Đồ án: Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Chia sẻ: VŨ QUANG MINH | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:108

Thêm vào BST

Báo xấu

101
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trải phổ là một kỹ thuật được thực hiện bằng cách điều chế lần thứ hai một tín hiệu đã được điều chế nhằm tạo ra một dạng sóng sẽ là nhiễu đối với bất kỳ một tín hiệu nào khác hoạt động trong cùng băng tần.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án: Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CDMA 1. Tổng quan Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã dần dần được thương mại hoá. Hệ thống CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nhằm thực hiện cho các hệ thống thông tin có khả năng chống phá sóng cao. Kỹ thuật trải phổ là ứng dụng trực tiếp của lý thuyết thông tin của Shannon, đã trở nên rất quan trọng trong các hệ thống thông tin do có nhiều tính năng ưu việt như giảm mật độ công suất, độ định vị cao, độ phân giải cao,… Có 3 kỹ thuật trải phổ: Chuỗi trực tiếp (DS - Direct Sequence). Nhảy tần số (FH - Frequency Hopping). Nhảy thời gian (TH - Time Hopping). Trải phổ là một kỹ thuật được thực hiện bằng cách điều chế lần thứ hai một tín hiệu đã được điều chế nhằm tạo ra một dạng sóng sẽ là nhiễu đối với bất kỳ một tín hiệu nào khác hoạt động trong cùng băng tần. Vì vậy, khi máy thu tín hiệu AM hay FM thông thường sẽ không nhận thấy sự hiện diện của tín hiệu trải phổ đang hoạt động trên cùng băng tần. Tương tự, máy thu tín hiệu trải phổ sẽ không nhận diện được sự hiện diện của tín hiệu AM hay FM. Vì thế, người ta nói các tín hiệu này "trong suốt" (transparent) với nhau. Để tạo được sự "trong suốt" này, kỹ thuật trải phổ điều chế một tín hiệu đã điều chế, điều biên hay điều tần băng rộng, vì vậy sẽ tạo ra một tín hiệu có băng
thông rất rộng. Ví dụ: tín hiệu AM thông thường có băng thông 10 KHz, một tín hiệu trải phổ hoạt động ở cùng tần số sóng mang như tín hiệu AM và có cùng công suất Ps nhưng có băng thông 1 MHz. Như vậy trong khoảng băng tần 10 KHz của tín hiệu AM công suất của tín hiệu trải phổ là Ps(104/106) = Ps/100 và đối với đầu thu của tín hiệu AM, phần công suất của tín hiệu trải phổ giao thoa với nó tương đương như tín hiệu nhiễu thấp hơn 20 dB. Trong hệ thống CDMA, nhiều user sử dụng chung miền thời gian và tần số, các mã giả ngẫu nhiên (PN - Pseudo Noise) với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗi user. Tốc độ bit của chuỗi PN phải đủ lớn để trải phổ tín hiệu trên toàn băng thông. User truyền tín hiệu bằng cách trải phổ tín hiệu truyền sử dụng chuỗi PN đã được ấn định. Máy thu sẽ tạo lại một chuỗi giả ngẫu nhiên như ở máy phát và khôi phục lại tín hiệu nhờ việc dồn phổ các tín hiệu đồng bộ thu được. Trang 1 GVHD: TS. Phạm Hồng Liên
Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield Giới thiệu chung T í n h c h ấ t c ủ a k ỹ t h u ậ t t r ả i p h ổ B t t h p l h n s v b t c t đ t n t t c t t h đ V
trải phổ được thực hiện nhờ tín hiệu trải phổ c(t), thường g được gọi là tín hiệu mã (code). Tín hiệu này độc lập với dữ liệu truyền t đi. v Ở đầu thu, việc thu lại tín hiệu ban đầu được thực hiện s nhờ kỹ thuật dồn phổ (despreading) khôi phục dữ liệu nguyên thuỷ bằng cách u xét sự tương đ quan của tín hiệu thu được với tín hiệu giống hệt và được đồng bộ với tín l hiệu mã dùng để trải phổ. sóng mang cos0t. 2Ps Tín hiệu 2. DS - CDMA (Direct Sequence CDMA) thu được 2.1. Nguyên lý cho qua bộ tích Một tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp là một tín hiệu mà biên phân và độ của tín hiệu đã được điều chế trước đó được điều chế lại một lần nữa bằng một đầu ra bộ chuỗi nhị phân tích NRZ có tốc độ rất cao. phân Giả sử tín hiệu gốc là: đượ v(t s d(t)cos0t 2P (1.1) c lấy )= mẫu thì tín hiệu trải phổ DS là: theo s(t) 2Ps g(t)d(t)cos0t (1.2) từng kho = ảng g(t)v bit, (t) = ta đượ với g(t) là chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên PN có các giá trị 1. c Chuỗi g(t) được tạo ra bằng một phương pháp xác định và lặp chu lại có chu kỳ ỗi nhưng chiều dài chuỗi trước khi lặp lại rất dài nên người ta xem g(t) dữ là chuỗi ngẫu liệu nhiên, tức là không có sự liên hệ giữa giá trị của một bit với giá trị của các bit khác. d(kT Hơn nữa, tốc độ bit của g(t) là fc >> fb (tốc độ bit của chuỗi dữ liệu). b). Hay có thể nói Như rằng g(t) phân chia các bit của d(t) thành các chip nên tốc độ g(t) gọi là vậy, tốc độ chip (chip rate) còn tốc độ d(t) gọi là tốc độ bit (bit rate). tại mỗi Băng thông của tín hiệu v(t) là 2fb và băng thông tín hiệu trải đầu phổ là 2fc nên thu phổ của tín hiệu được trải ra theo tỷ số fc/fb. Vì công suất phát của cần hai tín hiệu v(t) phải và s(t) bằng nhau nên mật độ phổ công suất Gs(f) sẽ giảm theo một tỷ tạo số là fb/fc. ra Trước tiên, tại đầu thu, tín hiệu thu r(t) được nhân với chuỗi đượ
c dạng sóng mang hình sin, tần số  0 và chuỗi giả ngẫu nhiên g(t) như ở đầu phát. Trang 2 GVHD: TS. Phạm Hồng Liên
Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield Giới thiệu chung Transmitter n Receiver (t ) r(t) Channe d(t) Int T Out l egr b put ato r g g 2 (t (t c 2Ps cos ) ) o s 0 t H t c Hình 1.1: Dạng sóng của d(t), g(t) và d(t)g(t) 2 . 2 Quá trình trải phổ, thu và phát: . Ả n h h ư ở n g c ủ a n h i ễ u n h i ệ
t Ta thấy rằng kỹ thuật trải phổ có thể triệt được ảnh hưởng của một tín hiệu giao thoa xác định, ta cần xét xem hệ thống có bị ảnh hưởng bởi nhiễu nhiệt hay không. Ở hệ thống trên, dạng sóng dữ liệu d(t) là một chuỗi bit NRZ có giá trị +1 và -1 ở tốc độ fb trong khi dạng sóng của chuỗi giả ngẫu nhiên cũng có giá trị +1 và -1 ở tốc độ fc. Trên đường truyền, tín hiệu đầu vào của hệ thống được nhân hai lần với Trang 3 GVHD: TS. Phạm Hồng Liên
Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield Giới thiệu chung g(t) và vì g(t)g (t) = 1 nên sẽ khô ng có ảnh hưở ng gì đến tín hiệu nhậ n đượ c. Nhi ễu n(t) xâm nhậ p vào kênh và tại máy thu sẽ bị trải phổ bởi g(t) trướ c khi đến bộ tích phân . Điề u đó có nghĩ a là cứ sau
một khoảng ngẫu nhiên, cực của sóng nhiễu sẽ bị C đảo ngược một lần. Sự đảo cực này không ảnh hưởng đến mật độ phổ công suất hay h hàm mật độ xác suất của nhiễu Gauss. Do vậy cả tín hiệu và các đặc tính của nhiễu ý không bị ảnh hưởng bởi kỹ thuật trải phổ. r Giống như đối với một hệ thống BPSK không có trải phổ, xác n suất lỗi là: t Pe = ½ erfc E b  (1.3) i tron Eb: năng lượng bit đ g đó ầ /2: mật độ phổ công suất của nhiễu u 2.3. Nhiễu đơn tần (Single-Tone Interference) v Ta xét tín hiệu trải phổ DS giao thoa với một tín hiệu hình sin với công suất o Pj ở tần số sóng mang là f0. Như vậy, trên hình 1.2, nhiễu n(t) được m thay thế bằng dạn 2Pj cos(0t +  ). á g t són g u Ngõ vào của máy thu là: t (1.4) r(t s g(t)d(t) cos0t 2Pj cos(0t +  ) 2P e )= + c n Vì g2(t) = 1 nên tín hiệu ngõ ra v0(t) xuất hiện ở đầu vào bộ t tích phân là: ứ v0(t) = Ps d(t)(1 + cos20t) + Pj g(t)(1 + cos20t)cos Pj g(t)sin20tsin (1.5) c - ( Đầu ra (1.6) . của ) bộ tích t phân là: n v '0 (t) h Ps d(t) ệ u Pj d(t) t cos  ô
g tin là một tín hiệu băng rộng trong khi đó tín hiệu gây nhiễu lại là một tín hiệu băng hẹp. Mặt khác theo công thức (1.6) tín hiệu thông tin bây giờ chỉ phụ thuộc vào d(t) mà không phụ thuộc vào g(t), là một tín hiệu mà băng thông của nó đã được nén. Tín hiệu gây nhiễu trong công thức (1.4) có phổ chứa một thành phần tần số f = f0 xuất hiện như một tín hiệu băng rộng. Sử dụng công thức tính mật độ phổ công suất cho tín hiệu BPSK, ta được mật độ phổ công suất của tín hiệu gây nhiễu là: (1.7) Gc 2f f fc j ( f ) = Trang 4 GVHD: TS. Phạm Hồng Liên
Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield Giới thiệu chung C ó t ể x m m ộ b ộ l y t h p â m à c u k l y t h p â c ủ a n l T t ơ n tự như một bộ lọc thôn g thấp có tần số cắt là fb = 1/Tb.
Vì fb Ps = Pj fc > ½ fb t c e r đ f ộ c (1.10c) b Pj P t f eff v =fb g Pj.eff được gọi là công suất nhiễu hiệu dụng. Tỷ số fc/fb thể t l hiện mức giảm công suất nhiễu trung bình Pj/2 bằng cách chia (chipping) và được gọi m là độ lợi xử ộ lý (processing gain):
chuỗi ngẫu nhiên hoàn toàn. Mặt khác, nếu các điều kiện này không thỏa mãn đồng thời, kết quả sẽ không như công thức (1.9). Ví dụ nếu chiều dài chuỗi ngẫu nhiên trước khi lặp lại không dài hơn độ rộng của bit thì xác suất lỗi tăng lên. Trang 5 GVHD: TS. Phạm Hồng Liên
Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield Giới thiệu chung 2 . 4 . N h i ễ u b ă n g r ộ n g ( W i d e b a n d I n t e r f e r e n c e ) T o g
hệ thống CDMA, giả sử có K user và mỗi user được phân chia T một chuỗi mã giả ngẫu nhiên riêng biệt, những mã này không tương quan h với nhau. Các user truyền dữ liệu ở cùng tần số sóng mang fc và cùng thời gian. Tại o mỗi máy thu c của các user sẽ nhận các dạng sóng giống nhau bao gồm tất cả các thông tin truyền n đi của k user: t k 2Ps gi(t)di(t)cos(0t +  i) (1.12) r(t) ứ =i i= c trong đó gi(t) và di(t) là mã giả ngẫu nhiên có tốc độ fc và thông tin ( truyền đi có tốc . độ fb của user i;  i là pha ngẫu nhiên độc lập với pha của các user 0 khác. Nếu ở máy thu muốn nhận được K thông tin từ K user thì cần ) phải có K bộ v tương quan. Giả sử cần nhận tín hiệu của user 1 thì cần tạo ra mã giả ớ ngẫu nhiên g1(t) và thành phần 2 cos(0t +  1). Khi đó, ngõ ra của bộ tích P sóng mang phân là: = k Ps g1(t)gi(t)di(t)cos(i -  1) (1.13a) ( v =1 i= K Ps d1(t) k Ps g1(t)gi(t)di(t)cos(i -  1) (1.13b) - = + i= 2 1 P Ta thấy rằng tích g1(t)gi(t) có cùng tốc độ chip fc, là một chuỗi , giả ngẫu x nhiên riêng biệt và có thể viết lại g1(t)gi(t) ≡ g1i(t). Tương tự cos(i -  1) ≡ cos1i: c Ps d1(t) k Ps g1i(t)di(t)cos1i (1.14) s v+ = i= 2 ấ l So sánh với công thức (1.6), ta thấy tương tự ngoại trừ công i thức (1.14) có K- tín hiệu nhiễu độc lập trong khi đó công thức (1.6) chỉ có một tín b hiệu nhiễu. t Theo công thức mật độ phổ (1.8) với Pj = Ps và cos 2  = ½ thì mật độ l phổ công suất (1.1 tổng cộng của K -1 nhiễu độc lập là: 6) f ≤ fb (1.15) Pj k−1 Gj(f) 4fc Đ
ể đảm bảo xác suất lỗi thấp thì độ lợi xử lý phải được hiệu chỉnh sao cho: fc/fb >> (1.17) (k - 1)/2 Trong công thức (1.12), các tín hiệu được truyền đi có cùng mức công suất Ps tại đầu thu nhưng trong thực tế, các mức công suất này không phải là bằng nhau. Khi truyền đến user sẽ có các mức công suất cao và thấp vì các khoảng cách xa-gần Trang 6 GVHD: TS. Phạm Hồng Liên
Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield Giới thiệu chung khác nhau . Khi công suất của tín hiệu khô ng mon g muố n lớn hơn nhiề u công suất của tín hiệu mon g muố n thì sẽ xuất hiện lỗi. Đó là vấn đề gần- xa (nea r-far prob lem) giới hạn khả năng sử dụn g của hệ thốn g
DS. 3. FH - CDMA (Frequency Hopping CDMA) Trang 7 3.1. Nguyên lý Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số FH là một kỹ thuật FM hay FSK trong khi kỹ thuật DS mô tả ở trên là một kỹ thuật AM hay PSK. Tín hiệu được xử lý nhảy tần số (frequency hopped) thông thường là tín hiệu BFSK. Trong hệ thống này, nguyên lý tiến hành tương tự như DS, chuỗi giả ngẫu nhiên PN dùng để điều khiển bộ tổng hợp tần số (frequency synthesizer) để nhảy đến một trong những tần số RF. Nếu tốc độ nhảy fc lớn hơn tốc độ bit fb thì ta có hệ thống FH nhanh (FFH - Fast Frequency Hopping). Nếu fc nhỏ hơn fb thì ta có hệ thống FH chậm (SFH - Slow Frequency Hopping). Nếu fc = fb thì ta có hệ thống FH trung bình (IFH - Intermediate Frequency Hopping), hệ thống này ít được sử dụng trong thực tế. Data HPA modulator d( t) Frequency LO synthesizer m bits PN code generator Clock Hình 1.3: Bộ phát nhảy tần số Các tần số nhảy được tạo ra bởi bộ tổng hợp tần số số (DFS - Digital Frequency Synthesizer). Bộ này được điều khiển bằng m bit nhị phân cho ra M = 2m tần số ở bộ nhảy tần số. GVHD: TS. Phạm Hồng Liên
Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield Giới thiệu chung M T Earl Code Message d(t) y- loop late Digital filter g frequency at synthesizer e m-1 bits PN code generator Cl oc k V C O H t Ở đ ầ u t u t n h ệ u n ả y t n s đ ư ợ c n â v ớ t n
hiệu ngõ ra của bộ tổng ∆ hợp tần số được điều khiển bởi chuỗi giả ngẫu nhiên giống như chuỗi giả ngẫu tần số phân biệt cạnh nhau nhiên tương ứng ở máy phát. Nếu chuỗi giả ngẫu nhiên ở máy thu đồng bộ với mã Xét hệ thống SFH phát thì bộ nhân sẽ dồn phổ tín hiệu RF nhận được và đưa sử dụng 4-FSK, mỗi vào bộ giải điều chế để thu dữ liệu. Cổng sớm-trễ (early-late gates), mạch lọc mã khoảng vòng (code-loop filter) và số điều chế. Do VCO là một phần của hệ thống con dùng để đồng bộ. đó cần 2 bit để xác định 3.2. Hệ thống SFH tần số. Giả sử chuỗi giả Ở hệ thống này, tốc độ nhảy nhỏ hơn tốc độ bit nên sẽ có hai hay nhiều bit gốc ngẫu nhiên (baseband bit) được truyền cùng tần số trước khi nhảy đến dùng 3 bit để tần số RF khác. Ta có điều chu kỳ nhảy TH tỷ lệ với chu kỳ bit Tb hoặc là chu kỳ ký hiệu Ts theo công thức: T T (1.18) GVHD: TS. Phạm Hồng r Liên a H (1.19) n g = 8 k (1.20) Tb fc = fH = 1/ T H Băng thông RF là: B W RF = M ∆ f trong đó M = 2m: số tần số tạo bởi bộ tổng hợp tần số