Kĩ thuật trải phổ

KĨ THUẬT TRẢI PHỔ
LỜI NÓI ĐẦU
Trước đây trong thời kì chiến tranh lạnh, môn thông tin trải phổ chủ yếu
nằm trong bí mật, do đó phần lớn thông tin về môn này vào thời kì đó chỉ có
thể tìm thấy trong các tài liệu mật. Ngày nay bức tranh đã thay đổi đáng kể.
Sách báo công khai về trải phổ khá phong phú, các ứng dụng của kĩ thuật trải
phổ đã được mở rộng từ lĩnh vực quân sự sang lĩnh vực thương mại. Ví dụ
như các hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng đa truy nhập trải phổ
(CDMA) ngày càng phổ biến trên thế giới, và ngay cả hệ thống di động thế hệ
3 (3G) và cao hơn cũng chọn trải phổ làm phương pháp đa truy nhập.
Cùng với sự hướng dẫn của cô giáo Phạm Quỳnh Trang, nhóm sinh viên
chúng tôi đi vào tìm hiểu đề tài “Kĩ thuật trải phổ”. Dưới đây là một số vấn đề
về kĩ thuật trải phổ:
1. Tổng quan về kĩ thuật trải phổ
2. Kĩ thuật trải phổ trực tiếp DS/SS (Direct sequence spread spectrum)
3. Kĩ thuật trải phổ nhảy tần FH/SS (Frequency hoping spread spectrum)
4. Kĩ thuật trải phổ nhảy thời gian TH/SS (Time hoping spread spectrum)
5. Vấn đề đồng bộ trong trải phổ
6. Ứng dụng kĩ thuật trải phổ trong thực tế.

Page 1


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ

CHƯƠNG I :
TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT TRẢI PHỔ
Kĩ thuật trải phổ là 1 công nghệ được sử dụng nhiều trong thực tế vì nó
có đặc tính chống nhiều và bảo mật rất cao. Ngày nay nó là thành phần tất yếu
trong các hệ thống thông tin vô tuyến lớn như:
- CDMA sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp( DSSS)

- GPS là hệ thống trải phổ lớn nhất thế giới , các Wlan như WIFI hay
Bluetooth
Một số loại trải phổ được ứng dụng rộng rãi nhiều trong thực tế :
Trải phổ dãy trực tiếp DS/SS: Quá trình đạt được bằng cách nhân nguồn
tín hiệu vào với tín hiệu mã giả ngẫu nhiên một cách trực tiếp tín hiệu trải phổ
đưa ra có độ rộng phổ xấp xỉ tốc độ của mã giả ngẫu nhiên.
Trải phổ nhảy tần FH/SS: Quá trính trải phổ đạt được bằng cách nhảy tần
số sóng mang trên một tập lớn các tần số. Sự nhảy tần của tần số sóng mang
được quyết định của các mã nhảy tần có dạng giả ngẫu nhiên được điều khiển
bởi các từ mã trải phổ PN.
Trải phổ nhảy thời gian TH/SS: Đó là hệ thống mà bit cần truyền được
chia thành các khối k bit, mỗi khối được phát đi một cách ngẫu nhiên trong
các cụm của các khe thời gian. Khe thời gian được chọn để phát cho mỗi cụm
được định nghĩa bằng chuỗi PN nó có nhiệm vụ xác định mẫu nhảy khe thời
gian

Page 2


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ

CHƯƠNG II :
HỆ THỐNG TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP
I. GIỚI THIỆU CHUNG
1. Mã giả tạp âm sử dụng trong DSSS
Như đã biết ta dùng mã “ngẫu nhiên” để trải phổ bản tin ở phía phát
và giải trải phổ tín hiệu thu được ở phía thu. Mã "ngẫu nhiên" đóng vai trò
trung tâm trong các hệ thống SS. Tuy nhiên nếu mã này thực sự ngẫu
nhiên thì thậm chí máy thu chủ định cũng không thể lấy ra bản tin vì
không thể biết được phương pháp để đồng bộ với mã thực sự ngẫu nhiên,

dẫn đến hệ thống trở nên vô dụng. Vì thế phải thay thế bằng một mã giả
ngẫu nhiên. Đây là một mã tất định biết trước đối với máy thu chủ định.
Nhưng thể hiện giống tạp âm đối với các máy thu không chủ định. Mã này
thường được gọi là chuỗi giả tạp âm (PN: Pseudo-Noise). Chuỗi PN là
một chuỗi các số được lặp lại theo một chu kỳ nhất định. Ta sử dụng {c i ,
i= số nguyên} → {...,c-1 , c0 , c1 ,...} để biểu thị một chuỗi PN. Giả sử N là
chu kỳ sao cho ci + N = ci . Đôi khi ta gọi N là độ dài của chuỗi PN và một
chuỗi tuần hoàn chỉ là sự mở rộng tuần hoàn của chuỗi có độ dài N. Để
một chuỗi {ci} là một chuỗi giả tạp âm tốt, giá trị của c i phải độc lập với
giá trị của cj đối với mọi i ≠ j. Để đảm bảo điều này lý tưởng chuỗi nói
trên không được lặp lại, nghĩa là chu kỳ phải là ∞. Trong thực tế vì chuỗi
PN phải tuần hoàn nên chu kỳ của nó phải lớn để đạt được thuộc tính ngẫu
nhiên tốt.

Page 3


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ
Trong một hệ thống DSSS, một tín hiệu liên tục theo thời gian được
gọi là tín hiệu PN được tạo ra từ chuỗi PN dùng để trải phổ. Giả thiết
chuỗi PN này là cơ số hai, nghĩa là ci = ± 1, thì tín hiệu PN này là:

c(t ) =

∞

∑c p

i =−∞

i

Tc

(T − iTc )

(1)

trong đó pTc(t) là xung chữ nhật đơn vị được cho bởi phương trình (2.13),
ci được gọi là chip và khoảng thời gian Tc giây được gọi là thời gian chip.
Lưu ý rằng tín hiệu PN có chu kỳ là NTc. Một thí dụ của chuỗi này được
cho ở hình 3.1 đối với N = 15 và {c i , i = 0, 1, ..., 14} = {1, 1, 1, -1, 1, 1,
-1, -1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, -1}. Tín hiệu (chuỗi) PN còn được gọi là tín hiệu
(chuỗi) trải phổ hay tín hiệu (chuỗi) ngẫu nhiên.

Hình 1:Thí dụ về tín hiệu PN c(t) được tạo ra từ chuỗi PN có chu kỳ
15
Để tiện cho việc khảo sát, ta sẽ lập mô hình tín hiệu PN như là một tín
hiệu cơ số hai giả ngẫu nhiên, nghĩa là ta coi rằng ci là +1 hay -1 với xác
suất như nhau, ci và cj độc lập với nhau nếu i≠ j. Khi này hàm tự tương
quan sẽ là :

 |τ |
,| τ |≤ TC
1 −
R C (τ ) = ΛTC (τ ) =  TC
0,τ #


(2)

Page 4


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ
Một chuỗi m có chu kỳ N sẽ có hàm tự tương quan chuẩn hoá được cho
bởi biểu thức sau:

(3)
Nếu N càng lớn thì biểu thức (3) càng gần biểu thức (2). Vì vậy để đơn
giản, chủ yếu chúng ta sẽ sử dụng hàm tam giác ở ptr (2) là hàm tự tương
quan cho một tín hiệu PN và biểu thức (4) dưới đây cho PSD:

Φc ( f ) = Tc sin c 2 ( fTc )

(4)

2. Sơ đồ khối đặc trưng một hệ thống trải phổ DSSS
Các phần tử cơ sở của một hệ thống thông tin trải phổ được minh họa trên
hình dưới đây:

Page 5


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ

Hình: Sơ đồ khối hệ thống trải phổ DSSS
Chúng ta thấy rằng bộ mã hóa và giải mã, bộ điều chế và giải điều chế là
các phần tử cơ sở của một hệ thống thông tin số truyền thống. Ngoài các phần
tử này, một hệ thống thông tin trải phổ còn áp dụng 2 bộ tạo chuỗi giả ngẫu

nhiên như nhau, và được đồng bộ với nhau giao tiếp với bộ điều chế và giải
điều chế ở phía phát và phía thu như trên hình. Hai bộ tạo mã giả ngẫu này tạo
ra một chuỗi mã nhị phân giả tạp tại bộ điều chế để trải tín hiệu được phát đi
về phổ và giải trải phổ tín hiệu tại bộ giải điều chế.
Dưới đây trình bày về một hệ thống trải phổ kết hợp điều chế sóng mang
BPSK.
3. Hệ thống DSSS-BPSK
a. Máy phát DSSS-BPSK
Sơ đồ khối của máy phát DS/SS sử dụng BPSK được cho ở hình 3. Ta có
thể biểu diễn số liệu hay bản tin nhận các giá trị ±1 như sau:

d (t ) =

∞

∑dp

i = −∞

i Tb

(t − iTb )

(5)

Trong đó di = ±1 là bit số liệu thứ i và Tb là độ rộng của một bit số liệu
(tốc độ số liệu là 1/Tb bps)

Page 6

KĨ THUẬT TRẢI PHỔ

Hình 3: Sơ đồ khối máy phát DSSS-BPSK
Tín hiệu d(t) được trải phổ bằng tín hiệu PN c(t) bằng
cách nhân hai tín hiệu này với nhau. Tín hiệu nhận được
d(t)c(t) sau đó sẽ điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK,
kết quả cho ta tín hiệu DSSS-BPSK xác định theo công thức
sau:

S (t ) =

2 Eb
d (t )c(t )cos(2π f ct + θ )
Tb

(6)

Eb: Năng lượng trên một bit của sóng mang
Page 7


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ
Tb : Độ rộng một bít
Fc : Tần số sóng mang
θ : pha ban đầu

Với Tb= NTc , thì tín hiệu ở ptr(6) được vẽ trên hình 3.
b. Sơ đồ khối máy thu DSSS-BPSK

DHKH: Đồng hồ kí hiệu; SM: Sóng mang; th: tín hiệu
Page 8


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ
Hình 4: Sơ đồ khối máy thu DSSS-BPSK
Mục đích cuả máy thu này là lấy ra bản tin d(t) (số liệu {di}) từ tín hiệu
thu được bao gồm tín hiệu được phát cộng với tạp âm. Do tồn tại trễ truyền
lan τ nên tín hiệu thu là:

r (t ) = S (t − τ ) + n(t ) =

2 Ebr
d (t − τ )c(t − τ )cos  2π f c (t − τ ) + θ '  + n(t )
Tb

(7)

Ebr : Năng lượng trung bình của sóng mang trên một bit
n(t): là tạp âm của kênh và đầu vào máy thu
Giả thiết tín hiệu thu được không có tạp âm hay n(t)=0, thì tín hiệu
thu được từ phía phát là:

r1 (t ) = S (t − τ ) =

2 Ebr
d (t − τ )c(t − τ )cos  2π f c (t − τ ) + θ ' 
Tb

(8)

Ta nhân tín hiệu r1(t) với với tín hiệu đồng bộ PN c(t- τ ) được tạo ra ở
máy thu để giải trải phổ, ta được:

2 Ebr
w(t ) =
d (t − τ )c 2 (t − τ )cos  2π f c (t − τ ) + θ ' 
Tb

(9)

Vì c(t- τ )= ± 1, nên c2(t- τ )=1 với mọi t, nên:

2 Ebr
w(t ) =
d (t − τ )cos  2π f c (t − τ ) + θ ' 
Tb

(10)

Tín hiệu ở ptr (10) sẽ được giải điều chế sóng mang khi biết tần số fc và
pha θ ' , thu được:

z (t ) = Ebr d (t −τ )

(11)
Page 9


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ

Vậy Zi = ±

Ebr , (vì d (t − τ ) =+1 hoặc -1). Kết quả được đưa qua

bộ so sánh ngưỡng 0 ta được đầu ra cơ số hai 1 hay -1 theo thời gian giống
như tín hiệu d(t) ban đầu.
3.Hình ảnh mô phỏng bằng matlab

Page 10


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ

Page 11


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ
CHƯƠNG III : HỆ THỐNG TRẢI PHỔ NHẢY TẦN
1.Khái niệm
Trong trải phổ nhảy tần (FH), độ rộng băng kênh có sẵn W được chia
nhỏ thành một số lớn các khe tần không lấn lên nhau. Trong bất kì khoảng
thời gian truyền tin nào, tín hiệu truyền đi đều chiếm một (hay nhiều hơn
một) khe tần số nói trên. Việc chọn khe (hay các khe) tần số nào trong mỗi
một khoảng thời gian truyền tín hiệu được thực hiện một cách giả ngẫu
nhiên theo tín hiệu lối ra của một bộ tạo chuỗi PN, chuỗi mã ở đây chỉ có
tác dụng xác định mẫu nhảy tần.

2. Hệ thống thu phát
Sơ đồ khối của một hệ thống trải phổ FH

Page 12


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ

Trong hệ thống này thì điều chế FSK thường được sử dụng, tín hiệu
FSK được tạo ra từ luồng số liệu qua điều chế FSK. Bộ điều chế chọn một
trong hai tần số f0 hay f1 tương ưng với việc truyền một con 0 hay một
con 1. Tín hiệu FSK được trộn với tín hiệu y(t) từ bộ tổ hợp tần số, mà tần
số của y(t) thay đổi theo các giá trị từ m bit nhận được từ bộ tạo chuỗ PN,
từ m bit này ta có thể ấn định đươc 2^m-1 tần số sóng mang được tạo bởi
bộ tỏng hợp tần số. Do đó tín hiệu FSK được dịch chuyển về tần số một
lượng đươc quy định bởi chuỗi lối ra lấy từ bộ tạo chuỗi PN.
Tại máy thu, một bộ tạo chuỗi PN y như vậy ( được đồng bộ với tín
hiệu thu được) được sử dụng dể điều khiển lối ra của bộ tổ hợp tần số. Như
thế, sự chuyển dịch tần số giả ngẫu nhiên đã được đưa vào ở máy phát sẽ
được loại bỏ tại bộ giải điều chế nhơ việc trộn tín hiệu lối ra của bộ tổ hợp
tần số với tín hiệu thu được. tín hiệu sản phẩm của việc trộn sau đó được
giải điều chế bằng bộ giải điều chế FSK. Một tín hiệu duy trì đồng bộ bộ
tạo chuỗi PN vơi tín hiệu thu được thường được tách từ tín hiệu thu được.

Page 13


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ
Trong hệ thống nhảy tần thì tôc độ nhảy tần có thể nhanh hơn hoặc
chậm hơn tốc độ số liệu. trong trường hợp thứ nhất gọi la nhảy tần nhanh,
trường hợp thứ hai gọi là nhảy tần chậm

Hình: Nhảy tần nhanh và nhảy tần chậm

CHƯƠNG IV:
KĨ THUẬT TRẢI PHỔ NHẢY THỜI GIAN THSS
1. Khái niệm về trải phổ nhảy thời gian THSS
Các tín hiệu được truyền một cách không liên tục. Thay vào đó là các
tín hiệu xuất hiện đột ngột ở những thời gian được quyết định bởi tín hiệu
mã gán cho người sử dụng. Trục thời gian được chia thành các khung và
mỗi khung lại được chia thành K khe thời gian (time slot).
Trong mỗi khung, người sử dụng sẽ gửi dữ liệu trên một trong K khe
thời gian. Khe thời gian nào sẽ được sử dụng phụ thuộc vào tín hiệu mã
Page 14


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ
gán cho thuê bao. THSS sử dụng toàn bộ phổ băng rộng cho các khoảng
thời gian ngắn thay vì chỉ sử dụng các phần của phổ trong suất thời gian
như trong FH.

Hình: Trải phổ nhảy thời gian ( THSS )
Trong đó: J là số khe thời gian
T = T /J

Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH-SS
2.Nguyên lí hoạt dộng của hệ thống TH/SS
Trong một 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 mã PN. Gỉa sử thang thời gian được
chia thành các khung, mỗi khung T giây. Sau đó mỗi khung lại được chia
Page 15

KĨ THUẬT TRẢI PHỔ
tiếp thành J các khe thời gian. Vì thế mỗi khe thời gian chiếm độ rộng T
= T /J giây. Biểu đồ thời gian được thể hiện như sau:

Biểu đồ thời gian cho một hệ thống THSS
Trong thời gian mỗi khung một nhóm k bit dữ liệu được phát trong T
giây tức là một trong J khe thời gian. Các khe thời gian sẽ được sử dụng
để phát được xác định bởi chuỗi PN. Mỗi bit chỉ chiếm T = T /K giây khi
phát. Quan hệ giữa T , T , T được mô tả trên hình() . Gỉa sử thời gian của
một bit số liệu là T, để kịp truyền dẫn số liệu vào ta cần T = KT. Nếu các
bit số liệu vào là , i là số nguyên ta có thể biểu diễn tín hiệu THSS như
sau:

STH =

∞

k −1

∑ ∑b

i = −∞ l = 0

l − ik

pT0 (t − iT f − aiTs − lT0 )

Trong đó :
•

pT0

là xung chữ nhật

• Đơn vị độ rộng là T0 giây
Page 16


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ
•

ai ∈ [0,1... j − 1]

là số ngẫu nhiên được xác định bởi j bit của chuỗi

PN và J=2j
• Với i thể hiện khung thứ i,
•

ai

•

l là số thứ tự bit trong cụm.

thể hiện số khe thời gian

Số liệu được truyền ở các cụm k bit mỗi lần với mỗi bit được phát
trong khoảng T0 =

Tf
jk

giây. Vì thế tốc độ bit trong cụm là l/ T giây để

truyền băng tần gốc có độ rộng băng tần là l/T Hz.Còn nếu truyền băng
thông thì dải thông sẽ là 2/T0 Hz. Vì bản tin có độ rộng là 1/T, độ rộng
băng tần được mở rộng là ( 1/T )/(1/T) = ( k T)J/ T = j khi truyền dẫn
băng gốc và 2j khi truyền dẫn băng thông. Độ lợi xử lý là (2/T )/(2/T) =J
khi truyền băng thông.
3. Ưu nhược điểm của hệ thống trải phổ nhảy thời gian THSS
a. Ưu điểm của kĩ thuật trải phổ nhảy thời gian
• Dễ thực hiên hơn so với kĩ thuật FH-SS do không cần tạo bộ tổng hợp
tần số phức tạp.
• Hiệu quả sử dụng băng tần cao hơn nhiều so với việc sử dụng kỹ thuật
TDM
• Tránh được hiệu ứng gần- xa vì thời gian mà mỗi người dùng truyền là
độc lập.người dùng ở trạm gốc không gây ảnh hưởn đến người dùng ở
xa.
b. Khuyết điểm của kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian.
Trải phổ nhảy thời gian là một hình thức nén tín hiệu trên miềm thời
gian. Chính vì vậy độ rộng bit giảm, tốc độ bit tăng và do đó đòi hỏi kênh
truyền phải truyền được tín hiệu tốc độ cao.
Page 17


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ

CHƯƠNG V:
VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG TRẢI PHỔ VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG

TRẢI PHỔ
I.VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG TRẢI PHỔ
Các tín hiệu trải phổ đều sử dụng mã giả ngẫu nhiên để trải phổ tín
hiệu hoặc điều khiển nhảy tần số nên vấn đề đồng bộ được xem là yếu tố
sống còn.
Với bất kì kĩ thuật trải phổ nào chúng ta cần phải có thông tin về thời
gian của tín hiệu được phát để nén tín hiệu thu được và giải điều chế tín
hiệu vừa mới được nén. Đặc biệt đối với hệ thống DS-SS nếu chúng ta chỉ
chệch đi 1 khoảng thời gian bằng 1 chip thì chúng ta không thể nén được
tín hiệu trải phổ thu được nên không thể tìm ra được tín hiệu dữ liệu ban
đầu.
Đồng bộ chia làm 2 giai đoạn
•

Bắt mã( Acquisition)
Ở bước này 2 mã trải phổ (mã thu được và mã tự sinh ra ở bên nhận ) sẽ
đồng chỉnh với nhau, đồng bộ giữa máy phát và máy thu trong khoảng
thời gian xac định là
± Tc

•

Bám mã (tracking)
Ở bước này nhờ sử dụng vòng hồi tiếp mà mã trải phổ tại chỗ chính

xác nhất liên tục được chọn
Page 18


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ

Một số yếu tố ảnh hưởng đến việc đồng bộ :
Khoảng cách giữa máy thu và máy phát không xác định dẫn đến tính
toán giá trị trễ truyền dẫn không chính xác
Nhịp tương đối giữ máy thu và máy phát không được thiết lập dẫn đến
sự khác nhau về pha giữa tín hiệu trải phổ của máy phát và máy thu
Máy phát và máy thu không được lắp đặt các bộ dao động giống nhau
dẫn đến lệch tần số giữa 2 tín hiệu
Đặc điểm của hầu hết chiến lược đồng bộ là trong khoảng thời gian bắt
mã, nơi thu tiến hành cho mã thu và mã tạo ra tại chỗ được tương quan với
nhau để có được địa lượng đánh giá sự giống nhau giữa chúng. Sau đó đại
lượng này được so sánh với 1 mức chuẩn định trước để đưa ra quuyết định.
Nếu chúng đồng bộ thì việc bắt mã kết thúc, nếu không thì thủ tục thu lại
đưa ra mã được tạo ra tại chỗ có sự thay đổi về tần số và pha và lại so sánh
tiếp đến bao giờ chúng đòng bộ mới thôi.
Tín hiệu thu
BPF

Bộ tạo tín hiệu
PN
tham chiếu

Tách năng
lượng

Thiết bị
quyết định

Pha dò
Điều khiển
Logic

Page 19


KĨ THUẬT TRẢI PHỔ

Bên thu chọn 1 pha cho dãy PN tại máy thu để nén phổ tín hiệu thu
được.Tín hiệu sau khi nén phổ sẽ cho qua bộ lọc thông dải. Nếu pha của
chúng giống nhau thì BPF sẽ nhận toàn bộ công suất của tín hiệu vừa thu
được và thiết bị điều khiển sẽ cho kết thúc chu trình bám. Ngược lại nếu
pha thử chọn này không khớp với tín hiệu thu được, thì sẽ xuất hiện tín
hiệu băng rộng tại đầu vào của BPF và nó chỉ thu nhận được 1 phần công
suất rất nhỏ. Dựa vào điều này máy thu quyết định pha dò không đúng và
tiếp tục dò pha khác.
II. MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRẢI PHỔ TRONG THỰC TIỄN
1.Thông tin vệ tinh
2. Đo cự li
3. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
4. Vô tuyến di động đa truy nhập nhảy tần
5. Radar xung

Page 20