LỜI NÓI ĐẦU
Lý thuyết trải phổ được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong các hệ
thống thông tin quân sự hơn nửa thế kỉ qua với mục đích hạn chế tác động của
việc gây nhiễu tín hiệu và che dấu tín hiệu tránh để đối phương thu trộm.
Điều này có thể thực hiện bằng cách trải phổ tín hiệu tới độ rộng băng tần cần
thiết làm cho tín hiệu bị che lấp bởi tạp âm.
Điều chế trải phổ khi được sử dụng kết hợp với kĩ thuật đa truy nhập
phân chia theo mã đang được đề xuất cho việc sử dụng hoặc ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực mới và đặc biệt cho hiệu quả tốt ở các hệ thống thông tin di
động tế bào. Hệ thống này cho hiệu quả sử dụng dải tần hơn hẳn so với các hệ
thống FDMA và TDMA. Khi áp dụng công nghệ CDMA cho hệ thống thông
tin di động tế bào sẽ đạt được dung lượng hệ thống cao hơn nhờ đặc tính mềm
dẻo về dung lượng, nó cho phép cải thiện chất lượng truyền dẫn trong môi
trường pha đinh nhiều tia đồng thời giảm thiểu xuyên nhiễu trong môi trường
nhiều người sử dụng và giải quyết tốt vấn đề gần xa.
Ngoài ra, nó còn cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức độ cao và
khả năng chuyển giao mềm dựa trên nguyên tắc kết nối “nối trước khi cắt”
đảm bảo không xảy ra gián đoạn thông tin trong quá trình chuyển giao.
Các mạng CDMA thương mại đã được đưa vào khai thác tại nhiều nước
trên thế giới cũng như trong khu vực. Ở nước ta hiện nay kĩ thuật trải phổ và
hệ thống thông tin di động sử dụng kĩ thuật CDMA mới chỉ được đưa vào thử
nghiệm. Do vậy, đồ án này sẽ tập trung vào nghiên cứu các đặc trưng cơ bản
của thông tin trải phổ và khả năng ứng dụng trong hệ thống thông tin di động
tế bào CDMA.
Nội dung đồ án được trình bày thành 3 chương, chương I đi vào trình
bày những khái quát chung nhất về thông tin trải phổ là các khái niệm và đặc
tính của kĩ thuật trải phổ và nghiên cứu sâu hơn vào kĩ thuật trải phổ chuỗi
trực tiếp.
1
Chương II trình bày cơ sở của hệ thống thông tin di động CDMA trong
đó đưa ra so sánh giữa ba phương thức đa truy nhập dùng trong thông tin di

Từ mô hình của hệ thống ta thấy ở phần phát tín hiệu được điều chế sơ
cấp tạo thành tín hiệu băng hẹp s
n
sau đó phổ của nó được trải ra trên một
băng tần rộng nhờ phép toán ξ(.), tín hiệu này được kí hiệu là s
w
và được phát
qua kênh truyền dẫn. Những kênh này có thể gây ra các suy giảm chất lượng
do nhiễu, tạp âm và suy hao đường truyền. Tại phía thu, tín hiệu thu được
đưa qua bộ giải điều chế tín hiệu, sau đó nén phổ bằng phép toán ξ
-1
(.)=ξ(.).
Như vậy, sau khi nén phổ tín hiệu băng rộng s
w
được biến đổi trở lại thành tín
hiệu băng hẹp s
n
. Cuối cùng là giải mã và giãn tín hiệu để nhận lại tín hiệu số
3
ξ(.) ξ
-1
(.)=ξ(.)
s
n
s
w

n(t)
j(t)
s

(ξ(s
n
)) + ξ
-1
(i
n
(t)) = s
n
+i
w

Như vậy, quá trình nén phổ thực hiện biến đổi ngược tín hiệu đầu vào
thành tổng của tín hiệu băng hẹp có ích và các tín hiệu nhiễu băng rộng. Sau
khi qua bộ lọc băng hẹp có dải thông là B
n
bằng độ rộng phổ tín hiệu s
n
thì chỉ
có một phần nhỏ năng lượng nhiễu đi qua bộ lọc là i
wr
do băng tần B
w
của
nhiễu i
w
lớn hơn B
n
rất nhiều

4

so với công
suất toàn bộ nhiễu là :
P(i
wr
)=
w
n
B
B
P(i
w
)=
G
1
.P(i
w
) (1.1)
với G =
n
w
B
B
cho thấy mức độ bị nén của nhiễu, nó được gọi là hệ số
khuyếch đại xử lí.
Trong trường hợp công suất nhiễu quá lớn ta phải nén bớt nhiễu trước
khi thực hiện giải trải phổ tín hiệu. Có thể sử dụng một số thuật toán thích
hợp để tạo ra khe hẹp trong băng tần bị chiếm bởi nhiễu mà không gây ảnh
hưởng nhiều đến sự thay đổi các tham số của tín hiệu và nhiễu.
Tuy nhiên, việc tạo khe hẹp nhằm nén nhiễu sẽ làm một phần tín hiệu có
ích trong cùng băng tần sẽ bị mất đi, độ suy giảm tín hiệu là chấp nhận được

0
’=
2
1
cos (
θ
’)
∫
−−
T
dttctctkAb
0
//
)()()(
ττ
=±
)()cos(
2
//
τφθ
c
kAT
(1.3)
s
0
’= 0 khi
/
τ
>T
c

=
∑
i
nii
s )(
ξ
(1.5)
Trong đó chỉ số i tương ứng với người sử dụng thứ i trong băng tần
chung và kí hiệu
i
ξ
() là phép trải phổ đối với tín hiệu của người thứ i.
Quá trình nén phổ trong máy thu thứ i được thực hiện :
(1.6)

Từ phương trình ta thấy, việc nén phổ sẽ tạo ra tín hiệu phổ hẹp khi i ≡ j
và tín hiệu phổ rộng
jwi
s

khi i ≠ j, qua lọc dải tín hiệu ban đầu được khôi
phục cùng với thành phần nhiễu mức thấp
jri
s

Như vậy, nhờ việc phân bổ mã duy nhất PN có thuộc tính tương quan
chéo thấp cho phép nhiều người sử dụng dùng chung một băng tần, các tín
hiệu của người sử dụng khác trở thành nhiễu giống tạp âm.
1.2.4 Dung lượng của hệ thống CDMA
Ở các hệ thống FDMA, TDMA tồn tại giới hạn cứng đối với số người sử

G
y
b
(1.7)
Khi xét đến tạp âm nhiệt có công suất là
ρ
thì :
ρ
+−
=
)1(KP
GP
y
k
b
(1.8)
Dung lượng của hệ thống được tính là :

bb
y
G
y
G
K
≈
+
=
1
(1.9)
với y

chứa số lượng lớn các khe thời gian. Một mẫu nhảy thời gian sẽ xác định các
khe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung. Do vậy, có
thể nói các khối bit bị trải theo thời gian và phương pháp này gọi là trải phổ
nhảy thời gian (TH/SS).
Ngoài ra, người ta có thể xây dựng các hệ thống lai ghép bằng cách kết
hợp các kỹ thuật DS, FH, TH để tận dụng các ưu điểm của từng kỹ thuật trải
phổ như DS/FH, FH/TH … Các hệ thống lai ghép này khá phức tạp nên
thường ứng dụng trong các hệ thống thông tin quân sự.
1.3.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS
Tín hiệu DS/SS nhận được khi điều chế (nhân) bản tin bằng một tín hiệu
giả ngẫu nhiên băng rộng, tích này trở thành một tín hiệu băng rộng. Tín hiệu
ngẫu nhiên này được xem như là một dạng mã (mã ngẫu nhiên) hay còn gọi là
chuỗi giả tạp âm PN.
Từ sơ đồ khối của hệ thống, thấy rằng tại máy phát phổ của tín hiệu x(t)
được trải rộng nhờ nhân với mã trải phổ c(t) trước khi được phát đi. Tại máy
thu, quá trình khôi phục lại tín hiệu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu
thu được với bản sao của mã trải phổ c(t) rồi qua lọc dải thông để tách ra tín
hiệu mong muốn. Mô hình tổng quát của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp
được cho trên hình 1.4.
9Quá trình nén phổ tín hiệu làm cho mật độ công suất của tín hiệu thu
tăng lên, do đó tỉ số S/N cũng tăng. Đồng thời cũng trải rộng phổ của tín hiệu
nhiễu đầu vào làm cho mật độ công suất của nhiễu giảm xuống. Như vậy, trải
phổ tín hiệu làm tăng khả năng chống nhiễu cho tín hiệu trải phổ.
Ở hệ thống DS/SS, tín hiệu dùng để trải phổ được tạo ra từ chuỗi giả
ngẫu nhiên PN. Giả thiết chuỗi PN này là cơ số hai, thì tín hiệu PN có dạng :

)()(

x(t)
s(t)
s(t)+n(t)
Bộ lọc
Dữ liệu
Bộ tạo mã
trải phổ c(t)
Tín hiệu không
mong muốn
Tín hiệu trải phổ
Hình 1.4 Mô hình của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp
1.3.1.1 Trải phổ dẫy trực tiếp tín hiệu điều chế pha nhị phân (DS/SS _BPSK)
Một dạng đơn giản của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp là dữ liệu pha nhị
phân liên kết (BPSK) được nhân trực tiếp với dẫy mã trải phổ PN.Sơ đồ khối
máy phát DS/SS sử dụng BPSK mô tả ở hình 1.5
Số liệu vào nhận các giá trị ±1 được biểu diễn bằng biểu thức sau :
b(t)=
)( kTtb
Tk
−Π
∑
+∞
∞−
(1.12)
trong đó
k
b
= ±1 : bít số liệu thứ k và T là độ rộng một bít số liệu. Tín hiệu
b(t) được trải phổ bằng các tín hiệu PN {c(t)}bằng cách nhân hai tín hiệu này
11

t
b(t)
-1
1
0 T
c
. . . NT
c
. . . 2NT
c
. . .
t
Một chu kì
(giả thiết T=N.T
c
)
s(t)
-A
A
T
c
. . . NT
c
. . . 2NT
c
. . .
t
(giả thiết sóng mang có và f
c
=1/T


Quá trình khôi phục lại bản tin ta giả thiết không có tạp âm, tín hiệu thu
được giải trải phổ để giảm băng tần rộng vào băng tần hẹp. Sau đó nó được
giải điều chế để nhận được tín hiệu băng gốc. Thực hiện giải trải phổ tín hiệu
bằng cách nhân tín hiệu thu với c(t - τ) được tạo ra ở máy thu, ta được :
w(t) = A.b(t - τ).c
2
(t - τ). cos(2
π
f
c
t +
θ
’
)
= A b(t - τ). cos(2
π
f
c
t +
θ
’
) (1.15)
12
Bộ tạo tín hiệu
PN nội
Bộ giải điều chế
(BPSK)
s(t)= A.b(t-τ).c(t-τ).
cos(2f

cả hai nhánh, tín hiệu DS/SS_QPSK có dạng :
s(t)= s
1
(t) + s
2
(t) = -A.b(t),c
1
(t).sin(2
π
f
c
t +
θ
) + A.b(t)c
2
(t).cos(2
π
f
c
t +
θ
)
=
2
.Acos(2
π
f
c
t +
θ

,
4
5
π
,
4
7
π
tuỳ
thuộc vào tích c
1
(t).b(t) và c
2
(t).b(t) bằng ±1. Do đó tín hiệu s(t) cũng có 4
trạng thái pha khác nhau:
θ
+
4
π

,
θ
+
4
3
π
,
θ
+
4

Ưu điểm của DS/SS_QPSK đạt được so với BPSK là nhờ tính trực giao
của các sóng mang sin
)2(
θπ
+
tf
c
và cos
)2(
θπ
+
tf
c
ở các nhánh đồng pha và
vuông góc.
Tuy vậy hệ thống DS/SS_QPSK khá phức tạp và đòi hỏi đồng bộ cao ở
phần thu nếu không sẽ xảy ra xuyên âm giữ hai nhánh làm giảm chất lượng
của hệ thống.
Trong thực tế ở một số hệ thống như IS –95 nhằm tăng tối đa dung
lượng của hệ thống trước khi tín hiệu đưa vào thực hiện trải phổ nó được mã
hoá bằng mã xoắn, điều chế trực giao bằng hàm Walsh để tăng khả năng
chống nhiễu và sử dụng tín hiệu PN có hai thành phần:
• Mã dài c
l
(t) dùng để phân biệt các tế bào là tăng tính ngẫu nhiên .
• Mã ngắn c
s
(t) dùng tăng khả năng đồng bộ.
1.3.1.3 Hiệu năng của các hệ thống DS/SS
* Ảnh hưởng của tạp âm trắng cộng(AWGN)

n
0
, s
0
là tín hiệu mong muốn.
s
0
cho mỗi bít số liệu là :
s
0
=±
2
AT
(1.18)
14
Do giả thiết tạp âm là tạp âm Gause nên n
0
là một biến ngẫu nhiên có
trung bình không và phương sai là :
E[n
0
2
]=
4
0
TN
(1.19)
SNR
0
được tính là :

2
2/
N
TA
=(1/2)SNR
0
(1.21)
* Ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và truyền đa tia
Khi xét đến ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và truyền đa tia ta coi tín
hiệu thu bao gồm thành phần tín hiệu mong muốn và thành phần nhiễu giao
thoa từ các DS khác :
r(t) = A.b(t)c(t).cos(2
π
f
c
t ) + A’b’(t - τ).c’(t - τ).cos[2
π
f
c
(t - τ) +
θ
’] +
+n(t) (1.22)
Ta giả thiết b(t), b’ (t), c’ (t) là ±1 và b(t) độc lập với b’(t). Tín hiệu nhận
được giải trải phổ bằng cách nhân với c(t) cos(2
π
f
c
t ) và lấy tích phân, ta có :
s

’)








−±−±
∫∫
T
dttctc
T
dttctc
T
/
/
/
0
/
)()(.
1
)()(.
1
τ
τ
ττ
(1.24)
15

không đi thẳng, ta có thể sử dụng mô hình ở phương trình (1.22) với τ’ là trễ
truyền lan, A’=kA với k là hệ số suy giảm. Do đó, nhiễu do thành phần không
đi thẳng là
s
0
’=
2
1
cos (
θ
’)
∫
−−
T
dttctctkAb
0
//
)()()(
ττ
= ±
)()cos(
2
//
τφθ
c
kAT
(1.25)
s
0
’=0 khi

c
)] nên PSD kết hợp được xấp xỉ hoá bằng (M-1)P
k.
T
c
/2
SNR tương đương là :
16
SNR=
/
0
N
E
b
=
)1(
0
−+
MTPN
TP
ck
k
(1.26)
Trường hợp có một trong M-1 người rất gần máy thu thì tín hiệu của
người gây nhiễu sẽ ảnh hưởng rất nhiều tới máy thu, giả sử P
k
/
=aP
k
trong đó a

h
là thời gian của một đoạn nhảy và T là thời gian của một
bit số liệu. Sơ đồ khối cho máy phát và máy thu của các hệ thống FH/SS được
mô tả trên hình 1.7
Từ sơ đồ khối máy phát, ta thấy tín hiệu FSK cơ số hai s
n
(t) được tạo ra
từ luồng số liệu. Trong khoảng thời gian mỗi bít s
n
(t) có một trong hai tần số f
hoặc (f + ∆f) tương ứng với bít 0 hay bít 1 của dữ liệu vào b(t), nó có dạng :
s
n
(t) = cos 2π[ f
0
+b(t)∆f ]t (1.28)
17
Quá trình trải phổ tín hiệu s
n
(t) được trộn với tín hiệu s
r
(t) từ bộ tổ hợp
tần số, cứ T
h
giây tần số của s
r
(t) lại thay đổi theo các giá trị j bít nhận được
từ bộ tạo chuỗi PN. Do đó ở đầu ra bộ tổng hợp tần số có thể có tới 2
j
các tần

] (1.30)
với λT
h
< t < (λ +1)T
h
Trong đó m
λ
∈{0, 1} là giá trị của số liệu ở λT
h
< t < (λ +1)T
h
và f
0
= f
’
+ f
g
. Tần số có thể được phát đi là {f
0
, f
0
+∆f , … , f
0
+(J-1)∆f } với J=2
j+1
và
pha θ
λ
có thể thay đổi từ bước nhảy này đến bước nhảy khác.
Do tần số của tín hiệu FH/SS không thay đổi trong một đoạn nhảy tần,

h
hệ thống là nhảy tần chậm, ta tính được độ lợi xử lí bằng :
(1.32)
=
T
fJ
/2
∆
=
h
T
JT
2
(1.33)
với giả thiết độ rộng băng tần số liệu bằng 1/T và phân cách tần số là
1/T
h
.
Ở phía thu, tín hiệu thu được đưa qua bộ lọc băng thông BPF băng rộng
sau đó thực hiện nén phổ. Giả thiết rằng, chuỗi PN tạo ra ở phía thu đồng bộ
với bên phát. Tín hiệu đưa ra đầu ra của bộ tổng hợp tần số trên đoạn nhảy λ
là :
s
r
’
(t) = cos[2π(f
g
+i
λ
∆f)t + θ

g
- f
0
+m
λ
.∆f)t + θ
λ
-θ
’
λ
]} (1.35)
19
Độ rộng băng tín hiệu

2(Độ rộng băng bản tin)
PG =
BPF băng
rộng
BPF băng rộng
(f, f+∆f)
Bộ giải điều
chế FSK không
nhất quán
Bộ tổng hợp
tần số
Bộ tạo chuỗi
PN tại chỗ
J bit
s
w

+ f
’
(1.36)
Trong khoảng thời gian một bít bộ giải điều chế FSK tách ra tần số
mong muốn để tái tạo lại dữ liệu như ban đầu.
Nếu chuỗi PN phí thu không đồng bộ với bên phát thì sau khi nén phổ
tín hiệu nhận được là băng rộng.
Khi xét đến môi trường đa truy nhập có k người sử dụng với i
λ
k
số khác
nhau để tạo ra các chuỗi PN thì tín hiệu thu tại máy thu thứ j là :
( )
[ ]
tfibf
kk
k
∆++
∑
λ
π
//
2cos
(1.37)
bỏ qua sự phụ thuộc vào thời gian của b
k
và i
λ
k
để đơn giản khi đánh giá

j
TTT
f
(1.38)
Nên :
(1.39)
sẽ lớn hơn 1 với giá trị j thực tế.
20
Tốc độ đồng hồ ở hệ thống DS 1/T 2
j
Tốc độ đồng hồ ở hệ thống DS j/T
h
j
1.3.3 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian và lai ghép
1.3.3.1 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian
Trong hệ thống trải phổ nhảy thời gian, số liệu được phát thành các cụm.
Mỗi cụm gồm k bit số liệu và thời gian chính xác để phát mỗi cụm được xác
định bởi một chuỗi PN. Giả sử thang thời gian được chia thành các khung T
c
giây, mỗi khung lại được chia tiếp thành j khe thời gian vì vây mỗi khe thời
gian có độ rộng là T
s
= T
c
/j giây.
Khe thời gian sử dụng để phát được xác định bởi chuỗi PN. Mỗi bit chỉ
chiếm T
0
= T
s

giây, a
i
∈{0, 1, … , J-1} thể hiện số khe thời gian với J=2
j
,

là số thứ tự bít trong
mỗi cụm.
Tốc độ bit khi phát cụm là 1/T
0
, để truyền băng gốc độ rộng băng tần là
1/T
0
(Hz) còn để truyền băng thông độ rộng băng tần là 2/T
0
.
1.3.3.2 So sánh các hệ thống SS
Phần trên ta đã nghiên cứu về các hệ thống SS, mỗi loại hệ thống đều có
các ưu và nhược điểm
Thứ nhất, ở các hệ thống DS/SS giảm nhiễu giao thoa bằng cách trải
rộng nó ở phổ tần rộng, với hệ thống FH/SS thì giảm nhiễu giao thoa bằng
cách phát các tần số khác nhau ở trong thời điểm xác định. Còn ở TH/SS thì
tránh không để trong một thời điểm có nhiều hơn 1 người phát.
Thứ hai, các hệ thống DS/SS có chất lượng tốt hơn (SNR hơn khoảng
3dB) so với FH/SS nhờ giải điều chế nhất quán nhưng đòi hỏi cao ở mạch
khoá pha sóng mang.
Thứ ba, với cùng tốc độ đồng hồ của bộ tạo mã PN, FH/SS có thể nhảy
trên băng tần rộng hơn nhiều so với băng tần của tín hiệu DS/SS. Ngoài ra có
21
thể tạo tín hiệu TH/SS có độ rộng băng tần gấp nhiều lần so với DS/SS khi

Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa nhiều
người sử dụng theo thời gian cũng như tần số, giải quyết tốt vấn đề gần
xa.
* Hệ thống nhảy thời gian/chuỗi trực tiếp
Tín hiệu có dạng :
S
TH/DS
(t)=A.s
TH
(t)c(t)cos(2
π
f
c
t+
θ
) (1.43)
22
Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa nhiều
người sử dụng theo thời gian và giảm ảnh hưởng của nhiễu gần.
* Hệ thống nhảy thời gian-tần số/chuỗi trực tiếp TFH/DS
Tín hiệu có dạng :
S
THF/DS
(t)=A.s
TH
(t).s
FH
(t) (1.44)
Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa kênh lớn
nhất nhưng rất phức tạp và tốn kém.

TDMA mỗi người sử dụng được cấp cho một khe thời gian trong suốt quá
trình gọi. Ở cả hai hệ thống này số lượng người dùng được quyết định bởi số
lượng các tần số hoặc các khe thời gian có sẵn. Với sơ đồ CDMA tất cả
những người sử dụng cùng phát trên một kênh vô tuyến. Tín hiệu phát đi
chiếm toàn bộ dải thông của hệ thống và các mã được sử dụng để phân biệt
các người dùng với nhau.
Trên kênh Gaussian các sơ đồ đa truy nhập trên cho dung lượng tương
đương nhau với giả thiết dãy mã trong CDMA là trực giao. Còn trong các hệ
thống thông tin di động tế bào và thông tin vệ tinh thì CDMA hơn hẳn so với
các kĩ thuật khác.
Thứ nhất là giảm ảnh hưởng của fading nhiều tia tới SNR của hệ thống
nhờ kĩ thuật thu kết hợp phân tập. Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều
24
chế FM analog sử dụng trong hệ thống điện thoại tế bào thế hệ đầu tiên thì
fading nhiều tia có thể gây tổn hao rất lớn SNR. Tính nghiêm trọng của vấn
đề fading đa đường được giảm đi trong điều chế CDMA băng rộng vì các tín
hiệu qua các đường khác nhau được thu một cách độc lập. Phân tập theo tần
số, thời gian và theo đường truyền làm giảm đáng kể fading trong CDMA.
Trong đó phân tập theo đường truyền được áp dụng hiệu qủa đối với CDMA
dãy trực tiếp và mức độ phân tập cao tạo nên khả năng hoạt động tốt hơn
trong môi trường MUI (xuyên nhiễu đa người sử dụng) lớn.
Thứ hai là nhờ có điều chỉnh công suất mà hệ thống thông tin di động tế
bào CDMA trong môi trường đa người sử dụng hạn chế được hiệu ứng gần-xa
và giảm thiểu nhiễu lên dung lượng hệ thống tức làm giảm giao thoa với các
trạm gốc khác (tế bào lân cận). Việc công suất phát thấp tức giảm tỉ số E
b
/N
0
không chỉ làm tăng dung lượng hệ thống mà còn giảm thiểu được tạp âm và
nhiễu giao thoa đồng thời giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động.