MụC lục
Lời nói đầu 2
1.1. Tổng quan kỹ thuật trải phổ 2
1.1.1. Khái niệm hệ thống trải phổ 2
1.1.2. Các đặc điểm cơ bản của tín hiệu trải phổ 5
1.2. Các hệ thống trải phổ 9
1.2.1. Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp 10
1.2.2. Hệ thống trải phổ nhảy tần 19
1.2.3. Một số hệ thống trải phổ kết hợp khác 22
1.3. Mã giả tạp âm PN 22
1.3.1. Tạo chuỗi giả tạp âm 22
1.3.2. Các thuộc tính của chuỗi -m 26
1.3.3. Hàm tự tơng quan của chuỗi -m 26
1.3.4. Chuỗi Gold 29
1.4. Một số ứng dụng của kĩ thuật trải phổ 31
1.4.1. Hệ thống định vị toàn cầu GPS 31
1.4.2. Đa truy nhập phân chia theo mã 32
Chơng 2 35
2.1. Giới thiệu chung 35
2.1.1. Không gian làm việc của MATLAB 35
2.1.2. Làm việc với matrận 36
2.1.3. Chức năng đồ hoạ 37
2.1.4. Lập trình với MATLAB 39
2.2. Các Toolbox của MATLAB 42
2.3. Một số Blockset sử dụng cho mô phỏng hệ thống thông tin 45
2.3.1. CDMA reference Blockset 45
2.3.2. Communications Blockset 45
2.3.3. DSP Blockset 46
Chơng 3 47
3.1. Phơng pháp mô phỏng Monte-Carlo 47
3.2. Tính chống nhiễu của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp 50
Chơng 2: Phần mềm MATLAB
Chơng 3: Khảo sát một số đặc tính của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DS-
SS
Chơng 4: Kết luận
Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, em đã nhận đợc sự hớng dẫn chỉ
bảo rất nhiệt tình của thầy giáo hớng dẫn và em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu
sắc tới thầy, Th.S Trần Xuân Việt. Bên cạnh đó, em cũng xin chân thành cảm
ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo trong khoa Điện - Điện tử tàu
biển. Tuy nhiên, do trình độ kiến thức và thời gian còn hạn chế, bản luận văn
còn gặp nhiều thiếu sót, cha đáp ứng đợc hết các yêu cầu đặt ra. Rất mong
nhận đợc ý kiến đóng góp của các thầy giáo và các bạn.
Hải phòng ngày 12 - 1 - 2004
Sinh viên
Vũ Thị Ngọc Quý
Chơng 1
kỹ thuật trải phổ
1.1. Tổng quan kỹ thuật trải phổ
1.1.1. Khái niệm hệ thống trải phổ
Kỹ thuật trải phổ đầu tiên đợc phát triển và ứng dụng trong thông tin quân
sự từ những năm 1960 với mục đích chống lại việc gây nhiễu của địch và tạo
khả năng phát hiện thấp đối với những đối tợng thu không mong muốn. Tuy
2
nhiên, ngày nay các tín hiệu trải phổ đã đợc sử dụng nhằm cho phép truyền tin
tin cậy trong một loạt các ứng dụng thơng mại, bao gồm cả thông tin trên xe
di động và thông tin vô tuyến liên sở.
Tín hiệu trải phổ đợc sử dụng trong việc truyền phát thông tin số và đợc
đặc trng bởi đặc tính độ rộng băng thông W lớn hơn rất nhiều so với tốc độ
thông tin R tính theo bits/s. Điều đó có nghĩa là yếu tố mở rộng băng thông
B
c
tín hiệu thu đợc để giải trải chính xác tín hiệu thu đã đợc trải phổ. Trên thực
tế, việc đồng bộ đợc thiết lập trớc khi truyền phát thông tin bằng cách truyền
một mẫu bit PN xác định mà phía thu sẽ có thể tách đợc nó với một xác suất
cao ngay cả khi có nhiễu. Sau khi việc đồng bộ thời gian của bộ tạo chuỗi PN
đợc thực hiện xong, quá trình truyền tin bắt đầu.
Việc trải rộng phổ của tín hiệu sẽ có tác dụng khắc phục đợc các tác nhân
gây nhiễu mạnh bắt gặp trong quá trình truyền phát tin tức qua sóng vô tuyến
cũng nh qua các kênh thông tin vệ tinh. Yếu tố quan trọng thứ hai đợc sử dụng
trong việc tạo tín hiệu trải phổ là quá trình giả ngẫu nhiên, quá trình này sẽ
làm cho tín hiệu có dạng nh tạp âm ngẫu nhiên và sẽ gây khó khăn lớn cho
quá trình giải điều chế đối với những đối tợng thu không phải là những ngời
thu đã định. Yếu tố này liên quan mật thiết tới mục đích ứng dụng của tín
hiệu trải phổ này.
Tín hiệu trải phổ đợc đặc biệt sử dụng cho:
- Triệt khử những tác động của nhiễu gây ra từ những ngời sử dụng cùng
kênh khác, và nhiễu gây ra do fadinh nhiều tia.
- Dấu tín hiệu bằng cách phát ở mức công suất thấp và do đó làm cho
những đối tợng thu không mong muốn không thể phát hiện đợc tín hiệu
trong nền tạp âm thấp.
- Đảm bảo tính bảo mật trong sự hiện diện của những đối tợng nghe khác.
Thứ nhất, trong vấn đề chống những tác nhân gây nhiễu không mong
muốn, đối với một hệ thống, điều quan trọng là tác nhân gây nhiễu làm gián
đoạn thông tin phải không có hiểu biết gì về đặc tính của tín hiệu ngoại trừ độ
4
Dãy dữ
liệu
Bộ mã
hoá kênh
Bộ điều
chế
Thứ hai, tin tức có thể đợc dấu đi trong nền tạp âm bằng cách trải độ rộng
băng tần kết hợp mã hoá và phát tín hiệu tổng hợp với mức công suất trung
bình rất thấp. Bởi vì với mức công suất phát thấp, tín hiệu phát đi sẽ có xác
suất bị chặn (phát hiện) thấp và do đó tín hiệu trải phổ cũng đợc gọi là có đặc
tính LPI.
Và cuối cùng, tính riêng t của thông tin có thể đạt đợc bằng cách thêm vào
tín hiệu đợc phát thành phần giả ngẫu nhiên. Bất kì một đài thu nào không biết
thành phần giả ngẫu nhiên này thì không thể thu đợc thông tin ngoại trừ đài
thu hợp lệ.
1.1.2. Các đặc điểm cơ bản của tín hiệu trải phổ
1.1.2.1. Khả năng chống nhiễu
Máy thu có thể khắc phục đợc các ảnh hởng của các loại nhiễu đợc gây ra
cố ý nh thế nào, đặc biệt trong trờng hợp công suất nhiễu lớn hơn rất nhiều so
với công suất tín hiệu đã phát đi? Các nghiên cứu lý thuyết thông tin cổ điển
về kênh tap âm trắng cộng Gauss đã gợi ý để trả lời cho câu hỏi này. Tạp âm
trắng Gauss là một mô hình toán học, theo định nghĩa có phổ năng lợng phân
bố đều vô hạn trên tất cả các tần số. Việc thông tin có hiệu quả vẫn có thể đạt
đợc vì tạp âm trắng cộng có phổ năng lợng phân bố đều trên tất cả các tần số,
song chỉ có các thành phần tạp âm trong không gian tín hiệu mới gây ra các
ảnh hởng có hại. Lấy ví dụ nh với một tín hiệu băng hẹp, thì điều đó có nghĩa
là chỉ có các thành phần tạp âm trong bề rộng phổ tín hiệu mới có khả năng
gây ra ảnh hởng giảm đặc tính của hệ thống. Ta có thể hiểu ý tởng của hệ
thống trải phổ chống nhiễu nh sau: nhận xét rằng sẵn có nhiều toạ độ tín hiệu
trực giao hay các phân lợng phổ để thiết lập liên kết thông tin và chỉ có một
tập con của các toạ độ tín hiệu này đợc sử dụng tại bất cứ lúc nào. Ta giả thiết
5
rằng phía gây nhiễu không xác định đợc tập con tín hiệu hiện đang đợc sử
dụng. Với các tín hiệu có bề rộng phổ bằng W và thời gian tồn tại là T, số
phân lợng phổ xấp xỉ là 2WT. Nếu xét riêng với một loại tín hiệu cho trớc, đặc
tính lỗi của hệ thống là một hàm của tỷ số năng lợng bit trên tạp âm- ký hiệu
nhiễu sẽ là J
0
=J/W. Nh vậy, để chống lại nhiễu cố ý ta phải lựa chọn sự phân
bố tín hiệu sao cho phía gây nhiễu khó có thể thiết lập đợc tỷ số công suất tạp
âm nhiễu trên tín hiệu có giá trị lớn trong phân bố tín hiệu này.
1.1.2.2. Khả năng phát hiện thấp
Do việc truyền phát thông tin giữa các đài theo kiểu quảng bá nên có thể
có những đối tợng thu không mong muốn. Để đảm bảo tính bảo mật trong việc
truyền phát thông tin thì một hệ thống nên đợc thiết kế sao cho khả năng tách
sóng là thấp nhất để việc tách sóng là khó có thể thực hiện đợc ngoại trừ đối t-
ợng thu đã định. Hệ thống có đặc điểm này đợc gọi là hệ thống có xác suất
tách sóng thấp (Low Probability of Detection_LPD) hay xác suất bị chặn thấp
(Low Probability of being Intercepted).
7
G
ss
(f)
W
ss
Sau khi trải phổ
0
N
f
G
ss
(f)
W
ss
Phía gây nhiễu chon cách 2 sau khi
trải phổ
Đối với hệ thống trải phổ, tín hiệu đợc phát chủ ý với mức công suất rất
thấp gần với tạp âm nền của kênh và tạp âm nhiệt phát sinh trong máy thu đầu
cuối. Nếu tín hiệu trải phổ DS chiếm độ rộng băng thông là W và mật độ phổ
công suất của tạp âm cộng là N
0
(W/Hz) thì công suất tạp âm trung bình trong
độ rộng băng W là P
N
=WN
o
. Công suất tín hiệu thu đợc trung bình tại máy thu
là P
R
. Nếu muốn đảm bảo thông tin không bị phát hiện bởi những đối tợng thu
không mong muốn đang có mặt trong vùng lân cận với máy thu đã định thì tín
hiệu phải đợc phát ở mức công suất thấp sao cho: P
R
/P
N
<<1.
Máy thu đã định có thể khôi phục lại tín hiệu mang tin yếu trên nền tạp
âm với sự trợ giúp của tăng ích sử lí và tăng ích mã, nh vậy bất kì máy thu
không biết chuỗi PN cũng nh tăng ích sử lí và tăng ích mã thì không thể thu và
tách đợc tín hiệu mang tin. Do đó ta có thể nói tín hiệu đã có xác suất bị chặn
thu thấp LPI (Low Probability of being Intercepted) và nó đợc gọi là tín hiệu
LPI, đây chính là u điểm thứ hai của tín hiệu trải phổ.
1.1.2.3 Đa truy nhập phân chia theo mã
Sự cải thiện về chất lợng đã đạt đợc thông qua tăng ích xử lí và tăng ích
mã tín hiệu trải phổ DS dẫn đến nhiều tín hiệu trải phổ có thể chiếm dụng
chung một độ rộng băng kênh, miễn là mỗi tín hiệu có một chuỗi PN riêng
những ngời sử dụng đồng thời khác nhau xuất hiện nh nhiễu cộng.
Ta hãy xác định số các tín hiệu đồng thời có thể hoà đợc trong một hệ
thống CDMA. Giả sử rằng tất cả các tín hiệu đều có công suất trung bình nh
8
nhau tại trạm gốc. Trong nhiều hệ thống thực tế, mức công suất tín hiệu thu đ-
ợc từ từng ngời sử dụng đợc giám sát tại trạm gốc và điều khiển công suất đợc
thực hiện đối với mọi ngời sử dụng đồng thời bằng cách sử dụng một kênh
điều khiển nhằm chỉ dẫn cho các ngời sử dụng để tăng hay giảm mức công
suất của họ. Với điều khiển công suất nh thế, nếu có N
u
ngời sử dụng đồng
thời thì tỉ số công suất tín hiệu trên tạp nhiễu tại một máy thu dã cho là:
( )
1
1
1
=
=
uSu
S
N
S
NPN
P
P
P
(1.1)
Từ mối quan hệ này, chúng ta có thể xác định đợc số ngời sử dụng có thể
1.2. Các hệ thống trải phổ
Để tăng chất lợng thông tin của hệ thống, ngời ta thờng tìm cách nâng cao
tỉ số tín hiệu trên tạp âm và giảm thiểu xác suất lỗi. Dựa trên các kết quả
nghiên cứu về lý thuyết thông tin, ngời ta đã chỉ rõ rằng với một mức tạp âm
đã cho, việc nâng cao tỉ số tín hiệu trên tạp âm chỉ đợc thực hiện theo một
trong ba cách: tăng công suất của nguồn tín hiệu, hoặc tăng độ dài của tín hiệu
9
(kéo dài thời gian làm việc của hệ thống thông tin), hoặc trải rộng phổ của tín
hiệu. Thực tế cho thấy việc áp dụng phơng pháp thứ ba là có tính khả thi và
hiệu quả nhất. Với tín hiệu có bề rộng phổ là W(Hz) và thời gian tồn tại là T
thì sẽ có phân lợng phổ xấp xỉ 2WT. Để tăng số phân lợng phổ ta có thể hoặc
tăng bề rộng phổ tín hiệu nhờ sử dụng kỹ thuật trải phổ, hoặc tăng thời gian T
nhờ kỹ thuật nhảy thời gian.
Tín hiệu trải phổ băng rộng đợc tạo ra bằng cách điều chế dữ liệu vào sóng
mang sử dụng tín hiệu đợc trải ra với độ rộng băng thông rất lớn. Quá trình
điều chế trải phổ có thể đợc thực hiện bằng phơng pháp điều chế pha hoặc
cũng có thể thay đổi tần số sóng mang với tốc độ lớn hoặc kết hợp các phơng
pháp này và một số phơng pháp khác nữa.
Khi trải phổ đợc thực hiện bằng điều chế pha thì tín hiệu đợc gọi là tín
hiệu trải phổ dãy trực tiếp (DS). Khi trải phổ đợc thực hiện bằng cách thay đổi
tần số sóng mang thì ta có tín hiệu trải phổ nhảy tần (FH). Với kỹ thuật nhảy
thời gian (Time Hopping), ta có hệ thống trải phổ nhảy thời gian TH-SS.
Khi kết hợp các phơng pháp trải phổ trên thì ta đợc phơng pháp trải phổ
kết hợp ví dụ:DS/FH, FH/TH, DS/FH/TH Tuy nhiên, các phơng kỹ thuật này
đợc xem nh sự mở rộng đơn giản của hai kỹ thuật DS và FH nên thực tế ta chỉ
quan tâm tới hai kỹ thuật trải phổ cơ bản:
1. Trải phổ dãy trực tiếp (Direct Sequence-DS)
2. Trải phổ nhảy tần số (Frequency Hop-FH)
1.2.1. Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp
Một trong các phơng pháp trải phổ tín hiệu đã đợc điều chế bởi dữ liệu là
n
bTn
nTtgatv )()(
(1.3)
10
Trong đó {a
n
=1,- < n < } còn g
T
(t) là một xung chữ nhật có độ dài T
b
.
Tín hiệu này đợc nhân với tín hiệu đến từ bộ tạo chuỗi PN mà nó có thể biểu
diễn đợc theo:
=
=
n
cn
nTtpctc )()(
(1.4)
Trong đó c
n
biểu thị chuỗi mã PN nhị phân gồm các dấu mã 1, còn p(t) là
một xung chữ nhật có độ dài T
c
nh đợc minh hoạ trên Hình1.5 Thuật toán
nhân này thực hiện việc trải rộng băng tín hiệu mang thông tin (mà độ rộng
băng của nó vốn xấp xỉ R(Hz) trở thành độ rộng băng rộng hơn chiếm bởi tín
v(t)
t
(b)
1
-1
-1
t
(c)
1
T
b
v(t)c(t)
Hình 1.3: Sự tạo thành một tín hiệu trải phổ DS
(a) tín hiệu PN; (b) tín hiệu dữ liệu; (c) tín hiệu tích.
Do v(t)c(t)=1 với mọi t nên dẫn đến tín hiệu phát đợc điều chế sóng
mang cũng còn có thể biểu diễn đợc theo:
U(t)=A
c
cos[2f
c
t+(t)] (1.6)
Trong đó (t)=0 khi v(t)c(t)=1 và (t)= khi v(t)c(t)=-1. Do vậy tín hiệu
phát là một tín hiệu PSK nhị phân với pha của nó thay đổi với tốc độ 1/T
c
.
Xung chữ nhật p(t) thờng đợc gọi là một chip và độ dài thời gian của nó,
T
c
đợc gọi là khoảng chip. Đại lợng nghịch đảo 1/T
thuật điều chế dịch pha nhị phân BPSK, tức là ở lần điều chế thứ hai ngời ta sử
dụng mã trải phổ điều chế tín hiệu sóng mang đã đợc điều chế bởi dữ liệu theo
kiểu BPSK. Giả sử sóng mang đã đợc điều chế dữ liệu đờng bao không đổi có
công suất P, biên độ đỉnh sóng mang A, tần số góc của sóng mang theo radian
0
:
s(t)=Acos
0
t (1.8)
Nếu gọi A
rms
là giá trị hiệu dụng của điện áp, ta có:
2
22
rmsrms
AAA ==
12
0
(b)
1/T
c
-1/T
c
f
)( fC
V(f)
f
-1/T
[ ]
s0
Tt0 cos2 <+= tPts
dd
(1.9)
Trong đó:
d
(t) biểu diễn pha của sóng mang đợc điều chế bởi dữ liệu.
T
s
: thời gian tồn tại của một symbol điều chế.
Trớc khi trải phổ, bề rộng phổ tín hiệu này bằng 0.5ữ2 lần tốc độ dòng dữ
liệu, tuỳ thuộc vào đặc điểm điều chế. Trải phổ dãy trực tiếp sử dụng kỹ thuật
BPSK bằng mã trải phổ c(t) có dạng xung NRZ có các mức giá trị bằng 1, có
tốc độ dòng mã gấp N lần tốc độ dòng dữ liệu. Khi ấy tín hiệu phát đi sẽ có
dạng:
( ) ( )
[ ]
s0
Tt0 cos2 <<+= tPts
dt
(1.10)
Tín hiệu phát đi s
t
(t) bây giờ có thể viết gọn lại nh sau:
s
t
(t)c(t) = c(t)s
cos)()(2
(1.13)
d
T
là dự đoán trễ đờng truyền của máy thu.Vì c(t) = 1 nên
)()(
dd
TtcTt
sẽ đồng nhất nếu
d
T
=T
d
, có nghĩa là mã trải phổ ở phía máy thu đồng bộ với
mã trải phổ ở phía máy phát. Khi việc đồng bộ là chính xác, tín hiệu ra của bộ
nén phổ ở phía thu sẽ là s
d
(t) ngoại trừ pha , và s
d
(t) có thể đợc giải điều chế
sử dụng điều chế pha liên kết.
13
)](cos[2
0
ttP
d
cos)(2
=
(1.14)
Tín hiệu phát đi:
( )
)cos()()(2
0
ttctdPts
t
=
(1.15)
Bộ điều chế xây dựng trên cơ sở của phơng trình (1.15) nh sau:
Theo sơ đồ này, dòng dữ liệu d(t) và mã trải phổ c(t) đợc nhân với nhau,
sau đó tích d(t)c(t) đợc dùng để điều chế sóng mang.
Hình 1.8 minh hoạ quá trình trải phổ và giải trải phổ dãy trực tiếp khi điều
chế dữ liệu và điều chế trải phổ là BPSK. Dạng sóng trải phổ và dữ liệu đợc
minh hoạ trong Hình 1.8.a và b, và s
d
(t) và s
t
(t) minh hoạ trong Hình 1.8.c và
d. Hình 1.8.e minh hoạ pha đầu vào bộ giải trải phổ máy thu với giả thiết trễ
đờng truyền là 1/2 T
c
, và Hình 1.8.f minh hoạ tín hiệu ra bộ giải trải phổ trong
trờng hợp này. Rõ ràng ta thấy dạng xung của Hình 1.8.f không tơng ứng với
dạng tín hiệu s
d
t
(t)=s
d
(t) và dữ liệu đã điều chế với sóng mang
đã đợc khôi phục.
Xét mật độ phổ công suất của các tín hiệu trong Hình 1.8. Mật độ phổ
công suất song biên theo W/Hz của sóng mang điều chế khoá dịch pha nhị
phân đợc cho bởi:
15
(f) c(t-1/2T
c
)s
t
(t)
P2
P2
P2
P2
P2
P2
(a) dữ liệu d(t)
(b) mã trải phổ
c(t)
(c)
+1
-1
+1
-1
+1
-1
(t) trong Hình 1.8.d cũng là tín
hiệu sóng mang điều chế khoá dịch pha nhị phân và vì thế có mật độ phổ công
suất cũng đợc xác định theo công thức trên với T đợc thay thế bằng T
c
, là chu
kỳ của một symbol mã trải phổ hay T
c
thờng đợc cho là chu kỳ của một chíp
mã trải phổ. Hình 1.10 mô tả mật độ phổ công suất của s
t
(t) trong trờng hợp
T
c
=T/3. Rõ ràng là tác động của quá trình điều chế mã trải phổ là trải rộng
phổ tần của tín hiệu bị điều chế lên 3 lần, điều đó còn có ý nghĩa là hoạt động
trải phổ còn làm giảm biên độ phổ công suất tín hiệu bị điều chế đi 3 lần.
Trong các hệ thống trải phổ thực tế, hệ số trải phổ còn lớn hơn gấp nhiều lần
so với ví dụ này.
Phơng trình (1.16) chỉ áp dụng khi cả hai quá trình điều chế dữ liệu và
điều chế trải phổ đều là khóa dịch pha nhị phân và khi điều chế dữ liệu và điều
chế trải phổ đồng bộ về pha. Trong trờng hợp này vì việc giải điều chế dữ liệu
là hoàn toàn ngẫu nhiên, tín hiệu s
t
(t) là tín hiệu đã đợc điều chế hai pha ngẫu
nhiên, và (1.16) đợc áp dụng. Xem lại trờng hợp qúa trình điều chế dữ liệu là
điều chế pha đờng bao không đổi tuỳ ý. Dữ liệu đã đợc điều chế vào
sóng mang đợc cho trong biểu thức (1.9) và tín hiệu phát cho trong biểu thức
1.10. Trong trờng hợp này, ta có thể sử dụng định luật Wiener-Khintchine để
tính toán phổ công suất của tín hiệu phát đi, định luật này nh sau: Phổ công
suất và hàm tự tơng quan của một tín hiệu là một cặp biến đổi Fourie.
c
T
1
tần số
0.5
mật độ phổ
Tín hiệu sóng mang đã đợc điều chế dữ liệu là một quá trình ngẫu nhiên
ergodic, mã trải phổ là xác định và tuần hoàn nên hàm s
t
(t) cũng là một quá
trình ngẫu nhiên ergodic. Tín hiệu s
d
(t) độc lập đối với c(t) nên hàm tự tơng
quan R
t
() của c(t)s
d
(t) là tích các hàm tự tơng quan của chúng:
R
t
() = R
d
()R
c
() (1.17)
Sử dụng định lý tích chập trong miền tần số của phép biến đổi Furie, mật
độ phổ công suất của s
t
(t) với hàm tự tơng quan biến đổi Furie R
t
0
2
sinsin
2
1
++=
(1.19)
( ) ( ){ }
00
2
1
ffffJ +++
và tín hiệu thu đợc là:
)cos(2)cos()()(2)(
'
00
+++=
tJtTtcTtdPtr
d
d
(1.20)
Giả sử mã trải phổ ở máy thu có dạng pha đúng thì tín hiệu ra bộ giải trải
phổ là:
)cos()(2)cos()(2)(
'
00
2
0
2
sinsin
2
1
+++
Rõ ràng tín hiệu dữ liệu đã đợc nén phổ sao cho có độ rộng bằng đúng độ
rộng băng dữ liệu (nh bề rộng phổ ban đầu) trong khi đó phổ của nhiễu đã bị
trải rộng ra toàn bộ băng thông của hệ thống trải phổ.
17
Phổ công suất của tín hiệu đợc trình bày ở trên đã đợc minh hoạ trong
Hình 1.11. Hình 1.11 a-Phổ công suất tín hiệu thu, và phổ sau giải trải phổ cho
trong Hình 1.11 b. Quá trình giải trải phổ trong máy thu trải phổ đợc thực hiện
sau khi đa tín hiệu qua bộ lọc với giới hạn băng thông bằng giới hạn băng
thông ở đầu vào bộ giải điều chế. Hàm truyền của bộ lọc lý tởng đợc cho trong
Hình 1.11 c và đầu ra của bộ lọc cho trong Hình 1.11 d.
18
2
)( fH
b
T
1
-f
0
f
0
(c) Hàm chuyển đổi công suất bộ lọc trung tần
1.0
Miền nhiễu
1
Tín hiệu
Nhiễu
1/2PT
b
1/2PT
c
S
J
(f)
-f
0
f
0
Hình 1.11 Mật độ phổ công suất với nhiễu tone.
(d) Đầu ra bộ lọc IF
Bộ lọc lý tởng này có độ rộng băng tần tơng đơng với độ rộng băng tần
của nhiễu trong bộ lọc trung tần thực tế có độ rộng băng độ rộng băng của dữ
liệu. Hầu hết công suất của tín hiệu đều đợc đi qua bộ lọc trung tần, còn phần
lớn công suất nhiễu bị loại bỏ bởi bộ lọc này. Lợng công suất nhiễu bị loại bỏ
khi đi qua bộ lọc là:
= dffHfSJ
J
2
0
)()(
(1.23)
0
0
0
0
+
+
+
+
+
+=
+=
Tf
Tf
cc
Tf
Tf
cc
Tf
Tf
J
Tf
Tf
J
thống cụ thể.
1.2.2. Hệ thống trải phổ nhảy tần
Trong hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần (FH) độ rộng băng thông kênh
có sẵn đợc chia nhỏ thành nhiều khe tần số kề nhau. Trong mỗi chu kì của tín
hiệu, tín hiệu phát có thể chiếm dụng một khe tần số hoặc nhiều hơn. Việc lựa
chọn (các) khe tần số trong mỗi chu kỳ của tín hiệu đợc thực hiện một cách
ngẫu nhiên theo tín hiệu lấy ra từ bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên PN. Đó là hệ
thống trải phổ nhảy tần.
Có nhiều cách để phân loại các hệ thống trải phổ nhảy tần:
- Phân loại theo tơng quan giữa tốc độ nhảy tần và tốc độ symbol điều
chế.
- Phân loại theo phơng pháp điều chế.
Nếu phân loại theo tơng quan giữa tốc độ nhảy tần R
h
và tốc độ symbol
điều chế R
s
ta có nhảy tần nhanh và nhảy tần chậm, mặc dù sự phân loại này
19
chỉ có tính chất tơng đối vì kỹ thuật chế tạo các bộ tổng hợp tần số có tốc độ
nhảy tần cao đang tiếp tục đợc nghiên cứu và phát triển. Tuy nhiên ta vẫn có
thể định nghĩa: hệ thống nhảy tần nhanh là hệ thống có tốc độ nhảy tần R
h
là
bội nguyên lần tốc độ symbol điều chế R
s
, còn hệ thống nhảy tần nhảy tần
chậm thì đợc định nghĩa ngợc lại.
Nếu phân loại theo phơng pháp điều chế ta có hệ thống trải phổ nhảy tần
liên kết (Coherent Frequency Hop Spread Spectrum) và hệ thống trải phổ nhảy
bộ tổng hợp tần số có khả năng duy trì liên kết pha của dao động khi nó nhảy
từ tần số này sang tần số khác, vì vậy ở hệ thống nhảy tần thờng sử dụng kỹ
thuật giải điều chế không kết hợp (non-coherent detection).
20
)(ts
d
)(ty
Bộ lọc
thông cao
Bộ điều chế
dữ liệu
Dữ liệu
vào d(t)
)cos(2
0
tP
)(ts
t
Bộ tổng
hợp tần số
Tạo mã PN
1 2 3 k
Xung
đồng hồ
FH
)(th
T
(a) Máy phát
hiệu giả ngẫu nhiên ở trong tín hiệu thu đợc sẽ đợc tách ra ở máy thu bằng
cách trộn tín hiệu tổng hợp với tín hiệu thu đợc. Tín hiệu tổng hợp đợc giải
điều chế theo phơng pháp giải điều chế FSK. Tín hiệu dùng để duy trì việc
đồng bộ cho bộ tạo dãy giả ngẫu nhiên với tín hiệu thu đã đợc dịch tần thờng
đợc tách ra khỏi tín hiệu mang tin.
Mặc dù việc áp dụng điều chế PSK có thể cho kết quả tốt hơn điều chế
FSK trong kênh AWGN nhng lại gây khó khăn hơn khi duy trì việc kết hợp
pha trong việc tổng các hợp tần số đã đợc sử dụng trong các mẫu nhảy tần, và
cũng gây khó khăn khi trong quá trình truyền tín hiệu nh là các tín hiệu nhảy
tần từ một tần số này sang tần số khác qua độ rộng băng thông. Kết quả là
điều chế FSK với tách sóng không liên kết thờng đợc sử dụng cho tín hiệu trải
phổ FH nhiều hơn.
Tín hiệu trải phổ nhảy tần đợc sử dụng cơ bản tín hiệu hệ thống thông tin
số và trong CDMA, trong đó nhiều ngời sử dụng cùng chia sẻ một băng tần
chung. Trong hầu hết các trờng hợp, tín hiệu trải phổ FH đợc sử dụng nhiều
hơn so với tín hiệu trải phổ trực tiếp DS bởi vì yêu cầu đồng bộ khắt khe vốn
là thuộc tính cố hữu của trải phổ dãy trực tiếp. Đặc biệt trong hệ thống trải phổ
dãy trực tiếp DS, vấn đề thời gian và tính đồng bộ phải đợc thiết lập trong
khoảng chu kì chip T
c
1/W. Nói cách khác, trong một hệ thống FH, chu kì
21
chip là khoảng thời gian dùng để phát một tín hiệu trong một khe tần số riêng
biệt của băng tần B<<W. Nhng chu kì này thì xấp xỉ 1/B lớn hơn rất nhiều so
với 1/W, vì thế việc đồng bộ (timing) đối với hệ thống FH không cần chặt chẽ
nh đối với một hệ thống PN.
1.2.3. Một số hệ thống trải phổ kết hợp khác
Hệ thống trải phổ trực tiếp DS và hệ thống trải phổ nhảy tần FH là hai hệ
thống cơ bản nhất ứng dụng kỹ thuật trải phổ thờng đợc sử dụng trong thực tế.
Các tín hiệu trải phổ băng rộng tựa tạp âm đợc tạo ra bằng cách sử dụng
các chuỗi mã giả tạp âm (pseudo noise) hay giả ngẫu nhiên. Trong các hệ
thống trải phổ chuỗi trực tiếp, dạng sóng của trải phổ giả tạp âm là một hàm
thời gian của một chuỗi PN. Trong các hệ thống trải phổ nhảy tần, các mẫu
nhảy tần có thể đợc tạo ra từ một mã PN. Lu ý là các chuỗi PN phải đợc tạo ra
22
một cách xác định, nếu không sẽ không thể trao đổi thông tin hữu ích ở đờng
thông tin trải phổ. Tuy nhiên các chuỗi này đợc thiết kế để biểu hiện rất giống
các chuỗi ngẫu nhiên đối với máy thu không mong muốn.
Hầu hết các chuỗi mã PN nhị phân đã đợc biết đều là các chuỗi ghi dịch
có độ dài cực đại. Một chuỗi ghi dịch độ dài cực đại, hay ngắn gọn là chuỗi
m , có độ dài L = 2
m
-1 bit và đợc tạo ra bằng cách sử dụng thanh ghi dịch có
mạch hồi tiếp tuyến tính LFSR (Linear Feedback Shift Register) nh đợc minh
hoạ trên Hình 1.13. Chuỗi này tuần hoàn với chu kỳ L. Mỗi một chu kỳ của
một chuỗi gồm 2
m-1
số 1 và 2
m-1
-1 số 0. Bảng 1.1 liệt kê các kết nối bộ ghi dịch
để tạo ra các chuỗi có độ dài cực đại.
Bảng 1.1 Các kết nối bộ ghi dịch tạo các chuỗi độ dài cực đại
Trong các ứng dụng trải phổ DS, chuỗi nhị phân với các phần tử [0,1] đợc
ánh xạ thành một chuỗi xung dơng và âm tơng ứng theo quan hệ:
( ) ( ) ( )
iTtpbtp
ii
= 12
(1.27)
1 , 2
1 , 3
1 , 4
1 , 4
1 , 6
1 , 7
1 , 5 , 6 , 7
1 ,6
1 ,8
1 , 10
1 , 7 , 9 , 12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
1 , 10 , 11 , 13
1 , 5 , 9 , 14
1 , 15
1 , 5 , 14, 16
1 , 15
1 , 12
1 , 15 , 18 , 19
1 , 18
Một đặc tính quan trọng của chuỗi PN tuần hoàn là hàm tự tơng quan tuần
hoàn, thờng đợc định nghĩa theo chuỗi lỡng cực (c
n
) nh sau:
( )
=
+
=
L
n
jiic
bbmR
1
)12)(12(
0 m L-1 (1.28)
Trong đó L là chu kì của chuỗi. Do tính chất của {c
n
} tuần hoàn với chu kỳ
L, chuỗi tự tơng quan {R
c
(m)} cũng tuần hoàn với chu kỳ L.
Một cách lý tởng, một chuỗi PN cần phải có một hàm tự tơng quan có tính
chất tơng quan tơng tự nh của tạp âm trắng. Nghĩa là chuỗi tự tơng quan lý t-
ởng đối với {c
n
} là R
c
(0) = L và R
các trờng hợp vì đối tợng gây nhiễu có thể xác định đợc sự liên kết phản hồi
bằng cách quan sát chỉ 2m chip từ chuỗi PN. Điểm yếu này của chuỗi PN là
do đặc tính tuyến tính của bộ tạo chuỗi.
Để giảm yếu điểm này, chuỗi tín hiệu ra từ thanh ghi dịch hoặc tín hiệu ra
từ các chuỗi m riêng biệt đợc kết hợp một cách không tuyến tính để đa ra
chuỗi không tuyến tính và do đó gây nhiều khó khăn hơn cho đối tợng gây
nhiễu có thể nghe trộm. Ngoài ra yếu điểm trên cũng có thể giảm bằng cách
thay đổi thờng xuyên cách kết nối phản hồi và / hoặc thay đổi thờng xuyên số
trạng thái trong thanh ghi dịch theo một số kế hoạch đã sắp xếp trớc đã đợc
thống nhất trớc giữa phía phát và phía thu.
Trong một số ứng dụng, các tính chất tơng quan chéo của các chuỗi PN
cũng quan trọng nh các tính chất tự tơng quan, ví dụ trong hệ thống CDMA,
mỗi một ngời sử dụng đợc gán cho một chuỗi PN riêng. Nếu xét một cách lý t-
ởng, các chuỗi PN giữa các ngời sử dụng phải trực giao với nhau để quá trình
truyền tin của ngời sử dụng này không gây nhiễu cho ngời sử dụng khác trên
cùng kênh truyền (mức nhiễu mà một ngời sử dụng phải chịu từ việc truyền tin
của các ngời sử dụng khác bằng không). Tuy nhiên, trong thực tế các chuỗi
PN giữa những ngời sử dụng vẫn có tính tơng quan đôi chút.
Để cụ thể hơn, xét lớp các chuỗi m. Nh đã biết các hàm tơng quan chéo
tuần hoàn giữa bất kì một cặp chuỗi m trong cùng chu kỳ có thể có các đỉnh
khá lớn. Bảng 1.2 liệt kê các độ lớn đỉnh R
max
của mức tơng quan chéo tuần
hoàn giữa các cặp chuỗi -m đối với 3 m 12. Số các chuỗi m có độ dài
L=2
m
-1 đối với 3 m 12 cũng đợc liệt kê trong bảng 1.2.
24
Nhìn vào bảng ta thấy rằng số lợng các chuỗi m có độ dài L tăng theo m khá
nhanh và ta cũng thấy đối với hầu hết các chuỗi, độ lớn đỉnh R
8
9
10
11
12
7
15
31
63
127
255
511
1023
2017
4095
2
2
6
6
18
16
48
60
176
141
5
9
11
23
41
0.13
0.06
0.06
0.03
0.03
25
Copyright: Tài liệu đại học ©