Nghiên cứu hệ thống thu phát trải phổ trong CDMA

LỜI CÁM ƠN
Sau 5 năm học tập tại trường, được sự tận tình dạy dỗ của các thầy cô. Em
đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu hệ thống thu phát trải
phổ trong CDMA”.
Em xin gởi lời cám ơn đến Ban lãnh đạo nhà trường, quý thầy cô trong bộ
môn Công Nghệ Điên Tử đã truyền đạt những kiến thức quý báu làm cơ sở cho
em hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Em đặc biệt cám ơn thầy PHẠM QUỐC THỊNH và cô giáo Th.s ĐOÀN
THỊ THANH THẢO là người trực tiếp hướng dẫn em thực hiện đề tài này.
Em cũng xin được cám ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè đã tạo cho em
những điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.

SVTH: Ngô Đình Long

1


LỜI CAM ĐOAN
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời gian quy định và đáp ứng được
yêu cầu đề ra, em đã cố gắng tìm hiểu, học hỏi, tích lũy kiến thức đã học. Em có
tham khảo một số tài liệu đã nêu trong phần “Tài liệu tham khảo” nhưng không
sao chép nội dung từ bất kỳ đồ án nào khác.
Em xin cam đoan đồ án là công trình nghiên cứu của cá nhân nghiên cứu,
xây dựng dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Phạm Quốc Thịnh. Nội dung lý
thuyết trong đồ án có sự tham khảo và sử dụng của một số tài liệu, thông tin được
đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu của đồ
án.
Em xin cam đoan những lời khai trên là đúng, mọi thông tin sai lệch em xin
hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng.

Thái Nguyên, Tháng 6 năm 2012

SVTH
Ngô Đình Long

2


MỤC LỤC
BẢNG VIẾT TẮT .............................................................................................. 5
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CDMA TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG ........... 7
1.1. Những đặc thù của thông tin di động ......................................................7
1.2. Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất sang thế
hệ thứ ba ..........................................................................................................8
1.3. Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin di động ............................9
1.3.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA .........................................9
1.3.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA .................................. 10
1.3.3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA ........................................... 13
1.4

. Thủ tục phát và thu tín hiệu ................................................................ 16

1.5. Các đặc tính của kỹ thuật CDMA .......................................................... 16
1.5.1. Tính đa dạng của phân tập .............................................................. 16
1.5.2. Điều khiển công suất trong CDMA .................................................. 17
1.5.3. Công suất phát thấp ........................................................................ 19
1.5.4. Bộ giải mã thoại và tốc độ số liệu biến đổi........................................ 20
1.5.5. Bảo mật cuộc gọi ............................................................................ 20
1.5.6. Chuyển vùng mềm của máy di động ............................................... 20
1.5.7. Dung lượng..................................................................................... 21
1.5.8. Tách tín hiệu thoại .......................................................................... 21

1.5.9. Tái sử dụng tần số ............................................................................ 22
1.5.10. Giá trị Eb/N0 thấp và chống lỗi ....................................................... 22
Chương 2: KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG HỆ THỐNG CDMA.................. 23
2.1. Giới thiệu kỹ thuật trải phổ................................................................... 23
2.1.1. Giới thiệu về kỹ thuật trải phổ ........................................................ 23
3


2.1.2. Tính chất và nguyên lí của kỹ thuật trải phổ.................................... 24
2.1.3.

Ưu điểm và ứng dụng của kỹ thuật trải phổ.................................... 26

2.2. Kỹ thuật trải phổ trực tiếp ....................................................................... 27
2.2.1. Giới thiệu kỹ thuật trải trực tiếp (DS) ............................................... 27
2.2.2. Kỹ thuật trải phổ chuỗi trục tiếp (DS/SS) ....................................... 33
2.2.3. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần (FH - CDMA)....................................... 45
2.2.4. Kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian TH/SS ............................................ 50
2.2.5. So sánh các hệ thống SS ................................................................... 51
2.2.6. Hệ thống lai (Hybrid)........................................................................ 52
Chương 3: MÃ TRẢI PHỔ NGẪU NHIÊN PN................................................ 58
3.1. Tổng quan về mã trải phổ ........................................................................ 58
3.1.1 Mô hình phát chuỗi nhị phân ngẫu nhiên: .......................................... 59
3.2 Các loại mã trải phổ PN ........................................................................... 61
3.2.1. Dãy m ............................................................................................... 61
3.2.2. Các chuỗi Gold ................................................................................ 63
3.2.3 Chuỗi Walsh ...................................................................................... 65
3.3 Các phương pháp điều chế và giải điều chế trong CDMA ........................ 65
3.3.1 Phương pháp điều chế và giải điều chế khóa dịch tần số FSK ............ 65
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN......................................................... 72

4


AMPS
BTS
BSS
BSC
BS
BCH
GSM

BẢNG VIẾT TẮT
Advanced Mobile Phone
System
Base Transceiver Station
Base Station Subsystem
Base Station Controller
Base Station
Broadcast Control Channel
Global System for Mobile
communications

Hệ thống điện thoại tiên
tiến
Trạm thu phát gốc
Phân hệ trạm gốc
Bộ điều khiển trạm gốc
Trạm gốc
Kênh điều khiển

Hệ thống truyền thông
di động toàn cầu

GPRS

General Packet Radio Services

Dịch vụ gói vô tuyến tổng
hợp

MS
CDMA

Mobile Station
Code Division Multiplexing
Access
Frequency Division
Multiplexing Access
Time division multiple access
Federal Communications
Commission
Frequency Modulation

Trạm di động
Hệ thống đa truy nhập theo
mã
Đa truy nhập theo tần số

FDMA
TDMA

FCC
FM
RF
DSSS
FHSS
THSS
BPF
PN
BPSK
QPSK
MSC
HLR
NMT
CN
UE
UTRAN

Radio Frequency
Direct Sequence Spread
Spectrum
Frequence Hopping Spread
Spectrum
Time Hopping Spread Spectrum
Band Pass Filter
Pseudo-Noise
Binary Phase Shift Keying
Quadature Phase Shift Keying
Mobile Service Switching
Center
Home Location Register

Nordic Mobile Telephone
System
Core Network
User Equipment
UMTS Terestrial Radio
Access Network

5

Đa truy nhập theo thời gian
Uỷ ban thông tin liên bang
Phương pháp điều chế theo
tần số
Tần số vô tuyến
Trải phổ chuỗi trực tiếp
Trải phổ nhảy tần
Trải phổ dịch thời gian
Bộ lọc thông giải
Chuỗi giả tạp âm
Điều chế pha nhị phân
Điều chế pha trực giao
Trung tâm chuyển mạch các
nghiệp vụ di động
Bộ ghi định vị thường trú
Hệ thống ĐTDĐ phương
Bắc
Mạng lõi
Thiết bị của người sử dụng
Mạng truy cập

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm vừa qua, nhu cầu trao đổi thông tin ngày một cao nó
không chỉ nằm trong giới hạn của một quốc gia, mà là trên phạm vi thế giới. Sự
phát triển rất nhanh của công nghệ điện tử, tin học, công nghệ viễn thông cung
cấp ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn, chất lượng cao
đáp ứng ngày càng tốt các yêu cầu của khách hàng.
Hiện nay, mạng thông tin di động ở Việt Nam đang sử dụng công nghệ
GSM là chủ yếu. Tuy nhiên, trong tương lai mạng thông tin di động này sẽ
không đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di động. Bởi vì, nhu cầu thông tin
di động không chỉ là thoại mà còn là truyền dữ liệu, hình ảnh, âm thanh... với
tốc độ cao, các yêu cầu về chất lượng, bảo mật cũng được đặt ra. Điều này đã
thúc đẩy các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động phải tìm kiếm một phương
thức thông tin mới. Và công nghệ CDMA đã trở thành mục tiêu hướng tới của
lĩnh vực thông tin di động trên toàn thế giới.
Xuất phát từ yêu cầu cần thiết phải có một hệ thống thông tin di động tiện
dụng, đáp ứng nhiều nhu cầu khác nhau của người sử dụng, đăc biệt là khả năng
kết nối với các dịch vụ mạng internet, bảo mật thông tin cho người sử dụng.v.v.
Với mong muốn được tìm hiểu và nghiên cứu một cách tổng quát về hệ
thống thông tin di động CDMA này và sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy Phạm Quốc
Thịnh, nên thời gian vừa qua em đã tìm hiểu về đề tài “Nghiên cứu hệ thống thu
phát trải phổ trong CDMA”. Bài báo cáo gồm 4 chương:
 Chương 1: Tổng quan CDMA trong thông tin di động.
 Chương 2: Kỹ thuật trải phổ trong hệ thống CDMA.
 Chương 3: Mã trải phổ ngẫu nhiên PN.
Do kiến thức và thời gian nghiên cứu có hạn nên đề tài của em vẫn còn nhiều
thiếu sót, em mong các thầy cô thông cảm. Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, Tháng 06 năm 2012
SVTH: Ngô Đình Long

6


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CDMA TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. Những đặc thù của thông tin di động
Nói đến thông tin di động là nói đến việc liên lạc thông qua sóng điện từ (vì
như vậy mới vừa liên lạc vừa di chuyển được, và cho tới ngày nay loài người
chưa phát hiện ra môi tường thông tin đặc biệt nào khác ưu việt hơn sóng điện từ).
Mỗi một cuộc liên lạc giữa hai người cần một đường truyền độc lập (gọi là
kênh truyền vô tuyến), mỗi kênh giả sử chỉ có dải thông 3KHz (tức là 3.103Hz
ứng với dải thông tiếng nói, trên thực tế phải cần nhiều hơn thế nữa) thì dải tần số
vô tuyến từ 0 - 3GHz (3.109) chỉ cho phép truyền 3.109 - 3.103 = 106 tức là một
triệu cuộc liên lạc một lúc. Vậy thì làm thế nào để hàng trục triệu người có thể
cùng sử dụng máy di động cùng một lúc đấy là chưa kể dải tần số vô tuyến còn
phải dành cho rất nhiều công việc khác (Như quốc phòng, hàng không, nghiên
cứu khoa học...), dải tần số dành cho thông tin di động chỉ là phần nhỏ.
Giải pháp duy nhất để giải quyết vấn đề nhiều người dùng độc lập trên một
dải tần số vô tuyến hạn chế là sử dụng lại tần số miễn hai cuộc liên lạc phải đủ xa
nhau về khoảng cách vật lý để sóng truyền đến nhau nhỏ hơn sóng truyền của hai
người trong cuộc, để không gây nhiễu cho nhau. Do vậy một địa bàn có dịch vụ
thông tin di động phải được chia thành các phần nhỏ, gọi là tế bào, hai cuộc liên
lạc ở hai tế bào dù ở xa nhau có thể sử dụng cùng một dải tần số sóng điện từ
thông qua việc quản lý của một trạm trung tâm tế bào. Về lý thuyết, nếu kích cỡ
của tế bào là rất nhỏ, công suất thu phát liên lạc được khống chế trong đó (Để
không làm “phiền” đến tế bào khác) thì có thể phục vụ được vô số cuộc gọi di
động cùng một lúc mà chỉ cần một dải tần sóng vô tuyến hạn chế. Phương pháp
này gọi là phương pháp sử dụng lại tần số. Điều này kéo theo một loạt hệ quả tất
yếu khác như:
• Chống nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh lân cận.

• Kỹ thuật chuyển giao.
• Quản lý kênh truyền (khi có yêu cầu sử dụng hoặc giải phóng kênh).
• Đăng ký vị trí (mới biết người liên lạc ở tế bào nào để tìm gọi)…

7


Ngoài ra các yêu cầu khác của người sử dụng như kích thước nhỏ nhẹ của
thiết bị cầm tay đồng thời lại tiết kiệm năng lượng (để phục vụ cuộc liên lạc được
lâu)... Những yêu cầu này luôn đòi hỏi rất cao về công nghệ điện tử và các kỹ
thuật xử lý tín hiệu mà những tiến bộ cách đây 20 năm không thể đáp ứng nổi.
Chính vì vậy phải đợi đến khi những tiến bộ của công nghệ điện tử vào cuối thập
kỷ 80 của thế kỷ 20 thông tin di động mới thâm nhập vào đời sống xã hội rộng
rãi bằng những sản phẩm thương mại hấp dẫn. Sau đó phát triển với tốc độ nhảy
vọt trong thập kỷ tiếp theo khi đưa ra nhiều dịch vụ đa năng với chất lượng dịch
vụ ngày càng cao.
Tóm lại, đặc thù cơ bản của thông tin di động là mâu thuẫn giữa số lượng
người dùng đông đảo và dải tần hạn chế, dẫn đến vùng dịch vụ được chia thành
các tế bào kèm theo tất cả các kỹ thuật hệ thống khi xây dựng hệ thống tế bào
này. Điều này làm cho hệ thống thông tin di động khác rất nhiều so với hệ thông
tin cố định (hữu tuyến hoặc vô tuyến).
1.2. Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất sang
thế hệ thứ ba

Hình 1.1: Sự phát triển của hệ thống thông tin di động từ thế hệ 1 đến 3

8


1.3. Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin di động

Để làm tăng dung lượng của dải vô tuyến dùng trong hệ thống thông tin di
động người ta sử dụng các kỹ thuật ghép kênh. Trong mỗi hệ thống ghép kênh
đều sử dụng khái niệm đa truy cập, điều này có nghĩa là các kênh vô tuyến được
nhiêù thuê bao dùng chung tài nguyên tần số hoặc khe thời gian hoặc cả hai. Có
ba hình thức đa truy nhập cơ bản là:
-

Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA.

-

Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA.

-

Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.

1.3.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA
Trong hệ thống thông tin di động sử dụng kỹ thuật FDMA toàn bộ dải
thông của băng tần được chia thành 2N dải con, mỗi dải con gọi là một kênh vô
tuyến. Như vậy sẽ có N kênh kế tiếp dành cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần
phân cách là N kênh kế tiếp dành cho liên lạc hướng xuống. Mỗi thuê bao sẽ
được cấp phát một cặp kênh trong suốt quá trình liên lạc. Với kiểu truy nhập này
các kênh sẽ phát đi liên tục đồng thời một số sóng mang. Do vậy nhất thiết phải
cung cấp các khoảng bảo vệ giữa mỗi dải mà một sóng mang chiếm, để tính đến
sự không hoàn hảo của các bộ tạo dao động và các bộ lọc.
Kỹ thuật FDMA có khả năng sử dụng được với cả hệ thống truyền dẫn số
và truyền dẫn tương tự. Kỹ thuật này có ưu điểm nổi bật là đơn giản và không
cần đồng bộ giữa bên thu và bên phát.
Tuy nhiên, nó có một số nhược điểm: Thiếu linh hoạt trong trường hợp tái

cấu hình, tổn thất dung lượng khi số các truy nhập tăng lên do phát sinh các sản
phẩm xuyên điều chế giữa các sóng mang, cần phải điều khiển công suất phát của
các trạm… Hệ thống FDMA điển hình là AMPS, sử dụng điều chế FM cho
truyền dẫn tương tự.

9


power

frequency

Hình 1.2: Sơ đồ khối FDMA
Công suất phổ:
M=

BWS
1 BWS m
 

BWMS K
R
K

(đơn vị: channel/Hz/cell).

Với:
BWS: Băng thông tổng.
BWMS: Băng thông của thuê bao di động.
K: Hệ số tái sử dụng tần số của hệ thống.

R: Tốc độ truyền thông.
m: Hiệu suất điều chế.
Dung lượng của hệ thống:
Dung lượng kênh theo công thức Shannon:


C0 = BW  log 2 1 


P
BW  N 0





BW: Băng thông kênh truyền.
P: Công suất phát của kênh.
N0: Mật độ năng lượng nhiễu trắng.
Dung lượng của một cell dơn:
C = N × C0 = N

BW
N

1.3.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
Trong hệ thống TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời
gian. Năng lượng của tín hiệu được hạn chếở một trong các khe thời gian. Nhiễu
của các kênh kề nhau được giới hạn bởi việc sử dụng khoảng thời gian giữa các
10

kênh. Từng cuộc đàm thoại được biến đổi thành tín hiệu số, sau đó được gán cho
một trong các khe thời gian này. Số lượng các khe thời gian trong một kênh vô
tuyến có thể thay đổi tuỳ thuộc vào cách thiết kế hệ thống. Có ít nhất là hai khe
thời gian cho một kênh, và thường thì nhiều hơn. Điều đó có nghĩa là TDMA có
khả năng phục vụ số lượng khách hàng nhiều hơn vài lần so với kỹ thuật FDMA
với cùng một dải thông như vậy.
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 nhớđệm để gán cho một khe
thời gian trống và khi đó 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 được sử
dụng có kỹ thuật phức tạp hơn để cân bằng tín hiệu thu nhằm duy trì chất lượng
tín hiệu.
Trong hệ thống thông tin TDMA thì một sóng mang được sử dụng cho
nhiều người và trục thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏđể dành
cho nhiều người sử dụng do đó không có sự chồng chéo nhau. Thông tin sẽđược
truyền dẫn dưới dạng cụm (burst) trong các khe thời gian.
R-P

time
power

frequency

Hình 1.3: Sơ đồ khối TDMA
Kỹ thuật TDMA đã khắc phục được các nhược điểm của kỹ thuật FDMA
như:
- Không có các sản phẩm xuyên điều chế do tại một thời điểm chỉ

khuyếch đại một sóng mang duy nhất.

11


-

Hiệu suất truyền cao dù số lượng truy nhập là rất lớn.

-

Không cần phải khống chế công suất phát của các trạm.

-

Đơn giản hoá việc điều hưởng do phát và thu trên cùng một tần số.

-

Việc xử lý tín hiệu số dẫn đến sựđơn giản hoá trong vận hành.
Tuy nhiên, TDMA cũng có những nhược điểm nhất định:
• Cần phải đồng bộ hoá.
• Cần phải mở rộng kích thước của trạm để phát với hiệu suất cao.
• Giá thành đắt do trang thiết bị phức tạp.
Công thức tính phố:
M=

BWS
1 BWS m
 


BWMS K
R
K

(đơn vị: Channel/Hz/cell).

Với:
BWS: Băng thông tổng.
BWMS: Băng thông của thuê bao di động.
K: Hệ số tái sử dụng tần số của hệ thống.
R: Tốc độ truyền thông.
m: Hiệu suất điều chế.
Dung lượng của hệ thống TDMA: Đối với hệ thống TDMA đa cell ta có
công thức tính dung lượng như sau:



6 NP 3K
N = N0 
BW
K



4

 N0 

6 NP

2N
 N0 
9 KP
3K





BW
N  BW  K

C 
log 2 1 
 BW 
K
6 NP  
 N 0 


K 
(9 BW  K  





BW
N PK




log 2 1 
2N  
K
 
  BW  N 0  3K  



Trong đó:
N: Số thuê bao trong một cell.

12


K: Hệ số tái sử dụng tần số.
BW: Băng thông tổng.
P: Công suất mỗi thuê bao.
1.3.3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ 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 những phương pháp thu GPS và Ommi - TRACS. Phương pháp này cũng
được đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qualcomm - Mỹ vào những năm 1990.
Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA hoạt động theo nguyên lý trải phổ.
Nó không tìm cách phân bố các tiềm năng tần số và thời gian rời rạc cho mỗi
thuê bao. Ngược lại, giải pháp này cung cấp tất cả các tiềm năng đồng thời cho
mọi thuê bao, khống chế mức công suất phát từ mỗi thuê bao ở mức tối thiểu đủ
để duy trì một tỷ số tín hiệu/tạp âm theo mức chất lượng yêu cầu. Mỗi thuê bao

sử dụng một tín hiệu băng rộng như tạp âm chiếm toàn bộ dải tần phân bố. Theo
cách như vậy mỗi thuê bao tham gia vào tạp âm nền tác động tới tất cả các thuê
bao khác, nhưng ở phạm vi ít nhất có thể. Can nhiễu bổ xung này làm hạn chế
dung lượng, nhưng vì phân bố tiềm năng thời gian và dải thông không bị hạn chế
cho nên dung lượng cũng lớn hơn đáng kể so với các hệ thống TDMA và FDMA.
power

frequency

Hình 1.4: Sơ đồ khối CDMA
CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nên nhiều người sử dụng có thể chiếm
cùng một kênh vô tuyến, đồng thời tiến hành cuộc gọi. Những người sử dụng
được phân biệt nhau nhờ sử dụng mã đặc trưng không trùng nhau. Các kênh vô

13


tuyến CDMA được dùng lại ở mỗi cell trong toàn mạng. Một kênh CDMA rộng
1.23Mhz với hai dãy phòng vệ 0.27Mhz. CDMA dùng mã trải phổ có tốc độ cắt,
tốc độ này cũng chính là tốc độ mã đầu ra của máy phát PN.
Để nén phổ trở lại dữ liệu gốc, máy thu phải dùng mã trải phổ PN chính xác,
như khi tin tức được xử lý ở máy phát, nếu mã PN ở máy thu khác hoặc không
đồng bộ với mã PN tương ứng ở máy phát thì tin tức không thể thu nhận được.
Trong CDMA sự trải phổ tín hiệu đã phân bố năng lượng tín hiệu vào 1 dải
tần rất rộng hơn phổ của tín hiệu gốc. Ở phía thu, phổ của tín hiệu lại được nén
trở lại về phổ của tín hiệu gốc.
Trong hệ thống CDMA, mỗi người dùng được cấp phát một chuỗi mã
(chuỗi trải phổ) dùng để mã hoá tín hiệu mang thông tin. Tại máy thu, tín hiệu
thu sẽ được đồng bộ giải mã để khôi phục tín hiệu gốc và dĩ nhiên máy thu phải
biết được chuỗi mã đó để mã hoá tín hiệu. Kỹ thuật trải phổ tín hiệu giúp các

người dùng không gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện có thể cùng một lúc dùng
chung dải tần số. Điều này dễ dàng thực hiện được vì tương quan chéo giữa mã
của người dùng mong muốn và mã của các người dùng khác thấp. Băng thông
của tín hiệu mã được chọn lớn hơn rất nhiều so với băng thông của tín hiệu mang
thông tin; do đó, quá trình mã hoá sẽ làm trải rộng phổ của tín hiệu, kết quả cho
ta tín hiệu trải phổ.
Một kỹ thuật điều chế trải phổ phải thoã mãn 2 tiêu chuẩn:
- Băng thông của tín hiệu truyền phải lớn hơn băng thông của tín hiệu mang
thông tin.
- Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu.
Tỉ số băng thông truyền trên băng thông của tín hiệu thông tin được gọi là
độ lợi xử lý của hệ thống trải phổ:
Gp=

B
B

t
i

Với Bt : Băng thông truyền; Bi : Băng thông của tín hiệu mang thông tin.
Tín hiệu trải phổ cho băng thông rộng nên có những ưu điểm khác so với
tín hiệu băng hẹp.

14


Khả năng đa truy cập: Nếu các người dùng phát tín hiệu trải phổ tại cùng
một thời điểm, máy thu có khả năng phân biệt giữa các người dùng, do đó các mã
trải phổ có các tương quan chéo thấp. Vì vậy, băng thông của tín hiệu công suất

của người dùng mong muốn sẽ lớn hơn công suất gây ra bởi nhiễu và các tín hiệu
trải phổ khác (nghĩa là lúc này tín hiệu của những người dùng khác vẫn là những
tín hiệu trải phổ trên băng thông rộng).
Bảo vệ chống nhiễu đa đường: Trong kênh truyền vô tuyến không chỉ có
một đường truyền giữa máy thu và máy phát. Vì tín hiệu bị phản xạ, khúc xạ,
nhiễu xạ nên tín hiệu thu được tại đầu thu bao gồm các tín hiệu trên các đường
khác nhau. Tín hiệu trên các đường khác nhau đều là bản sao của cùng một tín
hiệu nhưng khác biên độ, pha, độ trễ và góc tới. Khi cộng tất cả các tín hiệu này
lại sẽ tạo nên những tần số mới và cũng làm mất đi một số tần số mong muốn.
Trong miền thời gian điều này làm phân tán tín hiệu. Điều chế trải phổ chống lại
nhiễu đa đường, việc giải trải phổ sẽ coi phiên bản của trễ là tín hiệu nhiễu và giữ
lại một phần nhỏ của tín hiệu này trong băng thông tín hiệu mong muốn, tuy
nhiên nó phụ thuộc nhiều vào phương pháp điều chế được sử dụng.
Bảo mật: Vì tín hiệu trải phổ sử dụng toàn băng thông tại mọi thời điểm nên
nó có công suất rất thấp trên một đơn vị băng thông, và việc khôi phục chỉ được
thực hiện khi biết được mã trải phổ. Điều này gây khó khăn cho việc phát hiện tín
hiệu đã trải phổ tức là tính bảo mật rất cao.
Khử nhiễu băng hẹp: Tách sóng đồng bộ tại máy thu liên quan tới việc nhân
tín hiệu nhận được với chuỗi mã được tạo ra bên trong máy thu. Tuy nhiên như
chúng ta thấy ở máy phát, nhiễu băng hẹp sẽ bị trải phổ sau khi nhân nó với mã
trãi phổ. Do đó, công suất của nhiễu này trong băng thông tín hiệu mong muốn
giảm đi một lượng bằng độ lợi xử lý.
Tạp âm có phổ rộng được giảm nhỏ do bộ lọc ở máy thu sau khi được nén
phổ nhiều từ các máy di động khác không được nén phổ cũng tượng tự như tạp
âm. Nhiễu từ các nguồn phát sóng không trải phổ có băng tần trùng với băng tần
của máy thu CDMA sẽ bị trải phổ, mật độ phổ công suất nhiễu sẽ giảm xuống.

15

Phổ của tín hiệu càng trải rộng ở máy phát, và tương ứng nén hẹp ở máy thu thì
càng lợi về tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N).
1.4 . Thủ tục phát và thu tín hiệu
 Tín hiệu số thoại (9.6Kbps) phía phát được mã hoá, lặp, chèn và được
nhân với sóng mang f0, và mã PN ở tốc độ 1.2288Mbps.
 Tín hiệu đã được điều chế đi qua bộ lọc băng thông có độ rộng băng
1.25Mhz sau đó phát xạ qua anten.
 Ở đầu thu, sóng mang và mã PN của tín hiệu thu được từ anten được đưa
đến bộ tương quan, qua bộ lọc băng thông rộng 1.25Mhz, và số liệu thoại mong
muốn được tách ra để tái tạo lại số thoại ban đầu nhờ sử dụng bộ tách, chèn và
mã giả ngẫu nhiên PN.

Hình 1.5: Sơ đồ thu và phát CDMA
1.5. Các đặc tính của kỹ thuật CDMA
1.5.1. Tính đa dạng của phân tập
Phân tập là hình thức tốt để làm giảm fading, có ba loại phân tập là: Phân
tập theo thời gian, phân tập theo tần số, và phân tập theo khoảng cách. Phân tập

16


thời gian đạt được nhờ sử dụng việc chèn và mã sửa sai. Hệ thống CDMA băng
thông rộng ứng dụng phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng báo hiệu
trong băng thông rộng và fading liên hợp với tần số thường có ảnh hưởng đến
băng tần báo hiệu (200 ÷ 300Khz). Phân tập theo khoảng cách hay theo đường
truyền có thể đạt được theo các phương pháp sau:
 Thiết lập nhiều đường báo hiệu (chuyển vùng mềm) để kết nối máy di
động đồng thời với hai BS hoặc nhiều BS.
 Sử dụng môi trường đa đường, đa chức năng trải phổ giống như bộ thu
quét, thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát này với các tín hiệu phát khác trễ thời

gian.
 Đặt nhiều anten tại BS.
Phân tập theo thời gian có thể 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 dễ
dàng áp dụng chỉ cho hệ thống CDMA.
Nhiều bộ tương quan có thể áp dụng đồng thời cho hệ thống thông tin có
hai BS.
Phân tập theo khoảng cách (theo đường truyền), hai cặp anten phát của BS,
bộ thu đa đường, và kết nối với nhiều BS (chuyển vùng mềm).

Hình 1.6: Sơ đồ chuyển vùng mềm
1.5.2. Điều khiển công suất trong CDMA
Hệ thống CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất hai chiều (từ BS
đến máy di đông và ngược lại), để cung cấp một hệ thống dung lượng lớn, chất

17


lượng cao, và nhiều dịch vụ khác. Mục đích điều khiển công suất của các máy di
động là sao cho tín hiệu phát của tất cả các máy di động trong cùng một vùng
phục vụ có thể được thu với độ nhạy trung bình tại bộ thu của BS. Khi công suất
phát của các máy di động trong vùng phục vụ được điều khiển, như vậy thì tổng
công suất thu được tại bộ thu của BS trở thành công suất trung bình của nhiều
máy di động.
Dung lượng của hệ thống là tối đa khi tín hiệu truyền của máy di động thu
được bởi BS có tỷ số tín hiệu giao thoa ở mức yêu cầu tối thiểu, qua việc điều
khiển công suất của các 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 tín hiệu của các máy di động đủ mạnh
thì hoạt động của máy này được cải thiện, nhưng giao thoa với máy di động khác

cùng sử dụng một kênh sẽ tăng lên làm cho chất lượng cuộc gọi của các thuê bao
khác sẽ bi giảm nếu dung lượng tối đa không giảm.
Việc đóng mở mạch điều khiển công suất từ máy di động đến BS, và điều
khiển công suất từ BS đến máy di động. Mạch mở đường điều khiển công suất
đến BS là chức năng cơ bản của máy di động. Máy di động điều khiển công suất
theo sự biến đổi công suất thu tại BS. Máy di động đo mức công suất thu được từ
BS, và điều khiển công suất tỷ lệ nghịch với công suất đo được. Mạch mở đường
điều khiển công suất làm cho các tín hiệu phát đi của tất cả các máy di động được
thu cùng mức tại BS. BS cung cấp chức năng 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 đến yếu tố tải và tạp âm của BS, độ tăng ích anten, và bộ
khuyếch đại công suất. Hằng số này được truyền từ BS đến các máy di động như
một phần của bản tin thông báo.
BS thực hiện chức năng kích hoạt với mạch đóng điều khiển công suất từ
máy di động đến BS. Khi mạch đóng dẫn đến BS dịch mức công suất, mạch hở
xác định từ máy di động một cách tức thời để máy giữ mức công suất tối ưu. BS
so sánh tín hiệu thu từ máy di động liên quan tới giá trị ngưỡng, biến đổi và điều
khiển công suất tăng hay giảm sau mỗi khảng 1.25ms cho đến khi đạt kết quả.

18


BS cung cấp việc điều khiển công suất từ BS đến các máy di việc qui định
Điều khiển công suất
XMIT

Điều khiển
công suất
hướng lên

Số liệu
phát

Khuếch đại
AGC AMP

Bộ chọn

Xác định tốc
độ lỗi
Eb/N0
SET

Bộ tách và
chèn mã
Số liệu

Giải điều
chế số
Xác định
tốc độ lỗi

Mạch điều
khiển mở
hướng lên
Mạch điều
khỉên đóng
Giải điều
chế số

VARIABLE
XMIT HPA

Số liệu

Bộ tách, chèn
và giải mã

Nguồn số
liệu

Xử lý số liệu
XMIT

Xử lý của BS

Xử lý của máy di động

Hình 1.7: Sơ đồ mạch mở đường điều khiển công
suấtđo được từ các máy di động khi rỗi
công suất này tương đương với công suất

hoặc ở vị trí tương đối gần BS, làm cho fading đa đường thấp, và giảm hiệu ứng
giao thoa với các BS khác. Do đó công suất được cung cấp thêm đối với vùng tín
hiệu bị gián đoạn, hoặc đối với các máy di động ở xa.
1.5.3. Công suất phát thấp
Việc giảm tỷ lệ Eb/N chấp nhận được không những làm tăng dung lượng thệ
thống, mà còn giảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và giao thoa.
Việc này có ý nghĩa làm giảm công suất phát của các máy di động. Việc giảm
công suất phát yêu cầu sẽ tăng vùng phục vụ, và giảm số lượng BS yêu cầu, khi

so với các hệ thống khác.

19


1.5.4. Bộ giải mã thoại và tốc độ số liệu biến đổi
Bộ mã - giải mã thoại của CDMA được thiết kế với tốc độ biến đổi 8Kbps.
Dịch vụ hoại hai chiều. Hai bộ mã - giải mã thông tin với nhau ở bốn nấc tốc độ
truyền dẫn: 9600bps, 4800bps, 2400bps, 1200bps các tốc độ này được chọn dựa
trên điều kiện hoạt động, bản tin hay số liệu. Bộ mã - giải mã thoại biến đổi sử
dụng ngưỡng tương thích để chọn tốc độ số liệu. Ngưỡng được điều khiển theo
cường độ tạp âm nền, và tốc độ số liệu, chỉ chuyển thành tốc độ cao khi có tín
hiệu thoại vào. Do đó tạp âm nền sẽ bị triệt đi để tạo truyền dẫn thoại chất lượng
cao trong môi trường tạp âm.
1.5.5. Bảo mật cuộc gọi
Hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi cao ở mức cơ bản
là tạo ra xuyên âm, việc sử dụng máy thu tìm kiếm, và sử dụng bất hợp pháp
kênh RF là khó đối với hệ thống CDMA, bởi tín hiệu CDMA đã được trộn
(Scrambling). Công nghệ CDMA cung cấp khả năng bảo mật cuộc gọi, và các
khả năng bảo vệ khác. Tiêu chuẩn đề xuất bao gồm khả năng xác định và bảo mật
cuộc gọi được định rõ trong EIA/TIA/IS-95B.
1.5.6. Chuyển vùng mềm của máy di động
Nguyên tắc chuyển vùng mềm là cả BS ban đầu và BS mới cùng tham gia
chuyển giao cuộc gọi.
Sau khi cuộc gọi được thiết lập, máy di động tiếp tục tìm tín hiệu của BS
bên cạnh để so cường độ tín hiệu ở bên cạnh với tín hiệu đang sử dụng. Nếu
cường độ đạt đến một mức nhất định, 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 liệu của BS mới. Sau đó MSC thiết lập một đường kết nối mới.
Trong trường hợp máy di động đang trong vùng chuyển đổi giữa hai BS thì cuộc

gọi được thực hiện bởi hai BS sau 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 tới BS mới đã thực hiện hoàn tất.

20


Hình 1.8: Đường kết nối khi chuyển vùng mềm
1.5.7. Dung lượng
Thực tế thì CDMA xuất phát từ hệ thống chống nhiễu được sử dụng trong
quân đội. Do hệ thống điều chế băng thông hẹp yêu cầu tỷ số sóng mang trên
nhiễu vào khoảng 18dB nên có rất nhiều hạn chế từ quan điểm tái sử dụng tần số.
Trong hệ thống như vậy thì các kênh sử dụng có một BS, sẽ không được phép sử
dụng cho BS khác.
1.5.8. Tách tín hiệu thoại
Trong hệ thống thông tin hai chiều song công thì tỷ số tín hiệu thoại không
lớn hơn 35%. Trong trường hợp không có tín hiệu thoại trong hệ thống TDMA
và FDMA, thì khó áp dụng tích cực thoại vì trễ thời gian định vị lại kênh sau 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 đáng kể. Dung
lượng của hệ thống CDMA tăng 2 lần, và suy giảm truyền dẫn trung bình của
máy di động khoảng một ½.

21


1.5.9. Tái sử dụng tần số
Tất cả các BS đều tái sử dụng kênh băng thông rộng trong hệ thống CDMA.
Giao thoa tổng ở tín hiệu của máy di động thu từ BS, và giao thoa tạo ra trong
các máy di động của BS bên cạnh. Giao thoa tổng của các máy 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 khoảng 65%, đó là giao
thoa của các máy di động khác trong cùng một BS với giao thoa từ tất cả các BS.

0.01%
K3
K2
K1

0.03%
0.2%
6%

100%

Hình 1.9: Tái sử dụng tần số
1.5.10. Giá trị Eb/N0 thấp và chống lỗi
Eb/N0 là tỷ số năng lượng trên mỗi bít đối với mật độ phổ công suất tạp âm,
đó là giá trị tiêu chuẩn so sánh hiệu suất của phương pháp điều chế và mã hoá số.
Hệ thống CDMA cung cấp hiệu suất và độ dư mã sửa sai cao. Mã sửa sai
được sử dụng trong hệ thống CDMA cùng với giải điều chế hiệu suất cao. Có thể
tăng dung lượng và giảm công suất yêu cầu với máy phát nhờ giảm Eb/N0..

22


CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG HỆ THỐNG CDMA
2.1. Giới thiệu kỹ thuật trải phổ
2.1.1. Giới thiệu về kỹ thuật trải phổ

Kỹ thuật trải phổ xuất hiện vào những năm 1950, nó ứng dụng trực tiếp lý
thuyết thông tin của Shanon. Do có nhiều ưu việt nên đã trở thành hết sức quan
trọng trong hệ thống thông tin. Có ba kỹ thuật trải phổ chính đó là:
-

Trải phổ chuỗi trực tiếp: Tạo tín hiệu băng rộng bằng cách điều chế dữ

liệu đã được điều chế bởi sóng mang bằng tín hiệu băng rộng hoặc mã trải phổ.
Tức là hệ thống DS_SS đạt được trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một
tín hiệu giả ngẫu nhiên.
-

Trải phổ nhảy tần: Là sử dụng chuỗi mã để điều khiển tần số sóng mang

của tín hiệu phát. Trong trường hợp này tín hiệu phát là tín hiệu đã được điều chế
những sóng mang nhảy tần từ tần số này sang tần số khác trên một tập (lớn) các
tần số; mẫu nhảy tần có dạng giả ngẫu nhiên.
-

Trải phổ dịch thời gian: Một khối các bit số liệu được nén và được phát

ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian trong một khung chứa một số
lượng lớn các khe thời gian. Một mẫu nhảy thời gian sẽ xác định các khe thời
gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung.
Trong ba kỹ thuật trên có sử dụng các chuỗi xung giả ngẫu nhiên có tần số
cao đóng vai trò quan trọng, quyết định phần lớn các thông số kỹ thuật của tín
hiệu trải phổ và các chuỗi giả ngẫu nhiên này chỉ có phía phát và phía thu biết do
đó bảo mật thông tin.
Trải phổ là kỹ thuật được thực hiện bằng cách điều chế lần hai một tín hiệu
đã được điều chế bình thường nhằm tạo ra một dạng sóng mang mà nó sẽ là

nhiễu đối với bất kỳ một tín hiệu nào khác hoạt động trong cùng một băng tần.
Ngày nay kỹ thuật trải phổ đã được sử dụng rộng rãi đặc biệt trong các hệ
thống thông tin quân sự bởi nó có khả năng bảo mật và nhiều ưu điểm khác mà
nó mang lại. Kết quả nghiên cứu kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong hệ thống
thông tin di động CDMA, mang lại một loạt ứng dụng khác như giảm mật độ

23


năng lượng, độ định vị cao. Cùng với cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật công
nghệ trải phổ ngày càng phát triển, kích thước và công suất tiêu thụ của thiết bị
được giảm đáng kể, tuy nhiên về giá thành của thiết bị trải phổ vẫn còn là vấn đề
lớn. Và một trở ngại khá quan trọng trong việc sử dụng rộng rãi kỹ thuật trải phổ
là thiếu sự thoả thuận của quốc tế về phân bố sử dụng các dải tần số. Để khắc
phục những trở ngại đó phải nghiên cứu kĩ các tác động lẫn nhau giữa các hệ
thống thuộc các dãy tần khác nhau, cũng như giữa hệ thống trải phổ với hệ thống
thường.
2.1.2. Tính chất và nguyên lí của kỹ thuật trải phổ
2.1.2.1. Tính chất
Gọi S(t) là tín hiệu phát, một hệ thống được gọi là trải phổ nếu thỏa mãn
những tính chất sau:
- Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối
thiểu cần thiết để phát thông tin.
- Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu gọi là chuỗi giả
ngẫu nhiên PN.
Chú ý: Không áp dụng cho các hệ thống sử dụng điều chế FM vì độ rộng
của các hệ thống này phụ thuộc vào độ rộng băng tần của nguồn.
2.1.2.2.

Nguyên lí của kỹ thuật trải phổ

Trải phổ là một kỹ thuật mà dạng sóng điều chế được điều chế hai lần, để
tạo thành tín hiệu có độ rộng băng tần được trải rộng. Tín hiệu này không gây
nhiễu đáng kể cho những tín hiệu khác, nhờ phương thức điều chế lần thứ hai với
tín hiệu giả ngẫu nhiên bề rộng băng tần được trải rộng, phương pháp điều chế
lần hai không phụ thuộc vào tín hiệu thông tin.
Ở kỹ thuật trải phổ nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng một kênh vô
tuyến để tiến hành các cuộc liên lạc một cách đồng thời. Những người sử dụng
này được phân biệt nhau nhờ dùng một mã đặc trưng khác nhau đó là mã giả
ngẫu nhiên.

24


Nguồn dữ liệu
gốc

A
C

Phát chuỗi giả
ngẫu nhiên PN

B

Bộ điều chế và
máy phát

Hình 2.1: Phía phát



Phía phát: Dòng dữ liệu gốc được mã hoá và điều chế ở tốc độ cắt. Tốc

độ này chính là tốc độ mã đầu ra trải phổ (tốc độ của chuỗi giả ngẫu nhiên PN).
 Ở phía thu: Ta thực hiện việc nén phổ trở lại dữ liệu gốc, thì máy thu
phải dùng mã trải phổ PN chính xác giống hệt như mã đã dùng ở phía phát. Nếu
mã PN ở máy thu khác hoặc không đồng bộ với mã PN tương ứng ở máy phát,
thì tin tức truyền đi không thể thu nhận và hiểu được ở máy thu.
Đối với kỹ thuật trải phổ việc tạo ra các chuỗi PN ở đầu phát và đầu thu
đồng bộ với nhau là một vấn đề hết sức quan trọng, nó quyết định đến chất lượng
của hệ thống trải phổ.
Việc cấy chuỗi giả ngẫu nhiên PN vào dòng dữ liệu được hiện chủ yếu bằng
các bộ cộng module XOR.

Máy thu
D

Phát

Dữ liệu

F

Hình 2.2: Phía thu
Đối với kỹ thuật trải phổ việc tạo ra các chuỗi PN ở đầu phát và đầu thu
đồng bộ với nhau là một vấn đề hết sức quan trọng, nó quyết định đến chất lượng
của hệ thống trải phổ.

25