Thiết kế và thi công một tuyến truyền dẫn trong truyền thông được bảo mật bằng kỹ thuật trải phổ

..

LIỆT KÊ HÌNH
Hình 2.1Sơ đồ tóm tắt q trình phát triển của mạng thông tin di động từ
1G lên 4G.................................................................................................................... 5
Hình 2.2Hệ thống FDMA .......................................................................................... 6
Hình 2.3 Hệ thống TDMA ......................................................................................... 7
Hình 2.4Hệ thống CDMA .......................................................................................... 9
Hình 2.5Lộ trình phát triển từ 2G lên 3G ............................................................... 11
Hình 2.6Sơ đồ khối hệ thống CDMA ...................................................................... 14
Hình 3.1Sơ đồ khối máy phát DSSS – BPSK.......................................................... 19
Hình 3.2 Tín hiệu trải phổ và điều chế BPSK ........................................................ 19
Hình 3.3 Phổ của tín hiệu DSSS ............................................................................. 20
Hình 3.4 Máy thu DSSS – BPSK ........................................................................... 21
Hình 3.5 Dạng sóng giải điều chế ............................................................................ 22
Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống kênh truyền sử dụng kỹ thuật trải phổ DS-SS ........ 24
Hình 4.2Sơ đồ khuếch đại hạn biên và LPF ............................................................ 25
Hình 4.3Sơ đồ tương đương chế độ DC .................................................................. 26
Hình 4.4Sơ đồ tương đương chế độ AC(tụ ngắn mạch) .......................................... 27
Hình 4.5Sơ đồ tương đương chế độ AC(tụ dung kháng) ......................................... 28
Hình 4.6Sơ đồ mạch KĐ tầng 2 và mạch PHTK ..................................................... 29
Hình 4.7Sơ đồ mạch điều chế Delta tuyến tính ....................................................... 31
Hình 4.8Sóng mơ phỏng mạch điều chế Delta ........................................................ 32
Hình 4.9Sơ đồ mạch điều chế Delta ........................................................................ 33
Hình 4.10 Sơ đồ mạch Tín hiệu xung clock ........................................................... 34
Hình 4.11Sơ đồ ngun lí mạch tạo mã giả PN....................................................... 34
Hình 4.12Dạng sóng mơ phỏng mã giả ngẫu nhiên................................................. 35
Hình 4.13 Sơ đồ khối tái lập sóng mang 1Mhz ...................................................... 36
Hình 4.14Sơ đồ mạch traỉ phổ tín hiệu .................................................................... 37
Hình 4.15Sơ đồ mạch điều chế BPSK ..................................................................... 38
Hình 4.16Dạng sóng mơ phỏng điều chế BPSK...................................................... 38

Hình 4.17Sơ đồ khối đồng bộ PN nơi phát .............................................................. 39
Hình 4.18Sơ đồ mạch đồng bộ PN nơi phát ............................................................ 40
Hình 4.19 Sơ đồ khối đồng bộ PN nơi thu ............................................................. 41
Hình 4.20 Sơ đồ mạch đồng bộ PN nơi thu ............................................................ 42
Hình 4.21 Sơ đồ khối khơi phục sóng mang tại nơi thu ......................................... 42
Hình 4.22 Mạch bình phương ................................................................................ 43
Hình 4.23 Dạng sóng mơ phỏngmạch bình phương .............................................. 43
Hình 4.24Sơ đồ ngun lí của mạch PLL ................................................................ 44
Hình 4.25Sơ đồ mạch chia tần ................................................................................. 46
Hình 4.26Sơ đồ mạch giải điều chế BPSK .............................................................. 16
Hình 4.27Dạng sóng tín hiệu mơ phỏng giải điều chế BPSK ................................. 46
Hình 4.28Sơ đồ mạch lộc âm tần ............................................................................. 47
Hình 4.29Sơ đồ mạch khuếch đại cơng suất ra loa .................................................. 48
Hình 4.30 Tín hiệu xung clock .............................................................................. 49
Hình 4.31 Tín hiệu voice ....................................................................................... 49
Hình 4.32 Tín hiệu trước và sau khối điều chế Delta ............................................ 50
Hình 4.33 Tín hiệu mã PN ....................................................................................... 50
Hình 4.34 Tín hiệu điều chế BPSK.......................................................................... 51
Hình 4.35 Tín hiệu mạch bình phương .................................................................. 51
Hình 4.36 Tín hiệu mạch PLL và D-FF ................................................................. 52
Hình 4.37 Tín hiệu mã PN nơi thu và phát .............................................................. 52
Hình 4.38 Tín hiệu phổ băng hẹp ........................................................................... 53
Hình 4.39 Tín hiệu trải phổ miền tần số ................................................................. 53
Hình 4.40 Hình mạch thực tế ................................................................................. 54


MỤC LỤC
Trang

Tóm tắt đề tài .......................................................................................................... 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề ..........................................................................................................2
1.2 Mục tiêu của đề tài .............................................................................................3
1.3 Nội dung nghiên cứu...........................................................................................3
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .....................................................................3
1.5 Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................4
1.6 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài................................................................................4

CHƢƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
2.1

Lịch sử phát triển của hệ thống viễn thông ................................................. 5

2.2

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) ........................................ 5
2.3.1 Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA ............................................. 5
2.3.2 Đặc điểm của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ..................... 6

2.3

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) .......................................... 7
2.3.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA .................................. 7
2.3.2 Đa truy cập phân chia theo mã gian CDMA........................... …….8

2.4

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) ......................................... 10

2.5

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) .......................................... 12

CHƢƠNG 3:KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG HỆ THỐNG CDMA
3.1Chuỗi mã giả ngẫu nhiên……………………………………………………...14
3.2 Hệ thống trải phổ……………………..………………………………………15
3.2.1Nguyên lý trải phổ..........................................................................................16
3.2.2 Ưu nhược điểm của kỹ thuật trải phổ…………............................................16


3.3.3 Các kỹ thuật trải phổ ....................................................................................17
3.2.3.1 Trải phổ trực tiếp .....................................................................................17
3.2.3.2 Khái niệm … ……………………………………………….…………...17
3.2.3.3 Tín hiệu giả tạp âm .....................................................................................18

CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH
4.1 Sơ đồ khối hệ thống DS-SS ............................................................................ 23
4.2 Khối khuếch đại âm tần .............................................................................. 25
4.2.1 Mạch micro ............................................................................................. 25
4.2.2 Khuếch đại tín hiệu nhỏ .......................................................................... 25
4.3 Khối điều chế và giải điều chế Delta ........................................................... 31
4.3.1 Khối điều chế Delta ................................................................................ 31
4.3.2 Khối giải điều chế Delta ......................................................................... 34
4.4 Khối tạo xung clock đồng bộ ....................................................................... 35
4.5 Khối tạo mã giả ngẫu nhiên ......................................................................... 35
4.6 Khối tạo sóng mang 1Mhz ........................................................................... 36
4.7 Khối trải phổ ................................................................................................ 38
4.8 Khối điều chế BPSK .................................................................................... 38
4.9 Khối đồng bộ PN ......................................................................................... 39

4.10 Khối khôi phục sóng mang .......................................................................... 42
4.10.1 Khối bình phương tín hiệu BPSK......................................................... 43
4.10.2 Khối so pha dùng PLL .......................................................................... 44
4.10.3 Khối chia tần......................................................................................... 46
4.11 Khối giải điều chế BPSK ............................................................................. 47
4.12 Khối lộc âm tần ............................................................................................ 48
4.13 Khối khuếch đại công suất ra loa ................................................................. 49


4.14 Kết quả thực ngiệm ...................................................................................... 49
4.14.1 Dạng sóng miền thời gian ................................................................. 49
4.14.1.1 Tín hiệu xung clock ................................................................... 49
4.14.1.2 Tín hiệu voice và sau khi qua khối LPF .................................... 49
4.14.1.3 Tín hiệu trước và sau khối điều chế Delta ................................. 50
4.14.1.4 Tín hiệu mã giã PN .................................................................... 51
4.14.1.5 Tín hiệu điều chế BPSK ............................................................ 52
4.14.1.6 Tín hiệu khơi phục sóng mang................................................... 53
a.Mạch bình phương ............................................................................ 53
b.Mạch PLL và D-FF .......................................................................... 54
4.14.1.7 Tín hiệu chuỗi PN bên phát và thu ............................................ 54
4.14.1 Dạng sóng miền tần số ...................................................................... 55
4.14.2.1 Tín hiệu trải phổ băng hẹp ......................................................... 55
4.14.2.2 Tín hiệu trải phổ được điều chế ................................................. 55
CHƢƠNG 5 :KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
5.1 Kết luận ........................................................................................................... 55
5.2

Hướng phát triển đề tài ............................................................................... 56

1

TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Ngay nay,với sự phát triển vượt mạnh của ngành viễn thông,ứng với nhiều thế
hệ di động lần lượt ra đời như 1G -> 2G -> 2.5G -> 3G -> 4G.Sử dụng các kỹ thuật
FDMA TDMA,CDMA,W-CDMA,HSPA,LTE…Góp phần thúc đẩy xã hội ngày càng
phát triển nhờ vào sự thông tin liên lạc nhanh chóng…
Hiện tại em cịn đang ngồi trên ghế nhà trường,với trang thiết bị phịng thí
nghiệm.Em tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ trong hệ thống CDMA,là một trong những kỹ
thuật quan trọng trong bước tiến của công nghệ viễn thông.
Đây là một hệ thống hoạt động dựa trên mạng thơng tin di động. Ứng dụng
chính của hệ thống này là nâng cao tính bảo mật cho tiếng nói con người trong truyền
thơng vơ tuyến và giải quyết được vấn đề tài nguyên tần số bị giới hạn…
Hệ thống này đảm bảotốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng
như truy nhập internetnhanh chóng hoặc các ứng dụng đa phương tiện, do yêu cầu
ngày càng tăng về cácdịch vụ này.
Hệ thống nàyLinh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân tồn
cầu và điệnthoại vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ của
cáchệ thống thơng tin di động.
Hệ thống có thể đáp ứng số lượng thuê bao lớn.
Với hệ thống này, chúng ta sẽ khắc phục được những mặt hạn chế của các thế
hệ di động trước.
Sau một thời gian nghiên cứu đề tài này, do chưa có điều kiện tiếp xúc trực tiếp
với những thiết bị hiện đại để tìm hiểu nên đề tài chỉ khảo sát một mơ hình viễn thông
thu nhỏ ứng dụng kỹ thuật trải phổ DSSS(DS-BPSK) trong hệ thống CDMA.
Một số kết quả đạt được:
- Thi công các mạch điện đảm nhiệm chức năng các khối.
-Thực hiện thành công kỹ thuật trải phổ,điều chế BPSK.

2

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1

Đặt vấn đề:
Trong thời đại ngày nay, hệ thống thông tin liên lạc là một trong những vấn đề

quan trọng của loài người. Nhất là những ứng dụng của kỹ thuật thông tin liên lạc vào
lĩnh vực kinh tế,khoa học và đời sống. Chính vì vậy mà xã hội lồi người đã phát triển
khơng ngừng. Đặc biệt trong những thập niên gần đây, ngành bưu chính viễn thơng đã
phát triển mạnh mẽ tạo ra bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực thông tin để đáp ứng
nhu cầu của con người.Ngồi dịch vụ thoại,con người cịn muốn nhiều dịch vụ khác:
video call,truy nhập internet…Vì thế, ngành bưu chính viễn thơng ln là đề tài được
các nhà khoa học,kỹ sư và đông đảo các bạn đọc của các ngành có liên quan đến ngành
bưu chính viễn thơng.
Đối với tín hiệu âm thanh là tín hiệu tương tự (analog) thì phương pháp điều
chế để truyền bằng vơ tuyến điện thường khơng có tính bảo mật như điều chế AM,
SSB, FM, PM…vậy nên khó tránh khỏi bị hack thơng tin.Do đó phương pháp bảo mật
bằng hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng mã giả ngẫu nhiên,có tính bảo mật rất
cao.
Đối với thế hệ đi động thế hệ thứ nhất(1G) sử dụng đa truy cập phân chia theo
tần số(FDMA) thì giới hạn về:dịch vụ chỉ là thoại,bảo mật kém,giới hàn người
dùng.Tiếp theo là thế hệ di động thứ hai(2G) sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa
truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA),tuy đã được
tối ưu hoá cho các dịch vụ thoại thời gian thực nhưng chúng hạn chế trong việc cung
cấp các dịch vụ đa phương tiện băng rộng bởi vì tốc độ truyền dữ liệu chậm,chúng ta
cần có tốc độ truyền dữ liệu phải đáp ứng được.Tiếp đến là thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá
sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và ứng dụng so với các thế hệ trước đó, và

có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện gói là thế hệ đang được triển khai ở


3

một số quốc gia trên thế giới.Vì vậy, đã mở ra một lối đi mới trong lĩnh vực viễn
thông.
Đồng thời,việc hack cuộc gọi,dung lượng thuê bao,xung đột tần số…là vấn đề
cần được giải quyết triệt để trong viễn thông.
Xuất phát từ ý tưởng và tình hình thực tế trên, chúng em chọn đề tài“Thiết Kế
vàThi Công Một Tuyến Truyền Dẫn Trong Truyền Thông Đƣợc Bảo Mật
Bằng Kỹ Thuật Trải Phổ”.
1.2 Mục tiêu của đề tài:
Với những mong muốn trên, ý tưởng để giải quyết vấn đề được đặt ra là:
- Tốc độ truyền dữ liệu cao.
- Phục vụ đồng thời một lượng thuê bao lớn.
- Bảo mật thông tin tốt.
1.3Nội dung nghiên cứu:
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, đề tài thực hiện với những nội dung chính sau:
*Nghiên cứu về các kỹ thuật điều chế.
*Thiết kế các mạch điện tử đảm nhiệm chức năng từng khối trong hệ thống.
*Thực hiện quá trình trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng mã giã ngẫu nhiên.
1.4 Đối tƣợng và Phạm vi nghiên cứu:
Điều chế số,kỹ thuật điềuchế và giải điều chế,các kỹ thuật trải phố.Do hệ thống có quy
mơ tương đối lớn và do điều kiện nên đề tài tập trung nghiên cứu một đường tuyến
truyền dẫn và những mạch điện đảm nhiệm chức năng của một số khối.
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu:
Nhìn chung,ngày nay có rất nhiều phương pháp để truyền thông tin vô tuyến:
- Thế hệ không dây thứ 1 là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập
phân chia phân chia theo tần số (FDMA).

4

- Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian
(TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).
- Thế hệ thứ 3 ra đời sử dụng W-CDMA đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung
lượng và ứng dụng so với các thế hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa
phương tiện.
Từ những phương pháp trên, đề tài chọn phương pháp nâng cao tính bảo mật
tiếng nói con người trong truyền thơng vơ tuyến với kỹ thuật trảo phổ trực tiếp(DSSSBPSK).
1.6 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài :
Có cái nhìn thực tế hơn về một hệ thống trải phổ tín hiệu, từ đó tìm hiểu về ứng
dụng CDMA,WCDMA…đang được sử dụng phổ biến.


5

CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN HỆ THỐNG DI ĐỘNG
2.1Lịch sử phát triển của hệ thống viễn thơng:

Hình 2.1.

Sơ đồ tóm lược q trình phát triển của mạng thơng tin di động
từ 1G lên 4G

2.2Hệ thống thông tin di động thứ nhất (1G):
2.2.1 Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA:
FDMA (Frequency Division Code Multiple Acess) là hệ thống đa truy cập phân

chia theo tần số. Với loại này thì mỗi tín hiệu khác nhau được phân biệt dựa vào kênh
tầnsố khác nhau, tức là mỗi đường tín hiệu chiếm giữ một tần số. Do đó trong cùng
một thời điểm chỉ có một kênh được truy nhâp.


6

Hình 2.2

Hệ thống FDMA

Chúng ta có thể thấy được từ hình 1.2 rằng mỗi người sử dụng chỉ được một
băng tần nhất định hay là một kênh. Các kênh này được ấn định theo yêu cầu của
người sử dụng.
2.2.2 Đặc điểm của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất :
+ Ƣu Điểm:


Đơn giả.



Không cần bộ cân bằng (equalizer).



Khơng cần bộ mã hóa thoại (Voice Coder).
+Nhƣợc điểm:



Cần một khoảng băng bảo vệ (guard band).



Khó mật mã.



Nhiễu xuyên kênh.



Dung lượng thấp (sử dụng băng tần không hiệu quả).



Chất lượng rất thấp .



Bảo mật kém .



Hạn chế số người sử dụng .


7

2.3 Hệ thống thông tin di động thứ hai (2G)
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao cả về số lượng và chất
lượng, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng
lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số .
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sửdụng điều chế số .Và chúng sử
dụng 2 phương pháp đa truy cập :
+
TDMA).
+

Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access -

Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access -CDMA).

2.3.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

Hình 2.3

Hệ thống TDMA

Với phương pháp truy cập TDMA thì nhiều người sử dụng một sóng mang và
trục thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều người sử
dụng sao cho khơng có sự chồng chéo. Phổ quy định cho liên lạc di động được
chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này dùng chung cho N kênh
liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ một khung. Các thuê


8

bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát

cho một khe thời gian trong cấu trúc khung .


Đặc điểm :
+

Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số.

+

Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau,

trong đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các
máy di động và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động
đến trạm gốc. Việc phân chia tần như vậy cho phép các máy thu và máy phát có
thể hoạt động cùng một lúc mà không sợ can nhiễu nhau.
+

Giảm số máy thu phát ở BTS.

+

Giảm nhiễu giao thoa.

Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thơng tin di động tồn cầu (Global
System for Mobile Communications - GSM).Máy điện thoại di động kỹ thuật số
TDMA phức tạp hơn kỹ thuật FDMA. Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong
MS tương tự có khả năng xử lý khơng q 106 lệnh trong 01 giây, cịn trong
MS số TDMA phải có khả năng xử lý hơn 50x106 lệnh trên giây.
2.3.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA.

Với phương pháp đa truy cập CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên
nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vơ tuyến đồng thời tiến hành các
cuộc gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên được
phân biệt với nhau nhờ dùng một mã đặc trưng không trùng với bất kỳ ai.
Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh
này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise PN).


9

Hình 2.4Hệ thống CDMA


Đặc điểm của CDMA:
+

Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz.

+

Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.

+

Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vơ tuyến sử dụng có cường

độ trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA .
Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị
truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số khơng cịn vấn
đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt.

Hệ thống thế hệ thứ 2G có nhiều ưu điểm vượt trội so với 1G do sử dụng công
nghệ số và các phương thức truy nhập, ghép kênh, điều chế mới …
Các tiến bộ trong công nghệ làm cho hệ thống di động thứ 2 có các ưu điểm so với thế
hệ thứ nhất :



+

Dung lượng tăng hơn

+

Chất lượng thoại tốt hơn

+

Hỗ trợ được các dịch vụ gia tăng (truyền số liệu)
Một số hệ thống điển hình :


10

+

GSM – TDMA triển khai ở châu Âu.

+

D-AMPS (IS-136 – Digital Advanced Mobile Phone System ) – TDMA

được triển khai ở Mỹ.
+

IS-95(CDMA one) – CDMA triển khai ở Mỹ và Hàn Quốc.

+

PDC ( Personal Digital Cellular) TDMA triển khai ở Nhật Bản.

2.4 Hệ thống thông tin di động thứ ba (3G)
Công nghệ thông tin di động số thế hệ ba. Công nghệ này liên quan đến những
cải tiến đang được thực hiện trong lĩnh vực truyền thông không dây cho điện thoại và
dữ liệu thông qua bất kỳ chuẩn nào trong những chuẩn hiện nay. Đầu tiên là tăng tốc
độ bit truyền từ 9.5Kbps lên 2Mbps. Khi số lượng thiết bị cầm tay được thiết kế để
truy cập Internet gia tăng, u cầu đặt ra là phải có được cơng nghệ truyền thông
không dây nhanh hơn và chất lượng hơn. Công nghệ này sẽ nâng cao chất lượng thoại,
và dịch vụ dữ liệu sẽ hỗ trợ việc gửi nội dung video và multimedia đến các thiết bị
cầm tay và điện thoại di động.
Các hệ thống thông tin di động số ở Việt Nam hiện nay đang ở giai đoạn
chuyển từ thế hệ 2.5G sang thế hệ 3G (3G–Third Generation). Để đáp ứng nhu cầu
ngày càng tăng và các dịch vụ thông tin di động, ngay từ đầu những năm đầu của thập
kỷ 90 người ta đã tiến hành nghiên cứu hoạch định hệ thống thông tin di động thế hệ
ba. ITU-R đã tiến hành cơng tác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thơng tin di động tồn
cầu IMT-2000. Ở châu Âu ETSI đã tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên bản này với tên gọi
là UMTS (Universal Mobile Telecommunnication System). Hệ thống mới này sẽ làm
việc ở dải tần 2GHz. Nó sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ
thoại và số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh. Tốc độ cực đại của người sử dụng
có thể lên đến 2Mbps. Người ta cũng đang tiến hành nghiên cứu các hệ thống vô tuyến
thế hệ thứ tư có tốc độ lên đến 32Mbps.

Hệ thống thơng tin di động thế hệ ba được xây dựng trên cơ sở IMT – 2000 với
các tiêu chí sau :


11

-

Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz với đường lên có dải tần 1885-

2025MHz và đường xuống có dải tần 2110-2200MHz.
-

Là hệ thống thơng tin di động tồn cầu cho các loại hình thơng tin vơ tuyến, tích

hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến, đồng thời tương tác với mọi loại dịch
vụ viễn thông.
-

Hệ thống thông tin di động 3G sử dụng các môi trường khai thác khác nhau.

-

Có thể hỗ trợ các dịch vụ như : Môi trường thông tin nhà ảo (VHE – Virtual

Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạch
toàn cầu; Đảm bảo chuyển mạng quốc tế; Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng
thời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.
-

Dễ dàng hỗ trợ các dich vụ mới xuất hiện.
Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai phát triển thông dụng nhất hiện nay là:

GSM, cdmaOne (IS-95), TDMA (IS-136), PDC. Trong quá trình thiết kế hệ thống
thông tin di động thế hệ ba, các hệ thống thế hệ hai được cơ quan chuẩn hóa của từng
vùng xem xét để đưa ra các đề xuất tương ứng thích hợp với mỗi vùng.

Hình 2.5. Lộ trình phát triển từ 2G đến 3G


12

Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba:
Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào phục vụ
từ năm 2001. Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng
thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ thứ hai.
-

Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:
 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng.
 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương.

-

Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G):
 Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:
Đường lên

: 1885-2025 MHz.

Đường xuống : 2110-2200 MHz.
 Là hệ thống thông tin di động tồn cầu cho các loại hình thơng tin vơ tuyến:
Tích hợp các mạng thơng tin hữu tuyến và vô tuyến.
Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông.
 Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong cơng sở, ngồi đường, trên
xe, vệ tinh.
 Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:
Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ
sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu.
Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.
Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển
mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.
 Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.

2.5 Hệ thống thông tin di động thứ tƣ (4G)
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba sang thế hệ thứ tư qua giai đoạn trung
gian là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA. Thế
hệ thứ tư là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với


13

tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gb/giây. Công nghệ 4G
được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của
NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mb/giây khi
di chuyển và tới 1Gb/giây khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền
lên hình ảnh động chất lượng cao. Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương
tiện truyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các ứng dụng mạnh mẽ cho các
mạng không dây nội bộ và các ứng dụng khác.
Thế hệ thứ tư dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao

OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những tần số
khác nhau. Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số
độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số). Thiết bị 4G sử dụng máy thu vô tuyến
xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - Defined Radio) cho phép sử dụng băng
thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời. Tổng đài chuyển mạch mạng
4G chỉ dùng chuyển mạch gói. Do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu.


14

CHƢƠNG 3
KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG
HỆ THỐNG CDMA
Hệ thống CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nên nhiều người sử dụng có thể
chiếm cùng kênh vơ tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi. Những người sử dụng nói
trên được phân biệt lẫn nhau nhờ dùng một loại mã đặc trưng không trùng với bất kỳ
ai. Kênh vô tuyến được dùng lại ở mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng
được phân biệt nhau nhờ mã giã ngẫu nhiên. Một kênh CDMA(IS-95) rộng 1,23 Mhz
với hai dải biên phòng vệ 0.27 Mhz, tổng cộng 1,77 Mhz. CDMA dùng mã trải phổ có
tốc độ chip 1,2288 Mcp. Dịng dữ liệu gốc được mã hóa và điều chế ở tốc độ chip.
Tất cả các thuê bao trong CDMA sử dụng một kênh chung (về tần số ) ở cùng
một thời điểm và phân biệt với nhau bằng mã.
Antenna

Voice

A/D
Converter

Vocoder

Encoder &
Interleaver

Spreader
Code
Generator

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống CDMA

3.1 Chuỗi mã giả ngẫu nhiên:

D/A RF


15

Hệ thống CDMA là hệ thống đa truy nhập dựa trên mã giả ngẫu nhiên (mã giả
nhiễu – PN Pseudo Noise Sequence) và thực hiện dựa trên kỹ thuật trải phổ.

Chuỗi giả ngẫu nhiên có tác dụng làm xáo trộn chuỗi bit, bên cạnh đó nó cịn
ứng dụng cho trải phổ tín hiệu. Tín hiệu giả ngẫu nhiên khác với tín hiệu ngẫu nhiên ở
chỗ: tín hiệu ngẫu nhiên khơng thể đốn trước, những thay đổi cuả nó chỉ có thể mơ tả
theo đặc tính thống kê. Trong khi đó, tín hiệu giả ngẫu nhiên hồn tồn khơng ngẫu
nhiên vì tín hiệu này có tính tuần hồn và đã được xác định tại đầu thu và phát. Tính
giả ngẫu nhiên ở chỗ: mặc dù có đặc tính thống kê của nhiễu trắng nhưng đối với
người nhận khơng có thẩm quyền, nó là ngẫu nhiên.
+ Một số đặc điểm cơ bản của chuổi giả ngẫu nhiên:
- Chuổi PN phải có chu kỳ lớn
- Chuổi PN phải có tương quan chéo bé

- Chuổi PN phải có hàm tự tương quan lớn
- Chuỗi PN phải có tính chất giống chuổi ngẫu nhiên (xác suất xuất hiện bit 1
và bit 0 gần bằng nhau và bằng 0.5)
- Tốc độ chip của chuổi PN phải lớn
+ Một số chuổi PN nhị phân:
- Chuổi M (chuổi thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính có chiều dài cực đại
– M Sequence)
- Chuổi Gold
- Chuổi Kasami
- Chuổi Walsh
+ Chuổi PN phức
3.2 Hệ thống trải phổ:


16

Trải phổlà kỹ thuật mà phổ tín hiệu ngỏ ra được trải rộng hơn rất nhiều so với
phổ của tín hiệu ngỏ vào.

Lý do dùng kỹ thuật trải phổ:
-

Nhiều công nghệ và dịch vụ ứng dụng trên hệ thống thông tin vô tuyến 
quản lý tài nguyên vô tuyến trở nên phức tạp. Trước đây tài nguyên vô tuyến
được phân chia cụ thể cho từng ứng dụng  chưa sử dụng triệt để phổ tần số.
Hiện nay kỹ thuật trải phổ được ứng dụng để tận dụng một cách có hiệu quả
nhất phổ tần số của tài nguyên vô tuyến. (overlay)

-

Hạn chế nhiễu

-

Lọai hoặc giảm ảnh hưởng của nhiễu đa đường

-

Cung cấp một mức độ bảo mật tín riêng tư cho người dùng

3.2.1Ngun lí trải phổ:
Trải phổ là q trình biến đổi một tín hiệu có băng thơng hẹp thành một tín hiệu
có băng thơng rộng hơn nhiều lần, làm mật độ phổ cơng suất của tín hiệu sẽ giảm đi
đáng kể.
Các kỹ thuật trải phổ giải quyết được rất nhiều vấn đề thông tin như khả năng
can nhiễu, ghép kênh phân chia mã cho các ứng dụng đa truy cập chia mã,…Khả năng
nâng cao chất lượng nhờ việc sử dụng kỹ thuật trải phổ được đặc trưng bằng độ lợi xử
lí của hệ thống trải phổ. Độ lợi xử lí là độ khác biệt về chất lượng của hệ thống dùng
trải phổ so với hệ thống không dùng trải phổ trong khi các điều kiện khác là giống
nhau.Độ lợi xử lí được xấp xỉ bằng tỉ lệ băng thơng trải với tốc độ thông tin(thông
thường là khá lớn).
3.2.2 Ƣu nhƣợc điểm của kỹ thuật trải phổ:
 Ƣu điểm:


17

Mật độ phổ công suất thấp.
Khả năng chống nhiễu cao,chống lại các nhiễu cố tình hoặc vơ tình.
Có khả năng loại trừ hay giảm nhẹ của truyền sóng nhiều tia.

Có khả năng dùng chung băng tần với người sử dụng khác nhờ đặc trưng
tínhiệu giống tạp âm của nó.
Tính bảo mật rất cao do sử dụng mã giả ngẫu nhiên PN,mỗi người sử
dụng được mã hóa ở một mã khác nhau.Điều này làm cho việc phát hiện
thuê bao khác là việc vơ cùng khó khăn và hầu như khơng thể.
 Nhƣợc điểm:
Đồng bộ mã PN rất khó do ảnh hưởng của mơi trường truyền.
Việc mã hóa và giải mã rất phức tạp,tốc độ cao,địi hỏi độ chính xác rất
cao.
3.2.3 Các kỹ thuật trải phổ:
+Lịch sử phát triển kỹ thuật trải phổ:
-

Trước chiến tranh thế giới thứ II, SS được sửng dụng cho quân đội dùng kỹ
thuật điều chế FM tại Mỹ và Châu Âu (Đức)

-

1950 De-Rosa Rogoff trình bày ý tưởng về kỹ thuật DS/SS

-

1978 Cooper và Nettleton đề nghị ứng dụng SS vào thông tin di động tế bào

-

1980s Qualcomm nghiên cứu SS và ứng dụng vào hệ thống di động tế bào,
đến 1993 thì hình thành chuẩn IS-95 và đưa vào phục vụ 1996

-

Hiện nay SS được xem là ứng cử viên của thế hệ 3G (CDMA 2000 và
WCDMA)

+ Các kỹ thuật cơ bản:
-

DS/SS (Direct Sequence/SS)

-

FH/SS (Frequency Hopping/SS)

-

TH/SS (Time Hopping/SS)


18

-

Các kỹ thuật kết hợp khác DS-FH, DS-TH, FH-TH,…

3.2.3.1Trải phổ trực tiếp:
3.2.3.2 Khái niệm:
Tín hiệu DSSS nhận được bằng cách điều chế tin tức bởi tín hiệu giả ngẫu
nhiên băng rộng.
3.2.3.3Tín hiệu giả tạp âm:
Như đã nói, ta dùng mã ngẫu nhiên để trải phổ của tín hiệu tin tức tại máy phát

và nén phổ tại máy thu. Tuy nhiên, nếu mã này là ngẫu nhiên thật sự, thì ngay cả máy
thu mong muốn cũng không thu được tin tức. Do đó, ta phải dùng mã giả ngẫu nhiên,
là mã mà máy thu mong muốn biết được, còn đối với máy thu khơng mong muốn thì
nó giống như tạp âm. Các mã này được gọi là chuỗi giả tạp âm.
Trong hệ thống DSSS, tín hiệu PN được tạo ta từ chuỗi PN để trải phổ. Giả sử
chuỗi PN là nhị phân, thì tín hiệu PN có thể được biểu diễn

(3.2.3-1)

Trong đó :

=

pT(t) là xung vng, biên độ bằng 1.
ckđược gọi là chip
Tc được gọi là chu kì chip. Tín hiệu PN có chu kỳ NTc.
Ví dụ :

3.2.3.4Hệ thống DSSS – BPSK:
a. Máy phát


19

Sơ đồ khối của máy phát DSSS – BPSK như Hình 5.1. Dữ liệu b(t) nhận
các giá trị

1, có thể được biễu diễn như sau :
(3.2.3-2)
Trong đó : bk =

1 là bit dữ liệu thứ k và T là độ dài của nó ( tốc độ dữ liệu

là 1/T bps ). Tín hiệu b(t) được trải ra bởi tín hiệu PN c(t) qua phép nhân. Kết quả điều
chế với sóng mang dùng BPSK, tạo nên tín hiệu DSSS – BPSK như sau :
s(t) = Ab(t)c(t)sin(2
trong đó : A,

)

lần lượt là biên độ, tần số và pha sóng mang.

Hình 3.1 Sơ đồ khối máy phát DSSS – BPSK
Trong nhiều ứng dụng, một bit dữ liệu bằng một chu kì của tín hiệu PN tức
là T = NTc. Như trong Hình 5.2 N=7. Có thể thấy tích b(t)c(t) lại là tín hiệu nhị phân
với biên độ bằng

1 và có cùng tần số như tín hiệu PN.


20

Hình 3.2 Tín hiệu trải phổ và điều chế BPSK

Phổ của tín hiệu DSSS như sau :