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

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ MÃ PN
CHO CÁC BỘ THU MC-CDMA

Chuyên ngành : KỸ THUẬT TRUYỀN THƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
…......................................
Ngành: Kỹ thuật truyền thơng

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. NGUYỄN HỮU TRUNG

Hà Nội – Năm 2014


LUẬN VĂN CAO HỌC

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ hứa hẹn sẽ
đem đến cho con ngƣời một mạng thông tin di động ngày càng hiện đại. Ngoài việc
lƣớt Web, nghe nhạc, tải xuống các tệp dữ liệu... nhƣ hiện nay thì trong tƣơng lai
bạn có thể làm đƣợc nhiều hơn nhƣ thế rất nhiều ví dụ nhƣ thực hiện các cuộc gọi
VoIP hay tải lên, tải xuống các tệp dữ liệu có dung lƣợng lớn trong nháy mắt... Đó
chính là những gì mà các nhà khai thác cũng nhƣ ngƣời sử dụng trông chờ ở mạng
di động thế hệ mới 4G.
Để đáp ứng đƣợc các dịch vụ và ứng dụng mới này ngƣời ta đã đƣa vào các
kỹ thuật đa truy nhập mới để cung cấp tốc độ dữ liệu cao với sự phân phối dải tần

linh hoạt, trong đó các công nghệ CDMA băng rộng đặc biệt là CDMA đa sóng
mang đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học. MC-CDMA là sự
kết hợp giữa kỹ thuật OFDM và CDMA, do đó nó mang nhiều ƣu điểm vƣợt trội
của cả hai nhƣng đồng thời nó cũng mắc phải một số khuyết điểm cơ bản, nổi bật là
lỗi đồng bộ.
Xuất phát từ những vấn đề thực tế trên, em đã chọn thực hiện luận văn
“Nghiên cứu thuật toán đồng bộ mã PN cho các bộ thu MC-CDMA”.
Trong quá trình làm luận văn, em đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn chu đáo và tận
tình của PGS.TS. Nguyễn Hữu Trung và PGS.TS. Nguyễn Thúy Anh. Em xin
chân thành cảm ơn thầy cơ đã giúp đỡ em hồn thành luận văn tốt nghiệp này.

Hà Nội, ngày 23 tháng 9 năm 2013
Học viên thực hiện
Nguyễn Quốc Huy

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

1


LUẬN VĂN CAO HỌC

TĨM TẮT
Bắt đồng bộ tín hiệu trải phổ là một vấn đề lớn trong việc thiết kế hệ thống
thơng tin trải phổ. Bắt đồng bộ có thể thực hiện bằng các phƣơng pháp tích cực, thụ
động hoặc kết hợp. Ở phƣơng pháp tích cực (nối tiếp hoặc song song), tín hiệu nhận
đƣợc đƣợc nhân với bản sao mã giả ngẫu nhiên đồng nhất với bên phát tại tại bộ thu.
Kết quả đƣợc lấy tích phân (tƣơng quan) trong một khoảng thời gian quan sát nhất
định, sau đó đƣợc so sánh với một ngƣỡng đặt trƣớc. Ở phƣơng pháp thụ động,

ngƣời ta sử dụng một bộ lọc phù hợp với tín hiệu trải phổ. Bộ lọc phù hợp này chờ
(thụ động) cho đến khi tín hiệu trải phổ nhận đƣợc chứa một pha mã xác định từ
trƣớc. Khi đó bộ tạo mã giả ngẫu nhiên nội sẽ đƣợc khởi động với điều kiện ban đầu
tƣơng ứng với pha mã này. Phƣơng pháp này có thời gian đồng bộ ngắn hơn nhiều
so với phƣơng pháp tích cực ở trên.
Mục tiêu thứ nhất của luận văn là giới thiệu và trình bày chi tiết về lý thuyết
hệ thống MC - CDMA, nhấn mạnh vào các thuật toán bắt đồng bộ mã tại bộ thu của
hệ thống. Mục tiêu thứ hai là đề xuất ý tƣởng khơi phục tín hiệu, xử lý nhiễu.
Dựa trên những yêu cầu đặt ra với đề tài “nghiên cứu thuật toán đồng bộ mã
PN cho các bộ thu MC-CDMA”, đồ án của em đƣợc cấu trúc nhƣ sau:
Chương 1: Giới thiệu. Giới thiệu chung một số khái niệm trong đồ án, trình
bày mục đích, nội dung và những yêu cầu đặt ra trong đồ án.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Trình bày lý thuyết về hệ thống MC - CDMA,
trong đó nêu rõ cấu trúc tín hiệu MC - CDMA.
Chương 3: Các phương pháp bắt mã PN. Trình bày các thuật tốn bắt đồng
bộ mã PN, qua đó lựa chọn thuật tốn phù hợp.
Chương 4: Mơ phỏng và kết luận. Giới thiệu chƣơng trình mơ phỏng bắt
đồng bộ mã PN tại bộ thu đƣợc viết bằng Matlab, đƣa ra các kết quả mơ phỏng và
phân tích các kết quả thu đƣợc.

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

2


LUẬN VĂN CAO HỌC

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................ 1

TÓM TẮT ............................................................................................................... 2
MỤC LỤC .............................................................................................................. 3
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU ......................................................... 6
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ 8
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU...................................................................................... 9

1.1. KHÁI QUÁT CHUNG ........................................................................... 9
1.1.1. Hệ thống thông tin trải phổ ......................................................... 10
1.1.1.1. Giới thiệu ................................................................................. 10
1.1.1.2. Các kỹ thuật trải phổ cơ bản ..................................................... 12
1.1.1.3. Các chuỗi trải phổ cơ bản ......................................................... 19
1.1.1.4. Hiệu năng của các hệ thống DS/SS .......................................... 23
1.1.2. Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA ....................... 25
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 29

2.1. NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA KỸ THUẬT MC - CDMA .................... 29
2.2. HỆ THỐNG MC - CDMA .................................................................... 31
2.2.1. Máy phát MC - CDMA ............................................................... 31
2.2.2. Máy thu MC - CMDA ................................................................. 34
2.2.3. Kênh truyền ................................................................................ 36
2.2.4. Cấu trúc tín hiệu MC - CDMA .................................................... 37
2.2.4.1. Tín hiệu hƣớng xuống .............................................................. 38
2.2.4.2. Tín hiệu hƣớng lên ................................................................... 40
2.2.5. Các kỹ thuật điều chế trải phổ trong MC - CDMA ...................... 40
2.2.5.1. Các mã trải phổ ........................................................................ 41
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

3



LUẬN VĂN CAO HỌC

2.2.5.2. Tỷ số công suất đỉnh trên cơng suất trung bình PAPR .............. 43
2.2.5.3. Trải phổ một và hai chiều ......................................................... 45
2.2.5.4. Quay biểu đồ pha ..................................................................... 47
2.2.6. Kỹ thuật tách tín hiệu .................................................................. 48
2.2.6.1. Tách đơn ngƣời dùng ............................................................... 49
2.2.6.2. Tách đa ngƣời sử dụng ............................................................. 52
2.2.7. Nhiễu MAI và nhiễu ICI ............................................................. 58
2.2.7.1. Nhiễu MAI ............................................................................... 58
2.2.7.2. Nhiễu ICI ................................................................................. 59
2.2.8. Ƣu điểm và khuyết điểm của hệ thống MC - CDMA .................. 59
2.3. KẾT LUẬN .......................................................................................... 60
CHƢƠNG 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP BẮT MÃ PN .............................................. 61

3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TỐI ƢU HÓA BỘ THU ........................................ 61
3.2. HƢỚNG TIẾP CẬN THEO THAM SỐ QUY NẠP CỰC ĐẠI ............ 63
3.3. HỆ THỐNG BẮT MÃ PN NỐI TIẾP ĐƠN BƢỚC ............................. 65
3.3.1. Mơ hình chuỗi bắt đồng bộ Markov – Quá trình Markov ............ 66
3.3.2. Đặc tính thời gian bắt của hệ thống khi khơng có Code Doppler . 69
3.3.3. Đặc tính thời gian bắt của hệ thống khi có Code Doppler ............ 71
3.3.4. Tính xác suất tách PD và xác suất cảnh báo lỗi PFA (các tham số hệ
thống) ......................................................................................... 72
3.4. HỆ THỐNG BẮT MÃ PN NỐI TIẾP ĐA BƢỚC ................................ 73
3.4.1. Mơ hình bắt chuỗi Markov .......................................................... 76
3.4.2. Thời gian bắt đồng bộ ................................................................. 80
3.5. BẮT ĐỒNG BỘ NHANH SỬ DỤNG KỸ THUẬT LỌC PHÙ HỢP ... 81
3.6. CHIẾN THUẬT TÌM KIẾM/KHĨA .................................................... 87


Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

4


LUẬN VĂN CAO HỌC

3.6.1. Trị trung bình và phƣơng sai của thời gian bắt ............................ 89
3.6.2. Một chiến thuật tìm kiếm/khóa khác: .......................................... 92
3.7. KẾT LUẬN .......................................................................................... 94
CHƢƠNG 4: MƠ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN ......................................................... 96

4.1.

KIẾN TRÚC HỆ THỐNG BẮT ĐỒNG BỘ MÃ PN ......................... 96

4.2.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ..................................................................... 97
4.2.1. Nguyên tắc mô phỏng: ................................................................ 97
4.2.2. Kết quả mô phỏng: ...................................................................... 99

KẾT LUẬN ......................................................................................................... 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 101

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

5



LUẬN VĂN CAO HỌC

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
Hình 1.1. Hệ thống thơng tin trải phổ .................................................................... 11
Hình 1.2. Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế DS - SS ......................................... 13
Hình 1.3. Phổ của tín hiệu trƣớc và sau khi trải phổ ............................................... 14
Hình 1.4. Dạng sóng của tín hiệu trƣớc trải phổ và sau trải phổ ............................. 15
Hình 1.5. Phổ của tín hiệu FH - SS ........................................................................ 15
Hình 1.6. Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH - SS ........................................... 16
Hình 1.7. Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian .............................. 16
Hình 1.8. Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH - SS ........................................... 18
Hình 1.9. Sơ đồ mạch tạo chuỗi ngẫu nhiên ........................................................... 19
Hình 1.10. Đồ thị hàm tự tƣơng quan của chuỗi PRBS .......................................... 20
Hình 1.11. Bộ tạo mã GOLD ................................................................................. 23
Hình 1.15. Sơ đồ khối máy phát và máy thu DS/SS - BPSK .................................. 24
Hình 1.12. Hệ thống CDMA với 10 thuê bao di động ............................................ 25
Hình 1.13. Trải phổ (tƣơng quan) trƣớc điều chế băng hẹp .................................... 26
Hình 1.14. Trải phổ (tƣơng quan) sau điều chế băng rộng...................................... 27
Hình 2.1. Nguyên tắc chung của MC – CDMA và MC – DS – CDMA.................. 29
Hình 2.2. Sơ đồ khối mơ hình hệ thống MC – CMDA ........................................... 31
Hình 2.3. Máy phát MC - CDMA .......................................................................... 32
Hình 2.4. Máy thu MC - CDMA............................................................................ 36
Hình 2.5. Tạo ra tín hiệu MC - CDMA .................................................................. 38
Hình 2.6. Bộ phát MC – CDMA hƣớng xuống ...................................................... 39
Hình 2.7. Trải phổ một chiều và hai chiều ............................................................. 46
Hình 2.8. Bộ thu MC-CDMA ở thuê bao ............................................................... 48
Hình 2.9. Tách đơn ngƣời dùng ở MC-CDMA ...................................................... 49
Hình 2.10. Loại trừ giao thoa cứng ........................................................................ 55

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

6


LUẬN VĂN CAO HỌC

Hình 2.11. Loại trừ giao thoa mềm ........................................................................ 55
Hình 3.1. Hệ thống đánh giá pha và sai số ............................................................. 62
Hình 3.2. Vùng bất định pha và tần số ................................................................... 63
Hình 3.3. Các cấu hình bám mã ............................................................................. 65
Hình 3.4. Sơ đồ khối hệ thống bắt mã đơn bƣớc với sự tách khơng kết hợp. .......... 66
Hình 3.5. Biểu diễn tƣơng đƣơng thông thấp của hệ thống bắt mã PN đơn bƣớc. ... 66
Hình 3.6. Lƣu đồ hàm sinh cho thời gian bắt đồng bộ ............................................ 69
Hình 3.7. Xác suất lỗi cảnh báo và phát hiện với  = -20dB ................................... 73
Hình 3.8. Hệ thống đồng bộ nối tiếp N-bƣớc dị tìm 1/2 chip. ................................ 75
Hình 3.9. Sơ đồ khối hệ thống bắt mã PN N bƣớc với các bộ tách kết hợp ............ 76
Hình 3.10. Lƣu đồ hàm sinh cho thời gian bắt đồng bộ của quá trình đa bƣớc. ...... 77
Hình 3.11. Các lƣu đồ cho tác động giữa các cell trong quá trình N bƣớc. ............. 78
Hình 3.12 Hệ thống bắt đồng bộ lọc phù hợp thơng dải ......................................... 82
Hình 3.13 Hệ thống bắt đồng bộ lọc phù hợp lọc thơng thấp.................................. 82
Hình 3.14. Bộ lọc phù hợp cho chuỗi PN M-chip thực hiện bằng đƣờng trễ.......... 84
Hình 3.15(a). Thực hiện tƣơng quan tƣơng tự của bộ lọc phùhợp. ......................... 86
Hình 3.15(b). Thực hiện tƣơng quan số của bộ lọc phù hợp ................................... 86
Hình 3.16. Chiến thuật tìm kiếm/khóa ................................................................... 88
Hình 3.17. Mơ hình chuỗi Markov của chiến thuật tìm kiếm/khóa ......................... 89
Hình 3.18. Thời gian kiểm tra trung bình theo xác suất phát hiện cảnh báo lỗi ...... 92
Hình 3.19. Chiến thuật tìm kiếm/khóa khác ........................................................... 93
Hình 4.1. Kiến trúc hệ thống.................................................................................. 96


Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

7


LUẬN VĂN CAO HỌC

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
AWGN

Additive white gaussian noise

Nhiễu cộng chuẩn trắng

CP

Cyclic Prefix

Tiếp đầu khung theo chu kỳ

CDMA

Code division multiplex access

Đa truy nhập theo mã

FSK


Frequency shift keying

Khoá dịch tần số

FFT

Fast fourier transform

Biến đổi fourier nhanh

ICI

Inter-carrier interference

Giao thoa liên sóng mang

ICI

Inter-channel interference

Giao thoa liên kênh

MMSE

Minimum Mean Square Error

Sai lệch trung bình bình phƣơng
tối thiểu

MC


Multicarrier

Đa sóng mang

MCM

Multicarrier modulation

Điều chế đa sóng mang

OFDM

Othorgonal frequency division

Ghép kênh theo tần số trực giao

multiplexing
PN

Pseudo noise

Giả ngẫu nhiên

PSK

Phase shift keying

Khoá dịch pha (điều pha tín hiệu
số)


PG

Processing Gain

Tăng ích xử lý

pdf

Probability density function

Hàm mật độ xác suất

SS

Spread Spectrum

Trải phổ

STFT

Short time fourier Transform

Biến đổi fourier thời gian ngắn

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

8



LUẬN VĂN CAO HỌC

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1.

KHÁI QUÁT CHUNG
Một giới hạn cơ bản của các hệ thống thông tin trải phổ là thời gian đồng bộ.

Thời gian đồng bộ là thời gian cần thiết để tiến hành đồng bộ mã giả ngẫu nhiên
đƣợc tạo tại bộ thu với tín hiệu trải phổ nhận đƣợc.
Đồng bộ mã trong các bộ thu của các hệ thống thông tin trải phổ đƣợc chia
thành hai bƣớc: Đồng bộ sơ bộ (bắt đồng bộ - acquisition) và đồng bộ tính (bám
đồng bộ - tracking). Bắt đồng bộ tín hiệu trải phổ là một vấn đề lớn trong việc thiết
kế hệ thống thông tin trải phổ. Bắt đồng bộ có thể thực hiện bằng các phƣơng pháp
tích cực, thụ động hoặc kết hợp. Ở phƣơng pháp tích cực (nối tiếp hoặc song song),
tín hiệu nhận đƣợc đƣợc nhân với bản sao mã giả ngẫu nhiên đồng nhất với bên
phát tại tại bộ thu. Kết quả đƣợc lấy tích phân (tƣơng quan) trong một khoảng thời
gian quan sát nhất định, sau đó đƣợc so sánh với một ngƣỡng đặt trƣớc. Nếu lớn
hơn thì đã đạt đƣợc đồng bộ mã giả ngẫu nhiên cịn nếu khơng thì ta lại thực hiện
phép nhân và tích phân với một pha mã khác. Phép tƣơng quan đƣợc thực hiện từng
bƣớc để kiểm tra từng pha mã.
Ở phƣơng pháp thụ động, ngƣời ta sử dụng một bộ lọc phù hợp với tín hiệu
trải phổ. Bộ lọc này có đáp ứng xung là phiên bản trễ, đảo ngƣợc thời gian của tín
hiệu trải phổ. Bộ lọc phù hợp này chờ (thụ động) cho đến khi tín hiệu trải phổ nhận
đƣợc chứa một pha mã xác định từ trƣớc. Khi đó bộ tạo mã giả ngẫu nhiên nội sẽ
đƣợc khởi động với điều kiện ban đầu tƣơng ứng với pha mã này. Phƣơng pháp này
có thời gian đồng bộ ngắn hơn nhiều so với phƣơng pháp tích cực ở trên.
Ngồi ra để thực hiện đồng bộ nhanh ngƣời ta còn giải điều chế trực tiếp
dịng ký hiệu mã sau đó nạp vào thanh ghi dịch của bộ tạo mã giả ngẫu nhiên. Kỹ

thuật này đƣợc gọi là “Bắt đồng bộ nhanh bằng cách đánh giá tuần tự có trợ giúp đệ
quy” (RASE). Trong khn khổ luận văn, tác giả xin giới thiệu phƣơng pháp bắt
đồng bộ tín hiệu MC – CDMA sử dụng kỹ thuật lọc phù hợp. Trƣớc hết, trong
chƣơng 1, tác giả xin trình bày về hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
và các khái niệm cơ bản của hệ thống thông tin trải phổ, bao gồm các cấu hình của
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

9


LUẬN VĂN CAO HỌC

hệ thống thông tin trải phổ, các phƣơng thức điều chế trải phổ, các ƣu điểm của hệ
thống thông tin trải phổ.
1.1.1. Hệ thống thông tin trải phổ
1.1.1.1. Giới thiệu
Ở các hệ thống thông tin thông thƣờng, độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm
chính và các hệ thống này đƣợc thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng
tốt. Tuy nhiên, ở các hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần của tín hiệu đƣợc
mở rộng, thơng thƣờng hàng trăm trƣớc khi phát. Khi chỉ có một ngƣời sử dụng
trong băng tần trải phổ, sử dụng nhƣ vậy sẽ không hiệu quả. Nhƣng ở môi trƣờng
nhiều ngƣời sử dụng, họ có thể sử dụng chung băng tần và hệ thống sử dụng băng
tần có hiệu suất mà vẫn duy trì đƣợc các ƣu điểm của trải phổ. Kỹ thuật trải phổ ra
đời từ nhu cầu bảo mật thông tin trong quân sự. Mục đích của kỹ thuật trải phổ là
làm cho tín hiệu đƣợc phát giống nhƣ tạp âm đối với các máy thu không mong
muốn, làm cho các máy thu này khó khăn trong việc tách và lấy ra đƣợc bản tin. Để
biến đổi bản tin thành tín hiệu tựa tạp âm, ta sử dụng mã ngẫu nhiên để mã hoá bản
tin. Tuy nhiên, máy thu chủ định phải biết mã này để có thể tạo ra bản sao mã này
một cách chính xác, đồng bộ với mã đƣợc phát và lấy ra bản tin. Vì vậy ta phải sử

dụng mã “giả” ngẫu nhiên. Mã này phải đƣợc thiết kế để có độ rộng băng tần lớn
hơn nhiều so với độ rộng băng tần của bản tin. Bản tin đƣợc mã hóa sao cho tín hiệu
sau khi mã hố có độ rộng phổ gần bằng độ rộng phổ của tín hiệu giả ngẫu nhiên.
Q trình này đƣợc gọi là “quá trình trải phổ”. Ở máy thu thực hiện quá trình nén
phổ tín hiệu thu đƣợc để trả lại độ rộng phổ bằng độ rộng phổ ban đầu của bản tin.

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

10


LUẬN VĂN CAO HỌC

Hình 1.4 minh họa một hệ thống thơng tin trải phổ, trong đó i(t) là tín hiệu
tin tức có tốc độ dữ liệu là Ri và băng thơng Bi, c(t) là chuỗi trải phổ có tốc độ ký
hiệu là Rc, còn gọi là tốc độ chip. Tỷ số băng thơng Bs của tín hiệu trải phổ so với
băng thông tin tức Bi đƣợc định ngh a là độ lợi xử lý:

GS 

BS
Bi

(1.6)

Hình 1.1. Hệ thống thơng tin trải phổ
Một hệ thống thông tin đƣợc xem là trải phổ khi thỏa mãn 2 điều kiện:
+ Băng thơng tín hiệu đã trải phổ lớn hơn rất nhiều so với băng thơng tín
hiệu thơng tin.

+ Mã dùng để trải phổ độc lập với tín hiệu thơng tin.
Ƣu điểm của kỹ thuật thông tin trải phổ:
+ Khả năng đa truy cập
Cho phép nhiều user cùng hoạt động trên một dải tần, trong cùng một khoảng
thời gian mà máy thu vẫn tách riêng đƣợc tín hiệu cần thu. Đó là do mỗi user đã

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

11


LUẬN VĂN CAO HỌC

đƣợc cấp một mã trải phổ riêng biệt, khi máy thu nhận đƣợc tín hiệu từ nhiều user,
nó tiến hành giải mã và tách ra tín hiệu mong muốn.
+ Tính bảo mật thơng tin cao
Mật độ phổ cơng suất của tín hiệu trải phổ rất thấp, gần nhƣ mức nhiễu nền.
Do đó, các máy thu khơng mong muốn khó phát hiện đƣợc sự tồn tại của tin tức
đang đƣợc truyền đi trên nền nhiễu. Chỉ máy thu biết đƣợc chính xác quy luật của
chuỗi giả ngẫu nhiên mà máy phát sử dụng mới có thể thu nhận đƣợc tin tức.
+ Bảo vệ chống nhiễu đa đường
Nhiễu đa đƣờng là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ … của tín hiệu
trên kênh truyền vơ tuyến. Các tín hiệu đƣợc truyền theo các đƣờng khác nhau này
đều là bản sao của tín hiệu phát đi nhƣng đã bị suy hao về biên độ và bị trễ so với
tín hiệu đƣợc truyền thẳng (Line of Sight). Vì vậy tín hiệu thu đƣợc ở máy thu đã bị
sai lệch, khơng giống tín hiệu phát đi. Sử dụng kỹ thuật trải phổ có thể tránh đƣợc
nhiễu đa đƣờng khi tín hiệu trải phổ sử dụng tốt tính chất tự tƣơng quan của nó.
1.1.1.2. Các kỹ thuật trải phổ cơ bản
a. Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS: Direct

Sequence Spread Spectrum):

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

12


LUẬN VĂN CAO HỌC

Nguyên lý cơ bản:
Máy phát

d(t)

Bộ tạo mã
PN c(t)

Máy thu

Bộ điều chế
băng rộng

Bộ giải điều
chế dữ liệu

Bộ tạo
sóng mang

Bộ tạo

sóng mang

dr(t)

Bộ tạo mã
PN cr(t)

Hình 1.2. Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế DS - SS
Hệ thống DS/SS đạt đƣợc trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với tín hiệu
giả ngẫu nhiên. Ở hệ thống DS/SS nhiều ngƣời sử dụng cùng chung một băng tần
và phát tín hiệu của họ đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính
xác để lấy đi tín hiệu mong muốn bằng cách trải phổ. Đây là hệ thống đƣợc biết đến
nhiều nhất trong các hệ thống thông tin trải phổ. Chúng có dạng tƣơng đối đơn giản
vì chúng khơng u cầu tính ổn định nhanh hoặc tốc độ tổng hợp tần số cao.
Tín hiệu truyền đi đƣợc biểu diễn dƣới dạng lƣỡng cực, sau đó nhân trực tiếp
với chuỗi giả ngẫu nhiên. Ở máy thu, tín hiệu thu đƣợc nhân với chuỗi trải phổ lần
nữa để tạo lại tín hiệu tin tức.
Tín hiệu cần truyền đi là d(t), có dạng NRZ với d(t) = ±1, tốc độ bit fb. Thực
hiện nhân d(t) với chuỗi giả ngẫu nhiên c(t) có tốc độ bit fc với fc >> fb. Nhƣ vậy:
d(t).c(t) =

c(t) , d(t) = +1

(1.7)

– c(t) , d(t) = –1
Vì tốc độ bit fc của chuỗi giả ngẫu nhiên lớn hơn nhiều so với tốc độ bit fb
của chuỗi tín hiệu truyền đi, nên tín hiệu d(t) sẽ bị chia nhỏ với tần số rất cao. Tần
số này đƣợc gọi là tốc độ chip. Sau đó, chuỗi tích số d(t).c(t) đƣợc điều chế BPSK
hoặc QPSK. Giả sử ta dùng điều chế BPSK, tín hiệu sau điều chế có biểu thức:

VDS SS (t )  2PS d (t ).c(t ).cosw 0 t

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

(1.8)
13


LUẬN VĂN CAO HỌC

Trong đó:

PS là cơng suất phát [W]
wo là tần số sóng mang [rad/s]

Nếu so sánh (1.8) với biểu thức của BPSK:
VBPSK (t )  2PS d (t ).cosw 0 t

(1.9)

Power

Tín hiệu chƣa trải phổ
Tín hiệu đã trải phổ
Frequency
- fC

- fS


fS

fC

Hình 1.3. Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ
Ta nhận thấy: Với cùng công suất phát PS, chuỗi số d(t).c(t) có tốc độ chip fc
chiếm dải phổ tần rộng hơn rất nhiều so với tín hiệu VBPSK có tốc độ bit fb, vì vậy,
mật độ phổ cơng suất của tín hiệu trải phổ trải phổ VDS-SS thấp hơn nhiều so với mật
độ phổ công suất của tín hiệu khơng trải phổ VBPSK. Nếu fc đủ lớn, mật độ phổ này
sẽ rất thấp và xen lẫn với mức nhiễu nền khiến cho các máy thu thông thƣờng rất
khó khăn trong việc tách và lấy ra tín hiệu tin tức.
Tại máy thu, tín hiệu VDS-SS đƣợc nhân với tín hiệu giả ngẫu nhiên cr(t) đƣợc
tái tạo ở máy thu, giải điều chế BPSK để thu lại tín hiệu tin tức ban đầu.

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

14


LUẬN VĂN CAO HỌC

Hình 1.4. Dạng sóng của tín hiệu trước trải phổ và sau trải phổ
b. Kỹ thuật trải phổ bằng cách phương pháp nhảy tần số (FH – SS: Frequency
Hopping Spread Spectrum ):

Hình 1.5. Phổ của tín hiệu FH - SS
Kỹ thuật FH – SS phát triển dựa trên điều chế BFSK. Hệ thống này có ngh a
là chuyển đổi sóng mang ở tập hợp các tần số theo mẫu đƣợc xác định bằng chuỗi
mã PN (chuỗi mã giả ngẫu nhiên). Chuỗi mã ở đây chỉ có tác dụng xác định mẫu

nhảy tần. Tốc độ nhảy tần có thể nhanh hoặc chậm hơn tốc độ số liệu. Trong đó, tần
số sóng mang đƣợc thay đổi liên tục theo một quy luật giả ngẫu nhiên (dựa trên
chuỗi mã ngẫu nhiên sử dụng), nhờ vậy mà phổ của tín hiệu FH – SS đƣợc trải rộng
trên trục tần số. Trong trƣờng hợp thứ nhất gọi là nhảy tần nhanh, trong trƣờng hợp
thứ hai gọi là nhảy tần chậm. Thật vậy, ứng với một tần số sóng mang, dải tần số
của tín hiệu BFSK là B, vậy với tín hiệu FH – SS dùng L (L = 2N-1, với N là chiều
Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

15


LUẬN VĂN CAO HỌC

dài chuỗi mã) trạng thái nhảy tần, phổ tần của tín hiệu FH – SS sẽ trải rộng đến BFH
= B x L nhƣ hình 1.7.
Máy phát

Máy thu

d(t)
Điều chế
băng gốc

Bộ tạo mã
PN c(t)

Trộn,
biến đổi
tần lên


Giải điều dr(t)
chế dữ
liệu

Trộn, biến
đổi tần
xuống

Tổng hợp
tần số

Tổng
hợp
tần số

Đồng
bộ

Bộ tạo mã
PN cr(t)
Hình 1.6. Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH - SS
Tín hiệu FH – SS đƣợc tạo bởi mạch tổng hợp tần số điều khiển bởi N+1 bit,
trong đó bao gồm N bits của từ mã giả ngẫu nhiên và 1 bit số d(t) của tín hiệu thơng
tin cần truyền.
c. Kỹ thuật trải phổ bằng cách phương pháp nhảy thời gian (TH – SS: Time
Hopping Spread Spectrum):
slot

Frequency


Time
frame

Hình 1.7. Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

16


LUẬN VĂN CAO HỌC

Nhảy thời gian tƣơng tự nhƣ điều chế xung. Ngh a là dãy mã đóng mở bộ
phát, thời gian đóng mở bộ phát đƣợc chuyển đổi thành dạng tín hiệu giả ngẫu
nhiên theo mã và đạt đƣợc 50% yếu tố tác động truyền dẫn trung bình. Sự khác
nhau nhỏ so với hệ thống FH/SS đơn giản là trong khi tần số truyền dẫn biến đổi
theo mỗi thời gian chip mã trong hệ thống FH/SS thì sự nhảy tần xảy ra trong trạng
thái dịch chuyển dãy mã trong hệ thống TH/SS. Hình 1.9 là sơ đồ khối của hệ thống
TH/SS. Bộ điều chế đơn giản và bất kỳ dạng sóng cho phép điều chế xung theo mã
đều có thể sử dụng đối với bộ điều chế TH/SS.
TH/SS có thể làm giảm giao diện giữa các hệ thống trong hệ thống ghép
kênh theo thời gian. Vì mục đích này mà sự chính xác theo thời gian đƣợc yêu cầu
trong hệ thống nhằm tối thiểu hóa độ dƣ giữa các máy phát. Mã hóa cần đƣợc sử
dụng cẩn thận vì sự tƣơng đồng các đặc tính nếu sử dụng cùng một phƣơng pháp
nhƣ các hệ thống thơng tin mã hóa khác. Do hệ thống TH/SS có thể bị ảnh hƣởng
dễ dàng bởi giao thoa nên cần sử dụng hệ thống tổ hợp giữa hệ thống này với hệ
thống FH/SS để loại trừ giao thoa có khả năng gây nên sự suy giảm đối với tần số
đơn.

Trục thời gian đƣợc chia thành các khung (frame). Mỗi khung lại đƣợc chia
thành k khe thời gian (slot). Trong một khung, tùy theo mã của từng user mà nó sẽ
sử dụng một trong k khe thời gian của khung. Tín hiệu đƣợc truyền trong mỗi khe
có tốc độ gấp k lần so với tín hiệu truyền trong toàn bộ khung nhƣng tần số cần thiết
để truyền tăng gấp k lần.

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

17


LUẬN VĂN CAO HỌC

Máy phát

Máy thu
Buffer

Buffer
d(t) slow in
fast
out

Bộ tạo mã
PN c(t)

Bộ điều
chế dữ
liệu


Bộ giải điều
chế dữ liệu

Bộ tạo
sóng mang

Bộ tạo
sóng mang

fast in

dr(t)

slow
out

Bộ tạo mã
PN cr(t)

Hình 1.8. Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH - SS
d. So sánh các hệ thống trải phổ:
Các hệ thống DS/SS giảm nhiễu giao thoa bằng cách trải rộng nó ở một phổ
tần rộng. Trong các hệ thống FH/SS ở mọi thời điểm cho trƣớc, những ngƣời sử
dụng phát ở tần số khác nhau vì thế có thể tránh nhiễu giao thoa. Các hệ thống
TH/SS tránh nhiễu giao thoa bằng cách tránh không để nhiều hơn một ngƣời sử
dụng phát trong cùng một thời điểm.
Có thể thiết kế các hệ thống DS/SS với giải điều chế nhất quán và không
nhất quán. Tuy nhiên, do sự nhảy chuyển tần số phát nhanh rất khó duy trì đồng bộ
pha ở các hệ thống FH/SS vì thế chúng thƣờng địi hỏi giải điều chế khơng nhất

qn. Trong thực tế, các hệ thống DS/SS có chất lƣợng tốt hơn do sử dụng giải điều
chế nhất quán nhƣng giá thành mạch khóa pha sóng khơng đắt.
Với cùng tốc độ đồng hồ của bộ tạo mã PN, FH/SS có thể nhảy trên băng tần
rộng hơn nhiều so với băng tần của tín hiệu DS/SS. Ngồi ra có thể tạo ra tín hiệu
TH/SS có độ rộng băng tần rộng hơn nhiều độ rộng băng tần của DS/SS khi bộ tạo
chuỗi của hai hệ thống này cùng tốc độ đồng hồ. FH/SS cũng loại trừ đƣợc các kênh
tần số gây nhiễu giao thoa mạnh thƣờng xuyên. DS/SS nhạy cảm nhất với vấn đề
gần xa. Các hệ thống FH/SS dễ bị thu trộm hơn so với hệ thống DS/SS.

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

18


LUẬN VĂN CAO HỌC

Thời gian bắt mã ở các hệ thống FH/SS ngắn nhất, tuy nhiên máy phát và
máy thu ở hệ thống FH/SS đắt do sự phức tạp của bộ tổng hợp tần số. Các hệ thống
FH/SS chịu đƣợc fading và nhiễu. Các máy thu DS/SS đòi hỏi mạch đặc biệt để làm
việc thỏa mãn trong mơi trƣờng nói trên.
1.1.1.3. Các chuỗi trải phổ cơ bản
Có sáu chuỗi trải phổ cơ bản sau: Chuỗi giả ngẫu nhiên PN (Pseudo-random
Noise), chuỗi Gold, chuỗi Gold trực giao (Orthogonal Gold), chuỗi Kasami, chuỗi
Hadamarh Walsh và chuỗi GOLAY bù.
a. Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên:

Hình 1.9. Sơ đồ mạch tạo chuỗi ngẫu nhiên
Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên là chuỗi tín hiệu nhị phân tuần hồn
nhƣng có chu kỳ lặp lại rất lớn, do đó nếu khơng đƣợc biết trƣớc quy luật của nó,

ngƣời quan sát khó nhận biết đƣợc quy luật. Ta gọi đó là chuỗi giả ngẫu nhiên
(PRBS: Pseudo Random Binary Sequence). Chuỗi PRBS đƣợc tạo ra từ mạch chuỗi
gồm ND-FlipFlop ghép liên tiếp nhau nhƣ hình 1.9.

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

19


LUẬN VĂN CAO HỌC

RPRBS(
)
1/L
TC

TC
0

(L1)TC

(L+1)T
LT

C

C

Hình 1.10. Đồ thị hàm tự tương quan của chuỗi PRBS

Tùy theo vị trí đóng mở của các khố mà ta có các tín hiệu hồi tiếp về khác
nhau. Có tối đa 2N – 1 trạng thái của ND-FF, loại bỏ trạng thái 00…0 vì nếu xuất
hiện trạng thái này thì tín hiệu hồi tiếp về sẽ bằng khơng và các trạng thái sau đó
đều bằng khơng. Vì vậy, chiều dài cực đại của chuỗi là L = 2N – 1.
Tính chất của chuỗi PRBS
+ Số bit 0 và số bit 1 trong một chu kỳ chuỗi gần bằng nhau.
+ Tƣơng quan chéo giữa mã PRBS và phiên bản bị dịch theo thời gian của
nó rất nhỏ.
Trong một chu kỳ:
Giá trị tƣơng quan chéo của chuỗi là “ –1/L”
Giá trị tự tƣơng quan của chuỗi là “1”
b. Chuỗi Hadamarh Walsh:
Các hàm Walsh đƣợc tạo ra từ các ma trận vng đặc biệt N×N gọi là các ma
trận Hadamard. Các ma trận này chứa một hàng toàn số 0 và các hàng cịn lại có số
số 1 và số số 0 bằng nhau. Hàm Walsh đƣợc cấu trúc cho độ dài khối N=2j trong đó
j là một số nguyên dƣơng. Các tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực
giao đƣợc xác định nhƣ theo ma trận Hadamard nhƣ sau[1]:

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

20


LUẬN VĂN CAO HỌC

H 1  0,

0 0 
H2  

,
0 1 

0
0
H4  
0

0

0 0 0
1 0 1 
,
0 1 1

1 1 0

H N
H 2N  
H N

HN 
 (1.10)
HN 

Trong đó H N là đảo cơ số hai của HN
Trong thông tin di động CDMA, mỗi thuê bao sử dụng một phần tử trong tập
các hàm trực giao để trải phổ. Khi đó, hiệu suất sử dụng băng tần trong hệ thống sẽ
lớn hơn so với khi trải phổ bằng các mã đƣợc tạo ra bởi các thanh ghi dịch.
c. Mã GOLD:

Một trong các ứng dụng quan trọng của hệ thống trải phổ là đa truy nhập
theo mã, trong đó, các thuê bao cùng đồng thời truy nhập đến một nguồn tin. Khi
nguồn tin đƣợc dùng chung sử dụng kỹ thuật trải phổ, các thuê bao đƣợc phép
truyền đồng thời trên cùng một băng tần. Mỗi một thuê bao đƣợc cấp một mã trải
phổ và các thuê bao đƣợc phân biệt với nhau nhờ chính mã trải phổ này tại quá trình
giải trải phổ tại bộ thu. Nhiệm vụ của ngƣời thiết kế mã trải phổ cho các hệ thống
CDMA là phải tìm ra tập các mã trải phổ sao cho số ngƣời sử dụng chung một băng
tần là lớn nhất với giao thoa nhỏ nhất.
Ta đã biết rằng phép giải trải tại bộ thu chính là phép tƣơng quan với mã trải
phổ của bộ phát lý tƣởng. Một tín hiệu thu đƣợc đƣợc giải trải phổ dùng một mã trải
phổ khác thì sẽ bng giải trải phổ thành công. Số lƣợng giao thoa từ một thuê bao
sử dụng mã trải phổ khác có quan hệ với hàm tƣơng quan chéo giữa hai mã trải phổ.
Mã Gold đặc biệt đƣợc sử dụng cho các ứng dụng đa truy nhập trong đó có các tập
lớn các mã Gold có tính chất tƣơng quan chéo điều khiển đƣợc dễ dàng.
Hàm tƣơng quan chéo giữa hai mã trải phổ xác định bằng:

 bb' (k ) 

1 N 1
 an a' nk
N n 0

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

(1.11)

21



LUẬN VĂN CAO HỌC

Phổ tƣơng quan là tập các giá trị có thể của Өbb’ . Khi b = b’ phổ tƣơng quan
chéo thành tự tƣơng quan. Phổ tƣơng quan cho dãy m là:
1.0

Xẩy ra 1 lần

-1/N

Xẩy ra N-1 lần

Tập mã Gold là mã có phổ tƣơng quan có 3 giá trị.
Phổ tƣơng quan chéo của cặp dãy m có thể có 2 giá trị, 3 giá trị hoặc có thể
nhiều giá trị. Cặp các dãy m đặc biệt nhất định có phổ tƣơng quan 3 giá trị với các
giá trị nhƣ sau:
1

  N r n 

1
 
N

1

 N r (n)  2

Với:
1  2 0.5( n 1)

r ( n)  
0.5( n  2 )
1  2

n lỴ
n ch½ n

Với chu kỳ mã N = 2n - 1, gọi là cặp thích hợp của dãy m. Tìm các cặp thích
hợp xác định tập các mã Gold. Các điều kiện sau xác định các cặp thích hợp b, b’
dãy m.
1. n  0 mod 4 tức là n lẻ hoặc n  2 mod 4
2. b’= b[q] với q là lẻ và q = 2k + 1 hoặc q = 22k - 2k + 1
1 n odd
2 n  2 mod 4

3. TSCNN (n, k )  

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

22


LUẬN VĂN CAO HỌC

Đầu ra
mã Gold

Hình 1.11. Bộ tạo mã GOLD
1.1.1.4. Hiệu năng của các hệ thống DS/SS

Trong phần này chúng ta sẽ đề cập hiệu năng của một hệ thống DS/SSBIT/SK trong môi trƣờng tạp âm Gausơ trắng cộng (AWGN: Additive White
Gaussian Noise) và nhiễu. Ta cũng sẽ khảo sát nhiễu giao thoa nhiều ngƣời sử dụng
gây ra do các tín hiệu DS khác và nhiễu tự gây do truyền nhiều tia.
Ảnh hưởng của tạp âm trắng
Để xét hiệu năng của hệ thống DS/SS ta sử dụng sơ đồ 1.13. Ta giả thiết là
đồng bộ mã và đồng bộ sóng mang tốt nên có thể đặt: τ = 0 và Ө = 0. Mục đích của
ta ở đây là tìm đƣợc tỷ số giữa cơng suất tín hiệu ở đầu ra của máy thu đƣợc ký hiệu
là SRN0 trƣớc thiết bị đánh giá ngƣỡng cuối cùng, mà thiết bị này sẽ tạo ra nhƣ là
một ƣớc tính của bản tin b(t). Đầu vào của bộ hạn biên cứng bao gồm ba thành phần
s0 (   Eb ) từ tín hiệu mong muốn, n0 từ tạp âm và j0 từ nhiễu phá.
Hiệu năng hoạt động của hệ thống thƣờng đƣợc đánh giá bằng xác suất lỗi
bit hay xác suất lỗi ký hiệu. Xác suất lỗi thƣờng đƣợc biểu diễn dƣới dạng Eb/N0,
trong đó Eb là năng lƣợng tín hiệu trên một bit và N0/2 là PSD hai biên của tạp âm
Gausơ trong kênh. Xác suất lỗi bit của một tín hiệu DS/SS-BIT/SK ở kênh tạp âm
Gausơ trắng cộng là:
Pb  Q( 2SNR0 )

(1.12)





Với Q(t )  (1 / 2 )e  x / 2 dt
2

t

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B


23


LUẬN VĂN CAO HỌC

Trong đó SNR0 là tỷ số tín hiệu trên tạp âm đƣợc xác định nhƣ sau:
A 2T / 2 Eb
SNR0 

N0
N0

(1.13)

2 Eb
Eb là năng lƣợng bit, T là độ rộng bit, N0 là mật độ phổ
T

Trong đó A 

cơng suất tạp âm Gausơ trắng cộng.
Bộ điều chế

BPSK
b(t)

Tín hiệu DS/SS-BPSK

s(t )  Ab(t )c(t ) cos(2f c t )


b(t)c(t)
c(t)

Sóng mang

Acos(2 f c t)

(a). Máy phát
r (t )  Ab (t )c(t )cos(2f c t)
 n(t )  j (t )

b(t )

T

 (.)dt
0

s 0  n0  j0

Thiết bị đánh giá
ngƣỡng
(hạn biên cứng)

B.c(t )cos(2f c t)
A  2 Eb / Tb
B  2 / Tb

Ức tính

của b(t)

(b). Máy thu

Hình 1.15. Sơ đồ khối máy phát và máy thu DS/SS - BPSK
Ta có thể thiết lập quan hệ giữa tỷ số tín hiệu trên tạp âm đầu vào SNRi với
tỷ số tín hiệu trên tạp âm đầu ra SNR0 nhƣ sau:
E  Rb Eb
1
S


   b
 N i N 0  B N 0 G p

(1.14)

Hay:

Học viên thực hiện: Nguyễn Quốc Huy
Lớp: KTTT2 – 2011B

24