Tiểu luận môn Kỹ Thuật Trải Phổ Nguyễn Văn Linh – CB110868 Lớp 11KTTT1B Page 1 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 3, MARCH 2002 6 Trải Phổ Dãy Trực Tiếp Cho Các Kênh Đa Đường Direct-Sequence Spread-Spectrum Communication For Multipath Channels Michael B. Pursley, Fellow, IEEE Invited Paper Dịch : Nguyễn Văn Linh Abstract—Direct-sequence spread spectrum has been adopted for many current and future cellular CDMA communication systems, and it is also used widely for military communication networks and systems. One of the motivations for employing direct-sequence spread spectrum is its ability to combat fading due to multipath propagation. The use of direct-sequence spread spectrum to resolve multipath signals is discussed and illustrated. The role of a rake receiver is described, and tradeoffs in the selection of the chip rate for the spread-spectrum system are discussed Index Terms—Fading, multipath channels, spread-spectrum. Trải phổ dãy trực tiếp được sử dụng trong các cell hệ thống CDMA hiện nay và tương lai, và nó cũng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống mạng quân sự. Một trong những động lực cho việc sử dụng trải phổ dãy trực tiếp chính là khả năng chống lại fading do truyền đa đường. Lợi ích của trải phổ trực tiếp là giải quyết tín hiệu đa đường sẽ được thảo luận và làm rõ. Vai trò của bộ thu rake và sự cân bằng trong lựa chọn tốc độ chip cho hệ thống trải phổ cũng được miêu tả. Thuật ngữ : fading, kênh đa đường, trải phổ. Tiểu luận môn Kỹ Thuật Trải Phổ Nguyễn Văn Linh – CB110868 Lớp 11KTTT1B Page 2 I. Giới thiệu Công nghệ trải phổ có thể cung cấp một cách đáng tin cậy các phương pháp hữu hiệu cho giao tiếp nhiều kênh. Để phát triển hệ thống trải phổ với mục đích này, chúng ta cần biết nhân tố “chìa khóa” của môi trường lan truyền và lựa chọn thông số của tín hiệu trải phổ và bộ giải điều chế. Một trong những nhân tố quan trọng của các kênh đa đường và sự cân bằng mà trong quá trình thiết kế hệ thống trải phổ cho kênh như này được chỉ rõ trong bài báo này Nhấn mạnh trong việc giải thích trực giác mà dựa trên mô hình tất định đơn giản của lan truyền đa đường. Các phép phân tích trải phổ trực tiếp: Bản tóm tắt một vài lợi ích của việc trải phổ trực tiếp xem mục II, mô hình toán học cho tín hiệu trải phổ trực tiếp xem mục III. Thêm vào đó thảo luận việc lựa chọn tốc độ chip cũng được nêu trong bài báo này. Không thể nói đây là một bài hoàn hảo nhưng mở ra một vài gọi ý cho người đọc giữa vô vàn tài liệu tham khảo. II. Một vài lợi ích của trải phổ dãy trực tiếp Có rất nhiều công nghệ giao tiếp mà được phân loại bởi tất cả các chuyên gia là trải phổ trực tiếp. Định nghĩa cổ điển của tín hiệu trải phổ là một tín hiệu mà chiếm giữ một băng tần rộng hơn so với băng tần mà tốc độ dữ liệu yêu cầu. Định nghĩa này có thể hữu ích cho một vài mục đích tuy nhiên có một vài thiếu sót. Ví dụ, một tín hiệu khóa dịch pha (PSK) nhị phân chuẩn với PSK trên bit dữ liệu không được xem là trải phổ nhưng có rất nhiều công nghệ điều chế mà cung cấp tốc độ dữ liệu như vậy với băng thông nhỏ hơn. Thêm vào nữa định nghĩa truyền thống này không nói cho chúng ta biết lượng băng thông phải được mở rộng ở phía bên kia là bao nhiêu để tín hiệu là tín hiệu trải phổ. Thật may mắn là không yêu cầu một định nghĩa tỉ mỉ cho bài thảo luận của chúng ta. Những tín hiệu trải phổ này thu được bởi điều chế trực tiếp dữ liệu bằng tín hiệu băng thông rộng nhận được từ một chuỗi số. Tín hiệu trải phổ trực tiếp cơ bản RF trong ví dụ của chúng ta mượn giải điều chế khóa dịch biên (ASK) nhị phân cho điều chế dữ liệu và trải phổ. Tín hiệu được định nghĩa như: S(t) = Aa(t)d(t)cos(w c +θ) (1) Trong đó A là biên độ tín hiệu Tiểu luận môn Kỹ Thuật Trải Phổ Nguyễn Văn Linh – CB110868 Lớp 11KTTT1B Page 3 a(t) là một dãy xung hình chữ nhật chu kỳ Tc d(t) là dãy xung hình chữ nhật chu kỳ T đại diện cho dữ liệu số Trong hầu hết các trường hợp, T=NTc. Tín hiệu α(t) được xem như tín hiệu trải ra hay tín hiệu ý nghĩa. Xung đơn vị làm cho tín hiệu trải ra thường tham chiếu với các chip, và dạng của xung đơn vị tham chiếu với “sóng” chip – chip waveform. Tốc độ chip là Rc=1/Tc và tốc độ dữ liệu là Rd=1/T. Trong suốt bài báo này chúng ta coi băng thông của a(t) là nhỏ hơn nhiều so với tần số sóng mang fc=w c /2π yêu cầu Rc≪fc. Hình 1: trải phổ dãy trực tiếp Xung hình chữ nhật , khoảng thời gian λ được định nghĩa ρ λ (t)=1 với 0≤t<λ và ρ λ (t)=0 cho tất cả các giá trị khác của t. Biên độ của xung cho α(t) được lấy từ chuỗi (x n ) = …. ,x -1 ,x 0 ,x 1 ,x 2 ,….,được xem như chuỗi trả hay chuỗi ý nghĩa. Đối với sóng chíp hình chữ nhật , tín hiệu spreding mà được ứng dụng trong ký hiệu dữ liệu đơn có thể được diễn tả như sau : a(t)= 1 0 N n    x n ρTc(t-nTc), 0≤t<T (2) Tiểu luận môn Kỹ Thuật Trải Phổ Nguyễn Văn Linh – CB110868 Lớp 11KTTT1B Page 4 Dữ liệu tương ứng với công thức trên là d(t)=d 0 ρ T (t) trong đó d 0 bao hàm cả ký hiệu . Đối với một thông điệp hay một gói dữ liệu với một vài ký hiệu dữ liệu, giới hạn về kết quả và khoảng thời gian đối với α(t) được xác định bởi chiều dài của thông điệp. Chuỗi (x n ) có thể là tuần hoàn (trong trường hợp chuỗi lặp lại trong thời gian của thông điệp). Hoặc nó có thể là chuỗi không lặp lại hoặc chu kỳ vượt quá chiều dài của thông điệp Nếu tập trung và tín hiệu băng cơ bản β(t)=Aa(t)d(t), chúng ta sẽ nhận ra rằng quá trình điều chế trải phổ dãy trực tiếp biến đổi mỗi xung dữ liệu thành tín hiệu trải phổ như trên hình 1. Tín hiệu trải phổ chuyển thông tin giống với tín hiệu dữ liệu gốc, nhưng chiếm băng tần rộng hơn với N>1. Băng thông mở rộng tỉ lệ với N (minh họa trên hình 1 với N=7), đồ thị với búp sóng chính và 2 búp sóng biên của cường độ D(f),biến đổi Fourier của xung dữ liệu chỉ ra trên hình 1. Đồng thời đồ thị cũng chỉ ra đồ thị tương quang của cường độ C(f), biến đổi Fourier của “sóng” chip. Chú ý rằng tốc độ dữ liệu R d =1/T và tốc độ chip R c =1/Tc tương ứng với giá trị null đầu tiên của D(f) và C(f). Việc tăng băng thông như trong hình 1 là nguyên nhân đặt tên cho tín hiệu a(t) là tín hiệu trải và (x n ) là chuỗi trải. Nếu băng thông của tín hiệu trải phổ được yêu cầu lớn hơn rất nhiều so với băng thông của tín hiệu dữ liệu thì đòi hỏi Rc≫R d ,với N≫1. Trong nhiều ứng dụng, mỗi thành phần của chuỗi x n có giá trị là +1 hoặc -1. Như một chuỗi nhị phận được sinh ra bởi các thiết bị logic thành chuỗi 0 và 1 sau đó biến đổi 0→+1 và1 →-1. Một vài chuỗi được dùng trong trải phổ như chuỗi độ dài cực đại –chuỗi m. Như một kết quả của các đặc tính ngẫu nhiên, cuỗi m đôi khi coi là chuỗi giả ngẫu nhiên. Một vài tác giả dùng thuật ngữ giả ngẫu nhiên pseudorandom một cách rộng rãi bao hàm các chuỗi đáng chú ý khác trong trải phổ. Các chuỗi như vậy không phải có tất cả các tính ngẫu nhiên của chuỗi m, nhưng nhiều trong số đó có những tính chất cần thiết trong hệ thông trải phổ nên chúng vẫn được quan tâm. Trải phổ dãy trực tiếp là một trong những phương pháp trải phổ cổ điển nhất. Nó được dùng trong những hệ thống nổi tiếng như Hệ thống định vị toàn cầu GPS, Hệ thống vệ tinh phát hiện và chuyển tiếp dữ liệu của NASA (TDRSS), Hệ thống phân phát thông tin chiến lược (JTIDS), hệ thống cell điện thoại di Tiểu luận môn Kỹ Thuật Trải Phổ Nguyễn Văn Linh – CB110868 Lớp 11KTTT1B Page 5 động IS, và hệ thống điện thoại thế hệ thứ 3. Một trong những lý do cho sự phổ biến của kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp là nó có thể cung cấp phương pháp giao tiếp tin cậy trong nhiều loại nhiễu khác nhau, bao gồm nhiễu từ bên phát thuộc hệ thống , nhiễu đa đường, và nhiễu RF từ bộ phát không thuộc hệ thống. Nhiễu từ bộ phát mà một phần thuộc hệ thống trải phổ được hiểu như nhiễu đa truy nhập, và khả năng của một hệ thống phù hợp với truyền thồng thời ở băng tần giống nhau được xem như khả năng đa truy nhập. Để cung cấp khả năng đa truy nhập trong hệ thống trải phổ dãy trực tiếp, chuỗi (x n ) được dùng để xác định một tín hiệu riêng lẻ, đó là lý do mà chuỗi (x n ) được gọi là chuỗi ý nghĩa. Khả năng đa truy nhập là do trải phổ dãy trực tiếp hoặc trải phổ nhảy tần. Bằng cách dùng một trong những dạng trải phổ trên, cặp thu-phát có thể giao tiếp tin cậy ở trên một băng tần cùng lúc. Với một trong các loại điều chế trải phổ ,một hệ thống trải phổ đa truy nhập (SSMA) được thiết kế tốt có thể duy trì mức méo thấp có thể chấp nhận được. Trong giao tiếp tế bào (cell) và một vài ứng dụng trước đó, SSMA được hiểu như CDMA. Hình 2 : Đa đường Dạng khác của nhiễu thấy trong di động là nhiễu đa đường, minh họa đơn giản trên hình 2. Vì sự phản xạ của vật trong đường truyền, nhiều bản copy của tín hiệu truyền đi có thể được nhận lại. Những bản khác nhau của tín hiệu này phần offset trong thời gian và pha vì vậy có thểm cộng trong pha hoặc phá ngoài pha. Điều chế trải phổ dãy trực tiếp chống lại đa đường bằng cách cho phép sự khác biệt chống lại thành phần đa đường không mong muốn . Khi sử dụng kết hợp với bộ Tiểu luận môn Kỹ Thuật Trải Phổ Nguyễn Văn Linh – CB110868 Lớp 11KTTT1B Page 6 thu nghiêng, trải phổ dãy trực tiếp cho phép kết hợp tối thiểu vài thành phần đa đường Ưu điểm của giao tiếp tế bào CDMA dãy trực tiếp là khả năng giao tiếp tin cậy trong môi trường đa đường. Lợi ích là khả năng dùng chuyền giao mềm cho thiết bị đầu cuối di động trong dải của một hoặc 2 trạm cơ bản. Thêm vào đo là tín hiệu truyền đi từ một hoặc 2 trạm cơ bản có thể coi như các thành phần đa đường và kết hợp trong bộ thu nghiêng của thiết bị đầu cuối di động Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp cung cấp sự bảo vệ chống lại nhiễu và hoạt động với mật đổ phổ năng lượng thấp để dễ dàng cùng tồn tại với các hệ thống khác. Trải phổ được thiết kế tốt cũng khó cho bên thu, mà không có quyền, phát hiện ra. III. Tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp Mặc dù chúng ta chỉ tập trung vào tín hiệu được định nghĩa trong (1) và (2), tuy nhiên có nhiều dạng khác thường được sử dụng của tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp. Một trong số đó là s(t)=Aα(t)cos(w c t+θ) (3) Ttrong đó α(t) đại diện cho dữ liệu và việc trải ra của phổ. Nếu chuỗi ký hiệu dữ liệu biểu diễn bằng (d m ) và chip waveform là ψ(t), sau đó α(t) được xác định : α(t) =   / n nN n dx  ψ (t-nTc) (4) Trong đó /nN đại diện cho phần nguyên của số thực n/N và dải cửa kết quả phụ thuojc vào số ký hiệu dữ liệu. Như trong (2) có N chip / số ký hiệu dữ liệu thì kết quả trong 4 có từ 0 đến LN-1 nếu ký hiệu dữ liệu là d0,d1,d2…d L-1 được truyền đi. Dạng sóng chip ψ(t) không cần thiết là dạng chữ nhật và thời gian có thể vượt quá Tc. Tín hiệu được định nghĩa trong (3) và(4) là ví dục của điều chế ASK. Nếu giá trị d m và x n là giới hạn +1 hoặc -1 và chip và xung dữ liệu hình chữ nhật, tín hiệu ASK cuối cùng là bằng ( về mặt toán học) với tín hiệu BPSK Trong trường hợp đặc biệt này, α(t)=a(t)d(t) vì vậy (3) và (4) cho tín hiệu giống (1) và (2). Hai tín hiệu ASK có thể kết hợp với nhau cho tín hiệu dạng Tiểu luận môn Kỹ Thuật Trải Phổ Nguyễn Văn Linh – CB110868 Lớp 11KTTT1B Page 7 s(t)=A{ α 1 (t)cos(w c t+θ) – α 2 (t)sin(w c t+θ) } (5) gọi là tín hiệu QASK. Nói chung , α 1 (t) và α 2 (t) được định nghĩa bởi (4) nhưng hai tín hiệu có thể khác nhau tập ký hiệu dữ liệu và chuỗi trải phổ.Với sự giới hạn phù hợp trong các ký hiệu dữ liệu và tín hiệu trải phổ, tín hiệu QASK bằng ( về mặt toán học) với tín hiệu QPSK. Chip trong thành phần “in-phase) ở (5) có thể offset trong thời gian từ chip trong thành phần pha vuông focs bởi phép nhân số lẻ lần Tc/2 để tạo ra offset QASK hoặc QPSK. Những dạng sóng chip khác cũng được ví dụ xung sin cho MSK nếu cùng thời gian offset Có thuận lợi để diễn tả những tín hiệu như vậy dưới dạng phức. Tín hiệu phức ứng với (5) là ŝ (t) = () c jw t te  , trong đó ( ) ( ) j t A t e    là tín hiệu băng tần cơ bản và α(t) = α 1 (t)+j α 2 (t). Tín hiệu truyền thực sự là phần thực của tín hiệu phức. Thật dễ dàng biểu diễn tín hiệu trong (5) dưới dạng s(t) = Re{ ŝ (t) }. Nhiều đặc tính của trải phổ thấy được từ đặc điểm của α(t), vì vậy thuận làm việc với băng tần cơ bản ( ) ( ) j t A t e    . Sự đại diện tín hiệu này giữ vai trò quan trọng là tương tự với sự đại diện pha của tín hiệu sin. Băng tần cơ bản cho (1) là ( ) ( ) ( ) j t A t d t e    (6) Chú ý rằng nếu thời gian trễ Δ được nói trong (1), (3), (5), pha thay đổi một lượng ϕ 0 =-w c Δ. Vì vậy , trễ tín hiệu ví dụ là β(t-Δ)=Aα(t-Δ)d(t-Δ) () o j e   (7) Tiểu luận môn Kỹ Thuật Trải Phổ Nguyễn Văn Linh – CB110868 Lớp 11KTTT1B Page 8 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P.A. Bello, “Characterization of randomly time-variant linear channels,”IEEE Trans. Commun. Syst., vol. CS-11, pp. 8360–8393, Dec. 1963. [2] C. R. Cahn, “Spread spread applications and state-of-the-art equipments,” in Spread Spectrum Communications, ser. AGARD Lecture 58:North Atlantic Treaty Org., July 1973. [3] R. C. Dixon, Spread Spectrum Systems, 2nd ed. New York: Wiley,1984. [4] P. K. Enge, “The global positioning system: Signals, measurements,and performance,” Int. J. Wireless Inform. Networks, vol. 1, no. 2, pp.83–105, 1994. [5] S. W. Golomb et al., Digital Communications With Space Applications. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1964. [6] S. W. Golomb, Shift Register Sequences. San Francisco, CA:Holden-Day, 1967. [7] H. Holma and A. Toskala, WCDMA for UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communications. New York: Wiley, 2000. [8] J. K. Holmes, Coherent Spread Spectrum Systems. New York: Wiley,1982. [9] “Channel and propagation models for wireless system design: Part I,”IEEE J. Select. Areas Commun., May 2002, to be published. [10] “Channel and propagation models for wireless system design: Part II,”IEEE J. Select. Areas Commun., Aug. 2002, to be published. [11] L. B. Milstein, “Wideband code division multiple access,” IEEE J. Se- lect. Areas Commun., vol. 18, pp. 1344–1354, Aug. 2000. [12] L. B.Milstein et al., “On the feasibility of a CDMA overlay for personal communication networks,” IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 10, pp. 655–668, May 1992. Tiểu luận môn Kỹ Thuật Trải Phổ Nguyễn Văn Linh – CB110868 Lớp 11KTTT1B Page 9 [13] D. L. Nicholson, Spread Spectrum Signal Design: LPE & AJ Systems. Rockville, MD: Computer Science, 1988. [14] D. L. Noneaker and M. B. Pursley, “On the chip rate of CDMA systems with doubly selective fading and rake reception,” IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 12, pp. 853–861, June 1994. [15] , “Selection of spreading sequences for direct-sequence spread-spectrum communications over a doubly selective fading channel,” IEEE Trans. Commun., vol. 42, pp. 3171–3177, Dec. 1994. . sử dụng trải phổ dãy trực tiếp chính là khả năng chống lại fading do truyền đa đường. Lợi ích của trải phổ trực tiếp là giải quyết tín hiệu đa đường sẽ. Một vài lợi ích của trải phổ dãy trực tiếp Có rất nhiều công nghệ giao tiếp mà được phân loại bởi tất cả các chuyên gia là trải phổ trực tiếp. Định nghĩa