.
Hình 1.7: Cấu trúc khung
1.3.3 CDMA
1) Tổng quan
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 được thương mại hoá từ phương pháp thu GPS và Ommi-TRACS, phương pháp này
cũng đã được đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qualcomm - Mỹ vào năm 1990.
Trong thông tin CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian và tần số, mã PN (tạp âm giả ngẫu
nhiên) với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền tín
hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định. Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên
như ở đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được.
2) Thủ tục phát/thu tín hiệu
(1) Tín hiệu số liệu thoại (9,6 Kb/s) phía phát được mã hoá, lặp, chèn và được nhân với sóng mang f o và
mã PN ở tốc độ 1,2288 Mb/s (9,6 Kb/s x 128).
(2) Tín hiệu đã được điều chế đi qua một bộ lọc băng thông có độ rộng băng 1,25 MHZ sau đó phát xạ
qua anten.
(3) 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 độ rộng băng 1,25 MHz và số liệu thoại mong muốn được tách ra để tái tạo lại số liệu
thoại nhờ sử dụng bộ tách chèn và giải mã.
Hình 1.8: Sơ đồ phát/thu CDMA
3) Các đặc tính của CDMA
(1) Tính đa dạng của phân tập
Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều chế FM analog sử dụng trong hệ thống điện thoại tổ ong thế
hệ đầu tiên thì tính đa đường tạo nên nhiều fading nghiêm trọng. Tính nghiêm trọng của vấn đề fading đa
đường được giảm đi trong điều chế CDMA băng rộng vì các tín hiệu qua các đường khác nhau được thu
nhận một cách độc lập.
Nhưng hiện tượng fading xảy ra một cách liên tục trong hệ thống này do fading đa đường không thể loại
trừ hoàn toàn được vì với các hiện tượng fading đa đường xảy ra liên tục đó thì bộ giải điều chế không
thể xử lý tín hiệu thu một cách độc lập được.
Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading, có 3 loại phân tập là theo thời gian, theo tần số và theo
khoảng cách. Phân tập theo thời gian đạt được nhờ sử dụng việc chèn và mã sửa sai. Hệ thống CDMA
băng rộng ứng dụng phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng báo hiệu trong một băng tần rộng
và fading liên hợp với tần số thường có ảnh hưởng đến băng tần báo hiệu (200 - 300) KHz. Phân tập
theo khoảng cách hay theo đường truyền có thể đạt được theo 3 phương pháp sau:
* Thiết lập nhiều đường báo hiệu (chuyển vùng mềm) để kết nối máy di động đồng thời với 2 hoặc nhiều
BS.
* Sử dụng môi trường đa đường qua chức năng trải phổ giống như bộ thu quét thu nhận và tổ hợp các
tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian.
* Đặt nhiều anten tại BS.
Các loại phân tập để nâng cao hoạt động của hệ thống CDMA được chỉ ra trên hình 1.9 và được tóm tắt
như sau:
Hình 1.9: Các quá trình phân tập trong CDMA
+ Phân tập theo thời gian - Chèn mã, tách lỗi và mã sửa sai.
+ Phân tập theo tần số - tín hiệu băng rộng 1,25 MHz.
+ Phân tập theo khoảng cách (theo đường truyền) - hai cặp anten thu của BS, bộ thu đa đường và kết
nối với nhiều BS (chuyển vùng mềm).
(a) Chuyển vùng mềm
(b) Chuyển vùng cứng
Hình 1.10: So sánh chuyển vùng mềm và chuyển vùng cứng
Phân tập anten có thể dễ dàng áp dụng đối với hệ thống FDMA và TDMA. Phân tập theo thời gian có thể
được áp dụng cho tất cả các hệ thống số có tốc độ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửa sai yêu cầu.
Nhưng các phương pháp khác có thể dễ dàng áp dụng chỉ cho hệ thống CDMA.
Dải rộng của phân tập theo đường truyền có thể được cung cấp nhờ đặc tính duy nhất của hệ thống
CDMA dãy trực tiếp và mức độ phân tập cao tạo nên nhưng hoạt động tốt hơn trong môi trường EMI lớn.
Bộ điều khiển đa đường tách dạng sóng PN nhờ sử dụng bộ tương quan song song. Máy di động sử
dụng 3 bộ tương quan, BS sử dụng 4 bộ tương quan. Máy thu có bộ tương quan song song gọi là máy
thu quét, nó xác định tín hiệu thu theo mỗi đường và tổ hợp, giải điều chế tất cả các tín hiệu thu được.
Fading có thể xuất hiện trong mỗi tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đường thu. Vì
vậy tổng các tín hiệu thu được có độ tin cậy cao vì khả năng có fading đồng thời trong tất cả các tín hiệu
thu được là rất thấp.
Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách đồng thời cho hệ thống thông tin có 2 BS sao có thể
thực hiện được chuyển vùng mềm cho máy di động.
(2) Điều khiển công suất CDMA
Hệ thống CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất 2 chiều (từ BS đến máy di động và ngược lại)
để cung cấp một hệ thống có dung lượng lưu lượng lớn, chất lượng dịch vụ cuộc gọi cao và các lợi ích
khác. Mục đích của điều khiển công suất phát của máy di động là điều khiển công suất phát của máy di
động sao cho tín hiệu phát của tất cả các máy di động trong một vùng phục vụ có thể được thu với độ
nhạy trung bình tại bộ thu của BS. Khi công suất phát của tất cả các máy di động trong vùng phục vụ
được điều khiển như vậy thì tổngcông suất thu được tại bộ thu của BS trở thành công suất thu trung bình
của nhiều máy di động.
Bộ thu CDMA của BS chuyển tín hiệu CDMA thu được từ máy di động tương ứng thành thông tin số
băng hẹp. Trong trường hợp này thì tín hiệu của các máy di động khác còn lại chỉ như là tín hiệu tạp âm
của băng rộng (xem hình 1.8). Thủ tục thu hẹp băng được gọi là độ lợi sử lý nhằm nâng cao tỷ số tín
hiệu/ giao thoa (db) từ giá trị âm lên đến một mức đủ lớn để cho phép hoạt động được với lỗi bit chấp
nhận được.
Một mong muốn là tối ưu các lợi ích của hệ thống CDMA bằng cách tăng số lượng các cuội gọi đồng thời
trong một băng tần cho trước. Dung lượng hệ thống là tối đa khi tín hiệu truyền của máy di động được
thu bởi BS có tỷ số tín hiệu/giao thoa ở mức yêu cầu tối thiểu qua việc điều khiển công suất của máy di
động.
Hoạt động của máy di động sẽ bị giảm chất lượng nếu tín hiệu của các máy di động mà BS thu được là
quá yếu. Nếu các tín hiệu của các máy di động đủ khoẻ thì hoạt động của các máy này sẽ được cải thiện
nhưng giao thoa đối với các máy di động khác cùng sử dụng một kênh sẽ tăng lên làm cho chất lượng
cuộc gọi của các thuê bao khác sẽ bị giảm nếu như dung lượng tối đa không giảm.
Việc đóng, mở mạch điều khiển công suất từ máy di động tới BS và điều khiển công suất từ BS tới máy
di động sử dụng trong hệ thống CDMA được chỉ trên hình 1.11. Mạch mở đường điều khiển công suất từ
máy di động tới BS là chức năng hoạt động cơ bản của máy di động. Máy di động điều chỉnh ngay công
suất phát theo sự biến đổi công suất thu được từ BS. Máy di động đo mức công suất thu được từ BS và
điều khiển công suất phát tỷ lệ nghịch với mức công suất đo được. Mạch mở đường điều khiển công
suất làm cho các tín hiệu phát của tất cả các máy di động được thu với cùng một mức tại BS. BS cung
cấp chức năng mạch mở đường điều khiển công suất qua việc cung cấp cho các máy di động một hằng
số định cỡ cho nó. Hằng số định cỡ liên quan chặt chẽ tới yếu tố tải và tạp âm của BS, độ tăng ích anten
và bộ khuyếch đại công suất. Hằng số này được truyền đi từ BS tới máy di động như là một phần của
bản tin thông báo.
Hình 1.11: Điều khiển công suất trong CDMA
BS thực hiện chức năng kích hoạt đối với mạch đóng điều khiển công suất từ máy di động tới BS. Khi
mạch đóng dẫn đến việc BS địch cỡ công suất mạch mở xác định của máy di động một cách tức thời để
máy di động giữ được công suất phát tối ưu.
BS so sánh tín hiệu thu được từ máy di động liên quan với giá trị ngưỡng biến đổi và điều khiển công
suất tăng hay giảm sau mỗi khoảng thời gian 1,25 ms cho đến khi đạt kết quả. Việc định cỡ giá trị mạch
đóng để bù cho giá trị xác định của mạch mở mà mạch mở này bù độ tăng ích chấp nhận được và suy
hao truyền dẫn của các đường đi và đến giữa BS và máy di động.
BS cung cấp việc điều khiển công suất từ BS tới máydi động nhờ việc quy định công suất này tương ứng
với công suất đo được tại máy di động. Mục đích của việc điều khiển này là làm giảm công suất phát của
máy di động khi rỗi hoặc ở vị trí tương đối gần BS, làm cho fading đa đường thấp và giảm hiệu ứng bóng
râm hay làm giảm giao thoa đối với các BS khác. Do đó, công suất được cung cấp thêm đối với các vùng
thu tín hiệu bị gián đoạn hoặc đối với máy di động ở xa có tỷ lệ lỗi cao.
(3) Công suất phát thấp
Việc giảm tỷ số Eb/No (tương ứng với tỷ số tín hiệu/nhiễu) chấp nhận được không chỉ làm tăng dung
lượng hệ thống mà còn làm giảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và giao thoa. Việc giảm
này nghĩa là giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động. Nó làm giảm giá thành và cho phép hoạt
động trong các vùng rộng lớn hơn với công suất thấp khi so với các hệ thống analog hoặc TDMA có công
suất tương tự. Hơn nữa, việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng vùng phục vụ và làm giảm số
lượng BS yêu cầu khi so với các hệ thống khác.
Một tiến bộ lớn hơn của việc điều khiển công suất trong hệ thống CDMA là làm giảm công suất phát
trung bình. Trong đa số trường hợp thì môi trường truyền dẫn là thuận lợi đối với CDMA. Trong các hệ
thống băng hẹp thì công suất phát cao luôn luôn được yêu cầu để khắc phục fading tạo ra theo thời gian.
Trong hệ thống CDMA thì công suất trung bình có thể giảm bởi vì công suất yêu cầu chỉ phát đi khi có
điều khiển công suất và công suất phát chỉ tăng khi có fading.
(4) Bộ mã - giải mã thoại và tốc độ số liệu biến đổi
Bộ mã - giải mã thoại của hệ thống CDMA được thiết kế với các tốc độ biến đổi 8 Kb/s. Dịch vụ thoại 2
chiều của tốc độ số liệu biến đổi cung cấp thông tin thoại có sử dụng thuật toán mã - giải mã thoại tốc độ
số liệu biến đổi động giữa BS và máy di động. Bộ mã - giải mã thoại phía phát lấy mẫu tín hiệu thoại để
tạo ra các gói tín hiệu thoại được mã hoá dùng để truyền tới bộ mã - giải mã thoại phía thu. Bộ mã - giải
mã thoại phía thu sẽ giải mã các gói tín hiệu thoại thu được thành các mẫu tín hiệu thoại.
Hai bộ mã - giải mã thoại thông tin với nhau ở 4 nấc tốc độ truyền dẫn là 9600 b/s, 4800 b/s, 2400 b/s,
1200 b/s, các tốc độ này được chọn theo điều kiện hoạt động và theo bản tin hoặc số liệu. Thuật toán mã
- giải mã thoại chấp nhận CELP (mã dự đoán tuyến tính thực tế), thuật toán dùng cho hệ thống CDMA là
QCELP.
Bộ mã - giải mã thoại biến đổi sử dụng ngưỡng tương thính để chọn tốc độ số liệu. Ngưỡng được điều
khiển theo cường độ của tạp âm nền và tốc độ số liệu sẽ chỉ chuyển đổi thành tốc độ cao khi có tín hiệu
thoại vào. Do đó, tạp âm nền bị triệt đi để tạo ra sự truyền dẫn thoại chất lượng cao trong môi trường tạp
âm.
(5) Bảo mật cuộc gọi
Hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức độ cao và về cơ bản là tạo ra xuyên âm,
việc sử dụng máy thu tìm kiếm và sử dụng bất hợp pháp kênh RF là khó khăn đối với hệ thống tổ ong số
CDMA bởi vì tín hiệu CDMA đã được scrambling (trộn). Về cơ bản thì công nghệ CDMA cung cấp khả
năng bảo mật cuộc gọi và các khả năng bảo vệ khác, tiêu chuẩn đề xuất gồm khả năng xác nhận và bảo
mật cuộc gọi được định rõ trong EIA/TIA/IS-54-B. Có thể mã hoá kênh thoại số một cách dễ dàng nhờ sử
dụng DES hoặc các công nghệ mã tiêu chuẩn khác.
(6) Máy di động có chuyển vùng mềm
Như đã miêu tả trong hình 1.12, cả BS ban đầu và BS mới cùng tham gia vào việc chuyển giao cuộc gọi
đối với chuyển vùng mềm.
Hình 1.12: Đường kết nối trong khi chuyển vùng mềm
Việc chuyển giao cuộc gọi thông qua trình tự: BS ban đầu, cả hai BS, BS mới. Lược đồ đó làm tối thiểu
hoá sự gián đoạn cuộc gọi và làm cho người sử dụng không nhận ra trạng thái chuyển vùng mềm. Do
đó, trong khi hệ thống analog và hệ thống TDMA số chấp nhận hình thức chuyển mạch "cắt - trước khi -
nối" thì chuyển vùng mềm của hệ thống CDMA chấp nhận hình thức chuyển mạch "nối - trước khi - cắt".
Sau khi cuộc gọi được thiết lập thì máy di động tiếp tục tìm tín hiệu cuả BS bên cạnh để so sánh cường
độ tín hiệu của ô bên cạnh với cường độ tín hiệu cuả ô đang sử dụng. Nếu cường độ tín hiệu đạt đến
một mức nhất định nào đó có nghĩa là máy di động đã di chuyển sang một vùng phục vụ cuả một BS mới
và trạng thái chuyển vùng mềm có thể bắt đầu. Máy di động chuyển một bản tin điều khiển tới MSC để
thông báo về cường độ tín hiệu và số hiệu cuả BS mới. Sau đó, MSC thiết lập một đường nối mới giữa
máy di động và BS mới và bắt đầu quá trình chuyển vùng mềm trong khi vẫn giữ đường kết nối ban đầu.
Trong trường hợp máy di động đang trong một vùng chuyển đổi giữa hai BS thì cuộc gọi được thực hiện
bởi cả hai BS sao cho chuyển vùng mềm có thể thực hiện được mà không có hiện tượng ping-pong giữa
chúng. BS ban đầu cắt đường kết nối cuộc gọi khi việc đấu nối cuộc gọi với BS mới đã thực hiện thành
công.
(7) Dung lượng
Với khái niệm tái sử dụng tần số của hệ thống tổ ong thì cho phép có một mức độ giao thoa nhất định để
mở rộng dung lượng hệ thống một cách có điều khiển. Do CDMA có đặc tính gạt giao thoa một cách cơ
bản nên nó có thể thực hiện việc điều khiển giao thoa hiệu quả hơn hệ thống FDMA và TDMA. Thực tế
thì CDMA xuất phát từ hệ thống chống nhiễu để sử dụng trong quân đội. Do hệ thống điều chế băng hẹp
yêu cầu tỷ số sóng mang nhiễu vào khoảng 18dB nên còn có rất nhiều hạn chế xét từ quan điểm hiệu
quả tái sử dụng tần số. Trong hệ thống như vậy thì một kênh sử dụng cho một BS sẽ không được phép
sử dụng cho BS khác. Nói cách khác thì trong hệ thống CDMA một kênh băng tần rộng được sử dụng
chung bởi tất cả các BS.
Hiệu quả của tái sử dụng tần số trong CDMA được xác định bởi tỷ số tín hiệu/nhiễu tạo ra không chỉ từ
một BS mà từ tất cả các người sử dụng trong vùng phục vụ. Do một số lượng lớn người sử dụng được
xem xét thì số liệu thống kê của tất cả các người sử dụng lớn hơn một là rất quan trọng. Do đó, số lượng
thấp được chấp nhận và giao thoa tổng cộng trên một kênh được tính bằng việc nhân công suất thu
trung bình của tất cả các người sử dụng với số lượng người sử dụng. Nếu tỷ số công suất tín hiệu thu
được đối với cường độ công suất tạp âm trung bình mà lớn hơn ngưỡng thì kênh đó có thể cung cấp một
chất lượng tín hiệu tốt. Nói cách khác thì giao thoa trong CDMA và TDMA tuân theo luật số lượng nhỏ và
tỷ lệ của thời gian không đạt chất lượng tín hiệu dự định được xác định trong trường hợp xấu.
Các tham số chính xác định dung lượng của hệ thống tổ ong số CDMA bao gồm: độ lợi sử lý, tỷ số
Eb/No (bao gồm cả giới hạn fading yêu cầu), chu kỳ công suất thoại, hiệu quả tái sử dụng tần số và số
lượng búp sóng của anten BS. Hơn nữa, càng nhiều kênh thoại được cung cấp trong hệ thống CDMA có
cùng một tỷ lệ cuộc gọi bị chặn và hiệu quả trung kế cũng tăng lên thì càng nhiều dịch vụ thuê bao được
cung cấp trên một kênh.
Ví dụ, nếu máy di động sử dụng băng tần trải phổ 1,25 MHz để truyền số liệu với tốc độ 9600 b/s thì công
nghệ điều chế và mã hoá đòi hỏi tỷ số Eb/No là 6 dB, công suất phát của tất cả các máy di động được
điều khiển để thu được cùng một công suất từ mỗi máy di động sao cho 32 máy di động có thể truyền
một cách đồng thời. Dung lượng của hệ thống tổ ong giảm do giao thoa của BS bên cạnh và tăng bởi các
yếu tố miêu tả trong chương 3.1.
(8) Tách tín hiệu thoại
Trong thông tin 2 chiều song công tổng quát thì tỷ số chiếm dụng tải của tín hiệu thoại không lớn hơn
khoảng 35%. Trong trường hợp không có tín hiệu thoại trong hệ thống TDMA và FDMA thì khó áp dụng
yếu tố tích cực thoại vì trễ thời gian định vị lại kênh tiếp theo là quá dài. Nhưng do tốc độ truyền dẫn số
liệu giảm nếu không có tín hiệu thoại trong hệ thống CDMA nên giao thoa ở người sử dụng khác giảm
một cách đáng kể. Dung lượng hệ thống CDMA tăng khoảng 2 lần và suy giảm truyền dẫn trung bình của
máy di động giảm khoảng 1/2 vì dung lượng được xác định theo mức giao thoa ở những người sử dụng
khác.
(9) Tái sử dụng tần số và vùng phủ sóng
Tất cả các BS đều tái sử dụng kênh băng rộng trong hệ thống CDMA. Giao thoa tổng ở tín hiệu máy di
động thu được từ BS và giao thoa tạo ra trong các máy di động của cùng một BS và giao thoa tạo ra
trong các máy di động của BS bên cạnh. Nói cách khác, tín hiệu của mỗi một máy di động giao thoa với
tín hiệu của tất cả các máy di động khác. Giao thoa tổng từ tất cả các máy di động bên cạnh bằng một
nửa của giao thoa tổng từ các máy di động khác trong cùng một BS. Hiệu quả tái sử dụng tần số của các
BS không định hướng là khoảng 65%, đó là giao thoa tổng từ các máy di động khác trong cùng một BS
với giao thoa từ tất cả các BS.
Hình 1.13 trình bày giao thoa từ các BS bên cạnh theo %. Giao thoa từ mỗi BS trong vòng biên thứ nhất
tương ứng với 6% của giao thoa tổng.
Hình 1.13: Giao thoa từ BS bên cạnh
Do đó, giao thoa từ vòng biên thứ nhất là gấp 6 lần 6%, tức là 36%, và giao thoa tổng do vòng thứ 2 và
vòng ngoài là nhỏ hơn 4%. Trong trường hợp anten của BS là định hướng (tức là búp sóng anten 120 o)
thì giao thoa trung bình giảm xuống 1/3 vì mỗi anten kiểm soát nhỏ hơn 1/3 số lượng máy di động trong
BS. Do đó, dung lượng cung cấp bởi toàn bộ hệ thống tăng lên xấp xỉ 3 lần.
(10) Giá trị Eb/No thấp (hay C/I) và chống lỗi
Eb/No là tỷ số của năng lượng trên mỗi bit đối với mật độ phổ công suất tạp âm, đó là giá trị tiêu chuẩn
để so sánh hiệu suất của phương pháp điều chế và mã hoá số.
Khái niệm Eb/No tương tự như tỷ số sóng mang tạp âm của phương pháp FM analog. Do độ rộng kêng
băng tần rộng được sử dụng mà hệ thống CDMA cung cấp một hiệu suất và độ dư mã sửa sai cao. Nói
cách khác thì độ rộng kênh bị giới hạn trong hệ thống điều chế số băng tần hẹp, chỉ các mã sửa sai có
hiệu suất và độ dư thấp là được phép sử dụng sao cho giá trị Eb/No cao hơn giá trị mà CDMA yêu cầu.
Mã sửa sai trước được sử dụng trong hệ thống CDMA cùng với giải điều chế số hiệu suất cao. Có thể
tăng dung lượng và giảm công suất yêu cầu với máy phát nhờ giảm Eb/No.
(11) Dung lượng mềm
Hiện tại FCC (Uỷ ban thông tin liên bang của Mỹ) ấn định phổ tần 25 MHz cho hệ thống tổ ong, hệ thống
này được phân bổ đồng đều cho 2 công ty viễn thông theo các vùng. Dải phổ này được phân phối lại
giữa các ô để cho phép sử dụng lớn nhất là 57 kênh FM analog cho một BS 3 - búp sóng. Do đó, thuê
bao thứ 58 sẽ không được phép có cuộc gọi khi lưu lượng bị nghẽn. Khi đó thậm chí một kênh cũng
không được phép thêm vào hệ thống này và dung lượng sẽ giảm khoảng 35% do trạng thái tắc cuộc gọi.
Nói cách khác thì hệ thống CDMA có mối liên quan linh hoạt giữa số lượng người sử dụng và loại dịch
vụ. Ví dụ, người sử dụng hệ thống có thể làm tăng tổng số kênh trong đa số thời gian liên tục đưa đến
việc tăng lỗi bit. Chức năng đó có thể làm tránh được việc tắc cuộc gọi do tắc nghẽn kênh trong trạng thái
chuyển vùng.
Trong hệ thống analog và hệ thống TDMA số thì cuộc gọi được ấn định đối với đường truyền luân phiên
hoặc sự tắc cuộc gọi xảy ra trong trường hợp tắc nghẽn kênh trong trạng thái chuyển vùng. Nhưng trong
hệ thống CDMA thì có thể thoả mãn cuộc gọi thêm vào nhờ việc tăng tỷ lệ lỗi bit cho tới khi cuộc gọi khác
hoàn thành.
Cũng vậy, hệ thống CDMA sử dụng lớp dịch vụ để cung cấp dịch vụ chất lượng cao phụ thuộc vào giá
thành dịch vụ và ấn định công suất (dung lượng) nhiều cho các người sử dụng dịch vụ lớp cao. Có thể
cung cấp thứ tự ưu tiên cao hơn đối với dịch vụ chuyển vùng của người sử dụng lớp dịch vụ cao so với
người sử dụng thông thường.
2. TRẢI PHỔ
Thông tin trải phổ là một hệ thống thông tin để truyền các tín hiệu nhờ trải phổ của các tín hiệu số liệu
thông tin có sử dụng mã với độ rộng băng rộng hơn độ rộng băng của các tín hiệu số liệu thông tin.
Trong trường hợp này thì các mã sử dụng là độc lập với tín hiệu số liệu thông tin. Trải phổ sóng mang
phân loại theo tốc độ truyền lan số liệu, bao gồm: DS (trải trực tiếp), dịch tần, dịch thời gian và loại
hybrid.
2.1 Hệ thống trải 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 tương
đối đơn giản vì chúng không yêu cầu tính ổn định nhanh hoặc tốc độ tổng hợp tần số cao. Hệ thống DS
đã được áp dụng đối với cosmetic space đa dạng như đo khoảng cách JPL bởi Golomb (Thông tin số với
ứng dụng khoảng cách),... Ngày nay kỹ thuật này được áp dụng cho các thiết bị đo có nhiều sự lựa chọn
và nhiều phép tính của dãy mã trong hệ thống thông tin, trong đo lường hoặc trong phòng thí nghiệm.
2.1.1 Đặc tính của tín hiệu DS
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 180o. 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 2 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 vấu bên. 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 2.1 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 2.2 theo trục thời gian. Sóng
mang có lệch pha 180o giữa pha 1 và pha 0 theo dãy mã. Sự khác nhau không thành vấn đề trong đa số
các loại 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.
Hình 2.1: Điều chế loại DS (2 pha)
(1) 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.
(2) 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 mã.
(3) 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 với sóng mang được điều chế
mã thì phổ công suất [ (sin x)/x] 2 được tạo ra hoặc yêu cầu công suất đỉnh.
Hình 2.2 đưa ra sơ đồ khối của mạch thông tin DS điển hình. Nói tương tự như mạch thông tin AM và FM
có sóng mang điều chế mã. Thực tế thì không điều chế sóng mang trực tiếp từ tín hiệu thông tin băng
gốc mà đưa qua thủ tục điều chế nhờ bộ đếm và bộ tích luỹ bởi dãy mã tức thời. 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.
Tín hiệu thu được khuyếch đại và nhân với mã đồng bộ liên quan tại đầu phát và đầu thu. Trong trường
o
hợp đó, nếu các mã tại đầu phát và đầu thu được đồng bộ thì sóng mang tách pha là lớn hơn 180 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.
Hình 2.2: Dạng sóng và cấu hình của hệ thống DS.
Bộ lọc băng 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 liên quan của bộ thu.
2.1.2 Độ rộng băng RF của hệ thống DS
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 sử 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 1Hz trong băng được dùng nên
là nhỏ nhất. Do đó các độ rộng băng rộng được sử dụng. Các độ rộng băng rộng cũng được yêu cầu
trong trường hợp độ lợi sử 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 kỳ 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).
Thực tế thì các hệ thống như vậy liên quan chặt chẽ tới nhiều dạng sóng được chấp nhận cho hệ thống
DS để điều khiển mức năng lượng trong mấu bên. Bảng 2.1 miêu tả qua các đặc tính của các dạng sóng.
Dạng sóng
BPSK
Mấu chính 0-0
2 x nhịp mã
2 x nhịp mã
2 x nhịp mã*
1,5 x nhịp mã
3dB BW
Mấu bên thứ 1
-13 dB
Tốc độ
0,88 x nhịp mã
0,88 x nhịp mã
0,88 x nhịp mã
0,66 x nhịp mã
6 dB/octate
6 dB/octate
6 dB/octate
12 dB/octate
PAM
-13 dB
QPSK
-13 dB
MSK (điển hình)
-23 dB
Bảng 2.1. So sánh các dạng sóng DS
* Mã BPSK đơn yêu cầu 2 mã cho tốc độ chính xác
Thực tế là các tín hiệu DS 2 pha và 4 pha đơn giản với phổ [ (sin x)/ x] 2 có thể được giải thích như sau.
Nếu chu kỳ của xung hình vuông cho trước là T và biên độ là A thì dãy Fourier được giải như dưới đây
khi A=0, T±T/2:
(2-1)
Rõ ràng là công thức 2.1 có dạng sin x/x nghĩa là sự phân bố điện áp của tín hiệu và phân bố công suất
có dạng [ (sin x)/ x] 2 .
Sự phân bố công suất của tín hiệu DS 2 pha và 4 pha đưa ra trên hình 2.3 với biên độ tương ứng với dải
của 2 mấu bên thứ nhất tương ứng với 3 lần tốc độ mã. Trong trường hợp này thì 90% công suất tổng
bao gồm trong băng tương ứng với 2 lần tốc độ mã, 93% tương ứng với 4 lần và 95% tương ứng với 6
lần. Nghĩa là 10% công suất của tín hiệu BPSK hay QPSK bao gồm trong tần số băng bên. Nhưng sự
suy giảm công suất tín hiệu không thành vấn đề chỉ trong giới hạn băng sau. Vì công suất của nhiều hàm
điều hoà bậc cao bao gồm cả tần số băng bên trong điều chế nên giới hạn băng hẹp của băng RF tạo ra
sự giới hạn thời gian lên và xuống của băng điều chế.
Hình 2.3: Phân bố công suất trong phổ [ (sin x)/ x] 2
Mối tương quan tam giác của tín hiệu đã điều chế với một giá trị đỉnh nhọn trở thành tròn do giới hạn
băng tần. Hình 2.4 miêu tả chức năng tương quan của tín hiệu DS và ảnh hưởng của giới hạn băng tần
đến dạng đường bao của RF.
Hình 2.4: Giới hạn độ rộng băng RF
và ảnh hưởng của nó đến các tín hiệu DS thông thường
Truyền dẫn QPSK là một sơ đồ để giới hạn băng tần cao khi tốc độ mã cho trước. QPSK có thể làm giảm
băng RF yêu cầu tới một nửa nhưng độ lợi sử lý giảm đi nhiều. Ví dụ, để truyền thông tin 10 Kb/s với tốc
độ mã 22,75 Mc/s thì yêu cầu độ rộng băng là 20 MHz để điều chế BPSK và độ lợi sử lý là 20 KHz / 10
Kb/s = 2000. Mặt khác vì QPSK yêu cầu chỉ 10 MHz nên độ lợi sử lý giảm 3 dB do đó 10 MHz / 10 Kb/s =
1000. Do đó loại điều chế hay tốc độ mã nên được xác định trong hệ thống áp dụng và tốc độ thông tin
cơ bản, độ lợi sử lý và băng tần sử dụng cũng nên được cân nhắc. Giới hạn băng RF đóng vai trò quan
trọng trong các hệ thống đo khoảng cách sử dụng DS. Như đã chỉ ra trên hình 2.4, suy giảm chất lượng
của chức năng tương quan chịu tổn thất khi điều khiển chính xác thời gian. Nghĩa là giới hạn băng làm
giảm giải pháp khoảng cách của hệ thống đo khoảng cách nhằm tăng khoảng cách đo được
2.2 Hệ thống dịch tần (FH)
Nói một cách chính xác thì điều chế FH là "sự chuyển dịch tần số của nhiều tần số được chọn theo mã".
Nó gần giống như FSK ngoài việc dải chọn lọc tần số tăng lên. FSK đơn giản sử dụng 2 tần số và phát
tín hiệu là f1 khi có ký hiệu và f2 khi không có ký hiệu. Mặt khác thì FH có thể sử dụng vài nghìn tần số.
Trong các hệ thống thực tế thì sự chọn lọc ngẫu nhiên trong 2 20 tần số được phân bổ có thể được chọn
nhờ sự tổ hợp mã theo mỗi thông tin chuyển dịch tần số. Trong FH khoảng dịch giữa các tần số và số
lượng các tần số có thể chọn được được xác định phụ thuộc vào các yêu cầu vị trí đối với việc lắp đặt
cho mục đích đặc biệt.
2.2.1 Đặc tính của tín hiệu dịch tần
Hệ thống FM cơ bản gồm có bộ tạo mã và bộ tổ hợp tần số sao cho có thể đáp ứng được cho đầu ra mã
hoá của bộ tạo mã. Dạng của bộ tổ hợp tần số có các đáp ứng nhanh được sử dụng cho hệ thống trải
phổ. Nếu lý tưởng thì tần số ra từ bộ dịch tần cố định phải là tần số đơn nhưng thực tế thì tần số không
mong muốn như là tần số băng bên cũng được tạo ra cộng thêm vào tần số dự định. Hình 2.5 đưa ra sơ
đồ khối của truyền dẫn dịch tần và hình 2.6 là phổ tần số của bộ dịch tần.
Phổ FH lý tưởng trong một chu kỳ có dạng hình vuông hoàn toàn và phân bố đồng đều trong các kênh
tần số truyền dẫn. Các máy phát trong thực tế cần phải được thiết kế sao cho công suất phân bố đồng
đều trong tất cả các kênh.
Tín hiệu FH thu được tổ hợp với tín hiệu giống như vậy được tạo ra tại chỗ và được quy định bởi một độ
lệch tần nhất định f if của {f1 + f2, ... fn} x {f1 + f IF + f2 + f IF, ..., fm + f IF} được tạo ra trước trạng thái đồng
bộ bởi mã cố định của máy phát và máy thu. Trong trường hợp tín hiệu không trùng khớp với tín hiệu tạo
ra tại chỗ như là hệ thống DS thì tín hiệu tạo ra tại chỗ và độ rộng băng không cần thiết sau khi nhân tần
số được chuyển đổi thành tín hiệu đúng với tín hiệu tạo ra tại chỗ như là hệ thống DS thì tín hiệu tạo ra
tại chỗ và độ rộng băng không cần thiết sau khi nhân tần số được chuyển đổi thành tín hiệu đúng với tín
hiệu tạo ra tại chỗ nhờ việc cùng thay đổi giữa tín hiệu tạo ra tại chỗ và tín hiệu không mong muốn. Tín
hiệu không đồng bộ với cùng băng tần như tín hiệu tạo ra tại chỗ có độ rộng băng gấp đôi tại tần số trung
tâm. Toàn bộ công suất tín hiệu không mong muốn ngoài băng được xoá khỏi tín hiệu tần số trung tâm
nhờ bộ tương quan. Dường như là toàn bộ công suất tín hiệu không mong muốn bị xoá đi vì tín hiệu tần
số trung tâm đó bao gồm một phần băng tần tín hiệu tạo ra tại chỗ.
Hình 2.6: Phổ tín hiệu FH lý tưởng
Như đã miêu tả trong hệ thống DS, hoạt động của hệ thống DS là lý tưởng theo quan điểm là xoá bỏ tín
hiệu giả và tái tạo tín hiệu mong muốn. Nhưng có nhiều sự khác nhau trong các hoạt động cụ thể của hệ
thống.
Độ lợi sử lý của hệ thống FH của kênh bên cạnh là:
(2-2)
Nó giống như hệ thống DS. Nếu không có kênh bên cạnh thì độ lợi sử lý như sau:
G = Tổng sự lựa chọn tần số có thể = N
Điều này cũng áp dụng cho độ lợi sử lý đối với kênh bên cạnh. Ví dụ, hệ thống FH với 1000 sự lựa chọn
tần số có độ lợi sử lý là 30dB. Giới hạn trong việc tính toán đơn giản độ lợi sử lý là sự xuyên âm giữa các
kênh không dự định. Nguồn lỗi làm giảm độ lợi sử lý này sẽ được xem xét một cách đầy đủ trong trường
hợp khó tổ chức kênh chính xác do khuyếch đại.
2.2.2 Tốc độ dịch tần
Tốc độ chuyển đổi tần số tối thiểu áp dụng được cho hệ thống FH được xác định nhờ một vài tham số
như sau:
(1) Loại thông tin truyền đi và tốc độ truyền dẫn thông tin.
(2) Tổng số độ dư được áp dụng.
(3) Khoảng cách tới nguồn giao thoa gần nhất.
Việc truyền thông tin qua hệ thống FH có thể sử dụng các phương pháp khác nhau trong các hệ thống
khác nhau. Dạng tín hiệu số được sử dụng thậm chí với các thông tin bình thường là các tín hiệu analog
hoặc số liệu được mã hoá. Trong trường hợp đó, giả sử rằng tốc độ số được định trước và FH được
chọn là môi trường truyền dẫn.
Hệ thống FH cung cấp một số lượng lớn các tần số và số lượng yêu cầu phụ thuộc vào tốc độ lỗi của hệ
thống. Ví dụ, một hệ thống có 1000 tần số sẽ hoạt động tốt khi giao thoa hoặc các tạp âm khác phân bố
đồng đều trên toàn bộ các tần số. Công suất tạp âm với giao thoa thông tin có thể lớn gấp 1000 lần so
với công suất tần số dự định vì tạp âm được phân bố đồng đều trong tất cả các kênh (Nghĩa là, giới hạn
giao thoa là 30 dB). Trong trường hợp độ dư liên quan đến việc quyết định bit khi thiết bị đo giao thoa
băng tần số đơn hẹp được sử dụng đối với một hoặc nhiều tần số tạo ra tốc độ lỗi là 1.10-3 thì nó có thể
được chấp nhận như giá trị số liệu số. Tốc độ lỗi mong muốn đối với hệ thống FH đơn giản không truyền
độ dư số liệu là J/N. ở đây, J biểu thị công suất giao thoa bằng hoặc lớn hơn công suất tín hiệu và N biểu
thị tổng các tần số có thể trong hệ thống. Vì hệ thống FH nhị phân đơn giản vốn có tốc độ lỗi cao khi giao
thoa nhỏ nên yêu cầu phải có các hệ thống truyền dẫn khác.
Tốc độ lỗi của hệ thống FH có độ dư nhị phân FSK (fa: có ký hiệu, fb: không có ký hiệu) có thể được coi
như là một tổng nhị thức triển khai sau:
(2-4)
ở đây:
p - xác suất lỗi trong một lần thực hiện = J/N
J - Tổng các kênh méo do gián đoạn
N - Tổng các kênh trong FH
q - Xác suất không lỗi trong một lần thực hiện = 1 - p
c - Tổng số chip (tần số truyền dẫn trên một bit thông tin)
r - Tổng số chip lỗi yêu cầu để quyết định lỗi bit
Quyết định chip được định nghĩa là "e", khi công suất gián tiếp của kênh khoảng trống trội hơn công suất
của kênh có ký hiệu thì nó là tổng đầy đủ để tạo ra quyết định không mong muốn.
Nếu 3 hoặc nhiều tần số hơn (chip) được sử dụng cho mỗi một bit truyền dẫn thông tin thì hoạt động có
giao thoa tăng rất lớn. Trong trường hợp quyết định bit ở đầu thu được xác định là No thì 2 phần 3 tốc độ
xác suất lỗi kênh mong muốn (J/N) của thiết bị đo giao thoa kênh đơn là:
khi q = 1 - p , 3p2q = 3(p2- p3) lỗi
Trong 1000 kênh thì p = 1/1000 và q = 1 -1/1000 = 0,999. Do đó tốc độ lỗi giảm xuống tới
Tốc độ lỗi sẽ tốt hơn so với hệ thống đơn giản 1 chip trên một bit. Khả năng tăng độ dư để giảm tốc độ lỗi
bit phụ thuộc vào các tham số hệ thống. Tốc độ lỗi bit giảm khi nhiều chip được truyền đi trên một bit. Tốc
độ dịch tần yêu cầu là tỷ lệ với độ rộng băng RF. Nếu độ rộng băng xác định hoặc sự tương quan của bộ
tổng hợp tần số cho trước thì trade-off giữa sự tăng tổng số chip/bit và sự giảm khả năng ấn định tần số
có thể được xác định.
Các thảo luận trước đây chỉ đề cập đến tần số bên cạnh trong hệ thống FH mà không nói đến sự chồng
lấn của khoảng tần số. Nhưng thực tế không có giới hạn chính xác như vậy và khoảng tần số thu có thể
chồng lấn do các bộ thu sử dụng đối với nhiệu thống kê. Sự chồng lấn như vậy có thể làm giảm độ rộng
băng RF yêu cầu đối với tín hiệu truyền dẫn trải phổ. Hình 2.7 miêu tả sự chồng lấn kênh và sự giảm độ
rộng băng. Hình 2.7(b) miêu tả số lượng các kênh thích nghi với việc tăng gấp đôi độ rộng băng. Trung
tâm của một kênh được định vị tại điểm 0 của kênh bên cạnh (giả sử với việc thu sóng mang không đồng
bộ). Một ví dụ về giới hạn độ rộng băng RF khi giữ tốc độ chip thấp là một kỹ thuật được chấp nhận đối
với hệ thống FH.
Tải về để xem bản đầy đủ
63 trang
26580
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Công nghệ CDMA", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_cong_nghe_cdma.doc
