Luận văn viễn thông Khảo sát một số đặc tính của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DSSS sử dụng MATLAB

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

3.2.1. ảnh hởng của nhiễu xung đối với hệ thống DS/BPSK 50
3.2.2. Bài thực hiện mô phỏng 53
3.3. Mô phỏng Monte-Carlo cho một hệ thống trải phổ DS thực hiện truyền
thông tin bằng điều chế BPSK qua kênh AWGN 57
3.4. Tạo chuỗi Gold 60
Chơng 4 63
Phụ lục 65
Tài liệu tham khảo 71
1
Lời nói đầu
Kĩ thuật trải phổ là một kĩ thuật điều chế và giải điều chế đợc áp dụng cho
các hệ thống thông tin số nhằm đảm bảo cho quá trình truyền phát thông tin
đạt chất lợng cao với các u điểm nổi bật về khả năng chống lại ảnh hởng mạnh
của nhiễu cố ý, yếu tố bảo mật thông tin, khả năng đa truy nhập trải phổ
đều có thể đạt đợc bằng kĩ thuật này. Vậy làm thế nào có thể phân tích đánh
giá chất lợng thông tin của một hệ thống thông tin ?, thực tế có ba phơng pháp
chủ yếu đó là: phơng pháp giải tích, dựa trên các công thức toán học; phơng
pháp chế thử mẫu và đo lờng, dựa trên cơ sở chế tạo mẫu thử và tiến hành đo
kiểm tra các chỉ tiêu chất lợng; và cuỗi cùng, là phơng pháp mô phỏng đợc
đánh giá là một công cụ hết sức mềm dẻo, hiệu quả và khá kinh tế trong phân
tích và đánh giá các hệ thống thông tin.
Với sự trợ giúp của phần mềm MATLAB, một công cụ tính toán, lập trình
và mô phỏng rất mạnh cùng với việc sử dụng phơng pháp mô phỏng hệ thống
Monte- Carlo, đề tài tiến hành khảo sát và đánh giá chất lợng của một số trong
số các u điểm trên của hệ thống trải phổ với độ tin cậy gần với hệ thống thực
nhất.
Nội dung của bản luận văn này tiến hành "Khảo sát một số đặc tính của hệ
thống trải phổ dãy trực tiếp DS-SS sử dụng MALAB". Luận văn bao gồm bốn
chơng:
Chơng 1: Kĩ thuật trải phổ

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

=W/R đối với một tín hiệu trải phổ lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng
thông tối thiểu cần thiết để truyền đi tín hiệu số.
Nh vậy để đợc coi là một hệ thống trải phổ thì hệ thống phải có các đặc
điểm sau:
1. Tín hiệu sau trải phổ chiếm một độ rộng băng truyền dẫn lớn hơn gấp
nhiều lần bề rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền đi thông tin. Sự trải phổ
này độc lập với dữ liệu.
2. Tại phía thu việc nén phổ (nhằm khôi phục lại thông tin ban đầu) đợc
thực hiện bởi sự tơng quan giữa tín hiệu thu đợc với bản sao đợc đồng bộ
của mã trải phổ đã đợc sử dụng ở phía phát.
Một số công nghệ điều chế sử dụng băng tần truyền dẫn lớn hơn rất nhiều
bề rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền dẫn thông tin, song những phơng
pháp điều chế này không đợc gọi là điều chế trải phổ. Ví dụ, mã hoá tốc độ
thấp cũng làm tăng độ rộng băng truyền nhng lại không thoả mãn các điều
kiện nêu trên nên cũng không đợc gọi là trải phổ; điều chế tần số băng rộng
cũng dẫn đến độ rộng băng truyền lớn nhng cũng không đợc gọi là kỹ thuật
trải phổ.
3
Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số trải phổ nh sau:
Mô hình trên cho ta thấy các thành phần cơ bản của một hệ thống thông
tin số trải phổ gồm có: dãy dữ liệu (nhị phân) ở đầu vào với đầu cuối phát và
dãy dữ liệu lối ra ở đầu cuối thu, khối mã hoá và giải mã kênh, khối điều chế
và giải điều chế là các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin số
truyền thống, bên cạnh đó còn có hai bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên giống nhau
trong đó một bộ kết nối với bộ điều chế ở đầu cuối phát và bộ còn lại kết nối
với bộ giải điều chế ở đầu cuối thu. Hai bộ tạo mẫu giả này tạo ra chuỗi nhị
phân giả ngẫu nhiên hay chuỗi giả tạp âm PN đợc sử dụng tại bộ điều chế để
trải tín hiệu đợc phát đi về phổ và giải trải tín hiệu thu đợc (nén phổ) tại bộ
giải điều chế.
Chuỗi PN đợc tạo ra ở phía thu phải đồng bộ với chuỗi PN đợc tách ra từ

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

Kênh
Bộ giải
mã kênh
Dữ liệu
lối ra
Bộ giải
điều chế
Bộ tạo mã giả
ngẫu nhiên
Hình.1.1 Mô hình một hệ thống thông tin số trải phổ
Bộ tạo mã giả
ngẫu nhiên
rộng băng kênh và phơng pháp điều chế đã đợc sử dụng. Để phá vỡ khả năng
này, đài phát sử dụng dạng sóng của tín hiệu mã hoá đợc phát đi với đặc tính
không thể dự đoán trớc và tính ngẫu nhiên mà chỉ có đài thu đã định mới biết
đợc những đặc điểm này. Kết quả là đài gây nhiễu phải tổng hợp và phát tín
hiệu gây nhiễu mà không biết gì về mẫu giả ngẫu nhiên.
Đối với nhiễu gây ra do nhiều ngời sử dụng dùng chung một kênh truyền
trong hệ thống đa truy nhập, trong đó ở cùng một thời điểm có thể có nhiều
ngời cùng phát thông tin qua một kênh truyền chung tới những đối tợng thu t-
ơng ứng. Giả sử tất cả ngời sử dụng đều dùng chung một bộ mã để mã hoá và
giải mã cho chuỗi thông tin của họ thì tín hiệu phát ở trong phổ chung có thể
đợc phân biệt với những tín hiệu khác bằng cách thêm vào một thành phần giả
ngẫu nhiên, mà nó cũng đợc gọi là một loại mã trong mỗi tín hiệu đợc phát.
Nhờ đó, từng ngời thu riêng biệt có thể khôi phục lại thông tin khi biết đợc
thành phần giả ngẫu nhiên
Vấn đề đa đờng truyền gây ra do quá trình truyền giãn cách thời gian qua
một kênh thông tin có thể đợc cho nh là một dạng tự gây nhiễu. Loại nhiễu
này cũng có thể bị triệt khử bằng cách đa vào một thành phần giả ngẫu nhiên
trong chuỗi tín hiệu phát.

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

là E
b
/N
0
. Để chống lại tạp âm trắng Gauss với năng lợng vô hạn, sử dụng trải
phổ không cho phép cải thiện đặc tính của hệ thống. Tuy nhiên khi tạp âm có
công suất cố định và phía gây nhiễu lại không biết chắc chắn tập con tín hiệu
nào hiện liên kết thông tin đang sử dụng, rõ ràng rằng trong trờng hợp này
phía gây nhiễu sẽ phải chọn một trong hai cách: thứ nhất, phía gây nhiễu gây
nhiễu tất cả các toạ độ tín hiệu của hệ thống, với năng lợng nhiễu gây ra nh
nhau tại mỗi toạ độ tín hiệu. Lựa chọn cách này sẽ dẫn tới kết quả là mỗi một
toạ độ tín hiệu chỉ bị nhiễu với công suất nhiễu nhỏ; cách thứ hai, gây nhiễu
một số ít các toạ độ với công suất nhiễu đợc tăng lên đối với mỗi toạ độ bị
nhiễu.
6
So sánh hiệu quả của việc trải phổ trong trờng hợp chỉ có mặt tạp âm trắng
với việc trải phổ trong trờng hợp có nhiễu cố ý (Hình 1.2). Mật độ phổ năng l-
ợng của tín hiệu trớc khi trải phổ đợc biểu thị là G(f) và sau khi trải phổ là
G
ss
(f). Để đơn giản, hình vẽ chỉ mô tả theo không gian tần số. Theo Hình 1.2
a, mật độ phổ công suất một biên của tạp âm trắng là N
0
không thay đổi khi ta
thực hiện trải phổ của tín hiệu từ W thành W
ss
. Công suất trung bình của tạp
âm trắng (vùng phía dới đờng cong mật độ phổ) là vô hạn. Do đó, trong trờng
hợp này trải phổ không cho phép cải thiện đặc tính của hệ thống. Hình 1.2 b
trình bày trờng hợp công suất nhiễu thu đợc là J, nh thế mật độ phổ công suất

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

pJ
0
f
G(f)
Tr ớc khi trải phổ
W
WJJ /
0
=
Tr ớc khi trải phổ
G(f)
N
o
f
W
G
ss
(f)
W
ss
J
0
=J/W
ss
f
Phía gây nhiễu chọn cách gây nhiễu
1 sau trải phổ lần 1
Hình 1.2 Hiệu quả của việc trải phổ
a) Trải phổ với sự có mặt của tạp âm trắng
b) Trải phổ với sự có mặt của nhiễu cố ý

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

biệt. Do đó có thể có nhiều ngời sử dụng đồng thời truyền tin trên cùng một
độ rộng băng kênh. Phơng thức thông tin này trong đó mỗi ngời sử dụng (một
cặp phát thu) có một mã PN riêng truyền tin trên cùng một độ rộng băng
kênh đợc gọi là đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) hoặc đa truy nhập
trải phổ (SSMA).
Trong quá trình giải điều chế mỗi tín hiệu PN, tín hiệu từ những ngời sử
dụng đồng thời trên cùng kênh truyền xuất hiện nh là nhiễu cộng. Các mức
nhiễu khác nhau thay đổi phụ thuộc vào số lợng ngời sử dụng tại từng thời
điểm. Một thuận lợi chính của hệ thống CDMA là một số lợng lớn ngời sử
dụng có thể đợc xem xét tham gia hoà mạng nếu mỗi ngời sử dụng chỉ phát
thông tin đi trong một thời gian ngắn. Đối với một hệ thống đa truy nhập nh
vậy thì có thể dễ dàng kết nối thêm hoặc cắt giảm bớt số lợng ngời sử dụng
mà không làm gián đoạn hệ thống.
Trong thông tin tế bào số, một trạm gốc truyền các tín hiệu tới N
u
máy thu
di động bằng cách sử dụng N
u
chuỗi PN trực giao, mỗi một mã dành cho một
máy thu đã định. N
u
tín hiệu này đợc truyền hoàn toàn đồng bộ sao cho chúng
tới từng máy thu di động một cách đồng bộ. Hệ quả là, do tính trực giao của
N
u
chuỗi PN, mỗi một máy thu đã định có thể giải điều chế tín hiệu của riêng
mình mà không bị nhiễu từ các tín hiệu đã phát khác đang cùng chia sẻ độ
rộng băng. Tuy nhiên, loại đồng bộ nh vậy không thể duy trì đợc đối với các
tín hiệu đợc phát đi từ các máy phát di động tới trạm gốc (đờng lên hay đờng
về). Khi giải điều chế từng tín hiệu trải phổ DS tại trạm gốc, các tín hiệu từ

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

hoà mạng động thời.
Khi xác định số ngòi sử dụng cực đại của kênh, chúng ta đã giả thiết cho
đơn giản rằng các chuỗi mã PN đợc sử dụng bởi những ngời sử dụng khác
nhau thì trực giao với nhau còn nhiễu từ các ngời sử dụng khác thì đợc cộng
lại chỉ dựa trên cơ sở công suất. Tuy nhiên tính trực giao của các chuỗi giả
ngẫu nhiên giữa N
u
ngời sử dụng thì rất khó đạt đợc, đặc biệt khi N
u
lớn.
1.1.2.4. Khả năng phân giải theo thời gian lớn
Trải phổ các tín hiệu có thể đợc sử dụng cho việc xác định cự ly hoặc vị trí
với độ chính xác cao. Việc xác định khoảng cách đợc thực hiện bằng cách đo
thời gian xung thăm dò truyền từ nơi phát, qua kênh truyền dẫn, tới mục tiêu
và quay trở về. Sai số của phép đo thời gian trễ tỷ lệ nghịch với độ rộng của
băng tín hiệu, sai số của phép đo thời gian t tỷ lệ nghịch với bề rộng phổ của
xung nghĩa là:
t 1/W (1.2)
Rõ ràng với độ rộng băng càng lớn thì phép đo càng chính xác. Nếu sử
dụng kỹ thụât trải phổ để đo lờng cự ly: thay cho việc phát đi xung thăm dò
duy nhất ta sử dụng một dãy xung. Trớc khi phát đi chùm xung này đợc điều
chế trải phổ. ở phía thu, nhờ việc tơng quan giữa tín hiệu thu đợc với bản sao
mã trải phổ mà dãy xung thăm dò đợc phục hồi. Bằng việc đo chênh lệch giữa
thời điểm phát và thời điểm thu nhận chùm xung thăm dò ta sẽ xác định đợc
thời gian trễ truyền dẫn của chùm xung. Do:
- Tín hiệu sau trải phổ (tín hiệu phát đi) có bề rộng phổ rất lớn do
vậy sẽ giảm đợc sai số t.
- Bằng việc sử dụng một dãy xung thăm dò, cùng một lúc ta thực
hiện đợc nhiều phép đo liên tiếp, vừa giảm đợc thời gian đo, vừa giảm sai
số giữa các lần đo, nên phép đo càng chính xác hơn.

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

điều chế lần thứ hai sử dụng mã trải phổ băng thông rất rộng. Thông thờng lần
điều chế thứ hai có dạng điều chế pha số. Mã trải phổ đợc lựa chọn sao cho có
đặc tính: với máy thu hợp lệ thì việc giải điều chế đợc thực hiện một cách dễ
dàng còn đối với máy thu không hợp lệ thì càng khó càng tốt. Các đặc tính nh
vậy của mã trải phổ cũng sẽ tạo thuận lợi cho phía máy thu hợp lệ dễ dàng
phân biệt đợc tín hiệu hữu ích và nhiễu. Nếu phổ tần của tín hiệu trải phổ là t-
ơng đối lớn so với phổ tần của dữ liệu thì độ rộng băng thông yêu cầu để
truyền dẫn tín hiệu sau trải phổ sẽ lớn hơn gấp nhiều lần so với trớc khi trải
phổ và hoàn toàn độc lập với tín hiệu dữ liệu.
Xét việc truyền dẫn một dãy thông tin nhị phân bằng điều chế PSK. Tốc
độ thông tin là R bit trong một giây, độ rộng một bit là T
b
=1/R giây. Độ rộng
băng kênh có sẵn là B
c
(Hz), trong đó B
c
>>R. Tại bộ điều chế, độ rộng băng
của tín hiệu thông tin đợc trải rộng ra thành W=B
c
(Hz) nhờ dịch pha của sóng
mang đi một cách giả ngẫu nhiên với một tốc độ W lần trong một giây theo
mẫu tín hiệu ra của bộ tạo chuỗi PN. Tín hiệu đã điều chế có đợc đợc gọi là tín
hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp (DS).
Tín hiệu băng gốc mang thông tin đợc ký hiệu là v(t) và biểu diễn đợc
theo:


=
=

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

hiệu của bộ tạo chuỗi PN (mà độ rộng băng của nó vốn xấp xỉ 1/T
c
). Việc trải
rộng phổ đợc minh hoạ trên hình hình vẽ này cho thấy tích chập của hai phổ:
phổ hẹp tơng ứng với tín hiệu mang thông tin và phổ rộng tơng ứng với tín
hiệu từ lối ra bộ tạo PN.
Tín hiệu tích v(t)c(t) cũng đã đợc minh hoạ trên Hình 1.4 đợc sử dụng để
điều chế biên độ sóng mang A
c
cos2f
c
và do vậy tạo nên tín hiệu điều chế hai
biên có sóng mang đợc nén có dạng:
u(t)=A
c
v(t)c(t)cos2f
c
t (1.5)
11
c(t)
-1
T
c

t
1
(a)
T
b

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

c
đợc gọi là tốc độ chip và
tơng ứng (gần đúng) với độ rộng băng W của tín hiệu phát đi. Tỷ lệ giữa
khoảng bit T
b
với khoảng chip T
c
thờng đợc chọn là một số nguyên trong các
hệ thống trải phổ thực tế. Ta định nghĩa tỉ lệ này là:
c
b
c
T
T
L =
(1.7)
Khi đó, L
c
là số chip của chuỗi mã PN có trong một bit. Một cách hiểu
khác nữa là L
c
biểu thị số các chuyển dịch pha 180
0
có thể có trong tín hiệu
phát trong một khoảng bit T
b
.
Sau đây sẽ xét đến hệ thống trải phổ áp dụng điều chế PSK nhị phân.
Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp BPSK
Kỹ thuật điều chế sử dụng trong hệ thống trải phổ dãy trực tiếp thờng là kỹ

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

b
1/T
b
0
)a(
f
)(*)( fVfC
)/1/1(
bc
TT +
)/1/1(
bc
TT +
)c(
Hình 1.4 Tích chập các phổ của a) tín hiệu dữ liệu và b) tín hiệu mã PN
Nếu gọi P là công suất của sóng mang,
2
rms
AP =

PA 2=
Do vậy biểu thức của sóng mang lúc này là:

tAPts
0
cos2)(

=
Các tín hiệu đợc dịch pha PSK đều có dạng nh sau:
( ) ( )

[ ]
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

d
(t) (1.11)
Sơ đồ bộ điều chế đợc xây dựng trên cơ sở của phơng trình (1.8) nh sau:
Vì c(t) có các giá trị là 1, nên c
2
(t) = 1. Do đó:
s
t
(t)c(t) = c
2
(t)s
d
(t) = s
d
(t) (1.12)
Tín hiệu này đợc phát đi qua kênh không có méo và có trễ đờng truyền là
T
d
. Tín hiệu thu đợc cùng với một vài loại nhiễu và tạp âm trắng Gauss, để đơn
giản ta bỏ qua các nhiễu và tạp âm này. Quá trình giải trải phổ ở phía thu đợc
thực hiện ngợc lại so với ở phía phátđiều chế đợc thực hiện Tín hiệu đầu ra bộ
nén phổ:
( ) ( )
[ ]

++=

ddddt
TttTtcTtcPts
0

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

+
c(t)
s
t
(t)
Bộ điều
chế pha
Dữ liệu nhị
phân d(t)
tP
0
cos2

Hình 1.5: Sơ đồ khối bộ điều chế trải phổ dãy trực tiếp BPSK
Rõ ràng là quá trình điều chế dữ liệu ở trên cũng không nhất thiết phải là
điều chế BPSK vì không có sự bó buộc nào về dạng của

d
(t). Tuy nhiên, dạng
điều chế này thờng đợc áp dụng cho cả điều chế pha số dữ liệu và điều chế mã
trải phổ. Khi BPSK đợc sử dụng cho cả hai loại điều chế, thì một pha điều chế
(bộ trộn) có thể đợc bỏ đi. Qúa trình điều chế đúp có thể đợc thay thế bởi một
loại điều chế cộng modul 2 dữ liệu và mã trải phổ.
Trong trờng hợp này, việc điều chế dữ liệu thực hiện bằng cách nhân sóng
mang với d(t), trong đó d(t) nhận các giá trị 1. Do đó tín hiệu dịch pha nhị
phân có dạng:
( ) ( )
ttdPts
d 0

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) tức là máy thu cha đợc đồng bộ với máy phát. Cuối cùng
Hình 1.8.g cho biết dạng tín hiệu ra của bộ giải trải phổ khi mã giải trải phổ
có dạng pha đúng tức quá trình đồng bộ là chính xác.
14
Bộ giải điều
chế pha
Hình 1.6: Sơ đồ khối bộ giải điều chế trải phổ dãy trực tiếp BPSK
c(t)
])(cos[)(2
0

++
ddd
TttTtcP
+ nhiễu
Dữ liệu
mong muốn
Lọc thông dải
Hình 1.7: Sơ đồ bộ điều chế trải phổ với hai b ớc điều chế là BPSK
Bộ điều
chế pha
Dữ liệu nhị
phân d(t)
tP
0
cos2

Mã trải phổ
c(t)
Trong trờng hợp này c(t)s

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

(d)
(e) c(t-1/2T
c
)
(g) c(t)s
t
(t)
Hình 1.8 Trải phổ dãy trực tiếp BPSK
T
T
c
P2
P2
( ) ( )
[ ]
( )
[ ]
{ }
TffTffPTfs
d 0
2
0
2
sinsin
2
1
++=
(1.16)
và đợc vẽ trong Hình 1.9. Ta thấy tín hiệu s
t

(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.

16
T
1
Hình 1.9 Mật độ phổ công suất của sóng mang
đ ợc điều chế bởi dữ liệu
-f
0
f
0
PT
2
1
tần số
mật độ phổ
1.5
1.0
0.5
1.5
1.0
Hình 1.10 Mật độ phổ công suất của
dữ liệu và sóng mang đã đ ợc điều chế
mã trải phổ
-f
0
f
0
c
PT
2
1

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

() là:

+

=
'''
)()()( dfffSfSfS
cdd
(1.18)
ở trên ta đã nói đến một u điểm của tín hiệu trải phổ là có thể làm cho
máy thu loại bỏ đợc nhiễu cố ý. Việc loại bỏ nhiễu đợc thực hiện tại bộ giải
trải phổ ở phía thu, trong đó việc trải phổ của nhiễu cũng đợc tiến hành đồng
thời với việc trải phổ tín hiệu hữu ích (quá trình giải trải phổ). Nếu năng lợng
của nhiễu trải trên độ rộng băng lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng tần của
dữ liệu, thì hầu hết năng lợng của nó sẽ bị loại bỏ khi đi qua bộ lọc kết hợp dữ
liệu.
Giả sử điều chế BPSK đều đợc sử dụng cho điều chế dữ liệu và điều chế
trải phổ và nhiễu là nhiễu đơn tone có công suất J. Chiến lợc tốt nhất của đối
tợng gây nhiễu là đa thẳng tone nhiễu vào trung tâm dải băng tần truyền tin.
Nếu không sử dụng trải phổ thì tỉ số công suất nhiễu trên công suất tín hiệu là
J/P. Phổ công suất của tín hiệu thu đợc xấp xỉ:
( ) ( )
[ ]
( )
[ ]
{ }
cccr
TffcTffcPTfS
0
2

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

+++=

tTtcJtTtdPty
d
d
(1.21)
Phổ công suất của y(t) là:
( ) ( )
[ ]
( )
[ ]
{ }
TffcTffcPTfS
y 0
2
0
2
sinsin
2
1
++=
(1.22)
( )
[ ]
( )
[ ]
{ }
ccc
TffcTffcJT
0

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

=
(a) Tr ớc khi giải trải phổ.
c
PT
2
1
S
t
(f)
Tín hiệu
-f
0
f
0
(b) Sau khi giải trải phổ
Nhiễu
-f
0
f
0
S
r
(f)
Tín hiệu
c
JT
2
1
PT
2

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)

Trong đó: S
f
(f) là phổ công suất của nhiễu sau khi qua bộ trộn nén phổ.
Nếu bộ lọc băng trung tần là lý tởng:
)[(sin
2
1

)[(sin
2
1

)()(
2/1
2/1
0
2
2/1
2/1
0
2
2/1
2/1
2/1
2/1
0
0
0
0
0

0
0
0
0



+

+

+

+

+
+=
+=
Tf
Tf
cc
Tf
Tf
cc
Tf
Tf
J
Tf
Tf
J

dfTffcJT
dfTffcJT
dffSdffSJ
(1.24)
Nếu tỉ số độ rộng băng thông dữ liệu trên độ rộng băng thông trải phổ lớn
tức T
c
<<T thì hàm sinc tiến gần tới hằng số trong khoảng lấy tích phân và
T
T
JJ
c

0
(1.25)
Do đó công suất nhiễu ở đầu vào bộ giải điều chế dữ liệu đã bị làm suy
giảm do tỉ số T
c
/T mà cha cần đến trải phổ. Tăng ích xử lý của hệ thống trải
phổ đơn bằng nghịch đảo của tỉ số suy giảm công suất nhiễu:
c
p
T
T
G =
(1.26)
Trong chơng này, tăng ích xử lý đợc định nghĩa nh là một nhân tố cải
thiện. G
p
có thể đợc tính toán theo các giá trị khác nhau tuỳ thuộc vào từng hệ

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

tần không liên kết (Noncoherent Frequency Hop Spread Spectrum).
Hình 1.12 mô tả sơ đồ khối của một hệ thống trải phổ nhảy tần.
Trong các hệ thống thông tin kiểu trải phổ nhảy tần số, mã trải phổ giả tạp
âm không trực tiếp điều chế tín hiệu sóng mang, nhng nó đợc sử dụng để điều
khiển bộ tổng hợp tần số. Tại mỗi thời điểm nhảy tần, bộ tạo mã giả tạp âm đa
ra một đoạn k chip mã để điều khiển bộ tổng hợp tần số, dới sự điều khiển của
đoạn k chip mã này bộ tổng hợp tần số sẽ nhảy sang làm việc tại tần số tơng
ứng thuộc tập 2
k
tần số. Mỗi đoạn gồm k chip mã đợc gọi là một từ tần số
(frequency of word), bởi vậy sẽ có 2
k
từ tần số. Do các từ tần số xuất hiện
ngẫu nhiên nên tần số dao động do bộ tổng hợp tần số tạo ra nhận một giá trị
thuộc tập 2
k
tần số cũng mang tính ngẫu nhiên. Phổ của tín hiệu nhảy tần có
bề rộng giống nh bề rộng phổ sóng mang đã đợc điều chế chỉ khác là nó bị
dịch tần đi một khoảng bằng tần số dao động do bộ tổng hợp tần số tạo ra (t-
ơng ứng với bớc nhaỷ cho trớc đang xét) và nhỏ hơn rất nhiều so với độ rộng
băng trải phổ W
ss
. Tuy nhiên tính trung bình trên nhiều bớc nhảy thì phổ của
tín hiệu nhảy tần lại chiếm toàn bộ bề rộng băng trải phổ W
ss
này.
Các kỹ thuật hiện nay cho phép các hệ thống trải phổ loại này đạt đợc bề
rộng băng trải phổ cỡ vài GHz, đó là các giá trị lớn gấp nhiều lần so với bề
rộng băng tần của các hệ thống trải phổ dãy trực tiếp. Do hoạt động trên các
băng tần rộng nh vậy nên với các kỹ thuật hiện tại, khó có thể chế tạo đợc các

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

(b) Máy thu
Bộ lọc
thông giải
Dữ liệu ra
Bộ lọc ảnh
Bộ tổng
hợp tần số
Tạo mã PN
1 2 3 k

Xung
đồng hồ
FH
)(th
R
Hình 1.12 Sơ đồ khối hệ thống trải phổ nhảy tần
Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên
Bộ điều chế thờng là điều chế FSK nhị phân hoặc điều chế FSK _M mức.
Giả sử bộ điều chế này là bộ điều chế FSK nhị phân, khối điều chế sẽ làm
nhiệm vụ lựa chọn một hoặc hai tần số tuỳ theo tín hiệu đợc phát ở mức 1 hay
0. Tín hiệu FSK sẽ đợc dịch tần số tuỳ thuộc vào sự điều khiển của chuỗi tín
hiệu ra từ bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên PN mà bộ PN này đợc luân phiên sử
dụng để chọn ra tần số đã đợc tổng hợp từ bộ tổng hợp tần số. Tần số này đợc
trộn với tín hiệu ra từ bộ điều chế và tín hiệu đã đợc dịch tần và đợc phát qua
kênh truyền. Ví dụ với m bit đợc tạo ra từ bộ tạo chuỗi PN thì có thể đợc phân
ra 2
m
-1 mức dịch tần.
ở phía đài thu, chuỗi PN từ bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên sẽ đồng bộ với tín
hiệu thu đợc, và đợc sử dụng để điều khiển bộ tổng hợp tần số. Do đó, tín

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.

Tuy nhiên một số phơng pháp khác cũng đợc sử dụng bởi vì những u điểm
riêng biệt của chúng. Một trong những hệ thống đó là hệ thống trải phổ nhảy
thời gian TH- SS. Trong hệ thống trải phổ nhảy thời gian, một chu kỳ đợc lựa
chọn sao cho lớn hơn nghịch đảo của tốc độ thông tin, và đợc chia nhỏ ra
thành một số lợng lớn các khe thời gian. Các Symbol thông tin đã mã hoá đợc
phát đi trong các khe thời gian đợc lựa chọn một cách ngẫu nhiên dới dạng
các khối gồm một hay nhiều từ mã. Với hệ thống loại này thì thờng áp dụng
điều chế PSK để phát các bit tin đã đợc mã hoá.
Ngoài các phơng pháp trải phổ đơn thuần, ngời ta còn kết hợp các phơng
pháp trải phổ DS, FH và TH với mục đích có đợc các u điểm của từng phơng
pháp trải phổ cơ bản kết hợp trong cùng một hệ thống. Tuy nhiên, cái giá phải
trả đó là tính phức tạp của hệ thống sẽ tăng lên và yêu cầu đồng bộ về thời
gian cũng khắt khe hơn.
1.3. Mã giả tạp âm PN
Các mã giả tạp âm hay mã giả ngẫu nhiên PN (Pseudo- Noise) đợc sử
dụng trong các hệ thống trải phổ thực hiện các nhiệm vụ:
- Trải rộng phổ của tín hiệu điều chế ở phía phát và nén phổ tín hiệu thu
đợc ở phía thu.
- Phân biệt các tín hiệu của các thuê bao trên cùng một băng thông
truyền dẫn trong kỹ thuật đa truy nhập.
Một chuỗi mã giả tạp âm, hay chuỗi PN, là một chuỗi nhị phân mà các giá
trị của nó tơng ứng nh phép gieo đồng xu với 1 đại diện cho mặt ngửa và 0 cho
mặt úp. Các chuỗi này có những tính chất thuận lợi sau:
1. Chúng dễ dàng đợc tạo ra với cấu trúc của thanh ghi dịch.
2. Chúng có hàm tự tơng quan với giá trị tơng quan đỉnh cao khi trễ là
không và gần bằng không khi trễ là khác không. Về khía cạnh này, ta
nói chuỗi PN có tính chất nh của tạp âm trắng.
3. Chúng có tính chất ngẫu nhiên nh tính ngẫu nhiên của phép gieo đồng
xu trong đó số lợng con số 1 và số 0 chỉ khác nhau một.
1.3.1. Tạo chuỗi giả tạp âm

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)

Với p
i
(t) là xung tơng ứng với bit b
i
trong chuỗi số gồm các thành phần
{0,1}. Tơng tự, ta có thể nói chuỗi nhị phân gồm các số {0,1} đợc ánh xạ
thành chuỗi nhị phân tơng ứng với các thành phần {-1,1}và có thể gọi chuỗi t-
ơng đơng (c
n
) với các phần tử {-1,1} là một chuỗi lỡng cực.
m
Các tầng nối với
bộ cộng modul 2
m
Các tầng nối với
bộ cộng modul 2
m
Các tầng nối với
bộ cộng modul 2
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

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

1 , 20
1 , 22
1 , 19
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
1 , 18 , 23 , 24
1 , 23
1 , 21 , 25 , 26
1 , 23 , 26 , 27
1 , 26
1 , 28
1 , 8 , 29 , 30
1 , 29
1 , 11 , 31 , 32
1 , 21
1 , 8 , 33 , 34
23
m tầng
1 2 3 4 m-1 m
Lối ra
Hình 1.13 Bộ ghi dịch m tầng có hồi tiếp tổng quát

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

c
(m) = 0 đối với 0 m L-1. Trong trờng
hợp các chuỗi m, chuỗi tự tơng quan là:




=
=
11 1-
0
)(
Lm
mL
mR
c
(1.29)
Đối với các chuỗi m dài, L có giá trị lớn, mức giá trị không phải đỉnh
của R
c
(m) so với giá trị R
c
(m) / R
c
(0) =-1/L là nhỏ, nếu theo quan điểm thực tế
thì cha phải đã thoả mãn. Do vậy, các chuỗi m thì rất gần với các chuỗi PN
lý tởng khi xét theo hàm tự tơng quan của chúng.
Đối với các ứng dụng chống nhiễu của chuỗi PN, chu kỳ của chuỗi phải
lớn hơn để ngăn cản đối tợng gây nhiễu có thể nghe đợc sự liên kết phản hồi
của bộ tạo chuỗi PN. Tuy nhiên, yêu cầu này là không thực tế trong hầu hết

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

max
của hàm t-
ơng quan chéo chiếm phần lớn giá trị đỉnh của hàm tự tơng quan. Những giá
trị đỉnh cao của hàm tơng quan là không mong muốn đối với hệ thống CDMA.
Mặc dù có thể lựa chọn một tập nhỏ các chuỗi m có các giá trị đỉnh hàm t-
ơng quan chéo tơng đối nhỏ hơn, nhng số lợng chuỗi trong tập thờng quá nhỏ
đối với các ứng dụng của các hệ thống CDMA, hệ quả là các chuỗi m thì
không thích hợp đối với các hệ thống thông tin CDMA.
Bảng 1.2 Giá trị đỉnh hàm tơng quan chéo của chuỗi m và chuỗi Gold
m
L=2
m
-1
chuỗi -m
chuỗi Gold
Số
chuỗi m
R
max
R
max
/R
0
t(m) t(m)/R
0
3
4
5
6
7

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

95
113
383
287
1407
0.71
0.60
0.35
0.36
0.32
0.37
0.22
0.37
0.44
0.34
5
9
9
17
17
33
33
65
65
129
0.71
0.60
0.29
0.27
0.13

0.13
0.06
0.06
0.03
0.03
25