Kỹ thuật trải phổ trong thông tin di động CDMA _HVKT

Trong mô hình hệ thống thông tin trải phổ chúng ta thấy bộ mã hóa, bộ giải mã, bộ điều chế và bộ giải điều chế là các phần tử cơ sở của một Bộ giải mã kênh Bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên Bộ t

Mục lục

Lời nói đầu 4

ch-ơng 1 Tổng quan về kỹ thuật trải phổ 6

1.1 Tín hiệu và phổ của tín hiệu 6

1.1.1 Khái niệm tín hiệu và phân loại tín hiệu 6

1.1.2 Phổ của tín hiệu liên tục 8

1.1.3 Phổ của tín hiệu rời rạc 9

1.2 Mối liên hệ giữa phổ của tín hiệu liên tục và phổ của tín hiệu rời rạc 10

1.3 Kỹ thuật trải phổ 14

1.3.1 Phân loại kỹ thuật trải phổ 17

1.3.2 Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ 21

1.3.3 Đa truy nhập theo mã 24

1.4 So sánh -u nh-ợc điểm của các hệ thống thông tin trải phổ 24

1.4.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp 24

1.4.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần 26

1.4.3 Hệ thống trải phổ nhảy thời gian 28

ch-ơng 2 Hệ thống thông tin trải phổ 30

2.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS 31

2.1.1 Hệ thống DS/SS-BPSK 31

2.1.2 Các hệ thống DS/SS-QPSK 35

2.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần(FH-SS) 38

2.3 Đồng bộ ở các hệ thống thông tin trải phổ 40

ch-ơng 3 Kỹ thuật trải phổ trong thông tin di động cdma 43

3.1 Ph-ơng pháp đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 43

3.2 Các tính năng kỹ thuật chính của CDMA One 46

3.3 Thiết kế giao diện vô tuyến CDMA One 47

3.3.1 Đ-ờng xuống CDMA One 47

3.3.2 Đ-ờng lên CDMA One 72

Kết luận 82

Tài liệu tham khảo 83

Lời nói đầu

Quản lý việc sử dụng phổ tần là một nhiệm vụ hết sức phức tạp do tính đa dạng của các dịch vụ và các công nghệ liên quan Tr-ớc dây vấn đề này đ-ợc giải quyết bằng cách cấp phát các băng hay các khối phổ tần cho các dịch vụ khác nhau nh-: thông tin quảng bá, di động, vệ tinh, hàng không Mới đây đã xuất hiện một ph-ơng pháp khác để giải quyết vấn đề này Ph-ơng pháp này dựa trên khả năng một số ph-ơng pháp điều chế có thể sử dụng chung tần số mà không gây ra mức độ nhiễu đáng kể Ph-ơng pháp này đ-ợc gọi là điều chế trải phổ (Spread Spectrum - SS)

Trải phổ là công nghệ truyền dẫn tín hiệu đã đ-ợc nghiên cứu và đ-a vào ứng dụng hơn nửa thế kỷ Qua các ứng dụng mới đây của công nghệ trải phổ trong thông tin di động đã đổi mới và tăng thêm sự quan tâm về lý thuyết cũng nh- ứng dụng của công nghệ này

Hệ thống thông tin trải phổ đã đ-ợc sử dụng trong quân đội hơn nửa thế kỷ qua với hai mục đích chủ yếu là chống lại tác động gây nhiễu mạnh

và bảo mật Đạt đ-ợc hai mục đích đó là nhờ dãn rộng phổ tín hiệu để không phân biệt đ-ợc với tạp âm nền Ngày nay, công nghệ CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ đã đ-ợc sử dụng rộng rãi cho thông tin di động và thông tin cá nhân trên toàn thế giới Công nghệ này đã đạt đ-ợc hiệu quả sử dụng dải thông lớn hơn so với các công nghệ analog hoặc digital khác, do vậy phục vụ đ-ợc số l-ợng thuê bao đa truy nhập lớn hơn nhiều Các mạng thông tin vô tuyến sử dụng công nghệ trải phổ cũng có đ-ợc những tính chất quan trọng nh- tái sử dụng tần số, điều khiển công suất nhanh chóng

và chính xác, bảo đảm truyền dẫn chất l-ợng cao, giảm fading đ-ờng truyền

và cho phép chuyển vùng mềm giữa các trạm gốc

Phạm vi đồ án này nghiên cứu ba kỹ thuật trải phổ cơ bản: trải phổ chuỗi trực tiếp, trải phổ nhảy tần và trải phổ nhảy thời gian trên các khía

cạnh: cách điều chế trải phổ và đồng bộ hệ thống, ứng dụng kỹ thuật trải phổ cho thông tin di động CDMA

Đồ án đ-ợc chia thành 3 ch-ơng:

Ch-ơng 1: Tổng quan về kỹ thuật trải phổ Ch-ơng này giới thiệu sơ l-ợc về kỹ thuật trải phổ, phân loại kỹ thuật trải phổ, nguyên tắc trải phổ và dạng phổ của chúng, các -u điểm, nh-ợc điểm của các hệ thống trải phổ cơ bản

Ch-ơng 2: Các Hệ thống thông tin trải phổ Ch-ơng này sẽ trình bày các cách điều chế trải phổ tín hiệu, các ph-ơng pháp, sơ đồ đồng bộ của các hệ thống trải phổ cơ bản

Ch-ơng 3: Kỹ thuật trải phổ trong thông tin di động CDMA Ch-ơng này trình bày về thiết kế giao diện vô tuyến cho hệ thống thông tin di động CDMA one

Do thời gian hạn chế, tài liệu ít và các vấn đề còn mới mẻ và bao quát khá rộng nên trong phạm vi đồ án này chắc chắn không thể tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận đ-ợc sự chỉ bảo của các thầy giáo để đồ án đ-ợc hoàn thiện hơn

Ch-ơng 1

Tổng quan về kỹ thuật trải phổ

Sau chiến tranh thế giới thứ II, xuất phát từ vấn đề bảo mật và chống nhiễu cố ý đặt ra đối với thông tin vô tuyến và rađa, từ cuối những năm

1940 quân đội Mỹ, đặt biệt là các chuyên gia nghiên cứu ITT (international telephone Telegraph) đã xúc tiến một nguyên tắc thông tin hoàn toàn mới

dựa trên công trình của Claude Elwood Shannon: thông tin dựa trên nguyên tắc trải phổ tín hiệu Nguyên tắc thông tin này cho phép che dấu tín hiệu trong nền tạp âm bằng cách phát nó với công suất thấp và dãn phổ tín hiệu rộng hơn Ngày nay kỹ thuật này đang đ-ợc sử dụng trong một loạt ứng dụng th-ơng mại bao gồm thông tin trên xe di dộng, thông tin vô tuyến liên

sở và đặc biệt là trong thông tin di động CDMA Ch-ơng này tập chung giới thiệu tổng quan về phổ và trải phổ tín hiệu, các ph-ơng pháp trải phổ và so sánh -u nh-ợc điểm của các ph-ơng pháp đó

1.1 Tín hiệu và phổ của tín hiệu

1.1.1 Khái niệm tín hiệu và phân loại tín hiệu

Tín hiệu - hiểu theo nghĩa khái quát - đó là một quá trình vật lý có chứa đựng tin tức, hay một quá trình vật lý mang tin tức Quá trình tác động

hệ thống kỹ thuật vào tín hiệu đ-ợc gọi là xử lý tín hiệu

Tín hiệu th-ờng đ-ợc phân chia thành hai loại: tín hiệu tiền định và tín hiệu ngẫu nhiên Tín hiệu tiên định là các tín hiệu mà ta có thể biết tr-ớc

đ-ợc các tham số hoặc các quy luật biến thiên của các tham số của nó Còn tín hiệu ngẫu nhiên là các tín hiệu mà ta không thể biết tr-ớc đ-ợc các tham

số hoặc các quy luật biến thiên của các tham số của nó, mà chỉ có thể đánh giá nó bằng các lý thuyết xác suất

Tín hiệu tiền định có thể là tín hiệu tuần hoàn hoặc không tuần hoàn Xét trong miền thời gian t tín hiệu s(t) đ-ợc gọi là tuần hoàn nếu nó thoả mãn

trong đó T có giá trị hữu hạn và đ-ợc gọi là chu kỳ của tín hiệu, n là số nguyên bất kỳ Các tín hiệu không thoả mãn điều kiện (1.1) đ-ợc gọi là các tín hiệu không tuần hoàn

gian t Còn các tín hiệu s(t) chỉ có giá trị xác định ở các thời điểm nhất định còn lại có giá trị bằng 0 thì đ-ợc gọi là tín hiệu rời rạc

1.1.2 Phổ của tín hiệu liên tục

Xét tín hiệu tuần hoàn s(t) = s(t+T), T là chu kỳ của tín hiệu và có giá trị T=2/ω1

Chọn hệ hàm trực giao:

1, cosω1t, sinω1t, sin2ω1t cos2ω1t, ., cosnω1t, sinnω1t

trực giao trong khoảng 0  T và là hệ hàm trực giao chuẩn hoá Theo định

k

barctga

T / 2 0

sự biểu diễn biên độ và pha của các thành phần tín hiệu đ-ợc phân tích thành chuỗi Fourier trên trục tần số

1.1.3 Phổ của tín hiệu rời rạc

Tín hiệu rời rạc x(n) đ-ợc tạo thành từ tín hiệu liên tục x(t) tại các thời điểm t=nT trong đó T là chu kỳ của tín hiệu liên tục x(t)

Đối với dãy x(n) bất kỳ ta có phép biến đổi Fourier của tín hiệu rời rạc:

j n

n 0

1e2

n 0

1e2

Vì X(ej ω) tuần hoàn nên ta chỉ khảo sát với ω : 0  2

Ta có đồ thị phổ biên độ của dãy x(n) với miền tần số là liên tục, chu kỳ 0

 2

jX(e )

ω

22/3

1.2 Mối liên hệ giữa phổ của tín hiệu liên tục và phổ của tín hiệu rời rạc

Trong thực tế, các dãy rời rạc x(n) đ-ợc tạo thành từ tín hiệu liên tục x(t) bằng cách lấy mẫu các giá trị của tín hiệu x(t) tại các thời điểm t = nT trong đó n = 0,  1, 2 ; T là chu kỳ lấy mẫu

Giữa tín hiệu x(t) và hàm phổ của nó X(j) đ-ợc liên hệ với nhau bởi cặp tích phân Fourier:

j j nt / T

Vì x(nT) = x (t) nên trong biểu thức (1.10) nếu ta thay t = nT thì ta

phải thay dấu tích phân bằng dấu tổng từ - đến + của các tích phân trong khoảng 2 / T, nghĩa là

(2m 1) / T

m (2m 1) / T/ T

j nT m

t=nT

(1.14)

(1.15)

BiÓu thøc (1.15) chøng tá r»ng phæ cña d·y x(nT) lµ tæng cña v« sè c¸c thµnh phÇn phæ cña tÝn hiÖu liªn tôc x(t) chu kú T NÕu phæ cña tÝn hiÖu liªn tôc x(t) giíi h¹n trong d¶i tÇn

H×nh 1.3 Phæ cña tÝn hiÖu x(t) : X(jw) vµ phæ cña tÝn hiÖu x(nT): X(e jw)

giíi h¹n trong d¶i

ThÝ dô: gi¶ sö phæ X(jω) cña tÝn hiÖu x(t) giíi h¹n trong d¶i 3

T



  th× tõ (1.6) dÔ dµng thÊy r»ng c¸c thµnh phÇn m = ±1, ±2 sÏ bæ sung vµo hµm

T



 

phæ X(ej ) cña d·y x(nT) trong d¶i tÇn

H×nh 1.4 m« t¶ phæ X(jω) cña tÝn hiÖu x(t) vµ phæ X(ej ) cña d·y

x(nT) khi phæ X(jω) cña tÝn hiÖu x(t) n»m trong d¶i 3

T



 

3 2T

3 2T

trong d¶i tÇn

T



1.3 Kỹ thuật trải phổ

Các hệ thống thông tin trải phổ là các hệ thống sử dụng tín hiệu có

băng tần W rất rộng, th-ờng gấp hàng trăm lần tốc độ bít của hệ thống nhờ

sử dụng kỹ thuật trải phổ bằng các tín hiệu giả tạp PN (Pseudo Noise) Khi

chỉ có một ng-ời sử dụng băng tần trải phổ, thì hiệu quả băng tần là thấp, nh-ng nếu nhiều ng-ời cùng sử dụng một băng tần thì hiệu quả băng tần là cao mà vẫn giữ đ-ợc -u điểm của kỹ thuật trải phổ

ý t-ởng của kỹ thuật trải phổ dựa trên định lý thứ ba của Shannon,

định lý này đ-ợc phát biểu nh- sau: với một kênh có tạp âm trắng chuẩn

cộng tính (AWGN: Additive white gaussion noise), t-ơng quan giữa dung

l-ợng kênh, công suất và độ rộng dải tần và chất l-ợng đ-ợc cho bởi:

C=B.log 2 (1+S/N) Trong đó C là dung l-ợng kênh, B là độ rộng phổ tần chiếm của tín hiệu còn S/N là tỷ số công suất tín hiệu và tạp âm

Nh- vậy với một dung l-ợng C xác định, có thể truyền với tỷ số tín

trên tạp rất thấp nếu tín hiệu có phổ rất rộng Điều này có thể thực hiện nhờ trải rộng phổ ở phần phát và nén phổ ở phần thu Trên cơ sở này cho phép hệ thống liên lạc tốt trong điều kiện có nhiễu mạnh, thậm chí che giấu tín hiệu trong nền nhiễu, nhờ đó đối ph-ơng rất khó phát hiện tin tức truyền đi Hơn nữa việc sử dụng các dãy giả ngẫu nhiên nên về mặt thực tế đối ph-ơng hầu nh- không thể giải mã đ-ợc thông tin

Đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin trải phổ là phổ tín hiệu đ-ợc truyền đi rất rộng Tuy nhiên không phải hệ thống thông tin nào có phổ rộng cũng đ-ợc gọi là hệ thống thông tin trải phổ Một hệ thống thông tin đ-ợc định nghĩa là hệ thống thông tin trải phổ nếu nó thỏa mãn ba điều kiện sau đây:

1 Tín hiệu truyền đi chiếm một độ rộng băng tần truyền dẫn W lớn hơn rất nhiều bề rộng băng tần truyền dẫn tối thiểu B i cần thiết để truyền thông tin

2 Việc trải phổ tín hiệu đ-ợc thực hiện nhờ tín hiệu trải th-ờng đ-ợc gọi là mã trải phổ độc lập với dữ liệu cần truyền Tín hiệu trải th-ờng đ-ợc chọn nhằm tạo ra một phổ tổng cộng gần giống phổ tạp âm

3 Quá trình nén phổ đ-ợc thực hiện nhờ tính t-ơng quan giữa tín hiệu thu đ-ợc và tín hiệu giải trải là bản sao đồng bộ của tín hiệu đã trải đã

sử dụng ở phần phát

Các phần tử cơ sở của một hệ thống thông tin trải phổ đ-ợc minh họa

ở hình 1.5 Trong mô hình hệ thống thông tin trải phổ chúng ta thấy bộ mã hóa, bộ giải mã, bộ điều chế và bộ giải điều chế là các phần tử cơ sở của một

Bộ giải mã

kênh

Bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên

Bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên

Dãy tín hiệu ra Dãy tín

hiệu vào

Hình 1.5: Mô hình một hệ thống thông tin trải phổ Ngoài các phần tử này, hệ thống thông tin trải phổ còn có hai bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên nh- nhau, một trong chúng giao tiếp với bộ điều chế ở

đầu phát, bộ kia thì giao tiếp với bộ giải điều chế ở đầu thu

Chuỗi PN đ-ợc tạo ra ở máy thu phải đồng bộ với chuỗi PN hàm chứa trong tín hiệu thu đ-ợc để giải trải tín hiệu thu đ-ợc đã đ-ợc trải phổ Trong một hệ thống thực tế việc đồng bộ đ-ợc thiết lập tr-ớc khi truyền thông tin bằng cách truyền một mẩu bít PN cố định đ-ợc thiết kế sao cho máy thu sẽ tách đ-ợc nó với xác suất cao ngay cả khi có nhiễu Sau khi việc

đồng bộ thời gian của các PN đã thực hiện xong, việc truyền thông tin bắt

đầu Trong chế độ truyền dữ liệu, hệ thống thông tin th-ờng bám định thời với tín hiệu thu đ-ợc và giữ cho bộ PN đ-ợc đồng bộ

Sơ đồ chức năng của một hệ thống thông tin trải phổ đ-ợc trình bày trong hình 1.6 d-ới đây Từ sơ đồ khối trải phổ trong một hệ thống thông tin vô tuyến ta thấy rằng: phổ của tín hiệu số sau khi đ-ợc xử lý: nén dữ liệu, mã hóa sửa sai, sau đó sẽ đ-ợc trải rộng đến băng tần cần thiết bằng cách nhân tín hiệu với chuỗi PN tạo ra từ khối tạo chuỗi PN Tiếp theo, tín hiệu qua bộ điều chế chuyển phổ này tới băng tần truyền dẫn Tín hiệu đã điều chế đ-ợc khuếch đại công suất và phát trên kênh truyền dẫn mặt đất hoặc kênh vệ tinh Tại đầu thu, máy thu sẽ thực hiện giải điều chế, giải trải phổ, giải mã, giải nén để thu đ-ợc tín hiệu ban đầu Để tách

đ-ợc tín hiệu cần thiết thì cần có sự đồng bộ chuỗi PN giữa đầu thu và

đầu phát Việc đồng bộ đ-ợc thực hiện nhờ khối đồng bộ chuỗi Việc

đồng bộ đ-ợc thiết lập ban đầu và thực hiện liên tục trong suốt quá trình truyền dữ liệu Trên kênh truyền dù là kênh mặt đất hoặc kênh vệ tinh, chắc chắn luôn có sự tác động của nhiễu Đối với hệ thống thông tin trải phổ, hiệu quả chống nhiễu là khá cao đối với các nhiễu không cố ý

Nén dữ

liệu

Mã

hóa sửa sai

Tạo chuỗi PN

Tạo Sóng mang

Đ/c A/D

Điều chế

KĐ

CS

Giải nén

Giải mã

Tạo chuỗi PN

Đồng bộ chuỗi

D/A

Giải

Điều chế

KĐ

CS

Tạp âm Nhiễu

Kênh truyền Kênh mặt đất

Tạp âm Nhiễu

Kênh truyền

Tạp âm Nhiễu

Kênh truyền

Trạm phát vệ tinh

Kênh vệ tinh

Đ-ờng xuống Tín hiệu số

Tín hiệu t-ơng tự

Tín hiệu số

Tín hiệu t-ơng tự

Đ-ờng lên

Hình 1.6: Sơ đồ khối chức năng hệ thống thông tin trải phổ

1.3.1 Phân loại kỹ thuật trải phổ

Căn cứ vào cấu trúc và ph-ơng pháp điều chế, ng-ời ta phân loại kỹ thuật trải phổ bao gồm: trải phổ thuần túy và trải phổ kết hợp

Trong trải phổ thuần túy bao gồm:

- Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS- Direct Sequence)

- Trải phổ nhảy tần(FH - Frequency Hopping)

- Trải phổ nhảy thời gian (TH - Time Hopping)

Trong trải phổ kết hợp bao gồm một số dạng kết hợp cơ bản nh- sau:

bít (R b =1/T b , T b là thời gian một bít) tín hiệu trải phổ đ-ợc mô tả trên hình

1.7 Do T c nhỏ hơn rất nhiều so với T b cho nên phổ đ-ợc trải rộng ra T c càng nhỏ thì phổ càng rộng, nh-ng khi đó đồng bộ lại gặp khó khăn Tỷ số

T b /T c đ-ợc gọi là độ tăng ích trải phổ Ph-ơng pháp trải phổ chuỗi trực tiếp

là dạng đơn giản nhất trong kỹ thuật trải phổ và đ-ợc sử dụng rộng rãi trong thông tin di động, vệ tinh và ra đa Hình 1.7 thể hiện dạng tín hiệu sau khi nhân với mã trải phổ

Trải phổ nhảy tần(FH) thực chất là sự dịch chuyển tần số đ-ợc chọn theo mã Trong hệ thống trải phổ nhảy tần (FH), độ rộng băng kênh sẵn có

W đ-ợc chia nhỏ thành một số lớn các khe tần số không lấn lên nhau Trong

bất kỳ khoảng thời gian truyền tin nào, tín hiệu đ-ợc truyền đi đều chiếm một (hay nhiều hơn một khe tần số nói trên) Việc chọn khe (hay nhiều khe) tần số nào trong mỗi một khoảng thời gian truyền tín hiệu đ-ợc thực hiện một cách giả ngẫu nhiên theo tín hiệu lối ra của bộ tạo chuỗi PN Phổ của tín hiệu trải phổ nhảy tần đ-ợc mô tả trên hình 1.8 Trong trải phổ nhảy tần, phổ tín hiệu đ-ợc mở rộng ra là nhờ việc nhảy tần

Trải phổ nhảy thời gian (TH): Nguyên lý của hệ thống này là toàn bộ dữ liệu của ng-ời dùng không đ-ợc phát liên tục mà đ-ợc phát trong một

khe thời gian thay cho M khe nh- trong các hệ thống thông tin thông

th-ờng khác Trong thời gian phát ấy ng-ời sử dụng dùng toàn bộ băng tần

để phát dữ liệu của mình và băng tần ấy gấp M lần so với băng tần khi phát trong M khe thời gian Nếu có sự đồng bộ giữa các ng-ời dùng và tại một

khe chỉ bảo đảm có một ng-ời dùng phát thì TH-CDMA suy giảm xuống thành TDMA, nh-ng khe thời gian ng-ời dùng phát không cố định trong từng khung Hình 1.9 biểu diễn tín hiệu trải phổ nhảy thời gian trong tr-ờng hợp này

Tc 2Tc

H×nh 1.8: Tr¶i phæ nh¶y tÇn

Hình 1.9: Tín hiệu trải phổ nhảy thời gian

Trong hệ thống này, bộ biến đổi dữ liệu chậm thành dữ liệu nhanh

thực hiện biến đổi toàn bộ dữ liệu cần phát t-ơng ứng trong M khe thành dữ

liệu trong một khe Dữ liệu này đ-ợc phát vào thời điểm nào phụ thuộc vào

mã ngẫu nhiên Sau đó tín hiệu này đ-ợc điều chế để phát đi trong một

băng tần rộng Tại máy thu, các quá trình ng-ợc lại đ-ợc thực hiện Tín

hiệu thu đựợc sau khi qua bộ giải điều chế là dạng dữ liệu nhanh, bộ biến

đổi dữ liệu nhanh-dữ liệu chậm có nhiệm vụ khôi phục dữ liệu gốc ban đầu

Điều chế dữ liệu

Tạo sóng mang

Giải điều chế

Tạo sóng mang

ý t-ởng của các hệ thống trải phổ kết hợp là muốn kết hợp các -u

điểm của các hệ thống trải phổ khác nhau Ví dụ khi ta kết hợp hai -u điểm

là chống nhiễu đa đ-ờng tốt của hệ thống DS -SS và khả năng chống hiệu

ứng xa gần tốt của hệ thống FH-SS Tất cả những -u điểm có đ-ợc đổi lại

bằng sự phức tạp của máy thu và máy phát Hình 1.11 biểu diễn sơ đồ một

máy phát dạng kết hợp giữa DS và FH

Tạo mã

PN

Đồng bộ mã

Tạo mã

PN

Bộ tổng hợp tần số

Tạo mã

PN

Đồng bộ mã

Tạo mã

PN

Giải điều chế

Dữ liệu

vào

Dữ liệu ra

Hình 1.11: Hệ thông trải phổ áp dụng điều chế kết hợp giữa DS và FH

1.3.2 Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ

1.3.2.1 Giảm nhiễu

Từ khi ra đời đến nay các hệ thống thông tin trải phổ đã và đang ngày

càng đ-ợc phát triển Các hệ thống này đã chứng tỏ đ-ợc tính -u việt của kỹ

thuật trải phổ, đó là khả năng chống nhiễu cao nếu chỉ xét với tạp âm trắng

chuẩn cộng tính (AWGN: Addtive White Gaussion Noise) thì trải phổ

không có -u điểm làm giảm tạp âm trắng AWGN Song điều này không ảnh

h-ởng đến chất l-ợng hệ thống vì tạp âm AWGN phân bố đồng đều và rộng

vô hạn trên cả dải tần với mức công suất tín hiệu khá nhỏ Tuy nhiên đối với

nhiễu cố ý thì trải phổ có hiệu năng t-ơng đối cao Điều này đã thỏa mãn

yêu cầu đạt đ-ợc ban đầu khi đề xuất ý t-ởng trải phổ tín hiệu

Để hiểu rõ đ-ợc hệ thống trải phổ chống nhiễu cố ý nh- thế nào,

tr-ớc tiên ta cần hiểu rõ các ph-ơng thức gây nhiễu của đối ph-ơng ra sao

Trong chiến tranh, đặt biệt là trong chiến tranh hiện đại, tác chiến điện tử

đóng vai trò hết sức quan trọng Thông th-ờng mỗi bên tham chiến đều tìm cách làm tê liệt hệ thống thông tin của đối ph-ơng Một ph-ơng pháp đ-ợc dùng phổ biến là chế áp điện tử, gây nhiễu hệ thống thông tin Việc gây nhiễu đ-ợc thực hiện bằng hai cách sau:

- Gây nhiễu toàn bộ băng tần tín hiệu của hệ thống Khi thực hiện ph-ơng pháp này thì mỗi tọa độ tín hiệu chỉ bị gây nhiễu với mức năng l-ợng đồng đều và công suất nhiễu không cao

- Gây nhiễu một số tọa độ tín hiệu hoặc là gây nhiễu toàn bộ giải tần tín hiệu nh-ng công suất nhiễu ở các tọa độ khác nhau Khi đó công suất tín hiệu nhiễu tại một số tọa độ đạt đ-ợc khá lớn

Nhìn chung cả hai ph-ơng pháp trên đều khá hiệu quả đối với các hệ thống thông tin thông th-ờng

Đối với các hệ thống thông tin trải phổ, do phổ tín hiệu đ-ợc trải ra rất rộng cho nên việc gây nhiễu cho nên việc gây nhiễu theo ph-ơng pháp thứ nhất thì năng l-ợng tại mỗi tọa độ rất nhỏ, khó có thể làm ảnh h-ởng

đến chất l-ợng của hệ thống Một điều khác biệt nhất của hệ thống trải phổ

và hệ thống thông tin thông th-ờng là: với cách gây nhiễu chọn lọc theo tọa

độ tín hiệu thì tại máy thu chỉ có tín hiệu trải phổ mới t-ơng quan với mã trải phổ và đ-ợc khôi phục lại còn các tín hiệu nhiễu tuy có mức công suất khá lớn nh-ng khi đó sẽ biến thành dạng t-ơng tự nh- tạp âm AWGN và công suất khá nhỏ Quá trình này đ-ợc minh họa trong hình 1.12 Nh- vậy

ta thấy rằng bằng việc trải phổ tín hiệu thì tác động của nhiễu cố ý giảm đi

đáng kể

1.3.2.2 Giảm mật độ năng l-ợng

Song song với việc chống lại chế áp điện tử của đối ph-ơng thì việc bảo đảm tính bí mật của hệ thống thông thông tin cũng là vấn đề sống còn trong thông tin quân sự Việc bảo đảm tính bí mật của hệ thống phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Một trong những yếu tố phải kể đến là mật độ năng

l-ợng tín hiệu Để tăng tính bảo mật của hệ thống, khả năng chống bị phát hiện và thu trộm, thì công suất phát đi phải thấp Thế nh-ng khi công suất

phát thấp thì tỷ số tín hiệu trên tạp E b /N 0 thấp theo, điều này đồng nghĩa với việc giảm chất l-ợng của hệ thống Để giải quyết vấn đề này, hệ thống thông tin trải phổ ra đời Trong hệ thống thông tin trải phổ, phổ của tín hiệu

đ-ợc trải ra trên một băng tần rất rộng Do đó mật độ năng l-ợng của tín hiệu khá thấp có thể thấp hơn tạp âm AWGN và nh- vậy tín hiệu chìm trong tạp âm cho nên rất khó phát hiện đ-ợc Tuy nhiên phổ tín hiệu lại đ-ợc khôi

phục nhờ việc giải trải phổ, do đó tỷ số tín hiệu trên tạp E b /N 0 vẫn đ-ợc đảm bảo

W s

a Tín hiệu ch-a trải phổ

b Tín hiệu sau trải phổ

c Tín hiệu bị gây nhiễu theo cách thứ hai

d Tín hiệu sau giải trải phổ

1.3.3 Đa truy nhập theo mã

Khi thực hiện ý t-ởng trải phổ ng-ời ta chỉ mong muốn chống nhiễu

và bảo mật cho hệ thống thông tin Tuy nhiên sau này ng-ời ta còn phát hiện ra một tác dụng to lớn của trải phổ là khả năng đa truy nhập cao Đây

là một đặc điểm thực sự hấp dẫn không những cho thông tin quân sự mà còn trong thông tin th-ơng mại Tr-ớc đây với một băng tần nhất định, chỉ

có thể đáp ứng một số ng-ời sử dụng Còn đối với kỹ thuật trải phổ, về mặt

lý thuyết ta có thể đáp ứng một số l-ợng ng-ời rất lớn bằng cách phân bố cho mỗi một ng-ời sử dụng một mã trải phổ riêng biệt

1.4 So sánh -u nh-ợc điểm của các hệ thống thông tin trải phổ

Trên đây vừa trình bày các -u điểm chung của hệ thống thông tin trải phổ Trong mục này, chúng ta tìm hiểu cụ thể hơn các -u điểm và nh-ợc

điểm của từng hệ thống thông tin trải phổ trên các khía cạnh : khả năng đa truy nhập, loại bỏ nhiễu đa đ-ờng, loại bỏ nhiễu băng hẹp và đặc biệt là tính khó bị nghe trộm

1.4.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp

* Đa truy nhập: đối với hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp, nếu có nhiều ng-ời cùng một kênh tại cùng một thời điểm sẽ có nhiều tín hiệu chồng lên nhau về thời gian và tần số Tại máy thu việc nén tín hiệu sử dụng

để giải mã trải Việc này tập trung công suất của ng-ời sử trong băng thông tin tức Nếu t-ơng quan chéo mã giữa mã của ng-ời sử dụng mong muốn và mã của ng-ời khác là nhỏ, thì việc tách sóng kết hợp chỉ đ-a một phần nhỏ công suất của tín hiệu nhiễu vào băng thông mang thông tin

* Nhiễu đa đ-ờng: Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp chống xuyên nhiễu đa đ-ờng rất tốt Nếu chuỗi mã có một hàm t-ởng thì hàm tự t-ơng

quan bằng 0 bên ngoài khoảng (-T c , T c ), T c là thời gian một chip Điều này

có nghĩa là nếu tín hiệu mong muốn và các phiên bản khác bị trễ hơn 2 T c

cùng nhận đ-ợc ở máy thu thì bộ giải trải sẽ xử lí các tín hiệu đó nh- là một tín hiệu nhiễu

* Nhiễu giao thoa băng hẹp: Việc tách sóng kết hợp tại máy thu yêu cầu một bộ trộn trộn tín hiệu nhận đ-ợc với mã PN nội Nh- vậy khi có nhiễu băng hẹp tác động vào, thì khi nhân với mã PN nội làm phổ của nhiễu này trải ra và công suất của chúng cũng giảm một l-ợng bằng độ lợi xử lý Nh- thế đối với các nhiễu này, sự tác động là không đáng kể

* Tính khó bị nghe trộm: Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp có khả năng nghe trộm thấp bởi vì năng l-ợng tín hiệu là rất thấp, đồng thời mã trải

là gần nh- ngẫu nhiên đối với các máy thu khác, vì thế việc phát hiện ra tín hiệu và giải tín hiệu đã trải là rất khó thực hiện

* Ngoài những đặc điểm trên, DS-SS còn có một số đặc điểm sau:

+ Khó bắt và duy trì đồng bộ giữa tín hiệu mã PN nội và tín hiệu PN

phát Việc đồng bộ phải thực hiện trong khoảng thời gian T c

+ Để nhận chính xác dữ liệu sai số đồng bộ giữa các chuỗi mã đồng

bộ nội và chuỗi mã nhận đ-ợc phải rất nhỏ, nhỏ hơn thời gian một chip Việc kết hợp này không sử dụng đối với các băng tần liền kề trong thực tế

bị hạn chế trong băng thông 10 đến 20Mhz

+ Trong thông tin di động, công suất nhận đ-ợc từ những ng-ời sử dụng gần trạm gốc cao hơn công suất nhận đ-ợc từ những ng-ời ở xa hơn Khi một ng-ời ở gần trạm gốc phát liên tục trong toàn bộ băng thông, thì một ng-ời ở xa trạm gốc sẽ liên tục gây nhiễu cho ng-ời dùng ở xa hơn, làm cho

việc nhận của ng-ời đó rất khó Hiệu ứng xa gần này chỉ có thể giải quyết bằng thuật toán điều khiển công suất sao cho công suất nhận đ-ợc tại trạm gốc là nh- nhau đối với tất cả ng-ời dùng

1.4.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần

* Đa truy nhập: Dễ dàng hình dung F-FH, S-FH có khả năng đa truy nhập Trong F-FH, một ký hiệu đ-ợc truyền trong các băng tần số khác nhau Nếu ng-ời sử dụng là ng-ời duy nhất đ-ợc truyền đi trong toàn bộ các băng tần số thì công suất thu đ-ợc của tín hiệu mong muốn sẽ cao hơn nhiều so với tín hiệu nhiễu và tín hiệu nhận đ-ợc sẽ chính xác

Trong S-FH, nhiều ký hiệu đ-ợc truyền tại một tần số Nếu xác suất nhiều ng-ời khác cùng truyền trong một tần số là đủ thấp thì ng-ời sử dụng

sẽ nhận đ-ợc chính xác trong hầu hết thời gian Đối với các thời gian này, nhiễu của các ng-ời sử dụng khác do truyền cùng băng tần số, thì mã sửa sai đ-ợc sử dụng để khôi phục dữ liệu trong chu kỳ đó

* Nhiễu đa đ-ờng: Trong F-FH tần số sóng mang thay đổi một số lần trong thời gian truyền một ký hiệu Do vậy, một tần số riêng biệt sẽ đ-ợc

điều chế và đ-ợc phát trên một số tần số sóng mang Hiệu ứng đa đ-ờng khác nhau tại các tần số sóng mang khác nhau Do vậy dẫn đến, các hiệu ứng đa đ-ờng chỉ tác động đến một tần số sóng mang trong nhiều tần số sóng mang đ-ợc phát đi Tại máy thu sẽ có kết quả tại các tần số khác nhau

đ-ợc trung bình hóa, do vậy làm giảm nhiễu đa đ-ờng Khi đó th-ờng th-ờng việc giải điều chế không kết hợp đ-ợc sử dụng cho nên điều này không gây ảnh h-ởng gì lớn đến quá trình thu

* Nhiễu băng hẹp: Giả sử tín hiệu băng hẹp là nhiễu trên một số các

tần số nhảy Nếu ở đây có G p tần số nhảy (G p là độ lợi xử lý), thì nhiễu bị

giảm đi một l-ợng G p tính trung bình

* Khả năng chống bị thu trộm: Việc khó khăn khi nghe trộm tín hiệu

FH là hiện thực do nó truyền công suất thấp Trong một lần truyền nó sử dụng công suất lớn trên hezrt cho việc truyền liên tục Nh-ng tần số ở tín

hiệu đ-ợc truyền là ch-a biết, và khoảng thời gian phát tại một tần số là nhỏ Do vậy mặc dù tín hiệu FH dễ đọc hơn so với tín hiệu DS nh-ng lại khó thực hiện nghe trộm hơn

* Ngoài ra hệ thống FH còn có một số -u nh-ợc điểm sau:

- Ưu điểm:

+ Việc đồng bộ dễ dàng hơn với hệ thống FH so với hệ thống DS Việc đồng bộ cần thực hiện trong một phần nhỏ thời gian nhảy Bởi vì việc trải phổ không đạt đ-ợc bằng cách sử dụng tần số nhảy cao mà sử dụng tập các b-ớc nhảy lớn (hopset rộng), thời gian nhảy sẽ lớn hơn thời gian một chip Do vậy hệ thống FH cho phép lỗi đồng bộ lớn hơn

+ Các băng tần số khác nhau của tín hiệu FH có thể chiếm không liên tục, do vậy chúng ta có thể thực hiện bộ tổng hợp tần số nhảy qua một vài phần của phổ Kết hợp với việc đồng bộ dễ dàng, điều này cho phép băng thông trải phổ lớn hơn

+ Khả năng đa truy nhập nhiều ng-ời dùng trong cùng một băng tần

số tại cùng một thời điểm là nhỏ Một ng-ời dùng ở xa trạm gốc bằng nh- khi nhiều ng-ời sử dụng gần với trạm gốc đang phát vì những ng-ời đó có khả năng truyền trên những tần số khác nhau Do vậy hiệu ứng xa gần tốt hơn đối với hệ thống DS

+ Do khả năng băng thông lớn nên nó cho phép giảm nhiễu băng hẹp lớn hơn so với hệ thống DS

- Nh-ợc điểm:

+ Bộ tổng hợp tần số cần phải chế tạo phức tạp hơn

+ Sự thay đổi tần số một cách đột ngột làm tăng phổ chiếm Vì thế để

đảm bảo phổ chiếm phải giảm nhỏ hoặc tắc tín hiệu đi

+ Giải điều chế kết hợp khó hơn vì không thể duy trì t-ơng quan pha trong các b-ớc nhảy

1.4.3 Hệ thống trải phổ nhảy thời gian

* Đa truy nhập: khả năng đa truy nhập của các tín hiệu TH-SS đ-ợc

sử dụng cùng một cách nh- tín hiệu FH-SS, tức là xác suất nhiều ng-ời dùng truyền trên một băng tần số trong cùng một khe thời gian là nhỏ Điều này một lần nữa đ-ợc thực hiện thông qua việc ấn định các mã khác nhau cho các ng-ời sử dụng khác nhau Nếu nhiều ng-ời cùng truyền xảy ra thì mã sửa lỗi sẽ đảm bảo cho việc tín hiệu mong muốn đ-ợc khôi phục đúng

Nếu đ-ợc đồng bộ cho nhiều ng-ời sử dụng, và các mã ấn định không lớn hơn một ng-ời truyền tại khe thời gian riên biệt Thì hệ thống TH-CDMA sẽ thành hệ thống TDMA mà tại đó khe thời gian mà ng-ời sử dụng để truyền thay đổi từ khung này sang khung khác

* Nhiễu đa đ-ờng: Trong nhảy thời gian tín hiệu đ-ợc truyền đi trong một thời gian ngắn, vì thế tốc độ tín hiệu tăng lên, dẫn đến sự chồng chéo các bít gần kề Vì thế TH-SS không có lợi cho chống nhiễu đa đ-ờng

* Khả năng chống nghe trộm: Trong TH-SS, tần số mà ng-ời sử dụng phát là không đổi nh-ng thời gian phát là không biết tr-ớc cho nên rất khó thu trộm vì không biết điểm bắt đầu và kết thúc của tín hiệu trong khi thời gian phát lại ngắn

* Một số -u điểm và nh-ợc điểm của TH-SS:

- Nh-ợc điểm:

+ Thời gian mà các máy thực hiện đồng bộ ngắn đi

+ NhiÒu ng-êi sö dông cïng truyÒn chång lªn nhau th× sè l-îng c¸c bÝt bÞ lçi lµ lín nªn m· söa lçi vµ chÌn d÷ liÖu lµ rÊt cÇn thiÕt

Ch-ơng 2

Hệ thống thông tin trải phổ

ở các hệ thống thông tin thông th-ờng, độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này đ-ợc thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt Tuy nhiên, ở hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần tín hiệu đ-ợc mở rộng, thông th-ờng hàng trăm lần tr-ớc khi phát Khi chỉ có một ng-ời sử dụng trong băng tần SS (Spread Spectrum – Trải phổ), sử dụng băng tần nh- vậy không hiệu quả nh-ng ở môi tr-ờng nhiều ng-ời sử dụng, họ có thể sử dụng chung một băng tần SS và hệ thống trở nên sử dụng băng tần có hiệu suất mà vẫn duy trì đ-ợc các -u điểm của trải phổ

Tóm lại một hệ thống thông tin số đ-ợc coi là trải phổ nếu:

- Tín hiệu đ-ợc phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiếu cần thiết

- Trải phổ đ-ợc thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu

Có ba kiểu hệ thống thông tin trải phổ cơ bản:

- Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS – Direct Sequency Spread Spectrum)

- Trải phổ nhảy tần (FH/SS – Frequency Hopping Spread Spectrum)

- Trải phổ dịch thời gian (TH/SS – Time Hopping Spread Spectrum) Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu về từng hệ thống thông tin trải phổ: điều chế, giải điều chế và đồng bộ hệ thống

2.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS

trong đó A là biên độ, fc là tần số sóng mang và θ là pha của sóng mang Thí dụ về tín hiệu này đ-ợc vẽ trên hình 2.2

Trong rất nhiều ứng dụng một bản tin bằng một chu kỳ của tín hiệu nghĩa là T=NTc Thí dụ trên hình 2.2 ta sử dụng N=7 Ta có thể thấy rằng tích của b(t).c(t) cũng là một tín hiệu nhị phân có biên độ ±1, có cùng tần

số với tín hiệu PN Tín hiệu DS/SS-BPSK nhận đ-ợc đ-ợc vẽ trên hình 2.2

Hình 2.1 Sơ đồ khối máy phát DS/SS - BPSK

Một chu kỳ

t b(t)

t A

-A

(giả thiết N=7;T=NTc)

(súng mang cú θ=-π/2 và fc=1/Tc)

2.1.1.2 Máy thu DS/SS-BPSK

Sơ đồ khối của máy thu DS/SS-BPSK đ-ợc vẽ trên hình 2.3

Mục đích của máy thu này là lấy ra bản tin b(t) (số liệu {bi}) từ tín hiệu thu đ-ợc bao gồm tín hiệu đ-ợc phát cộng với tạp âm

Do tồn tại trễ truyền lan τ nên tín hiệu thu là:

s(t-τ) + n(t) = Ab(t-τ)c(t-τ)cos[2πfc(t-τ)+θ'] + n(t) (2.3)

Hình 2.2 Tín hiệu đầu ra máy phát DS/SS - BPSK

trong đó n(t) là tạp âm của kênh và đầu vào máy thu

Khụi phục đồng hồ Khụi phục súng mang

Đồng bộ tớn hiệu PN

Hỡnh 2.4 Sơ đồ khối mỏy thu DS SS-BPSK

Để giải thích quá trình khôi phục lại bản tin ta giả thiết rằng không

có tạp âm Tr-ớc hết tín hiệu thu đ-ợc trải phổ để giảm băng tần rộng vào băng tần hẹp Sau đó nó đ-ợc giải điều chế để nhận đ-ợc tín hiệu băng gốc

Để giải trải phổ tín hiệu thu đ-ợc nhân với tín hiệu (đồng bộ) PN c(t-τ)

đ-ợc tạo ra ở máy thu, ta đ-ợc:

w(t) = Ab(t-τ)c2(t-τ)cos(2πfc+θ')

Hình 2.3 Sơ đồ khối máy thu DS/SS - BPSK

w(t) = Ab(t-τ)cos(2πfc+θ') (2.4)

Vì c(t) = ± 1, trong đó θ'=θ - 2πfcτ, tín hiệu nhận đ-ợc là một tín hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần là 2/T Một bộ giải điều chế BPSK bao gồm một

bộ t-ơng quan (Correlator) đi sau là một thiết bị đánh giá

Để tách ra bit số liệu thứ i, bộ t-ơng quan tính toán:

trong đó ti=iT + τ là thời điểm đầu của bit thứ i

Kết quả cho zi=AT/2 hay –AT/2 Cho kết quả này qua thiết bị đánh giá ng-ỡng (hay bộ so sánh) với ng-ỡng 0, ta đ-ợc đầu ra cơ số hai 1(logic 1) hay -1(logic 0) Ngoài thành phần tín hiệu ±AT/2, đầu ra bộ tích phân cũng có thành phần tạp âm có thể gây ra lỗi Thứ tự giữa nhân tín hiệu PN

và nhân sóng mang có thể đổi lẫn nhau mà không làm thay đổi kết quả

Tín hiệu PN đóng vai trò nh- một mã đ-ợc biết tr-ớc ở cả máy phát lẫn máy thu chủ định Vì máy thu chủ định biết tr-ớc mã nên nó có thể giải trải phổ tín hiệu SS để nhận đ-ợc bản tin Mặt khác một máy thu không chủ

định không biết đ-ợc mã, vì thế ở các điều kiện bình th-ờng nó không thể giải mã bản tin Điều này thể hiện rõ ở ph-ơng trình 2.2, do c(t) nên máy thu không chủ định chỉ nhìn thấy một tín hiệu ngẫu nhiên ±1

Thông th-ờng máy thu biết đ-ợc tần số sóng mang fc nên nó có thể

đ-ợc tạo ra bằng cách sử dụng bộ dao động nội Nếu có một khác biệt nào

đó giữa tần số của bộ dao động nội và tần số sóng mang thì một tần số gần với fc có thể đ-ợc tạo ra và có thể theo dõi đ-ợc tần số chính xác bằng một mạch vòng hồi tiếp, vòng khoá pha chẳng hạn Quá trình nhận đ-ợc τ đ-ợc

gọi là quá trình đồng bộ, th-ờng đ-ợc thực hiện ở hai b-ớc: bắt và bám Quá trình nhận đ-ợc ti đ-ợc gọi là quá trình khôi phục đồng hồ (định thời)

ký hiệu STR – Symbol Timing Recovery Còn quá trình nhận đ-ợc θ' (cũng nh- fc) đ-ợc gọi là quá trình khôi phục sóng mang Việc khôi phục sóng mang và đồng hồ là cần thiết ở mọi máy thu thông tin số liệu đồng bộ Quá trình đồng bộ PN sẽ đ-ợc trình bày ở phần sau

2.1.2 Các hệ thống DS/SS-QPSK

2.1.2.1 Máy phát DS/SS-QPSK

Bộ ĐC BPSK

Bộ tạo PN1

-Asin(2πfct+θ) c1(t)

tớn hiệu DS QPSK s(t)=s1(t)+s2(t)

SS-Hình 2.4 sơ đồ khối máy phát DS/SS QPSK

ở hình 2.1 ta sử dụng BPSK cho quá trình điều chế Các kiểu điều chế khoá nh-: khoá dịch pha vuông góc (QPSK-Quadrature Phase Shift Keying) và khoá dịch cực tiểu (MSK-Minimum Shift Keying) cũng th-ờng

đ-ợc sử dụng ở các hệ thống SS Sơ đồ khối chức năng cho máy phát của một hệ thống DS/SS sử dụng điều chế QPSK đ-ợc cho ở hình 2.4 cùng với các dạng sóng ở các điểm khác nhau trên sơ đồ hình 2.5

Sơ đồ bao gồm hai nhánh: một nhánh đồng pha và một nhánh vuông góc Cùng một đầu vào số liệu điều chế các tín hiệu PN c1(t) và c2(t) ở cả hai nhánh

T 2T

t b(t)

0

c1(t)

0 1

-1

t

b(t)c2(t)

0 1

-1

t

s1(t)

0 1

s(t- )

cos(2πfct+θ’)

w1(t)

1hay-1 c1(t- )

Giả thiết rằng trễ là τ, nếu bỏ qua tạp âm, tín hiệu vào sẽ là:

s(t-τ) = -Ab(t-τ)c1(t-τ)sin(2πfct+θ')+Ab(t-τ)c2(t-τ)cos(2πfct+θ') (2.8) trong đó θ' = θ - 2πfcτ

Các tín hiệu tr-ớc bộ cộng là:

Hình 2.6 Sơ đồ khối máy thu DS/SS QPSK

(2.9)

(2.10)

u1(t) = Ab(t-τ)sin2(2πfct+θ')-Ab(t-τ)c1(t-τ) c2(t-τ)sin(2πfct+θ')cos(2πfct+θ')

=Ab(t-τ)1/2[1-cos(4πfct+θ')]-Ab(t-τ)c1(t-τ)c2(t-τ)1/2sin(4πfct+2θ')

u2(t) = Ab(t-τ)cos2(2πfct+θ')-Ab(t-τ)c1(t-τ) c2(t-τ)sin(2πfct+θ')cos(2πfct+θ')

=Ab(t-τ)1/2[1+cos(4πfct+θ')]-Ab(t-τ)c1(t-τ)c2(t-τ)1/2sin(4πfct+2θ')

Tổng của các tín hiệu trên đ-ợc lấy tích phân ở khoảng thời gian một bit Kết quả cho ta: zi = AT nếu bản tin t-ơng ứng bằng +1 hay zi = -AT nếu bản tin t-ơng ứng bằng -1 vì tất cả các thành phần tấn số 2fc có giá trị trung bình bằng 0 Hai tín hiệu PN c1(t) và c2(t) có thể là hai tín hiệu PN độc lập nhau hay chúng cũng có thể lấy từ cùng một tín hiệu PN

số Tại mỗi thời điểm xác định, bộ tạo mã PN cung cấp một từ mã gồm k bít

điều khiển bộ tổ hợp tần số, từ mã này xác định tần số của tín hiệu dao

động phát y(t) của bộ tổng hợp tần số để cung cấp cho bộ điều chế trải phổ

Do các từ mã k bít đ-ợc tạo ra giả ngẫu nhiên trong một tập hợp 2k từ mã nên y(t) sẽ nhận một tần số trong tập 2k tần số Tín hiệu phát s(t) là tín hiệu tại đầu ra của bộ trộn giữa y(t) và x(t)

Trong tr-ờng hợp dữ liệu b(t) đ-ợc điều chế BSFK thì tín hiệu x(t) chọn một trong hai tần số f1 hoặc f2 t-ơng ứng mức logic 1 hoặc 0 đ-ợc phát Trong điều chế MFSK, dữ liệu b(t) với độ rộng Tb và tốc độ ký hiệu

Rs = R/n = 1/nTb với n = log2M là số bít thông tin trong một ký hiệu, thì tần

số của tín hiệu x(t) nhận một trong tập M = 2k tần số f0, f1, fM-1

Trong khoảng thời gian Th, tín hiệu ht(t) có nhận một tần số trong tập

K = 2k tần số F0, F1, , FK-1 và đ-ợc trộn với tần số sóng mang đã điều chế x(t) tại bộ điều chế nhảy tần Tín hiệu x(t) sẽ đ-ợc nhảy đến một tần số xác

định với tốc độ nhảy là Rh = 1/Th Tín hiệu phát st(t) có tần số trong tập

2n.2k = MK tần số F0,0, F0,1, F0,2, F0,M-1, F1,0, F1,1, ,FK-1,M-1 hay phổ của sóng mang đã đ-ợc trải rộng ra 2k lần Với độ rộng của sóng mang đã điều chế là Wm thì độ rộng của tín hiệu đã trải phổ là : W = 2k.Wm

Tại máy thu, thực hiện quá trình ng-ợc lại Tại đây cũng có một bộ tạo chuỗi PN nh- máy phát đ-ợc sử dụng để điều khiển bộ tổng hợp tần số Sau khi qua bộ trộn sự dịch chuyển tần số giả ngẫu nhiên của tín hiệu phát thu đ-ợc s'(t) sẽ đ-ợc loại bỏ tại bộ giải điều chế nhờ việc trộn tín hiệu lối

ra của bộ tổng hợp tần số y'(t) với tín hiệu thu đ-ợc Tín hiệu sau bộ trộn x(t)đ-ợc giải điều chế bằng bộ giải điều chế FSK không kết hợp Tín hiệu xung nhịp đ-a đến bộ tạo chuỗi PN th-ờng đ-ợc tách từ tín hiệu thu đ-ợc

Mặc dù điều chế/giải điều chế kết hợp BPSK nói chung cho chất l-ợng tốt hơn điều chế BFSK hoặc MFSK, song khó mà duy trì đ-ợc sự kết hợp về pha trong quá trình tổng hợp các tần số đ-ợc sử dụng trong các mẩu nhảy tần và cả trong quá trình truyền lan tín hiệu truyền qua kênh, do tín hiệu nhảy từ tần số này sang tần số khác trên một giải tần rộng Hệ quả là

điều chế/giải điều chế FSK không kết hợp th-ờng đ-ợc dùng trong các hệ thống trải phổ nhảy tần

Tốc độ nhảy tần, đ-ợc kí hiệu là Rh, có thể đ-ợc chọn lựa bằng, thấp hơn hay cao hơn tốc độ symbol Nếu Rh bằng hoặc thấp hơn tốc độ symbol,

hệ thống đ-ợc gọi là hệ thống nhảy tần chậm Nếu Rh cao hơn tốc độ symbol, thì hệ thống đ-ợc gọi là hệ thống nhảy tần nhanh Trong quân đội ng-ời ta th-ờng dùng nhảy tần nhanh nhằm mục đích gây khó khăn cho việc gây nhiễu cố ý Tuy nhiên công nghệ phức tạp và dĩ nhiên là đắc, vì thế trong th-ơng mại ng-ời ta th-ờng dùng nhảy tần chậm

Phỏt dóy PN

Bộ tổ hợp tần số

Bộ điều chế FSK

Lọc thụng dải

Lọc đầu vào

Phỏt dóy PN

Bộ tổ hợp tần số

Lọc thụng dải

Bộ giải điều chế FSK

đ-ợc dùng để trực tiếp trải phổ tín hiệu Trong các hệ thống trải phổ nhảy tần FH-SS, mã trải phổ PN dùng để quyết định nhảy tần Về bản chất các chuỗi PN đ-ợc tạo ra một cách xác định vì có nh- thế máy thu mới có thể khôi phục lại thông tin từ tín hiệu trải phổ đ-ợc Nh-ng đối với các máy thu không định tr-ớc thì các chuỗi này đ-ợc thiết kế nh- những chuỗi ngẫu nhiên Vì thế các dạng sóng tín hiệu trải phổ nhờ chuỗi PN cũng có dạng giống tạp ngẫu nhiên

Nh- vậy có thể thấy hiệu quả một hệ thống thông tin trải phổ hay nói cách khác là chất l-ợng một hệ thống thông tin trải phổ phụ thuộc rất nhiều vào khả năng đồng bộ chuỗi PN giữa máy thu và máy phát Cũng nh- các hệ thống thông tin khác hệ thống thông tin trải phổ cũng khối khôi phục đồng

bộ Trong phạm vi đồ án này, chúng ta chỉ quan tâm đến đồng bộ chuỗi PN,

dĩ nhiên hệ thống thông tin trải phổ cũng phải có phục hồi, đồng bộ sóng mang Để đồng bộ chuỗi PN th-ờng có hai b-ớc: b-ớc thứ nhất gọi là bắt, là b-ớc điều chỉnh độ lệch pha của tín hiệu PN tới và tín hiệu PN nội trong một khoảng nào đó cở một chip hoặc nhỏ hơn B-ớc thứ hai gọi là bám, thực hiện việc điều chỉnh tinh để làm sai lệch pha tiến tới không

Sơ đồ chức năng của máy thu DS-SS đ-ợc trình bày trong hình 2.8

Khôi phục/bám sóng mang

Bám tín hiệu PN

Bắt tín hiệu PN

Giải trải / Giải điều chế

) (

ˆ t

b

) 2

cos( f c t 

) 2

cos( f c t 

) (t

c

) (t 1

c

) (t 1

Hình 2.8: Sơ đồ khối chức năng máy thu trong hệ thống DS-SS

Trong hình 2.8, tín hiệu tới máy thu bao gồm tín hiệu có ích s(t) và tạp nhiễu trắng cộng tính Gauss n(t) với mật độ phổ công suất hai biên N0/2 (W/Hz)

r(t) = s(t)+n(t)

s(t) Pc(t 1)b(t 1)cos[2 f t c  )] (2.12) Trong đó:

- P là công suất trung bình của tín hiệu s(t) tại đầu máy thu;

- c(t) là tín hiệu PN;

Nh- mô tả trên hình 2.9, máy thu cần thực hiện một số chức năng nh-: bắt PN, bám PN, phục hồi, bám sóng mang, giải trải phổ, giải điều chế, tín hiệu Phân hệ bắt có nhiệm vụ tạo ra chuỗi c(t ), với      , với 1 Tc 

là một hằng số nhỏ Để có đ-ợc  nằm trong khoảng (  1 T ,c 1  T )c , phân hệ bắt phải thực hiện tìm kiếm xuyên suốt một tập pha có t-ơng quan lớn với tín hiệu PN tới Một khi pha của tín hiệu PN tới và tín hiệu PN nội nằm trong khoảng  , mạch bám mới bắt đầu hoạt động, và nhờ vào vòng Tchồi tiếp mạch bám làm cho lệch pha giữa hai tín hiệu PN tiến tới không Mạch phục hồi sóng mang tách tín hiệu sóng mang cos(2 f t   từ tín hiệu c )tới Tín hiệu sóng mang và tín hiệu PN từ mạch bám cần cho quá trình giải trải phổ và giải điều chế để thu đ-ợc ˆb(t), một đại l-ợng dự đoán của b(t) Các tín hiệu sóng mang và PN khôi phục đ-ợc còn cần cho các chức năng khác, ngoài ra dữ liệu còn hỗ trợ cho quá trình khôi phục sóng mang và tín hiệu PN

Trong nhiều tr-ờng hợp việc thu bắt PN thực hiện tr-ớc hay đồng thời với khôi phục sóng mang và bám Vì thế giải điều chế sóng mang không kết hợp

đ-ợc cần phải dùng với mạch bắt Một khi pha của tín hiệu PN đã đ-ợc bắt thì mạch bám đ-ợc khởi động