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 “Kỹ thuật trải phổ trong công
nghệ CDMA”.
Em xin gởi lời cám ơn đến ban lãnh đạo nhà trường, quý thầy cô trong bộ
môn Điên Tử-Viễn Thông 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 Th.S Lê Đình Công 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.
Em xin chân thành cảm ơn!!!!
SVTH:Nguyễn Thế Anh


Đề tài:

Tìm
2 hiểu về kỹ thuật trải phổ trong CDMA

MUC
̣ LUC
̣

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. Lịch sử phát triển của thông tin di động
1.2. Sự phat́ triên
̉ cać hệ thông
́ thông tin di đông

2.5.2. Hệ thông
́ lai
CHƯƠNG 3: HỆ THÔNG
́ THÔNG TIN DI ĐÔNG
̣
CDMA- 2000
3.1. Tổng Quan
3.1.1. Khả năng chính mới
3.1.2. Các tiêu chuẩn CDMA theo TIA/EIA/IS-2000

SVTH: Nguyễn Thế Anh
ĐTVT

Trang
2
2
2
2
4
7
8

Lớp 48K-

8
9
11
13
13
17

3.2.2. Cać kênh vâṭ lý
3.3.3. Truyền dẫn đơn và đa sóng mang
3.3.4. Điêù khiên
̉ công suât́
3.3.5. Phân tâp̣ phat́
3.3.6. Điêù chếtrực giao
3.3.7. Các đặc điểm quan trọng của đường xuống
3.3.8. Kênh truy nhâp
̣
KẾT LUẬN
Tài liệu tham khảo

60
60
61
62
62
64
65
66
69
70
70
71
72
73
74
75
77


về hệ thống thông tin di động mới CDMA này. Được sự đồng ý của
hướng dẫn của thầy Th.S Lê Đình Công em xin chọn đề tài: “Các kỹ
thuật trải phổ trong công nghệ CDMA”làm đồ án tốt nghiệp. Với kiến
thức và thời gian có hạn nên đề tài của em vẫn còn thiếu xót nhiều em
chân thành mong các thầy cô thông cảm, em chân thành cảm ơn!
Vinh Ngày5 tháng 12 năm 2011
SVTH: Nguyễn Thế Anh

CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1.

Lịch sử phát triển của thông tin di động:

SVTH: Nguyễn Thế Anh
ĐTVT

Lớp 48K-

4


Đề tài:

Tìm
5 hiểu về kỹ thuật trải phổ trong CDMA

Thông tin di động đã được sử dụng khá lâu. Mặc dù các khái niệm tổ
ong, các kỹ thuật trải phổ, điều chế số và công nghệ vô tuyến đã được biết
đến.

5


Đề tài:

Tìm
6 hiểu về kỹ thuật trải phổ trong CDMA

• Giảm tỷ lệ tin tức báo hiệu, tỷ lệ lớn hơn cho tin tức người sử
dụng.
• Áp dụng kỹ thuật mã hoá kênh, và mã hoá nguồn của truyền dẫn
số.
• Hệ thống chiếm nhiều kênh chung CCI (Cochannel Interference)
và các kênh kề (Adjacert Channel Interfernce) hiệu quả hơn. Điều này
làm tăng dung lượng hệ thống.
• Nhận thực, truyền số liệu kết nối ISDN.
• Điều khiển truy cập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng
tăng, diện tích cell nhỏ hơn, chuyển giao nhiều hơn, báo hiệu dễ dàng
hơn xử lý bằng phương pháp số.
Đặc điểm của mô hình điện thoại di động tế bào cell là việc sử dụng
lại tần số, và diện tích của cell khá nhỏ trong thực tế, sự tăng trưởng trong
một cell nào đó chiếm mức chất lượng giảm sút quá mức, người ta thực
hiện việc chia tách cell thành các cell nhỏ hơn, người ta sử dụng công suất
nhỏ hơn và các mẩu sử dụng ở tỷ lệ xích nhỏ hơn. Các hệ thống đó sẽ cung
cấp thêm nhiều loại hình dịch vụ mới như: Thông tin thoại, âm thanh hình
ảnh, hội nghị truyền hình, giáo dục từ xa, … thông suốt trong phạm vi toàn
cầu.
1.2. Sự phát triển các hệ thống thông tin di động
1.2.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất:
Hệ thống xuất hiện vào đầu năm 80, dùng kỹ thuật điều chế FM

Mạng chỉ có phạm vi cung cấp dịch vụ trong nước. Băng tần hoạt
đông trong khoảng từ: 450 đến 900MHz.
Tất cả các hệ thống cellular thuộc thế hệ này trên đều sử dụng kỹ
thuật đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), mỗi kênh được phân cho
một tần số duy nhất trong một nhóm cell.
1.2.1.1. Đặc điểm của thông tin di động thứ nhất:
• Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian
thong tuyến.
• Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
• BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS.
Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản.
Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về
cả dung lượng và tốc độ. Vì các khuyết điểm trên mà nguời ta đưa ra hệ thống
di dộng thế hệ 2 ưa điểm hơn thế hệ 1 về cả dung lượng và các dịch vụ được
cung cấp.

1.2.1.2. Các tham số hệ thống:
SVTH: Nguyễn Thế Anh
ĐTVT

Lớp 48K-

7


Đề tài:

Tìm
8 hiểu về kỹ thuật trải phổ trong CDMA


30

30

(MHz).

832

1320

Tổng số kênh.

10

8

Tốc độ phát data (KPBS).

2 ÷ 20

2 ÷ 20

Bán kính trung bình (Km).

FM

FM

Điều chế tín hiệu âm tần.


8


Đề tài:

Tìm
9 hiểu về kỹ thuật trải phổ trong CDMA

- Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA).
- Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA).
1.2.2.1. Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA
Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc,
mỗi
dải tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một
khe thời gian trong chu kỳ một khung. Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ
cài xen thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu
trúc khung.
 Đặc điểm:
- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số.
- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong
đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di
động và một băng tần được sử dụng để truyền tuyến hiệu từ máy di động đến
trạm gốc. Việc phân chia tần như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể
hoạt động cùng một lúc mà không sợ can nhiễu nhau.
+.Giảm số máy thu phát ở BTS.
+.Giảm nhiễu giao thoa.
Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn kỹ thuật FDMA.
Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương tự có khả năng xử lý không
quá 106 lệnh trong một giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý
hơn 50x106 lệnh trên giây.

• GSM: (Global System for Mobile Communication): Đây là hệ
thống thông tin di động toàn cầu, ra đời ở Châu Âu. Sử dụng kỹ thuật đa
truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). Hệ thống GSM được phát
triển năm 1982 khi các nước Bắc Âu gởi kiến nghị đến CEPT để qui định
một số dịch vụ viễn thông chung Châu Âu ở băng tần 900Mhz.
• CDMA IS – 95: (Code Division Mutilple Access): Công nghệ sử
dụng trải phổ trước đó đã áp dụng trong quân đội. Đa truy nhập phân chia
theo mã IS-95. Lý thuyết trải phổ đã trở thành động lực cho sự phát triển
nhiều ngành vô tuyến công nghiệp như: Thông tin cá nhân, thông tin đa
thâm nhập làm cho công nghệ CDMA trở thành công nghệ hàng đầu trong
việc giảm tắc nghẽn gây ra do sự bùng nổ của các máy điên thoại di động
và cố định cũng như các đầu cuối số liệu vô tuyến.
• TDMA IS – 136: đa truy nhập phân chia theo thời gian.
• Các Hệ thống thông tin di động trên hầu hết điều dùng kỹ thuật
nén, mã hoá phối hợp với kỹ thuật số. Các phương pháp đa truy nhập như:
TDMA, FDMA, CDMA.
Cung cấp các loại hình dịch vụ như: Nhận thức, số liệu, mật mã hoá,
đặc biệt kết nối với mạng ISDN, đồng thời cung cấp các loại hình dịch vụ
giải trí đa phương tiện.
SVTH: Nguyễn Thế Anh
ĐTVT

Lớp 48K-

10


Đề tài:

11


Mobile

Telecommunication - 2000): Đây là hệ thống viễn thông di động quốc tế
-2000.
Hệ thống chủ yếu sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã
(CDMA). Cung cấp băng thông rộng.
Phục vụ các loại hình dịch vụ: Cung cấp băng tần rộng để truy cập
internet tốc độ cao, truyền hình và ảnh chất lương rất tốt.
Phạm vi sử dụng của mạng là: Mạng sử dụng rất tốt trong nước và
trên toàn thế giới. Sử dụng tần số quy định quốc tế là 2Ghz.
SVTH: Nguyễn Thế Anh
ĐTVT

Lớp 48K-

11


Đề tài:

12
Tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ trong CDMA

CHƯƠNG II:
KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG HỆ THỐNG CDMA
2.1. Tổng quan về công nghệ trải phổ:
2.1.1. Giới thiệu về công nghệ 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

13
Tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ trong CDMA

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.
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.

SVTH: Nguyễn Thế Anh

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
bộthu
cộng
XOR.
Máy
vàmodule
bộ
giải điều chế
D
Phát chuỗi giả
ngẫu nhiên PN
SVTH: Nguyễn Thế Anh
ĐTVT

Dữ liệu gốc
thu được

F
Lớp 48K-

14



Lớp 48K-

15


Đề tài:

16
Tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ trong CDMA

- Truyền đa tia: Tại đầu thu có thể đi theo nhiều đường vì đi theo các
đường khác nhau nên pha của tín hiệu đi theo các đường sẽ khác nhau. Ở
đầu thu chỉ tạo ra tín hiệu PN giống hệt như tín hiệu PN trong trường hợp
truyền thẳng nên các tín hiệu C(t) đi theo đường khác nhau khi nhân với
C(t) tại đầu thu sẽ không biến thành giá trị 1 hay các sóng tới đi theo
đường khác sẽ không được giải điều chế, năng lượng rất thấp không ảnh
hưởng thành phần tín hiệu đi theo đường thẳng.
- Tính bảo mật: Sóng vô tuyến bị thu trộm nhưng đối với kỹ thuật
trải phổ khi thu được trên đường truyền thành phần tín hiệu rất nhỏ so với
can nhiễu hay nói cách khác đi nó bị che lấp bởi tạp âm rất khó cho người
thu trộm xử lý nó.
- Đa truy nhập phân chia theo mã (ứng dụng CDMA).
- Gia tăng dung lượng và công suất phổ trong hệ thống thông tin cá
nhân tế bào di động.
2.1.3.2. Các lĩnh vực ứng dụng của kỹ thuật trải phổ :
-

Thông tin vệ tinh: Hầu hết các vệ tinh thông tin thực hiện chức


khứ hồi và đồng bộ. Khi biết thời gian chip, ta có thể biến đổi pha thời
gian trễ sau đó biến đổi vào cự ly trên cơ sở biết được tốc độ sóng vô
tuyến.
- Hệ thống định vị toàn cầu GPS: (Global Positioning System) cho
phép máy thu trên mặt đất xác định vị trí của mình với độ chính xác cao
trong giới hạn từ 10 đến 20m.
- Vô tuyến đa thâm nhập sử dụng nhảy tần: Hệ thống này sử dụng kỹ
thuật nhảy tần kết hợp với điều chế MPSK.
2.2.

MÃ TRẢI PHỔ NGẪU NHIÊN PN

2.2.1. Tổng quan về trải phổ:
Mã trải phổ là dãy tín hiệu giả ngẫu nhiên (giả tạp âm trắng) được tạo
ra đồng bộ để trải phổ ở máy phát, và nén phổ ở máy thu đối với phổ được
truyền đi. Mã trải phổ còn được dùng để phân biệt các thuê bao với nhau
khi có cùng chung dải thông truyền dẫn trong cơ chế đa truy nhập trong hệ
thống CDMA.
• Đặc tính của mã trải phổ:
- Tỷ lệ các tần số 0 và 1 là mỗi ½.
- Đối với các số 0 và 1 thì ½ chuỗi dài có chiều dài là 1, ¼ có
chiều dài là 2,….

SVTH: Nguyễn Thế Anh
ĐTVT

Lớp 48K-

17


tín hiệu xét (A: số bít cùng, D: số bít khác). Minh họa cho điều này ở hình
1.3(e).
Ở hình 1.3 (a,b,c) biểu thị mô hình phát chuỗi nhị phân ngẫu nhiên lý
tưởng có phổ giống tạp âm trắng. Trong mô hình này nguồn tạp âm
AWGN được số hóa nhờ thiết bị ngưỡng và Flip-Flop đồng bộ. tần số lấy
mẫu là tốc độ chíp fc.
Đỉnh nhọn hàm tương quan ở hình 1.3(c) biểu thị τ = 0. Đặc điểm
này giúp cho máy thu thực hiện đồng bộ dễ dàng với máy phát, chuẩn về
thời gian. Nếu chuỗi d(t) có chu kỳ lặp lại N chíp thì được gọi là giả ngẫu
nhiên.
Mã trải phổ không những để trải phổ mà còn là chìa khoá để MS
chọn ra tín hiệu trạm gốc phát cho nó trong môi trường CDMA. Muốn vậy
mã trải phổ của MS khác nhau có tương quan chéo bằng 0, hoặc rất nhỏ.
Điều kiện này đảm bảo nhiễu lẫn nhau tương quan chéo bằng 0. Tuy nhiên
trong nhiều hệ thống thực tế các bộ phát tương quan dãy PN ở máy phát và
máy thu được dùng với tương quan chéo đủ nhỏ.

SVTH: Nguyễn Thế Anh
ĐTVT

Lớp 48K-

18


Đề tài:

19
Tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ trong CDMA


Hình 1.3 (a)

b. Đáp ứng của chuỗi ngẫu nhiên:
d(t
)

Tc

d(t)
Hình 1.3 (b)
c. Hàm tự tương quan d(t):

SVTH: Nguyễn Thế Anh
ĐTVT

Hình 1. 3 (c)

Lớp 48K-

19


Đề tài:

20
Tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ trong CDMA

d. Hàm tự tương quan của dãy PN7
Ra(т)


0

{

{

1

0

}Cùng: A
1 bít shift

Khác: D

}A=3
D=4
A-D = -1
Hình 1.3 (e)

2.2.2. Các loại mã trải phổ :

SVTH: Nguyễn Thế Anh
ĐTVT

Lớp 48K-

20




1

x

x

ci-m 0
1
m

Si(m)

x3

m-1

x

x

+1

-1 Đến độ điều chế

Hình 2.1: Sơ đồ mạch phát dãy m
Trong sơ đồ trên, có N flip flop D được mắc thành bộ ghi dịch, mạch
hồi tiếp gồm các cổng XOR và các khóa gi làm thay đổi chiều dài và đặc
tính của dãy PN được tạo ra. Trong số đó, dãy có chiều dài cực đại là: L=
2N – 1 (L: số chip (cắt)).


+

Thuộc tính 3_thuộc tính cửa sổ: Nếu một cửa sổ độ rộng m

trượt dọc chuỗi m trong tập Sm, mỗi dãy trong số 2m-1 dãy m bit khác
không này sẽ được nhìn thấy đúng 1 lần.
+

Thuộc tính 4_Số số 1 nhiều hơn số số 0: mọi chuỗi m trong

tập Sm chứa 2m-1 số số 1 và 2m-1-1 số số 0.
+

Thuộc tính 5_thuộc tính cộng: Tổng hai chuỗi m (cộng mod

2 theo từng thành phần) là một chuỗi m khác.
+

Thuộc tính 6_Thuộc tính dịch và cộng: Tổng của một chuỗi

m và dịch vòng của chính nó ( cộng mod 2 theo từng thành phần )là một
chuỗi m khác.
+

Thuộc tính 7_Hàm tự tương quan dạng đầu đinh: Hàm tự

tương quan tuần hoàn chuẩn hóa của một chuỗi m được xác định như sau:

1

N

Hình 2.2: Hàm tự tương quan tuần hoàn dạng đầu đinh
+

Thuộc tính 8_Các đoạn chạy(Runs) : Một đoạn chạy là một

xâu các số “1” liên tiếp hay một xâu các số “0” liên tiếp. Trong mọi chuỗi
m, một nửa số đoạn này có chiều dài 1, một phần tư có chiều dài 2, một
SVTH: Nguyễn Thế Anh
ĐTVT

Lớp 48K-

22


Đề tài:

23
Tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ trong CDMA

phần tám có chiều dài 3chừng nào các phân đoạn còn cho một số nguyên
các đoạn chạy.
+

Thuộc tính 9_Pha đặc trưng: có đúng một chuỗi ra không

nằm trong tập Sm thoả mãn điều kiện ci=c2i đối với tất cả i ∈ Z. Chuỗi m này
được gọi là chuỗi ra không đặc trưng hay pha đặc trưng của các chuỗi m


SVTH: Nguyễn Thế Anh
ĐTVT

N +1

 1 + 2. 2

 1 + 2. N + 2

2

, N leû
, N chaün

Lớp 48K-

23


Đề tài:

24
Tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ trong CDMA

θ (τ )

l
L


8

9

6

7

8

9

h(x) = x 9 +x 4+ 1

1

2

3

4

5

h(x) = x 9 + x7 + x6 + x4 + x3 +x + 1

511 chip

Hình 2.4: Sơ đồ tạo mã Gold


Trong hệ thống CDMA việc sử dụng các chuỗi trải phổ trực giao nhằm
giảm can nhiễu giữa nhiều người sử dụng. Do đó cho phép nhiều người
cùng chia sẻ một tần số giống nhau.
• Trên kênh liên kết hướng xuống mã Walsh dùng cách ly giữa các
user. Điều này cho phép nhiều ngưồi sử dụng trên cùng một phổ tần được
cấp phát mã.
• Trên kênh lưu lượng hướng xuống, hàm Walsh được trạm gốc đưa
vào trải phổ cho các tín hiệu. MS có nhiệm vụ phát hiện và nén phổ đúng.
• Bảng mã chuỗi gồm 64 chuỗi, mỗi chuỗi dài 64 chip ( mỗi chíp là
một số nhị phân 0 hay 1).
• Các mã Walsh trực giao với nhau.
• Các hàm không phù hợp với máy được đưa vào kênh lưu lượng
hướng xuống tạo nên các tín hiệu mà các MS không nhận biết. Trong quá
trình nén phổ chỉ có kênh phù hợp đuợc thể hiện.

SVTH: Nguyễn Thế Anh
ĐTVT

Lớp 48K-

25