Hệ thống thông tin trải phổ

Chơng 3
ứng dụng kỹ thuật trải phổ trong thông tin quân sự
3.1 Đặt vấn đề
3.1.1 Hiện trạng các phơng tin thông tin trong quân đội hiện nay và khả năng
đáp ứng yêu cầu thông tin trong chiến tranh hiện đại.
Nh chúng ta đã thấy, các phơng tiện thông tin trong quân đội ta hiện nay rất phức
tạp. Hầu hết các phơng tiện thông tin ở các đơn vị hiện nay đều thuộc thế hệ cũ nh
phơng tiện thông tin sóng cực ngắn gồm có : P105, P108, P158, PRC25, phơng tiện
thông tin sóng ngắn bao gồm: P140, P155 Đa số chúng không còn giữ đợc những
chỉ tiêu kỹ thuật ban đầu, mặc dù chúng ta liên tục bảo dỡng, sửa chữa nhng sự
xuống cấp của các trang bị thông tin thế hệ cũ hiện nay là không thể ngăn chặn đợc.
Bên cạnh những phơng tiện thông tin thế hệ cũ, chúng ta cũng đang dần trang bị
những phơng tiện thông tin mới nh P158, IC-751,.Các phơng tiện thông tin mới này
còn rất ít chủ yếu trang bị ở các quân chủng, binh chủng, các đơn vị chủ lực. Trong
vài năm tới, các trang bị thông tin này sẽ tiếp tục đợc trang bị và sẽ là những trang bị
chủ yếu trong chiến tranh.
Chiến tranh ngày nay là cuộc chiến tranh công nghệ cao. Trong cuộc chiến này
cần sự hiệp đồng chặc chẽ giữa các quân binh chủng, và ý nghĩa rất lớn tính tức thời
của thông tin quân sự. Vì thế nhu cầu thông tin rất lớn, nhng phơng tiện thông tin của
chúng ta hiện nay lại không thể đáp ứng đợc yêu cầu đó.
Các phơng tiện thông tin của chúng ta hiện nay đang sử dụng các phơng pháp
điều chế truyền thống nh: điều chế biên độ, điều chế tần số, báo dịch tần, báo đẳng
biên..Những dạng tín hiệu này dễ dàng bị địch trinh sát, chế áp. Khả năng liên lạc
trong chiến tranh thực hiện rất khó.
Để khắc phục khó khăn do đối phơng chế áp, chúng ta có thể tăng công suất phát
lên, nhng công suất mỗi máy phát đều có giới hạn đồng thời khi công suất tăng thì
làm cho đối phơng dễ phát hiện. Hoặc chúng ta có thể thực hiện thu phát nhanh nhng
tốc độ của các hệ thống trinh sát hiện nay có tốc độ bắt rất lớn nên khó có khả năng
54
che dấu thông tin. Ngoài ra, chúng ta đã thực hiện mã mật để bảo mật tín hiệu, nhng
giải pháp không thể đạt đợc hiệu quả cao nếu địch dùng phơng pháp chế áp. Cộng

thêm vào đó, việc giải mã mật thông tin đối với các máy tính tốc độ cao hiện nay
cũng không phải là khó.
3.1.2 Sự cấp thiết ra đời hệ thống thông tin trải phổ
Qua phân tích ở trên ta nhận thấy rằng hệ thống thông tin của chúng ta đã bộc lộ
rất nhiều điểm yếu. Để đáp ứng yêu cầu chiến tranh trong tơng lai, cần thiết phải hiện
đại hệ thống thông tin vô tuyến. Với những đặc điểm u việt của mình hệ thống thông
tin trải phổ cho phép xây dựng một hệ thống thông tin có tính bảo mật cao, khả năng
chống nhiễu tốt đáp ứng đợc yêu cầu chiến tranh hiện đại nh ý tởng sơ ban đầu của nó.
Ngày nay, trong nhiều ứng dụng thơng mại, đặc biệt là trong thông tin di động
ngời ta thờng dùng hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp bởi hệ thống trải phổ chuỗi trực
tiếp có nhiều u điểm nh: nó là trải phổ đơn giản nhất, có khả năng chống pha đinh đa
đờng, bảo mật thông tin, chống nhiễu tốt, đặc biệt cho phép khả năng đa truy nhập
cao. Trong thông tin quân sự với số lợng ngời dùng ít, yêu cầu bảo mật thông tin cao,
khoảng cách liên lạc xa, đặc biệt thờng xuyên bị đối phơng gây nhiễu thì hệ thống
thông tin trải phổ chuỗi trực tiếp cha hẳn là một hệ thống tốt.
Trong các mục sau đây chúng ta sẽ khảo sát khả năng chống nhiễu và của hai hệ
thống trải phổ cơ bản: hệ thống trải phổ nhảy tần và hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp,
phân tích khả năng ứng dụng của hai hệ thống vào thông tin quân sự, tìm biện pháp
cải thiện chất lợng của hệ thống thông tin đợc chọn để ứng dụng trong thông tin quân
sự.
3.2 Khả năng chống nhiễu của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp
55
3.2.1 Khả năng chống nhiễu hình sin của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp
Sau đây chúng ta sẽ khảo sát khả năng chống nhiễu hình sin, một nhiễu điển hình
để xem xét khả năng chống nhiễu của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp. Giả sử tín
hiệu thu đợc tại đầu vào máy thu khi bị tác động của một nhiễu băng hẹp là:

)(2cos)()()( titftctvAtr
cc
+=

(3.1)
trong đó i(t) là nhiễu băng hẹp, giả sử i(t) là một nhiễu hinh sin có dang:

tfAti
jj

2cos)(
=
(3.2)
Trong đó f
j
nằm trong độ rộng băng tần số phát.
Máy thu thực hiện giải trải bằng cách nhân tín hiệu thu đợc với chuỗi giả ngẫu
nhiên nội c
n
(t), giả sử là chúng đồng bộ với nhau và c(t)c
n
(t)=1 với mọi t. Thao tác
giải trải tại máy thu cho ta tín hiệu:
)()(2cos)()()()( tctitftvtctcAtr
ncnc
+=


)()(2cos)( tctitftvA
ncc
+=

(3.3)

Tác động của việc nhân nhiễu i(t) với c(t) là trải rộng băng của i(t) thành W
Hz(W là độ rộng băng tần của tín hiệu phát đi tơng ứng với 1/T
c
). Việc nhân nhiễu
băng hẹp i(t) với c
n
(t) tạo ra một nhiễu băng rộng có mật độ phổ công suất j
0
= P
j
/W,
trong đó P
j
= A
2
j
/2 là công suất trung bình của nhiễu. Do tín hiệu mong muốn đợc
giải điều chế bằng bộ lọc phối hợp (hay bộ tính tơng quan), nó có độ rộng bằng R
nên công suất nhiễu tổng cộng tại bộ giải điều chế là:

c
j
cb
jjj
L
P
TT
P
RW
P

W
RP
Rj
====
//
0
(3.4)
Do vậy, công suất của nhiễu giảm đi một lợng bằng hệ số trải rộng bằng W/R. Hệ số W/R
= T
b
/T
c
= L
c
đợc gọi là độ lợi xử lý (processing gain) của hệ thống trải phổ. Nh vậy, hệ
thông trải phổ chuỗi trực tiếp đã làm giảm công suất của nhiễu băng hẹp đi một lợng
L
c
lần. L
c
càng lớn thì hiệu quả chống nhiễu băng hẹp càng cao.
Mặc khác chúng ta còn nhận thấy việc trải phổ tín hiệu bằng chuỗi mã PN cho
phép chúng ta bảo mật thông tin tốt hơn. Điều đó không thể có đợc bằng các cách
56
điều chế truyền thống. Chuỗi mã PN chỉ đợc biết trớc đối với các máy thu đã định,
đối với các máy thu bất định khác mà không biết gì về chuỗi mã PN sẽ không thể
giải điều chế đợc tín hiệu. Cũng nh khả năng chống nhiễu, L
c

càng lớn tơng ứng với

mã PN càng dài thì khả năng bảo mật tốt hơn. Tuy nhiên điều đó phải trả giá bằng
việc tăng độ rộng của kênh và tăng độ phức tạp của hệ thống.
3.2.2 Xác suất lỗi của hệ thống khi bị tác động của nhiễu băng hẹp
Sau khi thấy đợc khả năng chống nhiễu cố ý băng hẹp của hệ thống thông tin trải
phổ chuỗi trực tiếp, bây giờ chúng ta sẽ khảo sát xác suất lỗi của hệ thống khi có tác
động của nhiễu băng hẹp.
Trong một kênh AWGN( Addtive white gaussion noise), xác suất lỗi đối với một
hệ thống trải phổ DS áp dụng điều chế PSK nhị phân thì hoàn toàn giống nh xác suất
lỗi đối với PSK truyền thống (không trải phổ) nghĩa là:









=
0
2
N
E
QP
b
b
(3.5)
Với
dxe
N

E
Q
NE
x
b
b



=








0
2
/2
2/
0
2
1
2

(3.6)
Trong đó E
b

là tỉ số tín/tạp (SNR)
Trong trờng hợp có thêm tác động là nhiễu hình sin có dạng
tfAti
JJ

2cos)(
=

và công suất P
j
= A
2
j
/2 thì xác suất lỗi xấp xỉ là:








+
=

+
=
000
2
/
2
JN
E
Q
WPN
E
QP
b
J
b
b
(3.7)
Nếu ta bỏ qua tác động của AWGN với giả thiết là N
0
<< J
0
thì xác suất lỗi bít sẽ là:

=








=
0
2
/
2
J
E
Q
WP
E
QP
b
J
b
b
(3.8)
Bây giờ chúng ta tìm hiểu với hệ thống trải phổ DS thì để gián đoạn liên lạc thì
công suất tín hiệu nhiễu lớn hơn công suất tín hiệu cố ý là bao nhiêu. Ta thấy rằng:

57

sJJ
s
J
bsb
PP
RW
WP
RP
WP
TP
J
E
/
/
/
/
/
0
===
(3.9)
Với E
b
/J
0
cho trớc để có đợc một chất lợng mong muốn, khi đó sử dụng thang
logarit chúng ta sẽ tìm đợc tỉ số (P
J
/P

s
)dB hay gọi là độ dự trữ chống nhiễu cố ý. Đại
lợng này sẽ chỉ ra công suất tơng đối mà máy gây nhiễu cần đạt đợc để làm gián
đoạn liên lạc hệ thống.
db
b
dB
b
s
J
dBsJ
J
E
R
W
J
E
R
W
P
P
PP

===
00
log10log10log10)/(
(3.10)
Ví dụ với hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp áp dụng điều chế PSK nhị phân thì với
E
b
/J
0
= 10dB thì đảm bảo cho việc truyền tin tin cậy. Khi đó nếu chúng ta có độ lợi
xử lý (W/R)dB = 30dB, tức là W/R = 1000 lần, thì để hệ thống gián đoạn liên lạc
công suất của nhiễu phải lớn hơn công suất tín hiệu (P
J
/P
s
)lần.
Với : (P
J
/P
s
)
lần
=

100)10/20exp(10/)/exp(
==
dBsJ
PP
3.2.3 Mô phỏng hệ thống trải phổ trong việc nén nhiễu hình sin
Sau khi thấy đợc xác suất lỗi của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp, chúng ta tiến
hành mô phỏng xác suất lỗi của hệ thống DS dới các tác của nhiễu hình sin với các
công suất khác nhau. Sơ đồ khối của hệ thống dùng cho mô phỏng đợc biểu diễn bởi
hình 3.1 dới đây.
Sơ đồ gồm một bộ tạo số ngẫu nhiên (RNG : Random Number Generator) phân
bố đều đợc sử dụng để tạo ra một chuỗi symbol thông tin nhị phân (1). Mỗi bít
thông tin đợc lặp lại L
c
lần, trong đó L
c
tơng ứng với số chip trong mỗi bít thông tin.
Chuỗi thu đợc, gồm L
c
lần lặp trên một bít, đợc nhân với chuỗi PN c(n) đợc tạo bởi
bộ tạo số ngẫu nhiên phân bố đều khác. Ta cộng chuỗi tích đó với tạp âm trắng có
phơng sai

2
=N
0
/2 và nhiễu hình sin có dạng:
i(t) = Asin

0
n

58