BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

DƯƠNG NGUYỄN TRUNG

KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG

HÀ NỘI – 2014


LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn: Kỹ thuật trải phổ và ứng dụng. Tôi
đã thực hiện đúng qui trình thực hiện trong thời gian làm luận văn.
Trong q trình nghiên cứu làm đề tài, tơi đã sưu tầm và sử dụng một số tài
liệu trong nước đã được xuất bản cùng với một số bài báo và các tạp chí trong và
ngồi nước.
Tơi khơng sử dụng sao chép vi phạm qui định đề ra ví dụ như: Sao chép các
luận văn cũ, sao chép các thơng tin khơng có tính đích thực khơng được cơng bố.
Trên đây là lời cam đoan của tôi, nếu tôi vi phạm tơi hồn tồn chịu trách
nhiệm trước hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ và khoa, viện đào tạo sau đại học.
Hà Nội, ngày 01 tháng 01 năm 2014
Tác giả luận văn

DƯƠNG NGUYỄN TRUNG

1


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
3G

3rd Genneration (of Mobile

Mạng di động thế hệ thứ 3

networks)

ACI

Adjacent Channel Interference

Nhiễu kênh kế

AICH

Acquistion Indicator Channel

Kênh chỉ thị bắt

AMPS

Advanced Mobile Phone System


ARIB

Association of Radio Industry Board

Hệ thống điện thoại di động tiên
tiến
Hiệp hội công nghiệp vô tuyến

AUC

Authentication Center

Trung tâm nhận thực

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá

BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bít

PBSK

Binary Phase Shift Keying


Khố dịch pha nhị phân

BS

Base Station

Trạm gốc

BSC

Base Station Controler

Bộ điều khiển trạm gốc

BSS

Base Station Subsystem

Phân hệ trạm gốc

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

CCI

Co-Channel Interference


Nhiều kênh cùng tần số

Coded Composite Transport

Kênh truyền tải đa hợp được mã

Channel

hoá

CCCH

Common Control Channel

Kênh điều khiển chung

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo mã

CN

Core Network

Mạng lõi

CP-2


Coreless Phone – 2

Điện thoại khơng dây

CPCH

Common Packet Channel

Kênh gói chung

CRNC

Control RNC

Điều khiển RNC

Circuit Switched Pulic Data

Mạng số liệu công cộng chuyển

Network

mạch theo mạch

Digital Enhanced Coreless

Viễn thông không dây số tiên

CCTrCh


CSPDN
DETC

2


tiến

Telecommunication
DPCCH

Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng

DPCH

Dedicated Physical Channel

Kênh vật lý riêng

DPDCH

Dedicated Physical Data Channel

Kênh số liệu vật lý riêng

DSCH

Dedicated Shared Channel

Kênh đường xuống dùng chung


DSSS
DTCH
EDGE

ETACS

Direct Sequence Spreading

Trải phổ chuỗi trực tiếp

Spectrum

Kênh lưu lượng riêng

Dedicated Traffic Chanel
Enhanced Data Rates for GSM
Evolution
Extended Total Access

Số liệu gói tốc độ cao GSM
TACS mở rộng

Communication System
European Telecommunications

Viện tiêu chuẩn viễn thông châu

Standards Institute


Âu

FACH

Forward Access Channel

Kênh truy nhập đường xuống

FBI

Feedback Information

FDD

Frequency Division Duplexing

Song công phân chia theo tần số

Frequency Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo tần

Access

số

Forward Error Correction

Sửa lỗi tiên tiến


ETSI

FDMA
FEC
FHSS

Frequency Hopping Spectrum
Spread

Trải phổ nhảy tần

FSK

Frequency Shift Keying

Khoá dịch chuyển tần số

GGSN

Gateway GPRS Support Node

Nút hỗ trợ cổng GPRS

GMSC

Gateway MSC

Tổng đài di động cổng

GMSK


Gaussian Minimum Shift Keying

Khóa dịch tối thiểu Gauxo

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vơ tuyến gói chung

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thơng tin tồn cầu cho

3


communications

điện thoại di động

HLR

Home Location Register

Bộ ghi định vị thường trú


HSCSD

High Speed Circuit Switched Data

HSDPA

độ cao

High Speed Downlink Packet

Truy nhập gói đường xuống tốc

Access

độ cao

International Mobile
IMT-2000

Hệ thống chuyển mạch kênh tốc

Telecommunications in the year
2000

Hệ thống thơng tin di động tồn
cầu trong năm 2000

IP

Internet Protocol


Giao thức Internet

ISDN

Integrated Services Digital Network

Mạng số đa dịch vụ

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu giao thoa giữa các kí hiệu

ITU

International telecommunication
Union

Liên đồn viễn thơng quốc tế

Iub

Giao diện giữa RNC và nút B

Iur

Giao diện giữa 2 RNC.


IWF

Internet Working Function

Chức năng tương tác mạng

LTE

Long Term Evolution

Sự phát triển dài hạn

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

Mobile Service Switching Center

Tổng đài di động


NAMPS

Narrow AMPS

AMPS băng hẹp

NMT-450

Nordic Mobile Telephone 450

NMT-900

Nordic Mobile Telephone 900

NTACS

Narrow TACS

TACS băng hẹp

NTT

Nippon Telegraph and Telephone

Hệ thống do NTT phát triển

4

Hệ thống điện thoại di động Bắc
Âu băng tần 450 MHz.

Hệ thống điện thoại di động Bắc
Âu băng tần 900 MHz.


OFDM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing

Ghép phân chia tần số trực giao

Orthogonal Frequency Division

Đa truy nhập phân chia theo tần

Multiple Access

số trực giao

Primary Common Control Physical

Kênh vật lý điều khiển chung sơ

Channel

cấp

PCH

Paging Channel


Kênh tìm gọi

PCN

Personal Communication Network

Mạng thơng tin cá nhân

PCPCH

Physical CPCH

Kênh gói chung vật lý

PCS

Personal Communication System

Hệ thống thông tin cá nhân

PDC

Personal Digital Cellular

Hệ thống tổ ong số cá nhân

PDN

Packet Data Network


Mạng số liệu cơng cộng

PDP

Packet Data Protocol

Giao thức đóng gói dữ liệu

PDSCH

Physical Dedicated Shared Channel

PG

Processing Gain

Độ lợi xử lí

PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất công cộng

PN

Pseudo Noise

Giả tạp âm


PRACH

Physical RACH

Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý

PS

Packet Switched

Chuyển mạch gói

PSK

Phase Shift Keying

Khoá dịch chuyển pha

Public Switched Telephone

Mạng điện thoại chuyển mạch

Network

công cộng

OFDMA

PCCPCH


PSTN

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RACH

Random Access Channel

RANAP

Radio Access Network Application

RLC

Radio Link Control

Kênh vật lý đường xuống dùng
chung

Khoá dịch chuyển pha cầu
phương
Kênh truy cập ngẫu nhiên
Bộ điều khiển đường truyền vô

5



tuyến
Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

Secondary Common Control

Kênh vật lý điều khiển chung thứ

Physical Channel

cấp

SCH

Synchronization Channel

Kênh đồng bộ

SGSN

Servicing GPRS Support Node

Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

SMS

Short Massage Service

Dịch vụ nhắn tin ngắn


SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SS

Subcriber Station

Trạm thuê bao

TACH

Traffic and Associated Channel

Lênh lưu lượng và liên kết

Total Access Communication

Hệ thống thông tin truy nhập tồn

System

bộ.

TAF

Terminal Adaption Function


Chức năng thích ứng đầu cuối

TCH

Traffic Channel

Kênh lưu lượng

TCP

Transmission Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền dẫn

TDD

Time Division Duplexing

TDM

Time Division Multiplexing

TDMA

Time Division Multiple Access

TE

Terminal Equipment


TRAU

Transcoder and Rate Adaptor Unit

RNC
SCCPCH

TACS

UE
UMTS
USIM

Song công phân chia theo thời
gian
Sự truyền dồn kênh phân chia
theo thời gian
Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
Thiết bị đầu cuối
Khối chuyển đổi mã và thích ứng
tốc độ
Thiết bị người sử dụng.

User Equipment.
Universal Mobile

Hệ thống viễn thông di động toàn


Telecommunnication System

cầu

UMTS Subscriber Identify

Modul nhận dạng thuê bao

6


UMTS.
Universal Terrestrial Radio Access

Mạng truy nhập vơ tuyến mặt đất

Network

tồn cầu

VLR

Visitor Location Registor.

Bộ đăng ký định vị tạm trú.

WAP

Wireless application protocol


Giao thức ứng dụng vô tuyến

Wideband Code Division Multiplex

Đa truy cập phân chia theo mã

Access

băng rộng.

UTRAN

WCDMA

7


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..........................................................................................2
MỤC LỤC ...................................................................................................................8
DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................................11
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................14
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................15
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU ......................................................................................16
1.1.Mở đầu ................................................................................................................16
1.2.Mơ hình kỹ thuật trải phổ ....................................................................................17
1.3. Các ưu điểm của hệ thống trải phổ.....................................................................17
1.4.Mơ hình kênh ......................................................................................................20
1.4.1.Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền ...............................20

1.4.2.Kênh nhiễu cộng chuẩn trắng(AWGN–Additive White Gaussian Noise) ...23
1.4.3. Kênh theo phân bố Rayleigh........................................................................26
1.4.4. Phân bố Ricean ............................................................................................28
1.5.Kết luận chương ..................................................................................................30
CHƯƠNG 2 : CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ ....................................32
2.1.Hệ thống trải phổ trực tiếp ( DS/SS ) ..................................................................32
2.1.1. Sơ đồ khối đặc trưng một hệ thống trải phổ DSSS......................................33
2.1.2. Hệ thống DSSS-BPSK ................................................................................33
2.2. Hệ thống trải phổ nhảy tần (FH/SS)...................................................................37
2.2.1. Hệ thống thu phát.........................................................................................37
2.2.2. FH-CDMA ...................................................................................................39
2.3.Hệ thống trải phổ nhảy thời gian ( TH/SS ) ........................................................41
2.3.1.Nguyên lí hoạt dộng của hệ thống TH/SS ....................................................42
2.3.2.Ưu nhược điểm của hệ thống trải phổ nhảy thời gian THSS .......................43
2.4. Hệ thống lai ( Hybrid ) .......................................................................................44
2.4.1. Hệ thống FH/ DS .........................................................................................44

8


2.4.2. Hệ thống TH/ FH .........................................................................................47
2.4.3. Hệ thống TH/DS ..........................................................................................48
2.5. Các dãy giả ngẫu nhiên PN ................................................................................50
2.5.1.Giới thiệu chung về chuỗi PN ......................................................................50
2.5.2. Dãy ghi dịch tuyến tính độ dài cực đại (dãy- m) .........................................51
2.6. Đồng bộ ..............................................................................................................54
2.7.Kết luận chương ..................................................................................................58
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI PHỔ ..............................................59
3.1.Công nghệ CDMA ..............................................................................................59
3.1.1.Q trình phát triển của mạng thơng tin di động ..........................................59

3.1.2.Khái niệm về CDMA ....................................................................................60
3.1.3. Thu – phát tín hiệu trong CDMA ................................................................61
3.1.4.Các đặc tính ưu việt của CDMA so với chuẩn khác .....................................66
3.1.5.Sử dụng bộ mã hoá ưu việt ...........................................................................66
3.1.6.Chuyển giao mềm .........................................................................................68
3.1.7. Điều khiển công suất ...................................................................................71
3.2.Kỹ thuật DS-CDMA ...........................................................................................76
3.2.1.Giới thiệu sơ lược về hệ thống......................................................................76
3.2.2.Sơ đồ khối .....................................................................................................77
3.2.3.Máy thu RAKE .............................................................................................78
3.2.4.Bộ phát DS-CDMA ......................................................................................79
3.2.5. Bộ thu DS-CDMA .......................................................................................80
3.3.Kỹ thuật MC-CDMA ..........................................................................................83
3.3.1.Khái niệm MC-CDMA .................................................................................83
3.3.2.Sơ đồ khối .....................................................................................................83
3.3.3.Máy phát .......................................................................................................83
3.3.4.Máy thu MC-CDMA ....................................................................................85
3.3.5. Kênh truyền..................................................................................................87
3.3.6.Các mã trải phố .............................................................................................89

9


3.3.7.Các kỹ thuật dị tín hiệu ( Detection algorithm) ...........................................91
3.3.8.Các phương pháp triệt nhiễu .........................................................................93
3.3.9.Vấn đề dịch của tần số sóng mang trong hệ thống MC-CDMA ..................95
3.3.10. Giới hạn BER của hệ thống MC-CDMA ..................................................99
3.3.11.Phân loại ...................................................................................................100
3.3.12.Ưu điểm của kỹ thuật MC-CDMA ...........................................................103
3.3.13.Nhược điểm của hệ thống MC-CDMA ....................................................103

3.4.Kỹ thuật W-CDMA ...........................................................................................103
3.4.1.Giới thiệu W-CDMA ..................................................................................103
3.4.2. Điều chế và ngẫu nhiên hoá trong W- CDMA ..........................................104
3.4.2.1. Định kênh và ngẫu nhiên hoá các kênh vật lý .....................................104
3.4.2.2. Định kênh và trải phổ kênh vật lý đường lên ......................................107
3.4.2.3.Ngẫu nhiên hoá kênh vật lý đường lên.................................................110
3.4.2.4.Điều chế đường lên ..............................................................................114
3.4.2.5. Định kênh và trải phổ kênh vật lý đường xuống .................................114
3.4.2.6.Ngẫu nhiên hoá kênh vật lý đường xuống ...........................................117
3.4.2.7. Sơ đồ khối tổng quát cho hệ thống thông tin trải phổ và điều chế kênh
vật lý đường xuống ...........................................................................................117
3.5.Kết luận chương ................................................................................................118
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................................120
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................121

10


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Mơ hình kỹ thuật trải phổ ............................................................................... 17
Hình 1.2. Ngun lý thơng tin trải phổ .......................................................................... 18
Hình 1.3. Minh họa khả năng chống nhiễu .................................................................... 19
Hình 1.4. Hiện tượng truyền sóng đa đường ................................................................. 21
Hình 1.5. Hàm truyền đạt của kênh ............................................................................... 22
Hình 1.6. Mật độ phổ của tín hiệu thu ........................................................................... 23
Hình 1.7. Mơ hình tín hiệu kênh AWGN ................................................................ 24
Hình 1.8. Bộ thu tín hiệu ................................................................................................ 25
Hình 1.9. Kênh AWGN phản hồi ................................................................................... 26
Hình 1.10. Kênh AWGN song song ................................................................................ 26
Hình 1.11. Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh ................................................ 28

Hình 1.12. Hàm phân bố Rayleigh với k=6 dB .............................................................. 30
Hình 2.1.Thí dụ về tín hiệu PN c(t) được tạo ra từ chuỗi PN có chu kỳ 15 ................... 32
Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống trải phổ DS/SS ............................................................... 33
Hình 2.3. Sơ đồ khối máy phát DSSS-BPSK .................................................................. 34
Hình 2.4. Sơ đồ khối máy thu DSSS-BPSK .................................................................... 35
Hình 2.5. Sự chiếm dụng thời gian/tần số của các hệ thống FH&DS. .......................... 37
Hình 2.6. Sơ đồ khối của một hệ thống trải phổ FH ...................................................... 38
Hình 2.7. Nhảy tần nhanh và nhảy tần chậm ................................................................. 39
Hình 2.8. Sơ đồ khối máy phát và thu FH-CDMA ......................................................... 40
Hình2.9. Trải phổ nhảy thời gian ( THSS ) .................................................................... 41
Hình 2.10. Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH-SS .................................................. 42
Hình 2.11. Biểu đồ thời gian cho một hệ thống THSS ................................................... 42
Hình 2.12. Phổ tần của hệ thống tổng hợp FH/DS ....................................................... 45
Hình 2.13. Bộ điều chế tổng hợp FH/DS ...................................................................... 46
Hình 2.14. Bộ thu tổng hợp FH/ DS.............................................................................. 47
Hình 2.15. Hệ thống thông tin hai đường với các vấn đề về khoảng cách .................... 48

11


Hình 2.16(a). Bộ phát của TH/DS .................................................................................. 49
Hình 2.16(b). Bộ thu của TH/DS .................................................................................... 50
Hình 2.17. Bộ tạo dãy ghi dịch tuyến tính ...................................................................... 52
Hình 2.18. Ngun lý bắt mã ở hệ thống DS - CDMA ................................................... 55
Hình 2.19. Nguyên lý bám ở hệ thống DS – CDMA cho trường hợp tách sóng nhất
qn ................................................................................................................................ 56
Hình 3.1.Sự phát triển của mạng thơng tin di động ....................................................... 59
Hình 3.2.Thành phần tín hiệu phức ............................................................................... 63
Hình 3.3.Phổ của tín hiệu (mà xanh) và phổ của mã giả ồn (màu vàng) ...................... 65
Hình 3.4. Mức tín hiệu chuyển vùng của máy di động................................................... 70

Hình 3.5.Tác dụng điều khiển cơng suất trên kênh hướng về ........................................ 76
Hình 3.6.Sơ đồ khối của hệ thơng DS-CDMA ............................................................... 77
Hình 3.7.Máy thu RAKE................................................................................................. 78
Hình 3.8.: Hệ thống DS-CDMA : (a) Bộ phát; (b) Phổ cơng suất của tín hiệu phát;
(c) Bộ thu I-finger Rake.................................................................................................. 80
Hình 3.9.Sơ đồ khối của hệ thống MC-CDMA .............................................................. 83
Hình 3.10. Máy phát MC –CDMA ................................................................................. 84
Hình 3.11. Máy thu MC-CDMA ..................................................................................... 86
Hình 3.12. Ảnh hưởng của kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số lên từng băng
tần hẹp ............................................................................................................................ 88
Hình 3.13. Sơ đồ triệt nhiễu song song nhiều tầng ....................................................... 95
Hình 3.14. Bộ phát MC-DS-CDM ................................................................................ 102
Hình 3.15 Mã trải phổ trong MC-DS-CDMA ............................................................. 102
Hình 3.16. Phổ cơng suất của tín hiệu phát ................................................................. 102
Hình 3.17. Mã trải phổ cho hệ thống MT-CDMA ........................................................ 103
Hình 3.18. Quan hệ giữa trải phổ và điều chế ............................................................ 104
Hình 3.19.Cấu trúc kênh của mã định kênh ................................................................. 106
Hình 3.20. Ghép kênh mã I-Q cùng với ngẫu nhiên hoá phức ................................... 107

12


Hình 2.21. Sơ đồ tổng quát trải phổ và ghép kênh vật lý đường lên DPCCH và các
kênh DPDCH ............................................................................................................... 109
Hình 3.22. Phần bản tin của PCPCH ......................................................................... 109
Hình 3.23. Sơ đồ phần bản tin của kênh vật lý PRACH ............................................. 110
Hình 3.24. Sơ đồ tạo chuỗi ngẫu nhiên đường dài ...................................................... 111
Hình 3.25. Sơ đồ bộ tạo chuỗi ngẫu nhiên ngắn đường lên cho chuỗi 255 chip ........ 112
Hình 3.26. Điều chế kênh vật lý đường lên .................................................................. 114
Hình 3.27. Cấu hình bộ tạo mã ngẫu nhiên đường xuống ........................................... 117

Hình 3.28. Sơ đồ khối trải phổ kênh vật lý đường xuống trừ SCH .............................. 118
Hình 3.29. Sơ đồ ghép kênh vật lý đường xuống ......................................................... 118

13


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Bảng tính chuỗi ra C.................................................................................53
Bảng 3.1.Tốc độ dữ liệu Voice và ISDN ...................................................................62

14


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây các tài liệu kỹ thuật đã đề cập nhiều đến thông tin
trải phổ. Với các tính năng chống nhiễu và bảo mật thơng tin, kỹ thuật trải phổ đã
được sử dụng trong quân sự hơn một nửa thế kỷ nay trong lĩnh vực thông tin và ra
đa. Các tính năng này có được nhờ giãn rộng phổ tín hiệu để khơng phân biệt được
tạp âm nền. Hiện nay, kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực bưu chính
viễn thơng với hình thức phát triển là công nghệ CDMA (Code Detect Multiple
Access). Có ba kỹ thuật trải phổ chính là: trải phổ chuỗi trực tiếp, trải phổ nhảy tần
và trải phổ nhảy thời gian. Trong thông tin di động người ta thường dùng trải phổ
chuỗi trực tiếp bởi đứng về khía cạnh đa truy nhập và cơng suất phát thì hệ thống
trải phổ chuỗi trực tiếp có ưu thế hơn hệ thống trải phổ nhảy tần.
Ngồi lĩnh vực qn sự thì kỹ thuật trải phổ cịn được ứng dụng trong nhiều
cơng nghệ quan trọng khác. Với mục đích nghiên cứu kỹ thuật trải phổ cũng như
ứng dụng công nghệ của kỹ thuật trải phổ tôi đã thực hiện luận văn này bao gồm các
chương:
Chương 1 : Giới thiệu
Chương 2 : Các hệ thống thông tin trải phổ

Chương 3: Ứng dụng kỹ thuật trải phổ
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Viện Điện tử - Viễn thông,
Đại học Bách Khoa Nội đã giúp đỡ thực hiện luận văn này. Đặc biệt là sự hướng
dẫn tận tình của thầy PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TRUNG, thầy đã trực tiếp chỉ
dẫn, định hướng, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn này.

15


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU
1.1.Mở đầu
Phổ tần số vô tuyến là tài nguyên của từng quốc gia, khu vực, được quản lý
theo hướng dẫn của ITU. Trên cơ sở các yêu cầu do ITU đặt ra, cơ quan quản lý
viễn thông sẽ quy hoạch, cấp phát dải tần viễn thông của quốc gia cho các nhà khai
thác. Trước đây vấn đề này được giải quyết theo phương pháp cấp các băng tần
khác nhau cho các dịch vụ khác nhau.Tuy nhiên do băng tần vơ tuyến là hữu hạn,
trong khi đó nhu cầu về phổ tần vô tuyến tăng ngày càng nhanh khi ra đời hệ thống
thông tin di động tế bào, các dịch vụ mới đòi hỏi một phương pháp mới để giải
quyết hiệu quả hơn vấn đề trên.
Kỹ thuật trải phổ đã được nghiên cứu và áp dụng trong lĩnh vực quân sự từ
những năm 1930, tuy nhiên gần đây các kỹ thuật này đã được nghiên cứu và áp
dụng thành công trong các hệ thống thông tin di động tế bào nhu nhu cầu cấp bách
của việc giải quyết vấn đề cạn kiệt dung lượng trong GSM.
Một hệ thống được gọi là hệ thống trải phổ nếu có các đặc điểm sau :
1. Băng tần truyền dẫn lớn hơn nhiều so với băng tần thông tin.
2. Băng tần truyền dẫn được xác định bởi mã trải phổ hay mã giả ngẫu nhiên,
độc lập với thông tin được gửu đi. Dãy mã trải phổ mã hố tín hiệu thơng tin. Điều
này làm cho cơng suất tín hiệu bị trải rộng ra trên một băng tần rất lớn, dẫn đến mật
độ công suất thấp hơn.
Như vậy, bản chất của kỹ thuật trải phổ là sự thực hiện trải phổ tín hiệu ở phía

phát sau đó điều chế và phát đi. Ở phía thu sẽ thực hiện nén phổ trở lại làm cho ảnh
hưởng của nhiễu bị tối thiểu hoá. Từ những yếu tố đưa ra ở trên ta thấy rằng, phổ
của tín hiệu càng trải rộng ở phía phát và co hẹp lại ở phía thu thì càng có lợi về tỷ
số tín hiệu/tạp âm (S/N).

16


Tỷ số giữa băng tần truyền dẫn Bc và băng tần thơng tin Bi được gọi là tăng
ích do xử lý (Gp) của hệ thống trải phổ

Gp =

Bc
Bi

1.2.Mơ hình kỹ thuật trải phổ

Hình 1.1. Mơ hình kỹ thuật trải phổ
Tại bộ điều chế, tín hiệu dữ liệu X(t) có tốc độ K(bit/s) được nhân với mã trải
phổ g(t) có tốc độ chip Rp (chip/s). Giả thiết tốc độ băng truyền của X(t) và g(t) là
R(Hz) và Rp(Hz). Nếu tín hiệu dữ liệu có băng hẹp hơn so với mã trải phổ thì tín
hiệu sau khi trải phổ sẽ có độ rộng băng truyền của mã trãi phổ.
Tại bộ điều chế, tín hiệu được nhân với dãy mã trãi phổ là bản sao đồng bộ
với mã trãi phổ ở phía phát. Giả sử việc nhân là lý tưởng, nghĩa là tín hiệu mong
muốn sẽ được nén phổ và tất cả các tín hiệu khơng mong muốn (nhiễu) sẽ được trãi
rộng ra. Do đó mật độ phổ cơng suất của tín hiệu sau khi nén được tăng lên cịn các
thành phần khơng mong muốn bị giảm đi, rõ ràng tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N) ở đầu
ra của máy thu được cải thiện.
1.3. Các ưu điểm của hệ thống trải phổ

a. Khả năng đa truy nhập

17


Nếu tại một thời điểm nào đó có nhiều người cùng có yêu cầu liên lạc trong
cùng một giải băng tần thì máy thu có khả năng phân biệt tín hiệu đối với mỗi người
sử dụng, do mỗi người có một dãy mã duy nhất và các dãy mã này có mức tương
quan chéo đủ nhỏ. Việc tương quan giữa tín hiệu thu được với một dãy mã trải phổ
ứng với một người sử dụng nào đó sẽ chỉ làm cho phổ tín hiệu của người sử dụng co
hẹp lại trong khi các tín hỉệu của người sử dụng khác vẫn bị trải rộng trên băng tần
truyền dẫn. Do đó, trong băng tần thơng tin, chỉ có cơng suất tín hiệu của người sử
dụng đang quan tâm là đủ lớn để có thể cho máy thu nhận được.

1
1
1&2

1
2

2
2
a

b

c

d


Hình 1.2. Ngun lý thơng tin trải phổ
a. Hai tín hiệu băng hẹp có cùng dải thơng được phát đi tới 2 người sử dụng.
b. Hai tín hiệu được trải phổ từ các tín hiệu băng hẹp.
c. Tín hiệu do cả hai người sử dụng thu cùng tại một điểm.
d. Tại máy thu của người sử dụng thứ nhất chỉ có tín hiệu thứ nhất được nén
trở lại phổ gốc tín hiệu ban đầu
Ta thấy rằng cùng một lúc có thể có hai tín hiệu cùng được truyền đi trong
cùng một băng tần, nhưng tại máy thu chỉ có tín hiệu 1 được nén phổ trở lại và khơi
phục được cịn tín hiệu 2 vẫn như là nhiễu.
b. Khả năng chống nhiễu đa đường
Tín hiệu tới máy thu qua nhiều đường khác nhau: trực tiếp, phản xạ. Các tín
hiệu đa đường có biên độ và pha khác nhau làm tăng tín hiệu tổng tại một vài tần số

18


và giảm tín hiệu tại các tần số khác. Nhờ đặc tính đó trong tín hiệu băng rộng đã tạo
ra một sự phân tập tần số một cách tự nhiên có tác dụng chống pha đinh chọn lọc.
c. Khả năng bảo mật
Tín hiệu được truyền đi trong cùng một băng tần chỉ có thể được nén phổ và
khơi phục lại khi máy thu có mã trải phổ đã sủ dụng cho tín hiệu đó ở máy phát.
d. Khả năng loại trừ nhiễu
Việc tương quan chéo giữa mã trãi phổ và một tín hiệu băng hẹp sẽ làm trải
rộng cơng suất của tín hiệu băng hẹp. Nhờ vậy, có thể giảm công suất nhiễu trong
băng tần thông tin, tạp âm nền có phổ rộng sẽ bị giảm nhỏ.
Ở máy thu, sau khi nén phổ nhiễu từ các máy di động khác không được nén
phổ cũng tương tự như tạp âm. Nhiễu từ các nguồn phát sóng khơng trải phổ nếu có
băng tần trùng với băng tần (dải thông) của máy thu sẽ bị trải phổ, mật độ phổ công
suất của nhiễu giảm xuống.

Vậy bản chất làm việc theo nguyên tắc trải phổ ở máy phát, nén phổ ở máy
thu làm cho ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm được tối thiểu hóa. Tại máy thu tín hiệu
trải phổ được nén phổ trong khi nhiễu băng hẹp lại bị trải phổ, làm nó xuất hiện như
tạp âm nền so với tín hiệu mong muốn.
Nhiễu

Tin tức

Nhiễu

Tin tức

Hình 1.3. Minh họa khả năng chống nhiễu
e. Khả năng chống nhiễu phá
Việc chống nhiễu phá (nhiễu do con người sinh ra) được khắc phục tương tự
như nhiễu tự nhiên. Những tín hiệu khơng có sự tương quan về dãy mã ngẫu nhiên
đều bị trải rộng ra và trở thành nhiễu nền ở phía thu.

19


f. Xác xuất phát hiện thấp
Vì mật độ cơng suất của tín hiệu thấp nên tín hệu trải phổ khó có thể bị phát
hiện.
1.4.Mơ hình kênh
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi
mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền
hữu tuyến là ổn định và có thể dự đốn được, kênh truyền vơ tuyến là hồn tồn
ngẫu nhiên và khơng hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua
kênh truyền vơ tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ

(reflection), tán xạ(scattering), nhiễu xạ (diffraction)…, các hiện tượng này được
gọi chung là Fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác
nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin
vô tuyến.
1.4.1.Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền
a. Hiện tượng đa đường (Multipath)
Trong một hệ thống thông tin vơ tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường khơng
bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và
nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận
được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ,
khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng này được gọi
là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation). Do hiện tượng đa đường, tín
hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ,
dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín
hiệu chồng chập có thể được khơi phục lại hoặc bị hư hỏng hồn tồn. Ngồi ra khi
truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi
thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tương này gọi là sự phân
tán đáp ứng xung (impulse dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa
đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.
20


Tán xạ
Truyền thẳng

Phản xạ

Khúc xạ
Che khuất


Trạm di động

Trạm gốc

Tán xạ

Hình 1.4. Hiện tượng truyền sóng đa đường
b. Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy
thu như trình bày ở hình 1.5. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu
được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi
đó tần số Doppler của tuyến này là:

v
f D n = f 0 cos(α n )
c
Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển
động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu αn = 0 thì tần
số Doppler lớn nhất sẽ là:

v
f D,max = f 0
c

21


Trạm phát


τ 2 (t )

Tuyến 1
Vật
phản

Tuyến 2 τ 1 (t )
α1

xạ

v

Hình 1.5. Hàm truyền đạt của kênh
Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ ngang
hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Doppler
được biểu diễn như sau:
A

α yy ( j 2πf ) =

 f − f0 

1 − 
 f max 

2

Nếu


f 0 − f D ,max ≤ f ≤ f 0 + f D ,max
Các trường hợp cịn lại

0

Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 1.6
Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm
1974. Và được gọi là phổ Jake. Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích như
sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được sẽ
khơng nhận được ở chính xác trên tần số sóng màng f0 mà bị dịch đi cả về hai phía
với độ dịch là fD,max như hình ở 1.6. Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ
của nhiều hệ thống.

22


Hình 1.6. Mật độ phổ của tín hiệu thu
c. Suy hao trên đường truyền
Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát
đến máy thu. Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác
phục bằng các phương pháp điều khiển cơng suất.
d. Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các tồ nhà cao
tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện
tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy,
hiệu ứng này được gọi là fading chậm.
1.4.2.Kênh nhiễu cộng chuẩn trắng(AWGN–Additive White Gaussian Noise )
a. Tạp âm AWGN
Thuật ngữ tạp âm noise mơ tả các tín hiệu điện khơng mong muốn xuất hiện
trong hệ thống. Tạp âm Gaussian nói đến là tạp âm nhiệt (thermal noise), là dịng

điện khơng mong muốn gây ra trong mạch điện dưới tác động của chuyển động
nhiệt của các hạt mang điện trong mạch điện (các điện tử).
Chuyển động nhiệt ở đây là chuyển động Brown (chuyển động Bờ-rao-nơ như
trong vật lý THCS các bạn được học ngay đầu môn vật lý - phần nhiệt học), chuyển

23


động này là ngẫu nhiên, cân bằng về mọi phía, là hệ quả trực tiếp của việc các điện
tử nhận nhiệt năng từ môi trường và chuyển thành động năng.
b.Mô hình kênh

Hình 1.7. Mơ hình tín hiệu kênh AWGN
Đây là kênh thời gian rời rạc với lối ra Y, trong đó y là tổng của đầu vào X và
tiếng ồn Z.
Yi=Xi+Zi
Tiếng ồn Z mặc định là độc lập với tín hiệu vào X. Sử dụng tín hiệu 4 cấp độ
đầu vào, có thể chuyển đổi các kênh gauss thành một kênh 4 cấp độ đầu vào rời rạc.
Chúng ta phải chuyển đổi các kênh gauss thành một kênh nhị phân đối xứng rời rạc
với xác suất chéo.
* Bộ thu tín hiệu:
Có thể chia bộ thu ra làm hai phần, một phần là bộ giải điều chế tín hiệu và
một phần là bộ xác định tín hiệu như hình 1.6. Chức năng của các bộ giải điều chế
tín hiệu là chuyển đổi tín hiệu nhận được r(t) thành một vector N chiều r=[r2 r2....rn ]
với N là số chiều của tín hiệu truyền đi. Chức năng bộ xác định tín hiệu là xác định
tín hiệu nào trong M tín hiệu đã được truyền đi dựa trên vector r.

24