nghiên cứu mạng thông tin di động

Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG
1. 1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động
Thông tin di động được ứng dụng cho nghiệp vụ cảnh sát từ những năm 20
ở băng tần 2MHz. Sau thế chiến thứ 2 mới xuất hiện thông tin di động điện thoại
dân dụng (1939-1945) với kỹ thuật FM ở băng sóng 150MHz. Năm 1948, một
hệ thống thông tin di động hoàn toàn tự động đầu tiên ra đời ở Richmond -
Indian. Từ những năm 60, kênh thông tin di động có dải tần số 30Khz với kỹ
thuật FM ở băng tần 450MHz đưa hiệu suất sử dụng phổ tần tăng gấp 4 lần so
với cuối thế chiến thứ 2.
Quan niệm về cellular bắt đầu từ cuối những năm 40 với Bell thay thế cho
mô hình quảng bá với máy phát công suất lớn và Anten đặt cao, là những cell có
diện tích bé có máy phát BTS công suất nhỏ, khi các cell ở cách nhau đủ xa thì
có thể sử dụng lại cùng tần số. Tháng 12/1971 đưa ra hệ thống cellular kỹ thuật
tương tự, sử dụng phương pháp điều tần FM, dải tần 850MHz. Tương ứng là sản
phẩm thương nghiệp AMPS với tiêu chuẩn do AT & T và MOTOROLAR của
Mỹ đề xuất sử dụng được ra đời vào năm 1983. Đầu những năm 90 thế hệ đầu
tiên của thông tin di động tế bào đã bao gồm hàng loạt các hệ thống ở các nước
khác nhau như: TACS, NMTS, NAMTS, C, Tuy nhiên các hệ thống này
không thoả mãn được nhu cầu ngày càng tăng của nhu cầu sử dụng và trước hết
là về dung lượng. Mặt khác các tiêu chuẩn hệ thống không tương thích nhau làm
cho sự chuyển giao không đủ rộng như mong muốn (việc liên lạc ngoài biên giới
là không thể). Những vấn đề trên đặt ra cho thế hệ 2 thông tin di động tế bào
phải lựu chọn giải pháp kỹ thuật: kỹ thuật tương tự hay kỹ thuật số. Các tổ chức
tiêu chuẩn hoá đa số đều lựa chọn kỹ thuật số.
Trước hết kỹ thuật số bảo đảm chất lượng cao hơn trong môi trường nhiễu mạnh
và khả năng tiềm tàng về một dung lượng lớn hơn.
Sử dụng kỹ thuật số có ưu điểm sau:
 Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao
hơn.
 Mã hoá tín hiệu thoại với tốc độ ngày càng thấp cho phép ghép nhiều

kênh thoại hơn và dòng bít tốc độ chuẩn.
 Giảm tỉ lệ tin tức báo hiệu dành tỉ lệ tin tức lớn hơn cho người sử dụng.
Nguyễn Xuân Phương - 1 - Lớp : K5B
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
 áp dụng kỹ thuật mã hoá kênh và mã hoá nguồn của kỹ thuật truyền dẫn
số.
 Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI (Cochannel Interference) và
chống nhiễu kênh kề ACI (Adjacent-Channel Interference) hiệu quả hơn.
Điều này cuối cùng làm tăng dung lượng của hệ thống.
 Điều khiển động cho cấp phát kênh liên lạc làm cho việc sử dụng tần số
hiệu quả hơn.
 Có nhều dịch vụ mới nhận thực, số liệu, mật mã hoá và kết nối với ISDN.
 Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo
hiệu liên tục đều dễ dàng xử lý bằng phương pháp số.
 Hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ thứ hai có ba tiêu chuẩn chính:
GMS, IS - 54 (bao gồm cả tiêu chuẩn AMPS), JDC.
Tuy nhiên các hệ thông thông tin di động thế hệ thứ hai cũng tồn tại một số
nhược điểm như sau: Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống là bị hạn chế nên
việc ứng dụng các dịch vụ dữ liệu bị hạn chế, không thể đáp ứng được các yêu
cầu phát triển cho các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện cho tương lai,
đồng thời tiêu chuẩn cho các hệ thống thế hệ thứ hai là không thống nhất do 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. Do đó việc thực hiện chuyển mạng toàn cầu gặp
phải nhiều khó khăn.
Bắt đầu từ những năm cuối của thập niên 90 hệ thống thông tin di động thế
hệ thứ ba ra đời bằng kỹ thuật đa truy nhập CDMA và TDMA cải tiến. 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 GPRS và Ommi-TRACKS, phương pháp này cũng đã
được đề xuất trong hệ thống tổ ong của QUALCOM - 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
Nguyễn Xuân Phương - 2 - Lớp : K5B
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng
bộ thu được.
So với hai hệ thống thông tin di động thứ nhất và thứ hai thì hệ thống thông
tin di động thế hệ thứ ba là hệ thống đa dịch vụ và đa phương tiện được phủ
khắp toàn cầu. Một trong những đặc điểm của nó là có thể chuyển mạng, hoạt
động mọi lúc, mọi nơi là đều thực hiện được. Điều đó có nghĩa là mỗi thuê bao
di động đều được gán một mã số về nhận dạng thông tin cá nhân, khi máy ở bất
cứ nơi nào, quốc gia nào trên thế giới đều có thể định vị được vị trí chính xác
của thuê bao. Ngoài ra hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là một hệ thống
đa dịch vụ, thuê bao có thể thực hiện các dịch vụ thông tin dữ liệu cao và thông
tin đa phương tiện băng rộng như: hộp thư thoại, truyền Fax, truyền dữ liệu,
chuyển vùng quốc tế, Wap (giao thức ứng dụng không dây) để truy cập vào
mạng Internet, đọc báo chí, tra cứu thông tin, hình ảnh Do đặc điểm băng tần
rộng nên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba còn có thể cung cấp các dịch
vụ truyền hình ảnh, âm thanh , cung cấp các dịch vụ điện thoại thấy hình
1.2 Cấu hình của hệ thống thông tin di động
Hệ thống điện thoại di động tổ ong bao gồm có ba phần chính là máy di
động MS (Mobile Station), trạm gốc BS (Base Station), và Tổng đài di động
(MSC).
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 (MS) 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
thập 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
Nguyễn Xuân Phương - 3 - Lớp : K5B
Tổng đài đầu cuối
Đến các máy thu
Máyphát
Bộ điều khiển hệ thống
Tới PSTN
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
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.

Hình 1.1: Sơ đồ kết nối trong hệ thống TTDĐ
Với hệ thống này, do các máy phát thường có công suất lớn hơn nhiều
(500W) so với các máy di động (25W). Và đương nhiên anten của máy di động
thường ở mức thấp hơn nhiều so với anten phát. Để cự ly thông tin của hệ thống
Nguyễn Xuân Phương - 4 - Lớp : K5B
MSC# 1
MSC# 2
Tới PSTN hoặc các mạng khác
Tới PSTN hoặc các mạng khác
Cell A
Cell B
. . .
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
được như nhau theo cả hai chiều, người ta thường dùng các trạm đầu xa chứa
các máy thu. Các trạm đầu xa này sẽ thu nhận tín hiệu phát của máy di động và
gửi chuyển tiếp tín hiệu đó trở lại bộ điều khiển hệ thống để xử lý.
Trong khi đó, đối với mạng tế bào người ta lại bố trí các máy thu/phát
trong vô số các tế bào nhỏ trong phạm vi của vùng bao phủ. Các máy thu/phát
được điều khiển bởi một bộ xử lý trung tâm hoặc một tổng đài, sao cho thuê bao
có thể di chuyển giữa các cell mà dịch vụ vẫn được duy trì. Điều này cho phép
tái sử dụng lại tần số và tạo điều kiện để mạng tế bào có tiềm năng dung lượng
lớn hơn nhiều so với các hệ thống thông tin di động trước đây.
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.
Hình 1.2: Hệ thống thông tin di động tế bào điển hình.
Nguyễn Xuân Phương - 5 - Lớp : K5B
Tuyến kết nối
30 KHz kênh 1
Thoại analog

30 KHz kênh 832
.
.
.
Thoại analog
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
1.3 Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin di động
1.4.1 Nguyên tắc chung
Để làm tăng dung lượng của dải vô tuyến dùng trong một lĩnh vực nào đó, và
có thể cho phép nhiều người cùng khai thác chung một tài nguyên trong cùng
thời điểm, chẳng hạn như trong thông tin di động thì người ta phải sử dụng kỹ
thuật đa truy nhập. Hiện nay có ba hình thức đa truy nhập khác nhau là:
 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple
Access).
 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple
Access).
 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access).
Liên quan đến việc ghép kênh là dải thông mà mỗi kênh hoặc mỗi mạch
chiếm trong một băng tần nào đó. Trong mỗi hệ thống ghép kênh đều sử dụng
khái niệm đa truy nhập, điều này có nghĩa là các kênh vô tuyến được nhiều thuê
bao dùng chung chứ không phải là mỗi khách hàng được gán cho một tần số
riêng.
1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
Đối với các hệ thống tế bào hiện đang sử dụng kỹ thuật ghép kênh FDMA,
đều chia toàn bộ băng tần được phân phối cho một nhà khai thác mạng tế bào
(Khoảng 25 MHz) thành các kênh rời rạc. Vì mỗi kênh thường có độ rộng dải là
30 KHz, cho nên hệ thống có tất cả 832 kênh khả dụng. Mỗi cuộc đàm thoại cần
sử dụng hai tần số, cho nên mỗi nhà khai thác có 416 cặp tần số khả dụng. Mỗi
cặp có thể gán cho một thuê bao mạng tế bào vào bất kỳ lúc nào.
Thiết bị di động sử dụng kỹ thuật FDMA ít phức tạp hơn so với các thiết bị sử

dụng các kỹ thuật ghép kênh khác và nói chung giá thành cũng rẻ hơn. Tuy
nhiên, do mỗi kênh cần dùng một máy phát và một máy thu riêng biệt. Cho nên
FDMA đòi hỏi rất nhiều thiết bị tại vị trí trạm gốc. Kỹ thuật FDMA có khả năng
sử dụng được với cả các hệ thống truyền dẫn số (Digital) lẫn các hệ thống truyền
dẫn tương tự (Analog).
Sau đây là minh hoạ về kỹ thuật FDMA sử dụng cho hệ thống tế bào analog
ở Hoa Kỳ:
Nguyễn Xuân Phương - 6 - Lớp : K5B
30 kHz kênh 1
30 kHz kênh 832
.
.
.
Bộ biến
đổi A/D
Bộ biến
đổi A/D
Bộ biến
đổi A/D
Bộ biến
đổi A/D
Bộ biến
đổi A/D
Bộ biến
đổi A/D
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)

(6)
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
Hình 1.3: Kỹ thuật FDMA trong TTDĐ.
Như vậy, mỗi kênh chiếm dải thông và đáp ứng cho một cuộc đàm thoại. Tần
số của mỗi kênh tuy khác nhau nhưng trong cùng thời gian thì nhiều máy vô
tuyến có thể truy nhập tới được.
1.4.3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
Với TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời gian. Từng cuộc
đàm thoại được biến đổi thành tín hiệu số và sau đó được gán cho một trong
những khe thời gian này. Số lượng khe trong một kênh có thể thay đổi bởi vì nó
là một nhiệm vụ của 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 đại
lượng dải thông như vậy.
TDMA là một hệ thống phức tạp hơn FDMA, bởi vì tiếng nói phải được số
hoá hoặc mã hoá, sau đó được lưu trữ vào một bộ nhớ đệm để gán cho một khe
thời gian trống và cuối cùng mới phát đi. Do đó việc truyền dẫn tín hiệu là
không liên tục và tốc độ truyền dẫn phải lớn hơn vài lần tốc độ mã hoá. Ngoài
ra, do có nhiều thông tin hơn chứa trong cùng một dải thông nên thiết bị TDMA
phải được sử dụng kỹ thuật phức tạp hơn để cân bằng tín hiệu thu nhằm duy trì
chất lượng của tín hiệu.
Hình vẽ dưới đây minh hoạ kỹ thuật TDMA, các kênh analog 30 KHz dùng
cho mạng tế bào hỗ trợ được ba kênh digital. Các đường truyền âm thanh analog
của mỗi cuộc đàm thoại đi qua bộ biến đổi A/D và sau đó chiếm một khe thời
gian trong kênh analog 30 kHz.
Nguyễn Xuân Phương - 7 - Lớp : K5B
Bộ biến
đổi A/D
Tạo
mã

Bộ biến
đổi A/D
Tạo
mã
(20)
Bộ biến
đổi A/D
Tạo
mã
Bộ biến
đổi A/D
Tạo
mã
(20)
1,25 MHz kênh 1
1,25 MHz kênh 20
.
.
.
(1)
(1)
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
Hình 1.4: Kỹ thuật TDMA
1.4.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)
Trong kỹ thuật CDMA, tín hiệu mang thông tin (ví dụ như tiếng nói) được
biến đổi thành tín hiệu digital, sau đó được trộn với một mã giống như mã ngẫu
nhiên. Tín hiệu tổng cộng, tức tiếng nói cộng với mã giả ngẫu nhiên, khi đó
được phát trong một dải tần rộng nhờ một kỹ thuật gọi là trải phổ.
Không giống FDMA hay TDMA, truyền dẫn trải phổ mà CDMA sử dụng đòi
hỏi các kênh có dải thông tương đối rộng (Thường là 1,25 MHz). Tuy nhiên theo

tính toán lý thuyết thì CDMA có thể chứa được số thuê bao lớn gấp khoảng 20
lần mà FDMA có thể có trong một dải thông tổng cộng như nhau .
Hình vẽ dưới đây là một minh hoạ của kỹ thuật CDMA. Dải thông tăng từ 30
KHz lên 1,25 MHz, nhưng trong dải thông này bây giờ còn xấp xỉ 20 cuộc đàm
thoại. Mỗi đường thoại analog trước hết được biến đổi thành digital nhờ bộ biến
đổi A/D đúng như với TDMA. Tuy nhiên sau đó thêm một bước nữa là chèn
một mã đặc biệt qua một bộ tạo mã. Sau đó tín hiệu được phát đi, trải rộng thêm
1,25 MHz dải thông chứ không chiếm một khe thời gian riêng trong dải này.
.
Nguyễn Xuân Phương - 8 - Lớp : K5B
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
Hình 1.5: Kỹ thuật CDMA
1.4.5 So sánh các công nghệ FDMA, TDMA với CDMA ứng dụng trong
thông tin di động tế bào
Trong FDMA mỗi một khe tần số được dành riêng cho một người sử dụng và
người này sẽ dùng khe tần số này suốt quá trình cuộc gọi . Trong sơ đồ TDMA
mỗi người dùng được cấp cho một khe thời gian trong quá trình gọi. Số lượng
người dùng được quyết định bởi số lượng các khe thời gian hay tần số khác nhau
có sẵn. Trong sơ đồ CDMA tất cả các người dùng phát đồng thời và trên một tần
số. Tín hiệu được phát đi chiếm toàn bộ dải thông của hệ thống và các dãy mã
được sử dụng để phân biệt người sử dụng này với người sử dụng kia.
CDMA hơn hẳn so với các kỹ thuật đa truy nhập khác. Nó có thể tính được
phương sai trong hàm truyền của kênh gây ra bởi bộ chọn lọc tần số. Các máy
thu CDMA được thiết kế để tận dụng ưu điểm từ đặc tính nhiều đường liên quan
đến fading chọn lọc tần số và để làm giảm tối thiểu ảnh hưởng của chúng đến
dung lượng của hệ thống.
Ưu điểm chủ yếu về dung lượng của CDMA có được trong môi trường vô tuyến
đa tế bào. Trong thông tin di động trước đây một trạm gốc công suất lớn được sử
dụng để phủ sóng cho một vùng rộng lớn. Hệ thống này bị hạn chế khắt khe về
mặt băng tần và không thể đáp ứng các dịch vụ di động. Trong hệ thống điện

thoại di động tế bào, máy phát của trạm gốc đơn lẻ được thay thế bởi rất nhiều
các trạm gốc có công suất nhỏ hơn, mỗi máy phát phủ sóng cho một vùng có
dạng tổ ong, gọi là một tế bào. Trong các hệ thống FDMA hay TDMA mỗi tế
bào được chia cho một phần tử của dãy tần số có sẵn. Dãy tần được dùng trong
một tế bào có thể được sử dụng lại trong tế bào khác cách đó đủ xa sao cho tín
hiệu trong hai tế bào này không gây nhiễu đến nhau. Số K tế bào sử dụng hết
toàn bộ phổ tần có sẵn được gọi là cluster (cụm). Các cluster được bố trí như
hình vẽ sau:
Nguyễn Xuân Phương - 9 - Lớp : K5B
G
B
C
D
F
A
E
G
B
C
D
Giữ tới Tb+N
A
E
G
B
C
DF
A
E
G

B
C
D
F
A
E
G
B
C
DF
A
E
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội


Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của hệ thống tế bào
Những tín hiệu cơ bản của người sử dụng khác đồng thời trên cùng băng tần sẽ
gây ra nhiễu đồng kênh. Nhiễu đồng kênh là một tham số giới hạn của hệ thống
vô tuyến di động. Phương pháp tái sử dụng tần sổ trong TDMA/FDMA và
FM/FDMA gây ra nhiễu đồng kênh vì có cùng một dải tần được sử dụng lại ở
một tế bào khác. Việc sử dụng các cluster 7 tế bào trong nhiều hệ thống vô tuyến
di động là không đủ để tránh hiện tượng nhiễu đồng kênh. Có thể tăng K lớn
hơn 7 để giảm nhiễu đồng kênh nhưng sẽ làm giảm số lượng các kênh trong một
tế bào, do vậy sẽ làm giảm dung lượng của hệ thống. Tương tự nếu giữ nguyên
hệ số tái sử dụng là 7 và chia tế bào thành những vùng nhỏ hơn. Mỗi tế bào
được chia thành ba hoặc sáu vùng nhỏ sẽ sử dụng ba hoặc sáu anten định hướng
tương ứng tại trạm gốc phục vụ cho cả thu lẫn phát. Mỗi vùng nhỏ này sử dụng
một dải tần riêng, khác với dải tần của các vùng kia. Thí dụ, nếu một tế bào
được chia thành ba vùng nhỏ thì nhiễu thu được trên anten định hướng chỉ sấp xỉ
một phần ba của nhiễu thu được trên anten vô hướng đặt tại trạm gốc. Sử dụng

tế bào chia nhỏ thành ba vùng thì số lượng người dùng trong một tế bào có thể
tăng thêm gấp ba lần trong cùng một cluster.
Một vấn đề quan trọng khác trong việc tăng dung lượng của hệ thống là tính tích
cực của thoại. Trong một cuộc thoại giữa hai người, mỗi người chỉ nói khoảng
35% đến 40% thời gian và nghe hết thời gian còn lại. Trong hệ thống CDMA tất
cả những người sử dụng cùng chia sẻ một kênh vô tuyến. Khi những người sử
dụng trên kênh đang liên lạc không nói thì những người sử dụng đang đàm thoại
khác sẽ chỉ chịu ảnh hưởng rất nhỏ của nhiễu. Do vậy việc giám sát tính tích cực
Nguyễn Xuân Phương - 10 - Lớp : K5B
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
của tiếng nói làm giảm nhiễu đa truy nhập đến 65%. Điều này dẫn đến việc tăng
dung lượng của hệ thống lên hệ số 2,5.
Trong đa truy nhập FDMA hoặc TDMA việc người sử dụng được phân chia tần
số hoặc thời gian trong thời gian diễn ra cuộc gọi và hệ thống cấp lại hai tài
nguyên này cho hai người khác trong khoảng thời gian rất ngắn khi kênh ấn định
yên lặng là không thực tế vì điều này yêu cầu phải chuyển mạch rất nhanh giữa
những người sử dụng khác nhau. Trong FDMA và TDMA việc tổ chức tần số là
yêu cầu khó khăn vì nó kiểm soát nhiễu đồng kênh. Trong hệ thống CDMA chỉ
có một kênh chung nên không cần thực hiện tổ chức tần số.
Trong FDMA và TDMA, khi máy di động ra khỏi vùng phủ sóng của tế bào
trong quá trình đàm thoại thì tín hiệu thu được sẽ bị yếu đi và trạm gốc sẽ yêu
cầu chuyển giao (handover).Hệ thống sẽ chuyển mạch sang một kênh mới khi
cuộc gọi tiếp tục. Trong CDMA các tế bào khác nhau, khác nhau ở chỗ sử dụng
các dãy mã khác nhau nhưng giống nhau là đều sử dụng cùng phổ tần. Do đó
không cần phải thực hiện handover từ tần số này qua tần số khác. Chuyển giao
như vậy được gọi là chuyển giao mềm (soft handover).
Trong hệ thống CDMA không có một giới hạn rõ ràng về số lượng người dùng
như trong FDMA và TDMA. Tuy vậy chất lượng hoạt động của hệ thống đối
với tất cả những người sử dụng giảm ít nhiều khi số lượng người sử dụng cùng
liên lạc tăng lên. Khi số người sử dụng tăng lên đến mức độ nào đó thì sẽ khiến

cho nhiễu có thể làm cho tiếng nói trở nên khó hiểu và gây mất ổn định hệ
thống. Tuy nhiên trong CDMA ta quan tâm đến điều kiện “phong toả mềm”, có
thể giải toả được trái với điều kiện “phong toả cứng” như trong TDMA và
FDMA khi mà tất cả các kênh đều bị chiếm.
Hệ thống CDMA cũng có một vài nhược điểm. Hai nhược điểm nổi bật là: hiệu
ứng tự nhiễu và hiệu ứng xa gần. Hiệu ứng tự nhiễu do các dãy mã không trực
giao gây ra. Trong hệ thống vô tuyến di động các máy di động truyền tin độc lập
với nhau, tín hiệu của chúng không đến trạm gốc một cách cùng lúc. Do trễ thời
gian của chúng là phân bố ngẫu nhiên nên sự tương quan chéo giữa các tín hiệu
thu được từ những người sử dụng là khác không. Để nhận được nhiễu có mức
thấp tất cả tín hiệu phải có tương quan chéo nhỏ và mọi trễ thời gian tương đối.
Tương quan chéo giữa các ký tự có được bằng việc thiết kế một tập các dãy trực
giao. Tuy nhiên không có một tập dãy mã nào được biết là hoàn toàn trực giao
khi được dùng trong hệ thống không đồng bộ. Các thành phần không trực giao
Nguyễn Xuân Phương - 11 - Lớp : K5B
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
của tín hiệu của những người sử dụng khác sẽ xuất hiện như là nhiễu trong tín
hiệu điều chế mong muốn. Nếu sử dụng máy thu có bộ lọc thích ứng trong hệ
thống như vậy thì số lượng của người sử dụng bị hạn chế bởi nhiễu gây ra bởi
những người sử dụng khác. Điều này khác với trong các hệ thống TDMA và
FDMA, trong các hệ thống này tính chất trực giao của tín hiệu thu được bị duy
trì bằng việc chọn lọc và đồng bộ chính xác.
Hạn chế chính của CDMA là hiệu ứng xa gần. Hiện tượng này xuất hiện khi một
tín hiệu yếu từ một máy di động ở xa thu được tại trạm gốc bị chèn ép bởi tín
hiệu mạnh từ nguồn nhiễu đó. Tín hiệu nhiễu với công suất lớn hơn n lần công
suất tín hiệu mong muốn sẽ tác dụng gần như là n tín hiệu nhiễu có công suất
bằng công suất của tín hiệu. Để khắc phục hiệu ứng xa gần trong hầu hết các
ứng dụng CDMA người ta sử dụng các sơ đồ điều khiển công suất. Trong hệ
thống tế bào điều khiển công suất được thực hiện bởi các trạm gốc, các trạm này
định kỳ ra lệnh các máy di động điều chỉnh công suất máy phát sao cho tất cả

các tín hiệu thu được tại trạm gốc với mức công suất là như nhau.
Nguyễn Xuân Phương - 12 - Lớp : K5B
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
CHƯƠNG II KỸ THUẬT TRẢI PHỔ
2. 1 Mở đầu
Khái niệm trải phổ: là quá trình điều chế với mục đích phân bố năng lượng
tín hiệu trên một băng tần rộng( rộng hơn nhiều so với tín hiệu chưa điều chế).
Do hệ thống thông tin di động CDMA được xây dựng trên lý thuyết trải phổ
nên việc tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ là rất cần thiết. Với một hệ thống thông tin
trải phổ, độ rộng băng tần tín hiệu được mở rộng hàng trăm lần trước khi phát.
Việc sử dụng sẽ là không hiệu quả nếu chỉ có một người sử dụng trong băng tần
SS( Spread Spectrum – trải phổ). Nhưng với môi trường nhiều người sử dụng thì
họ có thể sử dụng chung một băng tần SS và hệ thống sử dụng băng tần hiệu quả
hơn.
Một hệ thống thông tin được coi là trải phổ nếu: tín hiệu phát chiếm độ rộng
băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết và trải phổ được thực hiện
bằng một mã độc lập với số liệu
2.2 Các hệ thống trải phổ
2.2.1 Hệ thống trải phổ DS
Phương pháp trải phổ tín hiệu , sử dụng mã trải phổ băng rộng điều chế tín
hiệu sóng mang đã được điều chế bởi dữ liệu được gọi là kỹ thuật trải phổ trực
tiếp ( Direct Sequence Spread Spectrum DS/SS ).
Trong phương pháp này mã trải phổ trực tiếp tham gia quá trình điều chế còn
trong các phương pháp khác mã trải phổ không trực tiếp tham gia quá trình điều
chế mà chỉ sử dụng để điều khiển tần số hay thời gian truyền dẫn tín hiệu sóng
mang đã được điều chế bởi dữ liệu.
Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ trực tiếp là có dạng khá đơn giản không yêu
cầu tính ổn định nhanh hay tốc độ tổng hợp tần số cao. Song nó có nhược điểm
là băng trải phổ chỉ đến vài trăm Mhz, năng lượng phổ chỉ chiếm đến 90%
trong dải chính của toàn bộ dải phổ và 99% nếu thêm 2 dải phụ thứ nhất.

Nguyễn Xuân Phương - 13 - Lớp : K5B
Dải phụ thứ 1
Dải phụ thứ 1
Dải chính
-2RC
-RC
RC
2RC
f
Hz
W
Sóng mang
Mã trải phổ 1
Bộ điều chế dữ liệu
C(t)
S(t)
Dữ liệu nhị phân
d(t)
( ) ( )
)(2
0
ttCosPtS
dd
θϖ
+=
( ) ( ) ( )( )
tttCosPtS
cdT
θθϖ
++=

0
2
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
Hình 2.1: Phổ của tín hiệu DS
Công thức tính mật độ phổ công suất
S(f) =
R
C
P














−
−
R
f
R
f
C

C
f
f
Sin
)(
)(
0
0
π
π
2
Trong đó: P: công suất phát
R
c
: tốc độ chíp mã f
0
: tần số sóng mang
2.2.1.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng phương pháp điều chế BPSK
Một trong những biện pháp đơn giản nhất của trải phổ trực tiếp là sử dụng
phương pháp điều chế BPSK ( điều chế dịch pha nhị phân ). Mã trải phổ được
sử dụng là dãy xung NRZ chỉ nhận các giá trị ± 1 điều chế trực tiếp tín hiệu sóng
mang đã được điều chế BPSK.
Hình 2.2: Sơ đồ khối điều chế trải phổ trực tiếp BPSK ( phía phát )
Giả sử tín hiệu sóng mang có dạng như sau:
Nguyễn Xuân Phương - 14 - Lớp : K5B
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
S(t) = A Cos ω
0
t
Trong đó A là biên độ của sóng mang

ω
0
là tần số góc của sóng mang
Gọi P là công suất sóng mang và A
rms
là biên độ hiệu dụng của sóng mang ta có:
A =
2
A
rms
và P = A
2
rms
Do đó : A =
P2
Do đó sóng mang còn có thể viết dưới dạng: S (t) =
P2
Cosω
0
t
Sau khi điều chế số dịch pha (PSK), tín hiệu dữ liệu sẽ được thể hiện thông qua
pha của sóng mang.
Sóng mang bây giờ có dạng: S
d
(t) =
P2
Cos [ω
0
t + θ
d

(t)] ; 0 ≤ t ≤ T
S
với θ
d
(t) là pha của sóng mang bị điều chế bởi dữ liệu
T
S
: là thời gian tồn tại của 1 ký hiệu điều chế.
Tiến hành trải phổ dãy trực tiếp sử dụng kỹ thuật BPSK bằng mã trải phổ
C(t) có dạng xung NRZ. Đó là dãy mã nhận các giá trị ± 1 và có tốc độ chip lớn
gấp nhiều lần tốc độ của dữ liệu.
Tín hiệu sóng mang sau quá trình trải phổ được phát đi có dạng
S
T
(t) =
P2
Cos [ ω
0
t + θ
d
(t) + θ
C
(t)]
θ
C
(t) : góc pha của S
T
(t) phụ thuộc vào c(t)
Nếu như cả c(t) và d(t) đều chỉ nhận các giá trị ± 1 thì S
T

(t) có thể được viết
lại đơn giản như sau:
S
T
(t) =
P2
d(t). c(t) Cosω
0
t
Từ phương trình trên cho phép xây dựng mô hình hệ thống DS / BPSK phía
phát một cách đơn giản hơn trong đó việc điều chế trải phổ được thực hiện đơn
giản bằng bộ cộng modul 2 giữa d(t) và c(t).
Bộ giải điều chế ở phía thu được thực hiện bằng sự tương quan giữa tín hiệu
thu được R(t) và bản sao của mã trải phổ phía phát được tạo ra ở máy thu.
Trong đó T
d
: Trễ truyền dẫn thực sự giữa máy phát và máy thu

∧
T
d
: Đánh giá của máy thu đối với thời gian trễ
Tín hiệu truyền tới máy thu là

Với ϕ là góc pha ngẫu nhiên ϕ = [0 , 2π]
Nguyễn Xuân Phương - 15 - Lớp : K5B
s
Tt
≤≤
0

s
Tt ≤≤0
( ) ( ) ( )
[ ]
ϕθϖ
+−+−−=
dddd
TtTtCosTtcPtR
0
2)(
d(t)
Điều chế BPSK
S(t)
( ) ( )
tCostctdPtS
T 0
2)(
ϖ
=
C(t)
Lọc thông giải Giải điều chế BPSK
∧
T
d(t)
Sd(t)
( ) ( ) ( ) ( )( )
ϕθϖ
+−+−−=
dddd
TtTtCosTtCPtR

0
2
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội

Hình 2.3: Sơ đồ khối giải điều chế trải phổ trực tiếp BPSK ( phía thu )
ở đây để đơn giản ta bỏ qua một vài loại nhiễu hoặc tạp âm Gaussian
Quá trình giải điều chế tín hiệu R(t) được thực hiện qua 2 bước
- Bước 1: Thực hiện quá trình nén phổ. Quá trình này được thực hiện bằng việc
nhân tín hiệu R(t) với mã giải trải phổ được tạo ra ở máy thu là c(t-
∧
T
d
) . Sau
bước này tín hiệu ra bộ cộng modul 2:
R
*
(t) =
P2
c(t-T
d
). c(t-
∧
T
d
). Cos[ω
0
(t-T
d
) + θ
d

(t-T
d
) + ϕ]
Nếu đạt được đồng bộ tốt thì
∧
T
d
=T
d
và
c (t-T
d
). c(t-
∧
T
d
) = c(t-T
d
)
2
= 1
Khi đó tín hiệu đi ra bộ lọc thông dải đã được giải trải phổ chỉ còn mang tín
hiệu dữ liệu
R
*
(t) =
P2
. Cos[ω
0
(t-T

d
) + θ
d
(t-T
d
) + ϕ]
Như vậy sau bước nén phổ ta thu được dữ liệu chỉ còn mang thông tin có dạng
giống như tín hiệu S
d
(t) ở phía phát song bị trễ đi một khoảng thời gian là T
d.
- Bước 2: Giải điều chế pha. Tín hiệu sau bộ lọc thông dải R
*
(t) được đi qua bộ
giải điều chế BPSK để thu lại dữ liệu d(t).
Sau đây ta sẽ xem xét phổ công suất sóng mang trong điều chế DS/BSK.
Nguyễn Xuân Phương - 16 - Lớp : K5B
PTb/2
-f0
0
1/Tb
+f0
f
f
PTc/2
1/Tc
-f0
+f0
0
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội

a. Phổ tín hiệu trước khi trải phổ
b. Phổ tín hiệu sau khi trải phổ
Hình 2.4 Phổ công suất DS/BPSK
Với P là công suất tín hiệu
Mật độ phổ công suất sóng biên của sóng mang điều chế dịch pha được tính như
sau:
S
d
(f) =
∫
∞
∞−
S
d
(t). exp(-iωt)dt =
2
1
PT
b
{Sin
2
[(f-f
0
)T
b
] + Sin
2
[(f+f
0
)T

b
]}
Với f
0
= ω
0
/ 2π : là tần số sóng mang dữ liệu ( tần số trung tâm băng tần dữ
liệu ).
T
b
: thời gian bit dữ liệu.
Mật độ phổ của sóng mang đã trải phổ cũng được tính tương tự
Nguyễn Xuân Phương - 17 - Lớp : K5B
( ) ( )
[ ]
( )
[ ]
{ }
ccct
TffSinTffSinPTfS
0
2
0
2
2
1
++−=
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
ở đây T
c

là thời gian chip mã trải phổ.
Từ biểu thức tính mật độ phổ và đồ thị biểu diễn phổ công suất của tín hiệu
trải phổ ta có nhận xét là: Phổ công suất của tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp gồm
hai biên đối xứng, biên độ của hai biên bằng nhau và bằng PT
C
/2 bề rộng phổ
mỗi bên bằng 2/T
C
.
Như vậy tín hiệu sau trải phổ có độ rộng phổ tăng lên T
b
/T
c
lần và biên độ
phổ giảm đi T
b
/T
c
lần. Mã trải phổ có tốc độ chip lớn hơn nhiều tốc độ dữ liệu
nên T
c
≤ T
b
vì vậy sau trải phổ tín hiệu có mật độ phổ giảm đi nhiều.
Độ tăng ích của hệ thống:
Độ tăng ích của hệ thống được định nghĩa là tỷ số giữa độ rộng băng tần trải
phổ và tốc độ dữ liệu vào
G
P
= W

SS
/ R
b
W
ss
: độ rộng băng trải phổ có giá trị xấp xỉ tốc độ chip của mã trải phổ
W
ss
≈ R
c
=1/T
c
R
b
: Tốc độ dữ liệu R
b
=1/T
b
G
P
=
R
W
b
SS
=
R
R
b
C

=
T
T
C
b
T
b
càng lớn hơn T
c
thì tức là độ tăng ích được xử lý càng tốt và chất lượng hệ
thống trải phổ càng tốt.
2.2.1.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng phương pháp điều chế QPSK
Điều chế pha 4 mức (QPSK) sử dụng nguyên lý tổ hợp 2 bit thành một ký
hiệu điều chế và được mô tả cùng một trạng thái pha sóng mang. Do vậy cùng
độ rộng băng truyền dẫn, sử dụng phương pháp điều chế pha QPSK sẽ có tốc độ
bit truyền dẫn đạt gấp đôi nếu dùng phương pháp BPSK. 4 tổ hợp của 2 bit nhị
phân sẽ tương ứng với 4 trạng thái của sóng mang như sau:
Tổ hợp bit Trạng thái pha
00
01
10
11
0
π/2
π
3π/2
Nguyễn Xuân Phương - 18 - Lớp : K5B
Dữ liệu vào
d(t)
Sd(t)

C1(t)
C2(t)
ST(t)
I
Q
P2
P
P
Bộ điều chế pha
Bộ lai cầu phương
cos0t
sin0t
01
10
00
11
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
Với cơ sở kỹ thuật điều chế tín hiệu số QPSK quen thuộc, ta xây dựng bộ
điều chế trải phổ dãy trực tiếp QPSK như sau:
Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ điều chế trải phổ DS/QPSK
Hoạt động của bộ điều chế như sau: đầu tiên dòng bit dữ liệu d(t) điều
chế sóng mang s(t) =
P2
Cosω
0
t .
Đầu ra của bộ điều chế pha là tín hiệu điều pha 4 trạng thái
S
d
(t) =

P2
Cos[ω
0
t + θ
d
(t)] 0 ≤ t ≤ T
s

trong đó θ
d
(t) là góc pha của sóng mang bị điều chế nhận các giá trị là 0, π/2,
π , 3π/2 tuỳ theo cặp bit tương ứng.
Các vectơ tín hiệu được biểu diễn trong không gian tín hiệu như sau:

Dữ liệu sau khi qua bộ điều chế pha được đưa qua bộ chuyển đổi nối tiếp
song song tạo ra 2 tín hiệu sóng mang được điều chế bởi dữ liệu trực giao với
nhau trên 2 đường được gọi là kênh I ( kênh đồng pha ) và kênh Q ( kênh cầu
phương )
Sóng mang trên kênh I là: S
dI
(t) =
P
Cos[ω
0
t + θ
d
(t)]
Nguyễn Xuân Phương - 19 - Lớp : K5B
2Cos[(0 + IF)t + ]
2Sin[(0 + IF)t + ]

Tín hiệu thu
ST(t-Td)
∧
T
∧
T
X(t)
Y(t)
d(t)
Bộ chia công suất
Lọc thông dảiGiải điều chế pha QPSK
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
Sóng mang trên kênh Q là: S
dQ
(t) =
P
Sin[ω
0
t + θ
d
(t)]
ở đây tốc độ dữ liệu không thay đổi, chỉ có sóng mang được chia ra làm hai
thành phần lệch pha nhau và có công suất bằng một nửa S
d
(t).
Sóng mang trên hai kênh đồng pha I và cầu phương Q sau đó được điều chế
trải phổ với hai mã trải phổ là C
1
(t) và C
2

(t) tương tự như quá trình điều chế trải
phổ BPSK
Kết quả ta có hai tín hiệu trải phổ trên các kênh I và Q là :
S
TI
(t) =
P
Cos[ω
0
t + θ
d
(t) + θ
C1
(t)]
S
TQ
(t) =
P
Sin[ω
0
t + θ
d
(t) + θ
C2
(t)]
Hai mã trải phổ C
1
(t) và C
2
(t) là các dòng xung lưỡng cực, chỉ nhận các

giá trị mức ±1 được đồng bộ chip và độc lập hoàn toàn nhau nên 2 tín hiệu đưa
vào bộ cộng (Σ) là tương quan và tín hiệu đi ra bộ điều chế QPSK được viết như
sau:
S
T
(t) = S
TI
(t) + S
TQ
(t)
=
P
Cos[ω
0
t + θ
d
(t) + θ
C1
(t)] +
P
Sin[ω
0
t + θ
d
(t) + θ
C2
(t)]
hay S
T
(t) =

P
C
1
(t). Cos[ω
0
t + θ
d
(t)] +
P
C
2
(t). Sin[ω
0
t + θ
d
(t) ]
Ta thấy hai thành phần của biểu thức tính S
T
(t) là như nhau chỉ khác về biên
độ và góc dịch pha và cũng từ biểu thức tính S
T
(t) ta có thể tính được phổ công
suất sóng mang điều chế QPSK thông qua việc tính phổ công suất của hai sóng
mang điều chế BPSK thành phần. Bởi vì 2 thành phần S
TI
(t) và S
TQ
(t) là trực
giao nhau nên phổ công suất của S
T

(t) bằng tổng đại số phổ công suất của S
TI
(t)
và S
TQ
(t).
Bộ giải điều chế trải phổ DS/QPSK có sơ đồ như sau:
Nguyễn Xuân Phương - 20 - Lớp : K5B
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
Hình 2.6: Sơ đồ bộ giải điều chế QPSK
Tín hiệu ở đầu vào bộ giải điều chế là
S
T
(t-T
d
) =
P
C
1
(t-T
d
). Cos[ω
0
t + θ
d
(t)] +
P
C
2
(t-T

d
). Sin[ω
0
t + θ
d
(t) ]
Sau bộ chia công suất, tín hiệu trên hai nhánh chỉ còn một nửa công suất của
tín hiệu vào song có tần số không đổi.
Nếu bỏ qua sự lệch pha ngẫu nhiên ϕ , các thành phần X(t) và Y(t) được tính
toán như sau:
X(t) =
2/P
C
1
(t-T
d
). C
1
(t-
∧
T
d
). Cos[ω
0
t + θ
d
(t)]. 2Cos[(ω
0
+ ω
IF

)t]
+
2/P
C
2
(t-T
d
). C
1
(t-
∧
T
d
).Sin[ω
0
t + θ
d
(t) ] . 2Cos[(ω
0
+ ω
IF
)t]
X(t) =
2/P
C
1
(t-T
d
).C
1

(t-
∧
T
d
).{ Cos[2ω
0
t+ω
IF
t+θ
d
(t)] + Cos[-ω
IF
t +θ
d
(t)] }
+
2/P
C
2
(t-T
d
).C
1
(t-
∧
T
d
).{Sin[2ω
0
t+ω

IF
t+θ
d
(t)] + Sin[-ω
IF
t +θ
d
(t)] }
Trong trường hợp lý tưởng, mã trải phổ phía thu được đồng bộ chính xác với
mã trải phổ phía phát, nghĩa là
∧
T
d
= T
d
do vậy
C
1
(t-T
d
).C
1
(t-
∧
T
d
) = C
1
(t-T
d

)
2
= 1
Mặt khác hai mã trải phổ C
1
(t) và C
2
(t) trực giao nhau nên
C
2
(t-T
d
).C
1
(t-
∧
T
d
) = C
2
(t-T
d
).C
1
(t-T
d
) = 0
X(t) lúc này được viết lại như sau:
X(t) =
2/P

{ Cos[2ω
0
t+ω
IF
t+θ
d
(t)] + Cos[-ω
IF
t +θ
d
(t)] }
Bộ lọc thông dải BPF được điều chỉnh cộng hưởng tại tần số ω
IF
và có độ
rộng đủ lớn để cho sóng mang đi qua mà không bị biến dạng
Tín hiệu X(t) tại lân cận tần số trung tâm ω
IF
là
X
*
(t) =
2/P
Cos[-ω
IF
t +θ
d
(t)]
Tính toán tương tự cho Y(t), kết quả ta được
Y(t) =
2/P

{ - Cos[2ω
0
t+ω
IF
t+θ
d
(t)] + Cos[-ω
IF
t +θ
d
(t)] }
Tại lân cận ω
IF
ta cũng có
Y
*
(t) =
2/P
Cos[-ω
IF
t +θ
d
(t)]
Nguyễn Xuân Phương - 21 - Lớp : K5B
dQ(t)
ST(t)
tín hiệu QPSK
P2
d(t)
dI(t)

Bộ chuyển đổi nối tiếp song song
900
Tín hiệu thu
Dữ liệu ra
P2
Bộ chia công suất
900
Lọc Triger
Lọc Triger
Bộ chuyển nối tiếp song song
Bộ khối phục tần số nhịp
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
Tín hiệu sau bộ lọc thông dải là:
Z*(t) = X
*
(t) + Y
*
(t) =
P2
Cos[-ω
IF
t +θ
d
(t)]
Từ công thức trên ta thấy sóng mang được điều chế bởi dữ liệu đã được phục
hồi. Bây giờ cho Z
*
(t) đi qua bộ giải điều chế QPSK ta sẽ thu được dữ liệu d(t).
Sau đây sẽ trình bày cấu trúc và hoạt động của hai bộ điều chế, giải điều chế
QPSK:

a.Bộ điều chế:
Dãy bit dữ liệu d(t) qua bộ chuyển đổi nối tiếp song song được chia thành
hai dãy, d
I
(t) gồm các bit chẵn và d
Q
(t) gồm các bít lẻ.
Dòng bit d
I
(t) điều chế biên độ hàm cos với 2 giá trị là +1 và -1 tương đương
với hai pha lệch nhau 180
0
thể hiện bit 0,1.Tương tự dòng bit d
Q
(t) điều chế biên
độ hàm sin ( lệch pha hàm cos là 90
0
) cho ta hai trạng thái lệch pha nhau 180
0
và
lệch pha với d
I
(t) là 90
0
. Tổng hai tín hiệu này ở đầu ra là tín hiệu điều chế
QPSK.
Hình 2.7: Sơ đồ khối điều chế tín hiệu QPSK
b. Khối giải điều chế:
Hoạt động của bộ giải điều chế được trình bày trong hình 2.9 sau.
Nguyễn Xuân Phương - 22 - Lớp : K5B

Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
Hình 2.8: Sơ đồ khối giải điều chế QPSK
Do có đường bao không đổi nên trong tất cả các hệ thống PSK việc tách sóng
phải được thực hiện nhờ một dao động chuẩn tại chỗ. Đối với hệ thống kiểu
BPSK, dao động chuẩn được nhân với tín hiệu thu. Khi đó, nếu dao động chuẩn
được nhân với dao động cùng pha sẽ tạo ra một tín hiệu ra dương biên độ cực
đại, còn khi nhân với tín hiệu ngược pha sẽ tạo ra được tín hiệu ra âm biên độ
cực đại. Như vậy hệ thống kiểu BPSK nhận được đặc tính của tín hiệu đối lập
nếu tạo ra được một dao động chuẩn kết hợp tại chỗ. Khi tách sóng các tín hiệu
điều chế bằng phương pháp BPSK, bộ tách sóng pha duy nhất chỉ ra giá trị pha
của tín hiệu thu được nằm gần 0
0
hoặc 180
0
. Dấu của tín hiệu cosin ở đầu ra bộ
lọc pha trực tiếp phản ánh thông tin tách ra được. Tuy nhiên ở hệ thống sử dụng
phương pháp điều chế QPSK, thông tin nhận được từ bộ tách sóng pha duy nhất
là không đầy đủ vì 2 nguyên nhân:
+ Cosθ
d
(t) không chỉ ra θ
d
(t) dương hay âm.
+ Biên độ tín hiệu ra bộ tách sóng pha tỷ lệ với biên độ của tín hiệu thu
được cũng như với Cosθ
d
(t) .
Do đó từ biên độ của tín hiệu ra bộ tách sóng pha không thể tách ra được một
thông tin nào khi không so sánh nó với biên độ tín hiệu thu được . Cả 2 vấn đề
này giải quyết được nếu nhờ bộ trộn và lọc thứ hai do pha với một dao động

chuẩn khác. Đúng như mong muốn, các đặc tính tốt nhất thu được trong trường
hợp nếu như dao động chuẩn thứ hai trực giao với dao động chuẩn thứ nhất.
Kết quả tách sóng pha ở 2 kênh I (cùng pha) và Q(cầu phương) được mô tả
về mặt toán học như sau:
S
I
(t)= thành phần tần số thấp của {cos[ω
0
t + θ
d
(t)].2 cosω
0
t}=cosθ
d
(t)
S
Q
(t)=thành phần tần số thấp của {cos[ω
0
t + θ
d
(t)].2 sinω
0
t}=sinθ
d
(t)
Bộ tách sóng pha thứ hai không những chỉ giải quyết tính chất không xác
định giữa pha âm và pha dương, mà còn khắc phục được sự cần thiết trong việc
chuẩn biên độ. Tất cả các cách giải quyết có thể dựa vào dấu của tín hiệu ở đầu
ra của bộ tách sóng pha chứ không dựa vào biên độ . Có nhận xét sau: bit đầu

tiên trong 2 bit bằng 0 nếu góc pha là dương (0
0
hoặc π/2) và bằng 1 trong
trường hợp ngược lại, do đó bit đầu tiên của tín hiệu số hoàn toàn được xác định
nhờ vào cực của sinθ
d
(t) tức là tín hiệu ra của bộ tách sóng pha thứ hai (kênh cầu
Nguyễn Xuân Phương - 23 - Lớp : K5B
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
phương). Tương tự bit thứ hai của tín hiệu bằng 1 nếu pha π/2 hoặc π , điều đó
cho thấy rằng dấu của tín hiệu ra bộ tách sóng pha thứ nhất (kênh cùng pha)
chứa đựng thông tin cần thiết xác định bit thứ hai.
Trên đây ta đã trình bày hai phương pháp trải phổ trực tiếp BPSK và QPSK.
Ngoài ra còn có những phương pháp là kết hợp của hai phương pháp trên ,
nhưng đều không phổ biến vì vậy không được trình bày trong đồ án này.
2 2.2 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần FH
Nếu trải phổ dãy trực tiếp là điều chế trực tiếp tín hiệu số vào mã trải phổ, thì
trải phổ nhẩy tần là điều chế gián tiếp vào mã trải phổ (sóng mang có tần số thay
đổi theo mã trải phổ sẽ được điều chế với tín hiệu thông tin cần truyền)
Nói chính xác thì điều chế FH là “sự chuyển dịch tần số của nhiều tần số được
chọn theo mã”. Nó gần giống FSK ngoài việc dải chọn lọc tần số tăng lên. FSK
đơn giản sử dụng 2 tần số và phát tín hiệu là f
1
khi có ký hiệu và phát f
2
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 bố 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.
Như vậy trong hệ thống dịch tần FH, tần số sóng mang thay đổi theo chu kỳ. Cứ
sau một khoảng thời gian T tần số sóng mang lại nhẩy tới một giá trị khác. Quy
luật nhẩy tần do mã trải phổ quyết định.
Việc chiếm dụng tần số trong 2 hệ thống DS và FH là khác nhau. Hệ thống DS
chiếm dụng toàn bộ băng tần khi nó truyền dẫn trong khi hệ thống FH chỉ sử
dụng một phần nhỏ băng tần tại một khoảng nhỏ của thời gian truyền dẫn.
Như vậy, công suất mà hai hệ thống truyền đi trong một băng tần tính trung bình
là như nhau.
Hệ thống FH cơ bản gồm có bộ tạo mã và bộ tổ hợp tần số, bộ phát mã
PN điều khiển bộ tỏng hợp tần số phải nhảy tần theo qui luật của nó.
Hệ thống FH tạo ra hiệu quả trải phổ bằng sự nhảy tần giả ngẫu nhiên
giữa các tần số vô tuyến f1,f2,…,fn với n có thể lên tới con số hàng nghìn. Nếu
tốc độ nhảy tần (Tốc độ chíp ) lớn hơn tốc độ bít dữ liệu thì được gọi là nhảy
tần nhanh FFH (Fast Frequency Hopping), khi đó sẽ có nhiều tần số được truyền
đi trong thời gian một bít. Còn ngược lại tốc độ nhảy tần nhỏ hơn tốc độ bit
Nguyễn Xuân Phương - 24 - Lớp : K5B
Điều chế
FH
Điều chế MFSK
K bit dữ liệu
K bit PN
Nguồn nhiễu
Mã hoá
1
Giải điều chế FH
K bit PN
2

M
Giảimã hoá
M bộ tách năng lượng
Hình 2.9 Hệ thống FH
Đồ án tốt nghiệp Viện Đại học Mở Hà Nội
(nhiều bit tin được truyền đi trong một tần số ) thì được gọi là nhảy tần chậm
SFH (Slow Frequency Hopping ).
Gọi ∆f = f
i
– f
i-1
là chênh lệch tần số giữa hai tần số kề nhau còn N là số
tần số nhảy tần có thể chọn thì tăng ích xử lý hệ thống trải phổ nhảy tần FH là:

N
f
fN
Bd
W
Gp
=
∆
∆
==
.
(Giả thiết dải thông dữ liệu băng gốc Bd=1 bước nhảy tần nhỏ nhất ∆f)
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.
Nguyên lý trải phổ nhảy

tần như sau: Một đoạn k
chíp của mã giả ngẫu
nhiên điều khiển bộ tổng
hợp tần số, để tần số
sống mang nhảy lên một trong 2
k
tần số khác nhau. Nếu xét trong một tần số
nhảy thì độ rộng băng tần tín hiệu bằng độ rộng băng tần tín hiệu MFSK và rất
nhỏ so với độ rộng của tín hiệu trải phổ nhảy tần.
Với bộ giải điều chế không liên kết, để đảm bảo tính trực giao thì khoảng cách
về tần số giữa các tone MFSK phải bằng bội số nguyên lần của tốc độ chip (R
p
).
Điều này đảm bảo cho một mẫu phát đi không ảnh hưởng xuyên âm tới các bộ
tách khác. Dải băng tần tín hiệu nhảy tần được chia đều thành Nt phần bằng
nhau:
Nt = W
ss
/R
p
Sau đó Nt phần này lại được chia thành Nb nhóm riêng biệt:
Nb = Nt/M
Mỗi nhóm này sẽ có độ rộng băng tần là Wd = Wss/Nb. Theo cách xắp xếp này,
đoạn mã nhị phân k bit của chuỗi PN sẽ xác định Nb = 2K tần số sóng mang
Nguyễn Xuân Phương - 25 - Lớp : K5B