Ứng dụng mạng hopfield tách sóng đa truy nhập trong cdma

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHỊNG QUẢN LÝ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
---- ----

05/2003


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả thầy cơ trong trường cũng như
ngồi trường, người thân và bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ tơi trong q
trình học Cao học và làm Luận án tốt nghiệp.
Tôi cũng vô cùng cảm ơn tất cả thầy cô trong bộ môn Viễn
Thông thuộc Khoa Điện Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tận
tình giảng dạy tơi trong q trình học Cao học và làm Luận án.
Đặc biệt, chân tình cảm ơn sự hướng dẫn rất nhiệt tình của TS.
Phạm Hồng Liên. Luận án của tơi được hồn thành là nhờ cơng lao
hướng dẫn và góp ý rất nhiều của cơ.
Cuối cùng, tôi muốn gởi lời cảm ơn thật nhiều đến người thân
trong gia đình ln ở bên tơi và động viên rất nhiều trong suốt quá
trình học Cao học và nghiên cứu làm Luận án Cao học.
05/2003
Phạm Hùng Kim Khánh


MỞ ĐẦU
Quá trình nghiên cứu và phát triển hệ thống thông tin số đã trải qua những
thời kỳ khác nhau. Các nguồn thơng tin địi hỏi tốc độ truyền dữ liệu ngày càng
cao nên hệ thống thông tin vô tuyến địi hỏi băng tần rộng hơn. Thơng tin được
truyền từ nhiều nguồn khác nhau chứ không phải là duy nhất. Từ đó, cần phải có
một q trình thực hiện giải điều chế để tách các luồng thông tin từ các nguồn

riêng biệt nhau.
Do đó, kỹ thuật dùng các máy thu cổ điển không đủ đáp ứng cho các yêu
cầu này mà cần phải có các kỹ thuật khác để gia tăng dung lượng của mạng vô
tuyến. Luận án này sẽ thực hiện nghiên cứu một số loại máy thu nhằm giảm và
triệt nhiễu đa truy nhập trong hệ thống CDMA băng rộng.
Cấu trúc luận án gồm có 5 chương:
Chương 1: giới thiệu lý thuyết chung về hệ thống CDMA. Chương
này sẽ thảo luận một số vấn đề liên quan đến CDMA: phương thức
đồng bộ, tạo mã giả ngẫu nhiên.
Chương 2: mơ hình hóa kênh truyền CDMA và thực hiện giải điều
chế bằng một mơ hình đơn giản – bộ lọc thích nghi.
Chương 3: giới thiệu một số loại máy thu sử dụng cho mục đích
tách sóng đa truy nhập: tuyến tính và phi tuyến.
Chương 4: giới thiệu chung về mạng neural và thực hiện tách sóng
dựa cơ sở trên mạng Hopfield.
Chương 5: các kết quả mô phỏng đánh giá tỉ số lỗi bit BER của
một số phương pháp tách sóng đã khảo sát ở chương 3.


HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Mục tiêu đề tài là thực hiện giới thiệu một loại máy thu khác với độ phức
tạp thấp hơn so với máy thu đa truy nhập tối ưu (Verdú).
Máy thu sử dụng trong đề tài dựa cơ sở trên mạng neural. Tuy nhiên do thời
gian có hạn nên đề tài chỉ tập trung trên mạng neural đơn lớp. Vấn đề tách sóng đa
truy nhập cũng có thể được phát triển rộng hơn dựa trên mạng neural đa lớp
(multilayer) hay mạng neural mờ.
Ngoài ra, hệ thống chỉ sử dụng một dạng sóng mang duy nhất nên sẽ gây ra
xác suất lỗi cao hơn. Ta có thể sử dụng hệ thống khác dùng nhiều sóng mang, đó
là hệ thống đa truy nhập đa sóng mang (Multi-carrier Multi-user detection).

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CDMA ......................................................1
1.
Tổng quan.............................................................................................................1
2.
DS - CDMA (Direct Sequence CDMA)...............................................................2
2.1. Nguyên lý...........................................................................................................2
2.2. Ảnh hưởng của nhiễu nhiệt................................................................................3
2.3. Nhiễu đơn tần (Single-Tone Interference).........................................................4
2.4. Nhiễu băng rộng (Wideband Interference)........................................................6
3.
FH - CDMA (Frequency Hopping CDMA) .........................................................7
4.
TH - CDMA (Time Hopping CDMA) ...............................................................11
5.
Hệ thống hỗn hợp (Hybrid) FH/DS....................................................................13
6.
Đồng bộ ..............................................................................................................15
6.1. Đồng bộ cho hệ thống DS................................................................................15
6.2. Đồng bộ cho hệ thống FH................................................................................18
7.
Chuỗi giả ngẫu nhiên..........................................................................................21
7.1. Lý thuyết trường Galois...................................................................................22
7.2. Đặc tính tương quan ........................................................................................29
7.3. Chuỗi nhị phân.................................................................................................34
8.
So sánh các phương pháp trải phổ......................................................................43
CHƯƠNG 2: KÊNH TRUYỀN CDMA ....................................................................46
1.

Mơ hình CDMA đồng bộ cơ bản........................................................................46
2.
Mơ hình CDMA bất đồng bộ cơ bản..................................................................47
3.
Dạng sóng nhận dạng .........................................................................................47
3.1. Trải phổ dùng chuỗi trực tiếp ..........................................................................47
3.2. Hệ số trải phổ...................................................................................................48
4.
Hiện tượng Fading..............................................................................................48
4.1. Fading phẳng (Frequency – flat fading) ..........................................................48
4.2. Fading chọn lọc tần số (Frequency-selective fading)......................................50
4.3. Fading đồng nhất .............................................................................................52
5.
Nhiễu trong CDMA............................................................................................53
5.1. Nhiễu xuyên ký tự (Inter-Symbol Interference) ..............................................53
5.2. Nhiễu đồng kênh (CCI: Co-Channel Interference) .........................................58
5.3. Nhiễu xuyên kênh (Adjust Channel Interference)...........................................64
5.4. Nhiễu gần-xa....................................................................................................68
5.5. Hiệu ứng Doppler ............................................................................................68
6.
Mạch lọc thích hợp đơn kênh .............................................................................71
6.1. Máy thu tối ưu cho kênh truyền đơn ...............................................................71
6.2. Bộ lọc thích hợp trong kênh truyền CDMA ....................................................72
6.3. Bộ lọc thích hợp đơn kênh kết hợp trong kênh truyền Rayleigh.....................75


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÁY THU........................................................................77
1.
Máy thu tuyến tính .............................................................................................77
1.1. Máy thu khử tương quan .................................................................................77

1.2. Máy thu LMMSE (Linear Minimum Mean Square Error)..............................84
2.
Máy thu phi tuyến...............................................................................................98
2.1. Máy thu đa truy nhập tối ưu ............................................................................98
2.2. Máy thu dùng mạng neural............................................................................108
CHƯƠNG 4: MÁY THU DÙNG MẠNG NEURAL..............................................110
1.
Dẫn nhập...........................................................................................................110
2.
Ánh xạ ..............................................................................................................112
3.
Phân loại mơ hình.............................................................................................112
4.
Huấn luyện mạng..............................................................................................117
4.1. Một số khái niệm ...........................................................................................117
4.2. Quy tắc huấn luyện ........................................................................................118
4.3. Một số kỹ thuật khác .....................................................................................121
4.4. Mạng RBF .....................................................................................................123
4.5. Thuật toán SVM (Support Vector Machine) .................................................125
5.
Mạng neural hồi quy.........................................................................................130
5.1. Kiến trúc mạng neural hồi quy ......................................................................130
5.2. Mạng Hopfield...............................................................................................131
5.3. Máy thu HNN (Hopfield neural network) .....................................................131
5.4. Đặc tính hội tụ của mạng Hopfield rời rạc ....................................................138
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THUẬT TỐN MƠ PHỎNG.................................140


CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AWGN

BER
BFSK
BPSK
BPF
CD
CDMA
DS-CDMA
FH
FFH
GF
HNN
ISI
LMMSE
LPF
MAI
MF
MMSE
MOE
MSD
MUD
RBF
ODM
PAM
PN
SFH
SHN
SIR
SNR
SVM
TH

Additive white Gausian noise – nhiễu cộng Gaussian
Bit Error Rate – Tỉ số lỗi bit
Binary Frequency Shift Keying
Binary Phase Shift Keying
Band Pass Filter – Bộ lọc thông dải
Conventional Detector – Máy thu cổ điển
Code Division Multiple Access – Đa truy nhập phân chia theo mã
Direct Sequence CDMA – CDMA dùng chuỗi trực tiếp
Frequency Hopping – Nhảy tần số
Nhảy tần nhanh
Galois field – Trường Galois
Hopfield neural network – Mạng Hopfield
Intersymbol Interference – Nhiễu xuyên ký tự
Linear MMSE – MMSE tuyến tính
Low Pass Filter – Bộ lọc thơng thấp
Multiaccess Interference – Nhiễu đa truy nhập
Matched filter – Bộ lọc thích hợp
Minimum Mean Square Error – Lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất
Mean Output Energy – Năng lượng ngõ ra trung bình
Multistage Detector – Máy thu đa tầng
Multiuser Detection – Tách sóng đa truy nhập
Radial Basis Function
Optimum Multiuser Detector – Máy thu đa truy nhập tối ưu
Pulse Amplitude Modulation – điều biên xung
Pseudo Noise – Mã giả ngẫu nhiên
Slow Fast Hopping – Nhảy tần chậm
Stochastic Hopfield network – Mạng Hopfield dừng
Signal-to-Interference Ratio – Tỉ số tín hiệu trên giao thoa
Signal-to-Noise Ratio – Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

Support Vector Machine – Máy vector hỗ trợ
Time Hopping – Nhảy thời gian


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CDMA
1. Tổng quan
Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng
trong thông tin quân sự từ những năm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ
bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã dần dần được
thương mại hoá.
Hệ thống CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nhằm thực hiện cho các hệ thống
thông tin có khả năng chống phá sóng cao. Kỹ thuật trải phổ là ứng dụng trực tiếp
của lý thuyết thông tin của Shannon, đã trở nên rất quan trọng trong các hệ thống
thơng tin do có nhiều tính năng ưu việt như giảm mật độ công suất, độ định vị cao,
độ phân giải cao,…
Có 3 kỹ thuật trải phổ:
ƒ Chuỗi trực tiếp (DS - Direct Sequence).
ƒ Nhảy tần số (FH - Frequency Hopping).
ƒ Nhảy thời gian (TH - Time Hopping).
Trải phổ là một kỹ thuật được thực hiện bằng cách điều chế lần thứ hai một
tín hiệu đã được điều chế nhằm tạo ra một dạng sóng sẽ là nhiễu đối với bất kỳ một
tín hiệu nào khác hoạt động trong cùng băng tần. Vì vậy, khi máy thu tín hiệu AM
hay FM thông thường sẽ không nhận thấy sự hiện diện của tín hiệu trải phổ đang
hoạt động trên cùng băng tần. Tương tự, máy thu tín hiệu trải phổ sẽ khơng nhận
diện được sự hiện diện của tín hiệu AM hay FM. Vì thế, người ta nói các tín hiệu
này "trong suốt" (transparent) với nhau.

Để tạo được sự "trong suốt" này, kỹ thuật trải phổ điều chế một tín hiệu đã
điều chế, điều biên hay điều tần băng rộng, vì vậy sẽ tạo ra một tín hiệu có băng
thơng rất rộng. Ví dụ: tín hiệu AM thơng thường có băng thơng 10 KHz, một tín
hiệu trải phổ hoạt động ở cùng tần số sóng mang như tín hiệu AM và có cùng cơng
suất Ps nhưng có băng thơng 1 MHz. Như vậy trong khoảng băng tần 10 KHz của
tín hiệu AM cơng suất của tín hiệu trải phổ là Ps(104/106) = Ps/100 và đối với đầu
thu của tín hiệu AM, phần cơng suất của tín hiệu trải phổ giao thoa với nó tương
đương như tín hiệu nhiễu thấp hơn 20 dB.
Trong hệ thống CDMA, nhiều user sử dụng chung miền thời gian và tần số,
các mã giả ngẫu nhiên (PN - Pseudo Noise) với sự tương quan chéo thấp được ấn
định cho mỗi user. Tốc độ bit của chuỗi PN phải đủ lớn để trải phổ tín hiệu trên tồn
băng thơng. User truyền tín hiệu bằng cách trải phổ tín hiệu truyền sử dụng chuỗi
PN đã được ấn định. Máy thu sẽ tạo lại một chuỗi giả ngẫu nhiên như ở máy phát và
khơi phục lại tín hiệu nhờ việc dồn phổ các tín hiệu đồng bộ thu được.

GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 1


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

™ Tính chất của kỹ thuật trải phổ
ƒ Băng thơng tín hiệu phát lớn hơn nhiều so với băng thông cần thiết để
truyền thơng tin chứa trong tín hiệu đó.
ƒ Việc trải phổ được thực hiện nhờ tín hiệu trải phổ c(t), thường được gọi là
tín hiệu mã (code). Tín hiệu này độc lập với dữ liệu truyền đi.
ƒ Ở đầu thu, việc thu lại tín hiệu ban đầu được thực hiện nhờ kỹ thuật dồn

phổ (despreading) khôi phục dữ liệu nguyên thuỷ bằng cách xét sự tương
quan của tín hiệu thu được với tín hiệu giống hệt và được đồng bộ với tín
hiệu mã dùng để trải phổ.

2. DS - CDMA (Direct Sequence CDMA)
2.1. Nguyên lý
Một tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp là một tín hiệu mà biên độ của tín hiệu
đã được điều chế trước đó được điều chế lại một lần nữa bằng một chuỗi nhị phân
NRZ có tốc độ rất cao.
Giả sử tín hiệu gốc là:
v(t) =

2Ps d(t)cosω0t

(1.1)

thì tín hiệu trải phổ DS là:
s(t) = g(t)v(t) =

2Ps g(t)d(t)cosω0t

(1.2)

với g(t) là chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên PN có các giá trị 1.
Chuỗi g(t) được tạo ra bằng một phương pháp xác định và lặp lại có chu kỳ
nhưng chiều dài chuỗi trước khi lặp lại rất dài nên người ta xem g(t) là chuỗi ngẫu
nhiên, tức là khơng có sự liên hệ giữa giá trị của một bit với giá trị của các bit khác.
Hơn nữa, tốc độ bit của g(t) là fc >> fb (tốc độ bit của chuỗi dữ liệu). Hay có thể nói
rằng g(t) phân chia các bit của d(t) thành các chip nên tốc độ g(t) gọi là tốc độ chip
(chip rate) còn tốc độ d(t) gọi là tốc độ bit (bit rate).

Băng thơng của tín hiệu v(t) là 2fb và băng thơng tín hiệu trải phổ là 2fc nên
phổ của tín hiệu được trải ra theo tỷ số fc/fb. Vì cơng suất phát của hai tín hiệu v(t)
và s(t) bằng nhau nên mật độ phổ công suất Gs(f) sẽ giảm theo một tỷ số là fb/fc.
Trước tiên, tại đầu thu, tín hiệu thu r(t) được nhân với chuỗi g(t) và sau đó là
sóng mang 2Ps cosω0t. Tín hiệu thu được cho qua bộ tích phân và đầu ra bộ tích
phân được lấy mẫu theo từng khoảng bit, ta được chuỗi dữ liệu d(kTb). Như vậy, tại
mỗi đầu thu cần phải tạo ra được dạng sóng mang hình sin, tần số ω0 và chuỗi giả
ngẫu nhiên g(t) như ở đầu phát.

GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 2


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

Hình 1.1: Dạng sóng của d(t), g(t) và d(t)g(t)
Q trình trải phổ, thu và phát:
Transmitter

Receiver
n(t)
r(t)
Integrator

d(t)
Channel

2Ps cosω0t

g(t)

Output
Tb

g(t)

2 cosω0t

Hình 1.2: Sơ đồ thu-phát trải phổ của DS

2.2. Ảnh hưởng của nhiễu nhiệt
Ta thấy rằng kỹ thuật trải phổ có thể triệt được ảnh hưởng của một tín hiệu
giao thoa xác định, ta cần xét xem hệ thống có bị ảnh hưởng bởi nhiễu nhiệt hay
khơng.
Ở hệ thống trên, dạng sóng dữ liệu d(t) là một chuỗi bit NRZ có giá trị +1 và
-1 ở tốc độ fb trong khi dạng sóng của chuỗi giả ngẫu nhiên cũng có giá trị +1 và -1
ở tốc độ fc. Trên đường truyền, tín hiệu đầu vào của hệ thống được nhân hai lần với
GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 3


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

g(t) và vì g(t)g(t) = 1 nên sẽ khơng có ảnh hưởng gì đến tín hiệu nhận được. Nhiễu

n(t) xâm nhập vào kênh và tại máy thu sẽ bị trải phổ bởi g(t) trước khi đến bộ tích
phân. Điều đó có nghĩa là cứ sau một khoảng ngẫu nhiên, cực của sóng nhiễu sẽ bị
đảo ngược một lần. Sự đảo cực này không ảnh hưởng đến mật độ phổ công suất hay
hàm mật độ xác suất của nhiễu Gauss. Do vậy cả tín hiệu và các đặc tính của nhiễu
khơng bị ảnh hưởng bởi kỹ thuật trải phổ.
Giống như đối với một hệ thống BPSK khơng có trải phổ, xác suất lỗi là:
Pe = ½ erfc E b η
trong đó

(1.3)

Eb: năng lượng bit
η/2: mật độ phổ công suất của nhiễu

2.3. Nhiễu đơn tần (Single-Tone Interference)
Ta xét tín hiệu trải phổ DS giao thoa với một tín hiệu hình sin với cơng suất
Pj ở tần số sóng mang là f0. Như vậy, trên hình 1.2, nhiễu n(t) được thay thế bằng
dạng sóng 2Pj cos(ω0t + θ).
Ngõ vào của máy thu là:
r(t) =

2Ps g(t)d(t) cosω0t +

2Pj cos(ω0t + θ)

(1.4)

Vì g2(t) = 1 nên tín hiệu ngõ ra v0(t) xuất hiện ở đầu vào bộ tích phân là:
v0(t) =

Ps d(t)(1 + cos2ω0t) +

-

Pj g(t)(1 + cos2ω0t)cosθ

Pj g(t)sin2ω0tsinθ

(1.5)

Đầu ra của bộ tích phân là:
v '0 (t ) = Ps d(t ) + Pj d(t ) cos θ

(1.6)

Chú ý rằng tại đầu vào máy thu theo cơng thức (1.4), tín hiệu thơng tin là
một tín hiệu băng rộng trong khi đó tín hiệu gây nhiễu lại là một tín hiệu băng hẹp.
Mặt khác theo cơng thức (1.6) tín hiệu thơng tin bây giờ chỉ phụ thuộc vào d(t) mà
khơng phụ thuộc vào g(t), là một tín hiệu mà băng thơng của nó đã được nén. Tín
hiệu gây nhiễu trong cơng thức (1.4) có phổ chứa một thành phần tần số f = f0 xuất
hiện như một tín hiệu băng rộng. Sử dụng cơng thức tính mật độ phổ cơng suất cho
tín hiệu BPSK, ta được mật độ phổ cơng suất của tín hiệu gây nhiễu là:
Pj cos 2 θ  sin πf f

Gj(f) =
2fc  πf f

c

c

GVHD: TS. Phạm Hồng Liên






(1.7)

Trang 4


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

Có thể xem một bộ lấy tích phân mà chu kỳ lấy tích phân của nó là Tb tương
tự như một bộ lọc thơng thấp có tần số cắt là fb = 1/Tb. Vì fb << fc nên Gj(f) trong
cơng thức (1.7) xấp xỉ với giá trị hằng số như sau:
Gj(f) =

Pj cos 2 θ

f ≤ fb

2fc

(1.8)

Nếu tín hiệu nhiễu nhiệt có mật độ phổ cơng suất là η/2 thì tín hiệu nhiễu tại
đầu vào bộ tích phân cũng có mật độ phổ công suất là η/2. Trong trường hợp này,
xác suất lỗi tại đầu ra của bộ tích phân sẽ là (1.3). Trường hợp tín hiệu gây nhiễu là
tín hiệu hình sin như ở trên, ta cũng có thể sử dụng công thức (1.3) nhưng phải thay
Gj(f) ở công thức (1.6) cho η/2. Kết quả là:
Pe = ½ erfc E b η = ½ erfc

E b fc
Pj cos 2 θ

 P  f
= ½ erfc  s  c
P  f
 j  b

= ½ erfc

 1

 cos 2 θ

Ps Tb fc
Pj cos 2 θ
(1.9)

Góc pha θ là góc pha của tín hiệu sin gây nhiễu. Ở đây xem θ là hoàn toàn
ngẫu nhiên đối với các giá trị khác. Do đó cos 2 θ = ½ nên:
 P  f
Pe = ½ erfc 2 s  c
P  f

 j  b

Ps

= ½ erfc

Pj

2

Pj.eff =

Pj
f
2 c
 fb









(1.10a)

(1.10b)

()

fc
fb

(1.10c)

Pj.eff được gọi là công suất nhiễu hiệu dụng. Tỷ số fc/fb thể hiện mức giảm
cơng suất nhiễu trung bình Pj/2 bằng cách chia (chipping) và được gọi là độ lợi xử
lý (processing gain):
Gp = fc/fb

(1.11)

Kết quả trên sẽ tốt hơn nếu tốc độ của g(t) >> tốc độ bit và g(t) là một chuỗi
ngẫu nhiên hoàn toàn. Mặt khác, nếu các điều kiện này không thỏa mãn đồng thời,
kết quả sẽ không như cơng thức (1.9). Ví dụ nếu chiều dài chuỗi ngẫu nhiên trước
khi lặp lại không dài hơn độ rộng của bit thì xác suất lỗi tăng lên.

GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 5


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

2.4. Nhiễu băng rộng (Wideband Interference)
Trong hệ thống CDMA, giả sử có K user và mỗi user được phân chia một
chuỗi mã giả ngẫu nhiên riêng biệt, những mã này không tương quan với nhau. Các
user truyền dữ liệu ở cùng tần số sóng mang fc và cùng thời gian. Tại mỗi máy thu

của các user sẽ nhận các dạng sóng giống nhau bao gồm tất cả các thông tin truyền
đi của k user:
r(t) =

k

∑
i=i

2Ps gi(t)di(t)cos(ω0t + θi)

(1.12)

trong đó gi(t) và di(t) là mã giả ngẫu nhiên có tốc độ fc và thơng tin truyền đi có tốc
độ fb của user i; θi là pha ngẫu nhiên độc lập với pha của các user khác.
Nếu ở máy thu muốn nhận được K thơng tin từ K user thì cần phải có K bộ
tương quan. Giả sử cần nhận tín hiệu của user 1 thì cần tạo ra mã giả ngẫu nhiên
g1(t) và thành phần sóng mang 2 cos(ω0t + θ1). Khi đó, ngõ ra của bộ tích phân là:
v01 =
=

k

∑
i =1

Ps g1(t)gi(t)di(t)cos(θi - θ1)

Ps d1(t) +

k

∑
i=2

Ps g1(t)gi(t)di(t)cos(θi - θ1)

(1.13a)
(1.13b)

Ta thấy rằng tích g1(t)gi(t) có cùng tốc độ chip fc, là một chuỗi giả ngẫu
nhiên riêng biệt và có thể viết lại g1(t)gi(t) ≡ g1i(t). Tương tự cos(θi - θ1) ≡ cosθ1i:
v01 =

Ps d1(t) +

k

∑
i=2

Ps g1i(t)di(t)cosθ1i

(1.14)

So sánh với công thức (1.6), ta thấy tương tự ngoại trừ cơng thức (1.14) có
K- tín hiệu nhiễu độc lập trong khi đó cơng thức (1.6) chỉ có một tín hiệu nhiễu.
Theo cơng thức mật độ phổ (1.8) với Pj = Ps và cos 2 θ = ½ thì mật độ phổ cơng suất
tổng cộng của K -1 nhiễu độc lập là:
Gj(f) ≈ (k-1)

Pj

4fc

f ≤ fb

(1.15)

Theo công thức (1.10a) với Pj = (K - 1)Ps, xác suất lỗi bit là:
 1  fc
Pe = ½ erfc 2

 k − 1  f b





(1.16)

Để đảm bảo xác suất lỗi thấp thì độ lợi xử lý phải được hiệu chỉnh sao cho:
fc/fb >> (k - 1)/2

(1.17)

Trong công thức (1.12), các tín hiệu được truyền đi có cùng mức công suất
Ps tại đầu thu nhưng trong thực tế, các mức công suất này không phải là bằng nhau.
Khi truyền đến user sẽ có các mức cơng suất cao và thấp vì các khoảng cách xa-gần
GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 6


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

khác nhau. Khi cơng suất của tín hiệu khơng mong muốn lớn hơn nhiều cơng suất
của tín hiệu mong muốn thì sẽ xuất hiện lỗi. Đó là vấn đề gần-xa (near-far problem)
giới hạn khả năng sử dụng của hệ thống DS.

3. FH - CDMA (Frequency Hopping CDMA)
3.1. Nguyên lý
Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số FH là một kỹ thuật FM hay FSK trong khi kỹ
thuật DS mô tả ở trên là một kỹ thuật AM hay PSK. Tín hiệu được xử lý nhảy tần số
(frequency hopped) thơng thường là tín hiệu BFSK. Trong hệ thống này, nguyên lý
tiến hành tương tự như DS, chuỗi giả ngẫu nhiên PN dùng để điều khiển bộ tổng
hợp tần số (frequency synthesizer) để nhảy đến một trong những tần số RF. Nếu tốc
độ nhảy fc lớn hơn tốc độ bit fb thì ta có hệ thống FH nhanh (FFH - Fast Frequency
Hopping). Nếu fc nhỏ hơn fb thì ta có hệ thống FH chậm (SFH - Slow Frequency
Hopping). Nếu fc = fb thì ta có hệ thống FH trung bình (IFH - Intermediate
Frequency Hopping), hệ thống này ít được sử dụng trong thực tế.

d(t)

HPA

Data modulator
LO

Frequency
synthesizer
m bits
PN code
generator
Clock

Hình 1.3: Bộ phát nhảy tần số
Các tần số nhảy được tạo ra bởi bộ tổng hợp tần số số (DFS - Digital
Frequency Synthesizer). Bộ này được điều khiển bằng m bit nhị phân cho ra M = 2m
tần số ở bộ nhảy tần số.

GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 7


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

Message
Modulator

d(t)

Tracking and Acquisition loop
Early-late
gate

Digital
frequency
synthesizer

Code loop
filter

m-1 bits
PN code
generator

Clock VCO

Hình 1.4: Bộ thu nhảy tần số.
Ở đầu thu, tín hiệu nhảy tần số được nhân với tín hiệu ngõ ra của bộ tổng
hợp tần số được điều khiển bởi chuỗi giả ngẫu nhiên giống như chuỗi giả ngẫu
nhiên tương ứng ở máy phát. Nếu chuỗi giả ngẫu nhiên ở máy thu đồng bộ với mã
phát thì bộ nhân sẽ dồn phổ tín hiệu RF nhận được và đưa vào bộ giải điều chế để
thu dữ liệu. Cổng sớm-trễ (early-late gates), mạch lọc mã vòng (code-loop filter) và
VCO là một phần của hệ thống con dùng để đồng bộ.

3.2. Hệ thống SFH
Ở hệ thống này, tốc độ nhảy nhỏ hơn tốc độ bit nên sẽ có hai hay nhiều bit gốc
(baseband bit) được truyền cùng tần số trước khi nhảy đến tần số RF khác. Ta có
chu kỳ nhảy TH tỷ lệ với chu kỳ bit Tb hoặc là chu kỳ ký hiệu Ts theo công thức:
TH = kTb

(1.18)

fc = fH = 1/TH

(1.19)

Băng thông RF là:
BWRF = M∆f
trong đó

(1.20)

M = 2m: số tần số tạo bởi bộ tổng hợp tần số
∆f: khoảng cách giữa hai tần số phân biệt cạnh nhau

Xét hệ thống SFH sử dụng 4-FSK, mỗi khoảng ∆f có 4 tần số điều chế. Do
đó cần 2 bit để xác định tần số. Giả sử chuỗi giả ngẫu nhiên dùng 3 bit để điều

GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 8


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

khiển bộ tổng hợp tần số nên có 8 tần số nhảy. Mỗi tần số nhảy sẽ phát đi 2 ký hiệu
hay 4 bit. Ta có q trình truyền phát như hình sau:

BWRF

∆f
2Tb
Tc
Data 01

11

00

11

11

01

10

00

00

01

10

00

01

11

00

11

11

01

10

00

00

01

10

00

∆f

Hình 1.5: Quá trình truyền phát SFH dùng 4-FSK

3.3. Hệ thống FFH
Ở hệ thống này, tốc độ nhảy tần lớn hơn tốc độ dữ liệu nên một kí hiệu thơng
tin sẽ được truyền bởi nhiều tín hiệu nhảy tần RF, ta có:
Ts = kTc

(1.21)

Băng thơng RF là:
BWRF = kM∆f

(1.22)

Độ lợi xử lý là:
Gp =

BWRF kM∆f
=
= kM
BWmod
∆f

GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

(1.23)

Trang 9


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

Như vậy, độ lợi xử lý của FFH phụ thuộc vào số tần số khác nhau sử dụng
(M) và số lần nhảy trên một kí hiệu (k).
Xét hệ thống FFH dùng 4-PSK với tần số nhảy Ts = 2Tc và m = 2. Tương tự

như ví dụ của hệ thống SFH, ta có:

BWRF

∆f

Tc
Ts
Data 0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

0

0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

0

∆f

Ts: chu kỳ phát một ký hiệu (symbol)

Hình 1.6: Quá trình truyền phát FFH dùng 4-FSK

3.4. Hệ thống FH sử dụng kỹ thuật BFSK
Tín hiệu gốc trước khi thực hiện trải phổ là:
v(t) =

2Ps cos(ω0t + d(t)Ω + θ)

GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

(1.24)

Trang 10


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

Tín hiệu gốc sẽ được điều chế FH bằng cách biến thiên tần số sóng mang.
Kết quả là tín hiệu được trải phổ FH có dạng như sau:
s(t) =

2Ps cos(ωit + d(t)Ω + θ)

(1.25)

trong đó ωi là tần số sóng mang của tín hiệu sẽ thay đổi sau mỗi thời gian TH và
được chọn từ một tập hợp tần số có giá trị mang tính chất giả ngẫu nhiên, thơng
thường từ 32 đến 500 tần số khác nhau hình thành nên tập hợp này. Ở phương pháp

này, chuỗi mã g(t) không điều chế trực tiếp mà nó dùng để điều khiển việc chọn tần
số sóng mang.

Q trình điều chế - giải điều chế:
f0
Điều chế
FM

d(t)

2 Ps cos( ω i t + Ω td ( k ) + θ)
2cos(ωi - ω0)t

Hình 1.7: Điều chế FH dùng BPSK

BPF

Env. Det.

ω0 + Ω

r(t)

+
-

2 cos(ω0t − ωit + φ)

BPF

Env. Det.

So

ω0 - Ω

Hình 1.8: Giải điều chế FH dùng BPSK

4. TH - CDMA (Time Hopping CDMA)
Trải phổ nhảy thời gian là kỹ thuật thứ ba dùng trong CDMA. Kỹ thuật này
cũng tương tự như FH nhưng lại sử dụng khe thời gian thay vì khe tần số. Bộ điều
chế TH cơ bản như sau:

GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 11


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

Gate
DATA

Burst
storage

Time-slot
select

Modulator

And
gate
n bits
PN
Generator

Hình 1.9: TH Modulator
Chuỗi giả ngẫu nhiên PN dùng để chọn khe thời gian phát cụm. Các bit dữ
liệu được lưu trữ và truyền với tốc độ cao trong suốt q trình truyền cụm. Sơ đồ bộ
thu tín hiệu TH cho như sau:

Time –slot
select

Demodulator

Bit Sync.

DATA storage DATA
and retiming

And Gate
n bits
PN
Generator

Clock

VCO

Hình 1.10: TH Receiver
Bộ chọn khe thời gian (time slot selector) dùng để chọn thành phần mong
muốn của khung và sau đó thực hiện giải điều chế. Bộ đồng bộ bit (bit

GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 12


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

synchronizer) sử dụng các dữ liệu chuyển tiếp để thực hiện tinh chỉnh mã. Quá trình
tinh chỉnh mã được thực hiện bởi clock dữ liệu và clock đồng bộ PN.

5. Hệ thống hỗn hợp (Hybrid) FH/DS
Hệ thống FH/DS sử dụng tín hiệu điều chế DS với tần số trung tâm được
chuyển dịch một cách định kỳ. Phổ tần số của bộ điều chế được minh hoạ như sau:
2

 sin x 
 Tín hiệu chuyển dịch

 x 
Kênh chuyển dịch

Hình 1.11: Phổ tần số của hệ thống tổng hợp FH/DS

Một tín hiệu DS xuất hiện một cách tức thời với băng thông là một phần của
các tín hiệu trải phổ chồng lấn nhau và tín hiệu tồn bộ xuất hiện khi dịch chuyển
tới băng thơng khác bởi mơ hình tín hiệu FH.
Hệ thống điều chế tổng hợp có ý nghĩa đặc biệt khi tốc độ xung clock của bộ
tạo mã DS đạt được giá trị cực đại và giá trị giới hạn của kênh FH. Bộ phát tổng
hợp FH/DS cơ bản như sau:

Tổng hợp tần
số

Điều chế cân
bằng

Đầu ra FH/DS

Mã FH
Mã DS + Thơng tin

Tạo mã

Thơng tin đầu vào

Hình 1.12: Bộ điều chế tổng hợp FH/DS
Bộ điều chế tổng hợp này thực hiện chức năng điều chế DS nhờ biến đổi tần
số sóng mang (sóng mang FH là tín hiệu DS được điều chế) không giống như bộ

GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 13

Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

điều chế DS đơn giản, nghĩa là có một bộ tạo mã để cung cấp các mã với bộ trộn tần
được sử dụng để cung cấp các dạng nhảy tần số và một bộ điều chế cân bằng để
điều chế DS.
Sự đồng bộ thực hiện giữa các mơ hình mã FH/DS biểu thị rằng phần mơ
hình DS đã cho được xác định tại cùng một vị trí tần số lúc nào cũng được truyền
qua kênh tần số nhất định. Nhìn chung, tốc độ mã của DS phải nhanh hơn tốc độ
dịch tần. Do số lượng các kênh tần số được sử dụng nhỏ hơn nhiều so với lượng các
chip mã nên tất cả các kênh tần số nằm trong tổng chiều dài mã sẽ được sử dụng
nhiều lần. Các kênh được sử dụng ở dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên như trong trường
hợp các mã.
Máy thu của hệ thống FH/DS như sau:

Bộ lọc IF

Đầu vào
FH/DS
fc + ∆f

Điều chế
cân bằng

Giải điều chế
băng gốc

Đầu ra

Mã DS

IF + fc + ∆f

Tạo mã

Mã FH

Tổng hợp
tần số

Hình 1.13: Bộ thu tổng hợp FH/DS
Bộ tương quan được sử dụng để giải điều chế tín hiệu đã được mã hoá trước
khi thực hiện giải điều chế băng tần gốc tại đầu thu. Bộ tương quan FH có một bộ
tương quan DS và tín hiệu dao động nội được nhân với tất cả các tín hiệu thu được.
Bộ tạo tín hiệu dao động nội trong bộ tương quan giống như bộ điều chế phát ngoại
trừ hai điểm sau:

9 Tần số trung tâm của tín hiệu dao động nội được cố định bằng độ lệch
tần số trung tần IF.
9 Mã DS không bị biến đổi bởi đầu vào băng gốc.
GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 14


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

Giá trị độ lợi xử lý của hệ thống tổng hợp được tính bằng tổng độ lợi xử lý
của hai loại điều chế trải phổ trên:
Gp(FH/DS) = Gp(DS) + Gp(FH) = 10log(số lượng các kênh) + 10log(BWDS/fb)
(1.26)

6. Đồng bộ
Đồng bộ tín hiệu trải phổ ở đầu thu cần yêu cầu ba loại đồng bộ:

9 Đồng bộ sóng mang và pha (khơi phục sóng mang).
9 Đồng bộ bit (khơi phục định thời bit).
9 Đồng bộ chuỗi giả ngẫu nhiên.
Đối với các hệ thống không kết hợp, như hệ thống giải điều chế FSK và
DPSK khơng kết hợp, thì khơng cần mạch phục hồi sóng mang, q trình giải điều
chế được tiến hành bằng bộ giải điều chế sai phân. Còn hệ thống kết hợp thì phải
yêu cầu cả ba loại đồng bộ.
Quá trình đồng bộ được tiến hành qua hai giai đoạn:

9 Đồng bộ thô (coarse synchronization).
9 Tinh chỉnh đồng bộ (fine synchronization).

6.1. Đồng bộ cho hệ thống DS
6.1.1. Đồng bộ thô
Đồng bộ thơ là q trình tìm kiếm tất cả các pha của tín hiệu đến khi pha của
chuỗi tín hiệu nhận được có cùng pha với chuỗi giả ngẫu nhiên tạo ra ở máy thu. Kỹ
thuật đồng bộ thô thường sử dụng là tìm nối tiếp từng bước (stepped serial search).
Kỹ thuật này có thể thực hiện như sau:
r(t) =

Ps g(t)cos(ω0t + θ)

Env. Det.
and Int.

BPF fo ± fb

SS

g(t-iTc)
PN
Generator

Áp ngưỡng

2
VCO

1

Hình 1.14: Mạch đồng bộ thô DS

GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 15


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

Tín hiệu thu có dạng:
r(t) =

Ps g(t)cos(ω0t + θ)

(1.27)

Đầu tiên, cơng tắc S ở vị trí 1 có điện áp cố định cho phép cổng AND. Bộ
dao động hoạt động ở tần số fc cho ra các xung clock điều khiển bộ tạo chuỗi giả
ngẫu nhiên. Giả sử rằng bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên ở máy thu và ở máy phát
khơng đồng bộ nên tín hiệu vào BPF có phổ trải rộng. Tín hiệu này sẽ có mật độ
phổ cơng suất nhỏ. Do đó mức cơng suất ở ngõ ra của BPF và của mạch tách sóng
bao hình là mức thấp . Sau đó tín hiệu ngõ ra bộ tách sóng bao hình cho qua mạch
tích phân. Nếu tín hiệu chưa đồng bộ thì ngõ ra của mạch tích phân sẽ không đủ lớn
hơn điện áp ngưỡng của mạch so sánh. Khi cơng tắc S sẽ chuyển sang vị trí 2 thì
cổng AND khơng hoạt động và dừng bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên. Sau đó cơng tắc
S chuyển sang vị trí 1 q trình được lặp lại.. Đồng bộ thơ được xác lập khi tích
g(t)g(t - iTc) = g2(t) = 1, lúc này ngõ ra của mạch tách sóng hình bao và của mạch
tích phân có mức cao nên ngõ ra của bộ so sánh cũng ở mức cao. Cơng tắc S chuyển
sang vị trí 1 hay 2 khơng làm dừng hoạt động của bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên.

6.1.2. Tinh chỉnh đồng bộ (Tracking or Fine Synchronization)
Tín hiệu sau khi được đồng bộ thô sẽ đưa vào mạch tinh chỉnh đồng bộ, sử
dụng DLL (Delay Locked Loop) như sau:
VD

BPF

VDF

Env. Det.

g(t + τ - Tc/2)
S(t)

+
PN
Generator

VCO

y(t)

LPF

∑
–

g(t + τ + Tc/2)

VA

BPF

VAF

Env. Det.

Hình 1.15: Mạch tinh chỉnh đồng bộ DS
Tín hiệu ngõ vào DLL liên quan đến tốc độ chuỗi giả ngẫu nhiên g(t) và

chuỗi dữ liệu d(t). Bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên ở máy thu sẽ tạo ra chuỗi giống như
chuỗi thu được nhưng sẽ lệch một khoảng thời gian, tức là g(t + τ) và sau đó sẽ tạo
ra hai chuỗi sớm và trễ một lượng Tc/2: g(t + τ - Tc/2) và g(t + τ + Tc/2).
GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 16


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

vD = g(t) g(t + τ - Tc/2)d(t)cos(ω0t + θ)

(1.28)

vA = g(t) g(t + τ + Tc/2)d(t)cos(ω0t + θ)

(1.29)

Các tín hiệu này cho qua các bộ BPF giống nhau có BW = 2fb và tần số trung
tâm f0. Băng thông của BPF nhỏ hơn nhiều so với băng thông của chuỗi giả ngẫu
nhiên nên chỉ cho giá trị trung bình của g(t) g(t + τ ± Tc/2) đi qua. Do đó ngõ ra của
mạch lọc là:
vDF ≈ d(t)cos(ω0t + θ)

(1.30)

vAF ≈ d(t)cos(ω0t + θ)

(1.31)

Ta thấy rằng giá trị trung bình của tích g(t)g(t + τ ± Tc/2) là hàm tự tương
quan của nó:
Rg(τ ± Tc/2) = g(t) g(t + τ ± Tc / 2)

(1.32)

Mạch tách sóng bao hình sẽ loại dữ liệu d(t) nên tín hiệu ngõ ra là:

R g (τ − Tc / 2)
R g (τ + Tc / 2 )

và

Ngõ vào của VCO là:
y(t) = R g (τ − Tc / 2 ) - R g (τ + Tc / 2 )

(1.33)

Rg(τ - Tc)
-3Tc/2

Tc/2
-Tc

-Tc/2

Tc
3Tc/2

Rg(τ + Tc)

Hình 1.16: VCO Input

GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 17


Tách sóng đa truy nhập dùng mạng Hopfield

Giới thiệu chung

Nếu τ > 0 thì điện áp dương xuất hiện ở ngõ vào VCO làm tăng tần số của
VCO và làm giảm τ. Tương tự, nếu τ < 0 thì điện áp âm xuất hiện ở ngõ vào VCO
làm giảm tần số của VCO và làm tăng τ.

6.2. Đồng bộ cho hệ thống FH
6.2.1. Đồng bộ thô
Như ta đã biết, hệ thống thông tin không kết hợp như FSK sẽ yêu cầu đồng
bộ bit để cho phép phục hồi tín hiệu ở đầu thu. Hệ thống kết hợp yêu cầu thêm đồng
bộ pha và sóng mang để cho phép giải điều chế tín hiệu. Trong hệ thống trải phổ,
đồng bộ pha sử dụng để tạo lại dạng sóng chia (chipping waveform) giống với tín
hiệu phát. Q trình đồng bộ thơ FH tương tự như kỹ thuật tìm nối tiếp trong hệ
thống DS ngoại trừ bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên điều khiển tần số nhảy. Sơ đồ khối
của mạch đồng bộ thơ FH như sau:

Tổng hợp
tần số

Acos(ωit + θ)
BPF

Máy phát

Env. Det.

cos(ωit +ω0t +φ)
Tổng hợp
tần số

PN Generator

Clock fh

VCO

Áp ngưỡng

SS

PN Generator

Clock fh

Điều khiển
đóng / ngắt

Hình 1.17: Mạch đồng bộ thơ FH

Mạch bao gồm bộ trộn, bộ BPF có tần số trung tâm là f0 với băng thông gấp
hai lần tốc độ nhảy (BW = 2fH), bộ tách sóng bao hình, bộ so sánh và VCO. VCO
bao gồm xung clock, bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên, bộ tổng hợp tần số. Xung clock
được điều khiển bởi ngõ ra bộ so sánh và được truyền tới bộ tạo PN. Bộ tạo chuỗi
PN và tổng hợp tần số của máy phát và máy thu giống nhau. Bộ tổng hợp tần số chỉ
có một bộ dao động mà tần số của nó được điều khiển bởi chuỗi giả ngẫu nhiên. Do

GVHD: TS. Phạm Hồng Liên

Trang 18