Nghiên cứu hệ thống trải phổ sử dụng kỹ thuật hỗn loạn

Minh Họa Tín Hiệu Theo Thời Gian Trong Quá Trình Trải Phổ Của: A Hệ Thống DS/SS Truyền Thống Sử Dụng Chuỗi PN, B Hệ Thống CS-DS/SS Sử Dụng Chuỗi Hỗn Loạn, Và C Hệ Thống CBD-DS/SS Với Độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

CÙ VĂN TRỌNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRẢI PHỔ SỬ DỤNG

KỸ THUẬT HỖN LOẠN

Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Truyền Thông

LUẬN VĂN THẠCH SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS VŨ VĂN YÊM

MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT HỖN LOẠN 10

1.1 Giới thiệu về hỗn loạn 10

1.1.1 Lịch sử nghiên cứu: 10

1.2 Một số hệ hỗn loạn phổ biến: 12

1.2.1 Hệ Lorenz: 12

1.2.2 Hệ Chua 14

1.2.3 Hệ Rossler: 16

1.2.4 Hệ Duffing: 17

1.3 Đồng bộ trong truyền thông hỗn loạn 18

1.3.1 Vấn đề đồng bộ trong truyền thông hỗn loạn 18

1.3.2 Các dấu hiệu đồng bộ phổ biến: 19

1.4 Các phương pháp điều chế, giải điều chế hỗn loạn 20

1.4.1 Phươngpháp điều chế CSK (Chaos Shift Keying) 20

1.4.1.1 ACSK (Antipodal CSK- CSK đối cực) 20

1.4.1.2 Phương pháp điều chế COOK (Chaos On-Off Keying) 22

1.4.1.3 CSK với hai bộ giao động chaos: 23

1.4.2 Điều chế DCSK (Differential Chaos-Shift-Keying) 26

1.4.3 Điều chế FM-DCSK (Frequency Modulated DCSK) 28

1.4.4 Điều chế CDSK (Correlation-Delay-Shift-Keying): 28

1.4.5 Điều chế QCSK (Quature-Chaos-Shift-Keying): 30

1 5 Kết luận 32

CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖN LOẠN 33

2.1 Kỹ thuật trải phổ và phân loại 33

2.2 Các loại trải phổ trong 37

2.3 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS 37

2.3.1 Tín hiệu giả tạp (Pseudo-Noise) 37

2.3.2.1 Máy phát 41

2.3.2.2 Máy thu 43

2.3.2.3 Mật độ phổ công suất(PSD-Power Spectral Density) 45

2.3.2.4 Độ tăng ích xử lý (Processing Gain – PG) 47

2.3.3 Các hệ thống DSSS-QPSK 47

2.3.4 Đồng bộ trong hệ thống trải phổ trực tiếp 54

2.3.4.1 Khái quát về đồng bộ mã trải phổ trong hệ thống DSSS 54

2.3.4.2 Bắt mã PN trong các hệ thống DSSS 56

2.4 Mô phỏng hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS 58

2.4.1 Sơ đồ hệ thống 58

2.4.2 Kết quả mô phỏng 61

2.5 Kết luận 64

CHƯƠNG 3 – HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP SỬ DỤNG KỸ THUẬT HỖN LOẠN 66

3.1 Giới thiệu 66

3.2 Kiến trúc và hoạt động của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng kỹ thuật hỗn loạn 67

3.2.1 Khối phát vị trí xung biến đổi và chuỗi PN (khối phát VPP-PNS) 67

3.2.2 Máy phát 69

3.2.3 Máy thu 71

3.3 Ước lượng lý thuyết tỷ lệ lỗi bit 72

3.4 Kết quả mô phỏng số 74

3.5 Kết luận 78

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 79

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này do chính tôi nghiên cứu , dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Vũ Văn Yêm các tài liệu được tham khảo để hoàn thành luận văn được liệt kê trong phần tài liệu tham khảo nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội Tháng 4 năm 2015

Tác giả

Cù Văn Trọng

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

BPSK Binary phase shift keying Khóa dịch pha nhị phân

CDSK Correlation delay shift

keying

DCSK Differential chaos shift

PSD Power spectral density Mật độ phổ công suất

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Một Mạch Điện Của Hệ LORENZ [21] 13

Hình 1.2 Tính Chất Hỗn Loạn Của Hệ LORENZ 14

Hình 1.3 Một Phiên Bản Của Mạch Chua [22] 14

Hình 1.4 Tính Chất Hỗn Loạn Của Hệ Chua 16

Hình 1.5 Tính Chất Hỗn Loạn Của Hệ ROSSLER 17

Hình 1.6 Đồ Thị Pha Và Tín Hiệu Miền Thời Gian Của Hệ DUFFING 18

Hình 1.7 Hai Hệ Thống Đồng Bộ 19

Hình 1.8 Mô Hình Điều Chế ACSK 21

Hình 1.9 Mô Hình Điều Chế COOK 22

Hình 1.10 Sơ Đồ Điều Chế CSK Với Hai Bộ Dao Động CHAOS 23

Hình 1.11 Giải Điều Chế Sử Dụng Lỗi Đồng Bộ 24

Hình 1.12 Giải Điều Chế Loại Dùng Tương Quan 25

Hình 1.13 Sơ Đồ Điều Chế DCSK 26

Hình 1.14 Sơ Đồ Bộ Điều Chế FM-DCSK 28

Hình 1.15 Sơ Đồ Điều Chế CDSK A) Máy Thu B) Máy Phát 29

Hình 1.16 Sơ Đồ Khối Mô Hình Điều Chế/ Giải Điều Chế QCSK 31

Hình 2.1 Sơ Đồ Tổng Quát Của Hệ Thống Truyền Thông Số 34

Hình 2.2: Mô Hình Một Hệ Thống Thông Tin Trải Phổ 36

Hình 2.3: Một Ví Dụ Của Tín Hiệu PN C(T), Tạo Nên Từ Dãy PN Có Chu Kỳ N=15 38

Hình 2.4: Sơ Đồ Khối Trải Phổ DS 39

Hình 2.5: Sơ Đồ Khối Trải Phổ DS – BPSK 40

Hinh 2.6: Dạng Song Trải Phổ BPSK 41

Hình 2.7: Sơ Đồ Khối Của Máy Phát DSSS - BPSK 42

Hình 2.8: Sơ Đồ Khối Của Máy Thu DSSS - BPSK 44

Hình 2.9: Psd Của Tin Tức, Tín Hiệu PN Và Tín Hiệu DSSS-BPSK 46

Hình 2.10: Sơ Đồ Khối Trải Phổ - Giải Trải Phổ Ds Sử Dụng QPSK 48

Hình 2.11: Sơ Đồ Khối Của Máy Phát DSSS-QPSK 50

Hình 2.12: Dạng Sóng Của Hệ Thống DSSS-QPSK 51

Hình 2.13: Sơ Đồ Khối Máy Thu Hệ Thống DSSS-QPSK 51

Hình 2.14: Các Ví Dụ Về C1(T), C2(T) Nhận Được Từ Cùng C(T) 53

Hình 2.15: Sơ Đồ Khối Chức Năng Máy Thu Trong Hệ Thống DSSS 55

Hình 2.16: Sơ Đồ Bên Phát Hệ Thống DSSS 58

Hình 2.17: Sơ Đồ Bên Thu Hệ Thống DSSS 59

Hình 2.18: Phổ Của Data Được Điều Chế Với Tần Số Sóng Mang F0 59

Hình 2.19: Phổ Của Data Được Trải Phổ 59

Hình 2.20: Tín Hiệu Nhận Có Nhiễu 60

Hình 2.21: Phổ Tín Hiệu Trước Khi Lọc Nhiễu 60

Hình 2.22: Tín Hiệu Sau Khi Nén Phổ Qua Bộ Lọc 60

Hình 2.23: Phổ Tín Hiệu Và Nhiễu Cuối Cùng Thu Được 60

Hình 2.24: Dạng Sóng Và Phổ Dữ Liệu Ban Đầu 61

Hình 2.25: Dạng Sóng Và Phổ Dữ Liệu Sau Điều Chế BPSK 62

Hình 2.26: Dạng Sóng Và Phổ Của Chuỗi Giả PN 62

Hình 2.27: Dạng Sóng Của Tín Hiệu Được Trải Phổ 63

Hình 2.28: Dạng Sóng Và Phổ Của Tín Hiệu Nén Phổ 64

Hình 2.29: Dạng Sóng Và Phổ Của Tín Hiệu Sau Giải Điều Chế 64

Hình 3.1 Minh Họa Tín Hiệu Theo Thời Gian Trong Quá Trình Trải Phổ Của: (A) Hệ Thống DS/SS Truyền Thống Sử Dụng Chuỗi PN, (B) Hệ Thống CS-DS/SS Sử Dụng Chuỗi Hỗn Loạn, Và (C) Hệ Thống CBD-DS/SS Với Độ Rộng BIT Biến Đổi Theo Hỗn Loạn 67

Hình 3.2 Sơ Đồ Của Khối Phát Xung Vị Trí Biến Đổi Và Chuỗi PN 68

(Khối Phát VPP-PNS) 68

Hình 3.3 Sơ Đồ Khối Hệ Thống Thông Tin CBD-DS/SS 69

Hình 3.4 Tín Hiệu Theo Miền Thời Gian Đạt Được Từ Mô Phỏng Của Hệ Thống Đề Xuất Sử Dụng Hàm TENT MAP Cho Trường Hợp = , = 76

(A) Vùng Hút Của Hàm Hỗn Loạn (∙), (B) Biến Đổi Của Độ Rộng BIT 76 HÌNH 3.6 BER Mô phỏng của Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp Sử dụng Kỹ thuật hỗn loạn với các hàm hỗn loạn khác nhau cho các trường hợp: (A)

= , = , (B) = , = 78

Những khái niệm toán học về hỗn loạn được phát hiện đầu tiên vào những năm 1880 bởi Henri Poincaré tuy nhiên trong thời gian dài các lý thuyết này hầu như không có những bước đột phá lớn Cho đến những năm 1980, một nhóm các nhà khoa học từ nhiều lĩnh vực như: vật lý, toán học, sinh học… đã có nhiều phát hiện lớn và đưa “chaos” hay tiếng Việt là “hỗn loạn” trở thành một lĩnh vực khoa học mới Những năm 1990, thế giới khoa học bắt đầu đi gần hơn, thực dụng hơn

về những thành quả và tiềm năng của hỗn loạn Các lý thuyết mới bắt đầu ít dần đi, tập trung hơn vào các ứng dụng và khả năng sử dụng khoa học mới này để trả lời các vấn đề thực tiễn

Tìm hiểu và nghiên cứu hệ thống trãi phổ sử dụng kỹ thuật hỗn loạn và ứng dụng vào thực tiễn Nghiên cứu và tổng hợp các phương pháp điều chế , giải điều chế hỗn loạn , các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp, hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp

sử dụng kỹ thuật hỗn loạn Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng kỹ thuật hỗn loạn và bước đầu mô phỏng số hệ thống

Phương pháp nghiên cứu dựa trên các tài liệu trong và ngoài nước , kết hợp với các phương pháp phân tích , tổng hợp và khảo sát nhằm làm sáng tỏ các vấn đề đặt ra trong luận văn

Em chân thành cảm ơn quý thầy cô viện điện tử viễn thông đã giúp đỡ và tạo điều kiện trong suốt quá trình thực hiện luận văn này , đặc biệt thầy giáo PGS.TS

Vũ Văn Yêm đã tận tình hướng dẫn để tôi hoàn thành luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT HỖN LOẠN

1.1 Giới thiệu về hỗn loạn

1.1.1 Lịch sử nghiên cứu:

Những khái niệm toán học về hỗn loạn được phát hiện đầu tiên vào những năm 1880 bởi Henri Poincaré tuy nhiên trong thời gian dài các lý thuyết này hầu như không có những bước đột phá lớn Cho đến những năm 1980, một nhóm các nhà khoa học từ nhiều lĩnh vực như: vật lý, toán học, sinh học… đã có nhiều phát hiện lớn và đưa “chaos” hay tiếng Việt là “hỗn loạn” trở thành một lĩnh vực khoa học mới [2].Ngay sau đó, các nghiên cứu về hỗn loạn đã gây nên tác động lớn lên nhiều lĩnh vực khác nhau, đến mức nó được dự đoán sẽ là một cuộc cách mạng trong khoa học Rất nhiều các lĩnh vực liên quan đã phát triển một cách bùng nổ: các nhà khóa học, kỹ sư, nhà kinh tế học, triết học… cũng tham gia nghiên cứu về hỗn loạn Đến cuối thế kỷ, hỗn loạn đã trở thành một chủ đề nghiên cứu phổ biến trên báo và các tạp chí khoa học Những năm 1990, thế giới khoa học bắt đầu đi gần hơn, thực dụng hơn về những thành quả và tiềm năng của hỗn loạn Các lý thuyết mới bắt đầu ít dần đi, tập trung hơn vào các ứng dụng và khả năng sử dụng khoa học mới này để trả lời các vấn đề thực tiễn

Hỗn loạn là gì? Thực tế không có một định nghĩa chính xác, duy nhất và

được chấp nhận rộng rãi về hỗn loạn trong khoa học cho hỗn loạn Khái niệm hỗn loạn được định nghĩa khác nhau theo các cách tiếp cận khác nhau Thuật ngữ “hỗn loạn” được giới thiệu đầu tiên trong toán học bởi hai nhà toán học Li và York [3]

Kể từ đó có nhiều định nghĩa khác được đưa ra, tuy nhiên trong số đó định nghĩa của Davaney là phổ biến nhất [4] Mặc dù không có một định nghĩa chính xác về mặt toán học của hỗn loạn nhưng các đặc điểm cơ bản của hỗn loạn là có thể được

nhận ra trong hầu hết các trường hợp Đó là tính chất đặc biệt nhạy với các điều kiện ban đầu Các tính chất khác có thể kể đến như: hỗn loạn bao gồm tập dày đặc gồm nhiều các quỹ đạo không ổn định trong một strange attrator (vùng hút lạ), có

ít nhất một trong các giá trị hệ số mũ Lyapunov là dương, có phổ công suất liên tục

giống như nhiễu trắng…

Hỗn loạn là có mặt ở khắp mọi nơi [5], chúng có thể được tìm thấy trong các iterated maps như là: logistic map, Gaussian map, Hénon map…; trong các hệ thống vật lý như là bộ giao động Duffing, bộ giao động van der Pol, các mô hình hệ thống Lorenz và Rossler Chúng cũng được tìm thấy trong các hệ thống điện, điện

tử như là mạch Chua’s các hệ thống điện công suất, các bộ lọc, laser, plasmas, trạng thái rắn, cơ học lượng tử, quang học, phản ứng hóa học, mạng nơron, các hệ thống logic mờ, kinh tế, tài chính, sinh học…

Hỗn loạn là một hiện tượng và cũng là một đối tượng nghiên cứu chủ yếu

trong các nghiên cứu về các hệ động phi tuyến (nonlinear dynamical systems) Có rất nhiều lý do cần thiết cho việc nghiên cứu hỗn loạn Đầu tiên, trong nhiều trường hợp thì hệ hỗn loạn sẽ mang ít thông tin hữu ích mong muốn Hỗn loạn cũng có thể đưa hệ thống vào các tình huống xấu thậm chí dẫn đến sụp đổ Trong trường hợp như vậy chúng ta cần loại bỏ hỗn loạn hết mức có thể Tuy nhiên ngược lại, các nghiên cứu gần đây lại cho thế nhiều tiềm năng của hỗn loạn trong một số trường hợp cụ thể Ví dụ trong điện tử viễn thông, tín hiệu hỗn loạn có phổ liên tục trong miền tần số, do đó chúng có thể được sử dụng trong các hệ thống truyền thông băng rộng [6]

Do hỗn loạn chỉ xảy ra trong các hệ phi tuyến, các nghiên cứu cụ thể về hỗn loạn cần phải sử dụng lượng tính toán tương đối nhiều nên phải phải sử dụng đến

sự hỗ trợ của máy tính Do vậy dù sự tồn tại của hỗn loạn đã được biết đến từ lâu, chỉ đến gần đây mọi người mới có thể áp dụng lý thuyết hỗn loạn để giải quyết các vấn đề hỗn loạn trong nhiều ngành khoa học nói chung và trong thiết kế thiết bị cao tần nói riêng

Sự hoạt động của các thiết bị cao tần thường được dựa trên tương tác giữa các electrons và trường điện từ Trong phần lớn các trường hợp, các quá trình tương tác là phi tuyến và số lượng của các biến pha trạng thái là đủ lớn để diễn ra hỗn loạn Do vậy cần phải nghiên cứu các tiến trình tương tác này sử dụng các khái

niệm về hỗn loạn Các nghiên cứu đầu tiên là trong các bộ giao động phi tuyến điều khiển từ bên ngoài như là bộ dao động đèn neon được kích thích bởi các tín hiệu sin trong nghiên cứu của van der Pol và van del Mark , bộ dao động trở kháng

âm của Ueda và các mạch RL-diode Gần đây hơn hỗn loạn được nghiên cứu trong các mạch điện như là mạch Chua’s, bộ dao động trễ, vòng khóa pha (PLL), các mạch lọc số, bộ điều chế sigma-delta [7-10] Thậm chí,bộ dao động cổ điển Colpitts cũng được nghiên cứu là thể hiện tính hỗn loạn [11] Trong thời kỳ mà các

bộ dao động điện tử chính là trái tim của các hệ thống tính toán và thông tin như này nay, việc nghiên cứu tính động của các bộ dao động cổ điển cũng là rất cần thiết

1.2 Một số hệ hỗn loạn phổ biến:

Trong thực tế có rất nhiều hệ thống có thể hiện tính chất hỗn loạn, tuy nhiên chúng có thể phân làm hai loại: loại liên tục về mặt thời gian và loại gián đoạn về mặt thời gian Loại liên tục thời gian thường được biểu diễn dưới dạng các hệ phương trình vi phân trong khi đó dạng rời rạc thời gian thường được biểu diễn dưới dạng các iterated maps Phần này sẽ giới thiệu một số hệ hỗn loạn thuộc loại liên tục

Hình 1.1 Một mạch điện của hệ Lorenz [21]

Hệ Lorenz là một hệ phi tuyến, ba chiều và tất định (xác định trước) Mặc dù

đã phát hiện tính hỗn loạn của hệ Lorenz từ lâu, đến năm 2001 Warwick Tucker đã chứng minh được về mặt kỹ thuật rằng với một số tập các thông số nhất định, hệ

thống thể hiện tính hỗn loạn và được gọi là vùng hút lạ (strange attractor)

Trong lĩnh vực điện tử viễn thông, hệ Lorenz cũng đã được hiện thực trên mạch từ cuối những năm 1980 và đầu những năm 1990 với những linh kiện đơn giản như bộ khuyếch đại thuật toán, điện trở, tụ, bộ nhân…

Hệ phương trình đặc trưng của hệ Lorenz như sau:

y z x

y

x y x

)(

(1.1)

Với σ, ρ và β là các tham số

Hình 1 là các kết quả khi khảo sát một hệ hỗn loạn Lorenz với các tham số σ=10, ρ=28 và β=2.66666666

Hình 1.2 Tính chất hỗn loạn của hệ Lorenz

a)3D attractor; b) 2D attractor; c) tín hiệu miền thời gian

1.2.2 Hệ Chua

Mạch Chua là một mạch điện đơn giải có thể thể hiện tính chất hỗn loạn Nó được đưa ra đầu tiên vào năm 1983 bởi Leone O Chua, khi ông đến làm làm việc tại đại học Waseda ở Nhật bản Do đây là một mạch rất dễ xây dựng nên nó có thể được gặp ở rất nhiều ví dụ thực tế của hệ thống hỗn loạn, đến mức một số người cho rằng nó là điển hình cho hỗn loạn (a paradigm for chaos)

Hình 1.3 Một phiên bản của mạch Chua [22]

10 20

5 10 15 20 25 30 35 40 45

Mạch này bao gồm một số linh kiện đơn giản như, điện trở, cuộn cảm và một diode Chua đóng vai trò là phần tử phi tuyến.Dạng chung của hệ phương trình vi phân đặc trưng biểu diễn hệ Chua là như sau:

z y x dt dy

x f x y dt dx

-2

0

2

y chua

Hình 1.4 Tính chất hỗn loạn của hệ Chua a) 3D attractor b) 2D attractor c) Tín hiệu trong miền thời gian

)(

c x z b z

ay x y

z y x

-15 -10 -5 0 5 10

x

Hình 1.5 Tính chất hỗn loạn của hệ Rossler

a) 3D attractor; b) 2D attractor; c) tín hiệu miền thời gian

1.2.4 Hệ Duffing:

Hệ Duffing hay còn gọi là bộ dao động Duffing-Holmes là một hệ hỗn loạn bậc haicó biểu thức vi phân dạng :

t a

x x x b

x   3  sin

(1.4) Hoặc đôi lúc còn đượcviết dưới dạng biểu thức tương đương:

by x F y

y x



sin )

7.5cos(t)

=(t)y'

y

=(t)x'

Hình 1.6 Đồ thị pha và tín hiệu miền thời gian của hệ Duffing 1.3 Đồng bộ trong truyền thông hỗn loạn

1.3.1 Vấn đề đồng bộ trong truyền thông hỗn loạn

Ở phần trên chúng ta đã khảo sát qua một số loại tín hiệu hỗn loạn, tuy nhiên vấn đề làm thế nào để sử dụng chúng vào truyền thông? Một cách tiếp cận thông thường nhất sẽ là đưa thông tin vào một sóng mang hỗn loạn và tách nó ra ở phía máy thu Để thực hiện điều này trong trường hợp dùng máy thu có sử dụng tương quan chúng ta cần phải có một tín hiệu giống hệt tín hiệu hỗn loạn ở đầu phát và hơn nữa tín hiệu này cần phải đồng bộ với phía máy thu Thực tế đồng bộ là một yêu cầu của rất nhiều loại truyền thông không chỉ riêng cho truyền thông hỗn loạn

Việc thực hiện đồng bộ giữa hệ hệ hỗn loạn lần đầu được thực hiện bởi Yamada và Fujisaka Trong nghiên cứu của họ, cách mà hệ thống động thay đổi đã được nghiên cứu bằng cách nghiên cứu các số mũ Lyapunov của cặp hệ dược đồng

bộ Sau đó Afraimovich đã đưa ra một số khái niệm cần thiết cho việc nghiên cứu

Pecora và Caroll, hai người này đã chứng tỏ cả bằng lý thuyết và thực nghiệm rằng hai hiện hỗn loạn có thể được đồng bộ Khám phá này chính là cầu nối đưa lý thuyết hỗn loạn vào sử dụng truyền thông, nó đã mở ra một lĩnh vực nghiên cứu

mới lĩnh vực “truyền thông sử dụng hỗn loạn” (“communications using chaos”)

1.3.2 Các dấu hiệu đồng bộ phổ biến:

a)Đồng bộ giống hệt nhau (identical synchronization)

Hai hệ thống động liên tục về mặt thời gian

)

( x f

) ' ( ' ' f x

được gọi là đồng bộ giống hệt nhau nếu lim  ( )  ( )  0



 x t x t t

với bất kỳ tổ hợp của các trạng thái đầu x(0) và x’(0)

' x f

x 

Hình 1.7 Hai hệ thống đồng bộ

Về mặt truyền thông chúng ta có thể xem các hệ x và x’ như là máy phát mà máy thu Tín hiệu được truyền đi si(t) là tổ hợp của các hàm cơ bản Đơn giản chúng ta xem xét trường hợp chỉ có một hàm cơ bản g(t) được sử dụng và si(t) ≡ g(t) Ở phía máy thu, chúng ta phải khôi phục được g(t)=h(x(t)), ở trạng thái đồng

bộ của máy thu giống hệt với máy phát thì hàm h(.) tạo ra x’(t) hội tụ tới x(t) khi

đó ( ) ( ' ( ))

t x

h

t

g  sẽ hội tụ tới g(t)

b) Đồng bộ tổng quát hóa (generalized synchronization)

Hai hệ (1.7) và (1.8) được gọi là đồng bộ tổng quát nếu tồn tại một phép biến đổi M sao cho lim  ( )  ( ( ))  0

Khi đồng bộ tổng quát xảy ra trong hệ thống hỗn loạn được ghép một hướng khi hệ

bị dẫn (driven system) là tiệm cận ổn định

Nếu phép biến đổi M là có biến đổi ngược khi đó ( ) ( 1 ( ' ( )))

t x M h t

Tuy nhiên thực tế biến đổi M là không cần thiết phải có phép biến đổi ngược

c) Đồng bộ pha (phase synchronization):

Đồng bộ pha của hai hệ thống diễn ra nếu sự sai khác giữa pha(t)(t)của hai hệ thống là tiến đến một hằng số Ở đây pha (t) được chọn là một đại lượng đặc trưng tăng theo thời gian và đơn điệu Ví dụ trong attractor hình xoắn ốc Chua, chúng ta có thể chọn góc quay quanh điểm cân bằng không ổn định trong mặt phẳng pha hai chiều

1.4 Các phương pháp điều chế, giải điều chế hỗn loạn

Như phần trước đã nói, quá trình điều chế là một phần quan trọng trong việc

sử dụng kỹ thuật hỗn loạn vào trong truyền thông Chính nhờ quá trình điều chế mà chúng ta có thể ghép thông tin với sóng mang để truyền tải thông tin đi xa Trong truyền thông hỗn loạn người ta đã đưa ra rất nhiều phương pháp điều chế khác nhau, sau đây chúng ta sẽ xem xét qua một số phương pháp tiêu biểu:

1.4.1 Phươngpháp điều chế CSK (Chaos Shift Keying)

Phương pháp điều chế này dùng một hoặc hai bộ tạo tín hiệu chaos để thực hiện phép điều chế Phương pháp điều chế CSK cũng có một số biến thể khác nhau như dùng một bộ dao động (ACSK và COOK), điều chế CSK dùng hai bộ giao động …

1.4.1.1 ACSK (Antipodal CSK- CSK đối cực)

Phương pháp điều chế, giải điều chế này có sơ đồ khối như ở hình (1.8)

Xét một ký tự thứ l trong quãng thời gian từ [(l-1)Tb , Tb] ở đây Tb là thời gian bít Khi tín hiệu là bit “+1” được biểu diễn bởi chính tín hiệu hỗn loạn, bit “-1” được biểu diễn bởi cách đảo tín hiệu đó hay:

1

"

) ( )

(

symbol khi

t c

symbol khi

t c t

"

1

"

) ( )

(

symbol khi

t c

symbol khi

t c t

lT

T T l

lT y

) 1 (

) ( ) ( )

s(t

1.4.1.2 Phương pháp điều chế COOK (Chaos On-Off Keying)

Sơ đồ khối của hệ thống COOK như trong hình 1.10:

Hình 1.9 Mô hình điều chế COOK

Bộ điều chế COOK được điều khiển bởi một khóa đóng mở Khi truyền symbol “+1” khóa được đóng và truyền tín hiệu c(t), khi truyền symbol “+1” khóa được mở và không có tín hiệu được truyền đi Tín hiệu được truyền đi được xác định bởi công thức:

symbol khi

symbol khi

t c t

b

lT

T l

lT

T l

lT

T l

lT

T l

2 2

) ( )

( ) ( 2

) ( )

( )

b)Giải điều chế dựa trên năng lượng bit

Bộ tạo hỗn loạn f

̂( )

Bộ lọc truyền

Đóng mở tùy thuộc truyền bit “+1” hay “- 1”

a)Bộ điều chế COOK

) 1 ( 2

symbol khi

symbol khi

dt t c lT

y

b

b

T l

Đầu ra này sẽ được đi qua một bộ phát hiện ngưỡng, nếu năng lượng bit là lớn hơn mức ngưỡng thì ta sẽ có symbol “+1” và nếu năng lượng bit nhỏ hơn mức ngưỡng ta sẽ có symbol “-1” Bình thường thì mức ngưỡng là ở giữa mứckhông và mức giá trịlớn nhất, tuy nhiên khi có nhiễu thì cần phải thay đổi mức ngưỡng ở giá trị phù hợp

1.4.1.3 CSK với hai bộ giao động chaos:

a)Bộ điều chế:

Sơ đồ điều chế CSK với hai bộ giao động chaos có sơ đồ khối như sau:

Hình 1.10 Sơ đồ điều chế CSK với hai bộ dao động chaos

Giả sử tín hiệu c1(t) và c2(t) được được gửi khi tín hiệu lần lượt là “+1” “-1” ta sẽ có:

"

1

"

)()

(

2

1

symbol khi

t c

symbol khi

t c t

Tín hiệu “+1” được gửi

Tín hiệu “-1” được gửi

T b

s(t)

Hình 1.11 Giải điều chế sử dụng lỗi đồng bộ

Các hệ f và g là tương ứng với các symbol “+1” và “-1” Nếu nhận được bit “+1” thì hệ f được đồng bộ với tín hiệu nhận và hệ g là tạo ra lỗi lớn Do đó dựa trên các lỗi đồng bộ giữa tín hiệu thu được và tín hiệu ước lượng ta có thể đưa ra quyết định

để khôi phục ký tự

2) Bộ phát hiện loại có sử dụng tương quan:

Trong bộ giải điều chế CSK loại có sử dụng tương quan, hai bộ tương quan được sử dụng để đánh giá sự tương quan giữa tín hiệu thu được và hai tín hiệu được khôi phục như trong hình 1.13

Đầu ra của các bộ tương quan ở ký tự thứ l được cho bởi:

b

s b

lT

T T l b

lT

T T l b

dt t c t r lT

y

dt t c t r lT

y

) 1 (

2 2

) 1 (

1 1

) ( ) ( )

(

) ( ) ( )

Lỗi 2

-

- +

+

Hình 1.12 Giải điều chế loại dùng tương quan

Đầu vào của bộ phát hiện ngưỡng là:

)()((lT b) y1 lT b y2 lT b

(1.18) Nếu đầu ra của bộ tương quan đầu tiên là lớn hơn của bộ thứ hai, chúng ta sẽ giải

mà được “+1”, ngược lại chúng ta sẽ có bit ”-1”

B.Giải điều chế không tương quan:

Mặc dù cũng có nhiều ưu điểm nhưng khi sử dụng bộ phát hiện tương quan cần một quá trình đồng bộ, do vậy trong một số điều kiện trạng thái đồng bộ là kém thì việc tái tạo lại tín hiệu là rất khó hay, thậm chí là không thể thực hiện được.Do vậy các bộ phát hiện không tương quan là có vẻ thực tiễn hơn

Mô hình đơn giản nhất trong phát hiện không sử dụng tương quan là dựa trên năng lượng bit thu được Giả sử năng lượng trung bình cho c1(t) và c2(t) là khác nhau và lần lượt là E1 và E2 Trong điều kiện không có nhiễu, bộ ước lượng năng lượng bit cho ra:

1

"

)()

(

) 1 (

2 2

) 1 (

2 1

bit khi dt t c

bit khi dt t c lT

T l

Như vậy tương tự như trong mô hình COOK thì mức ngưỡng ở bộ detector

sẽ được thiết lập ở một giá trị giữa E1 và E2 ví dụ như (E1 + E2)/2 Cũng vậy mức ngưỡng cần phải được điều chỉnh cho phù hợp trong các môi trường khác nhau

1.4.2 Điều chế DCSK (Differential Chaos-Shift-Keying)

Trong kiểu điều chế CSK các tín hiệu CSK được giải mã dựa trên bộ ước lượng năng lượng bit, mức ngưỡng của bộ phát hiện sẽ bị dịch do tác động của nhiễu, nhiều bit sẽ bị lỗi Để giải quyết vấn đề này phương pháp điều chế DCSK đã được đưa ra Mô hình của phương pháp điều chế này như sau

Trong điều chế DCSK, mỗi khoảng thời gian truyền được chia thành hai khe thời gian riêng biệt Khe thời gian đầu tiên được sử dụng để truyền một tín hiệu hỗn loạn tham chiếu, trong khi khe thời gian thứ hai gửi tín hiệu có mang thông tin.Trong khe thời gian thứ hai nếu ký tự là “+1” được truyền, tín hiệu được gửi sẽ

là chính tín hiệu hỗn loạn tham chiếu ban đầu, nếu ký tự là “-1” được truyền, một bảo ngược lại của tín hiệu tham khảo sẽ được gửi đi.Như vậy, tín hiệu được truyền

b

b b

lT t T l

cho T

t

c

T l

t T l cho

) 2 / 1 ( )

1 ( )

b

b b

lT t T l

cho T

t

c

T l

t T l cho t

c

t

s

) 2 / 1 ( ) 2 / (

) 2 / 1 ( )

1 ( )

(

)

ở đây c(t) là tín hiệu hỗn loạn dùng tham chiếu

Tại phía máy thu, tín hiệu thu được trong nửa thứ hai của một symbol sẽ được lấy tương quan với nửa đầu của symbol Đầu ra của bộ tương quan cho

T l

dt T t n t n dt T t s t n

dt T t n t s dt T t s t s

dt T t n T t s t n t

s

dt T t r t r lT

y

) 2 / 1 ( )

2 / 1 (

)2/()()

2/()(

)2/()()

2/()(

)]

2/()2/()][

()(

[

)2/()()

T l

T l

T l

T l b

là symbol khi

dt t c

là symbol khi

dt t c dt

T t s t s lT

y

) 2 / 1 (

) 2 / 1 (

) 1 ( 2

) 2 / 1 (

) 1 ( 2

"

1

"

)(

"

1

"

)()

2/()()

như vậy khi y(lTb) dương ta sẽ có tương ứng “+1” và khi y(lTb) âm ta sẽ có “-1”

Ưu điểm của phương pháp DCSK là mức ngưỡng có thể được đặt là không bất chấp sự có mặt của nhiễu Tuy nhiên do phương pháp này ta phải chia đôi thời gian mỗi quãng bit để truyền hai phần tín hiệu tham chiếu và tín hiệu thông tin nên hiệu suất sử dụng băng thông là không được cao Người ta đang nghiên cứu các phương pháp cải tiến phương pháp này

1.4.3 Điều chế FM-DCSK (Frequency Modulated DCSK)

Do bản chất tự nhiên của tín hiệu hỗn loạn là không tuần hoàn nên mô hình điều chế DCSK tạo ra các năng lượng bit thay đổi theo thời gian, điều này gây ra vấn đề trong ước lượng ở máy thu Một cách để giải quyết vấn đề này là sử dụng tín hiệu chaotic đã được điều chế tần số Sơ đồ một bộ điều chế FM-DCSK như sau:

Hình 1.14 Sơ đồ bộ điều chế FM-DCSK

Ở đây vẫn sử dụng bộ điều chế và giải điều chế DCSK, tuy nhiên tín hiệu đưa vào là tín hiệu hỗn loạn FM nên năng lượng của tín hiệu FM-DCSK là giống nhau cho tất cả các bit Nhờ vậy, mô hình FM-DCSK có thể giảm tỉ lệ lỗi bít thấp hơn so với mô hình điều chế DCSK

1.4.4 Điều chế CDSK (Correlation-Delay-Shift-Keying):

Trong mô hình điều chế DCSK, tín hiệu tham chiếu được truyền riêng biệt với tín hiệu mang thông tin Như vậy một nửa thời gian symbol là không được sử dụng để mang thông tin Để truyền thông tin liên tục và tăng cường hiệu năng sử dụng băng thông, mô hình điều chế CDSK đã được đưa ra Sơ đồ khối của bộ điều chế và giải điều chế CDSK như trong hình 1.15:

Tín hiệu được truyền đi là tổng của tín hiệu hỗn loạn và một phiên bản trễ của tín hiệu hỗn loạn được điều chế bởi symbol cần truyền Do đó tín hiệu được truyền đi là bao gồm cả tín hiệu tham chiếu và tín hiệu mang thông tin Trong

quãng thời gian của symbol thứ l là

Tín hiệu hỗn loạn FM

1

"

)()()(

symbol khi

t c t c

symbol khi

t c t c t s





(1.22)

Hình 1.15 Sơ đồ điều chế CDSK a) Máy thu b) Máy phát

Ở đây  là trễ, c(t) là tín hiệu tham chiếu cho tín hiệu mang tin tại thời gian t+, phần  c(t-) được sử dụng đển mang thông tin cho symbol thứ l

Tương tự như trong mô hình DCSK, máy thu trong mô hình CDSK dựa trên

bộ tương quan để khôi phục thông tin Tại đầu ra của bộ tương quan, y(lTb), ở cuối

thời gian symbol thứ l là :

lT y

) 2 / 1 (

)()()

b

b

b b b

lT

T l lT

T l

T l b

dt t n t n dt

t s t n

dt t n t s dt t s t s

dt t n t

s t n t s lT

y

) 2 / 1 ( )

2 / 1 (

) ( ) ( )

( ) (

) ( ) ( )

( ) (

)]

( ) ( )][

( ) ( [ )

dt t

s t c t

c t c t

c t c t

c

dt t

n t

c t c t c lT

) 2 ( ) ( ) 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( [

)]

2 ( ) ( )][

( ) ( [ )

dt t

s t c t

c t c t

c t c t

c

dt t

n t

c t c t c lT

) 2 ( ) ( ) 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( [

)]

2 ( ) ( )][

( ) ( [ )

đối với symbol “-1”

Từ hai công thức trên ta có thể thấy việc giải mã thông tin trong phương pháp CDSK là khó khăn hơn, hiệu quả hoạt động của CDSK là thấp hơn so với phương pháp DCSK

1.4.5 Điều chế QCSK (Quature-Chaos-Shift-Keying):

Phương pháp QCSK được xem như là một phiên bản 4 mức của DCSK Mỗi một mẫu được truyền bao gồm 2 bit thông tin do đó hiệu suất phổ được tăng lên gấp đôi so với DCSK Sơ đồ khối của phương pháp điều chế QCSK như hình 1.16

c(t) là tín hiệu tham chiếu hỗn loạn được xác định trong khoảng t [0;Ts/2),

ở đây Ts là chu kỳ lấy mẫu và bằng 2Tb

Giả sử rằng, tín hiệu tham chiếu này có giá trị bằng 0 Sau đó chúng ta trễ c(t) 1

thuật xử lý tín hiệu số (DSP), pha của tất cả các thành phần tần số ở trong d(t) được dịch đi 1 lượng bằng /2 tạo thành tín hiệu bù e(t) Vì lệch pha /2 nên hai tín hiệu d(t) và e(t) vuông pha với nhau

Hình 1.16 Sơ đồ khối mô hình điều chế/ giải điều chế QCSK

Trong hệ thống điều chế QCSK, tín hiệu tham chiếu hỗn loạn c(t) được gửi trong thời gian nửa chu kỳ lấy mẫu đầu tiên [0;Ts/2) Trong nửa chu kỳ lấy mẫu thứ 2 [Ts/2;Ts), 2 tín hiệu mang thông tin được tạo ra bằng cách nhân 2 bít thông tin

qc và qs với d(t) và e(t) tương ứng và được cộng với nhau trước khi truyền đi Tín hiệu được truyền trong nửa chu kỳ lấy mẫu thứ 2 là s(t)q c.d(t)q s e(t)

Symbol cần truyền

mậtKênh truyền

n tạo hỗn

loạn

Trễ T s /2

Dịch pha π/2

+ Nâng cao được hiệu suất sử dụng băng thông do có 2 bit thông tin được gửi đi cùng một lúc

+ Hiệu suất phổ được tăng lên gấp đôi so với DCSK

CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖN

LOẠN

2.1 Kỹ thuật trải phổ và phân loại

Sau chiến tranh thế giới thứ II, xuất phát từ vấn đề bảo mật và chống nhiễu

cố ý đặt ra đối với thông tin vô tuyến và ra đa, từ cuối những năm 1940 quân đội

Mỹ, đặt biệt là các chuyên gia nghiên cứu ITT (international telephone Telegraph)

đã xúc tiến một nguyên tắc thông tin hoàn toàn mới dựa trên công trình của Claude Elwood Shannon: thông tin dựa trên nguyên tắc trải phổ tín hiệu Nguyên tắc thông tin này cho phép che dấu tín hiệu trong nền tạp âm bằng cách phát nó với công suất thấp và dãn phổ tín hiệu rộng hơn Ngày nay kỹ thuật này đang được sử dụng nhằm cho phép truyền tin tin cậy trong một loạt ứng dụng thương mại bao gồm thông tin trên xe di dộng và thông tin vô tuyến

Các hệ thống thông tin trải phổ là các hệ thống sử dụng tín hiệu có băng tần

W rất rộng, thường gấp hàng trăm lần tốc độ bít của hệ thống nhờ sử dụng kỹ thuật

trải phổ bằng các tín hiệu giả tạp PN (Pseudo Noise) Khi chỉ có một người sử dụng

băng tần trải phổ, thì hiệu quả băng tần là thấp, nhưng nếu nhiều người cùng sử dụng một băng tần thì hiệu quả băng tần là cao mà vẫn giữ được ưu điểm của kỹ thuật trải phổ

Ý tưởng của kỹ thuật trải phổ dựa trên định lý thứ ba của Shannon, định lý này được phát biểu như sau: với một kênh có tạp âm trắng chuẩn cộng tính

(AWGN: Additive white gaussion noise), tương quan giữa dung lượng kênh, công

suất và độ rộng dải tần và chất lượng được cho bởi:

C=B.log2(1+S/N) trong đó C là dung lượng kênh, B là độ rộng phổ tần chiếm của tín hiệu còn S/N là

tỷ số công suất tín hiệu và tạp âm

Như vậy với một dung lượng C xác định, có thể truyền với tỷ số tín hiệu trên tạp rất thấp nếu tín hiệu có phổ rất rộng Điều này có thể thực hiện nhờ trải rộng phổ

ở phần phát và nén phổ ở phần thu Trên cơ sở này cho phép hệ thống liên lạc tốt

trong điều kiện có nhiễu mạnh, thậm chí che giấu tín hiệu trong nền nhiễu, nhờ đó

đối phương rất khó phát hiện tin tức truyền đi Hơn nữa việc sử dụng các dãy giả

ngẫu nhiên nên về mặt thực tế đối phương hầu như không thể giải mã được thông tin

Hình 2.1 dưới đây là sơ đồ khối của một hệ thống truyền thông số thông

thường Mỗi một khối thực hiện một chức năng cụ thể Khối mã hóa nguồn lấy dữ

liệu được cung cấp bởi nguồn tin và mã hóa nó theo một cách tối ưu cho việc

truyền đi bằng cách bỏ các bits dư thừa hoặc nén thông tin Khối mã mật lại mã hóa

dữ liệu một lần nữa để tăng cường tính bảo một cho việc truyền đi Việc mã hóa

kênh sẽ thực hiện một số biến đổi lên dữ liệu đầu vào để giảm sự suy giảm chất

lượng khi truyền trên kênh truyền Quá trình điều chế đưa dữ liệu vào trong sóng

mang vô tuyến, sau đó có thể được kết hợp với các tín hiệu khác trong mô hình đa

truy cập rồi truyền đi qua anten phát Ở phía thu mỗi khối sẽ thực hiện chức năng

ngược lại với phía phát để khôi phục lại thông tin

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống truyền thông số

Truyền thông số sử dụng kỹ thuật hỗn loạn cũng yêu cầu các khối tương tự

như như trên, tuy nhiên chúng ta có thể áp dụng tính chất phi tuyến tính vào từng

Nguồn

tin

Mã nguồn

Giải mã kênh

Giải điều chế

Giải trải phổ

Đa truy cập Máy phát

Máy thu

khối Ở khối mã hóa/giải mã chúng ta có thể “nhúng” dữ liệu vào một chuỗi hỗn loạn mà chỉ ở phía thu biết để tăng cường sự bảo mật Ở khối mã hóa/giải mã kênh chúng ta có thể sử dụng các kỹ thuật mã hóa kênh hỗn loạn để đạt được sự chống lại hiện tượng kênh fading tốt hơn Ở khối trải phổ người ta có thể sử dụng tính chất hỗn loạn thay cho các chuối PN code để dùng trong trải phổ Đặc biệt việc điều chế sử dụng sóng mang hỗn loạn với rất nhiều ưu điểm như cho có thể truyền thông băng rộng, cải tiến được tính chống lại fading và hỗ trợ đa truy cập kênh đang được nghiên cứu rất nhiều

Đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin trải phổ là phổ tín hiệu được truyền đi rất rộng Tuy nhiên không phải hệ thống thông tin nào có phổ rộng cũng được gọi là hệ thống thông tin trải phổ Một hệ thống thông tin được định nghĩa là hệ thống thông tin trải phổ nếu nó thỏa mãn ba điều kiện sau đây:

1 Tín hiệu truyền đi chiếm một độ rộng băng tần truyền dẫn W lớn hơn rất nhiều bề rộng băng tần truyền dẫn tối thiểu Bi cần thiết để truyền thông tin

2.Việc trải phổ tín hiệu được thực hiện nhờ tín hiệu trải thường được gọi là

mã trải phổ độc lập với dữ liệu cần truyền Tín hiệu trải phổ thường được chọn nhằm tạo ra một phổ tổng cộng gần giống phổ tạp âm

3.Quá trình nén phổ được thực hiện nhờ tính tương quan giữa tín hiệu thu ược và tín hiệu giải trải là bản sao đồng bộ của tín hiệu đã trải đã sử dụng ở phần phát

đ-Các phần tử cơ sở của một hệ thống thông tin trải phổ được minh họa ở hình 2.2 Trong mô hình hệ thống thông tin trải phổ chúng ta thấy bộ mã hóa, bộ giải mã,

bộ điều chế và bộ giải điều chế là các phần tử cơ sở của một hệ thống thông tin số truyền thống

Hình 2.2: Mô hình một hệ thống thông tin trải phổ

Ngoài các phần tử này, hệ thống thông tin trải phổ còn có hai bộ tạo chuỗi giả

ngẫu nhiên như nhau, một trong chúng giao tiếp với bộ điều chế ở đầu phát, bộ kia

thì giao tiếp với bộ giải điều chế ở đầu thu Hai bộ này tạo ra một chuỗi nhị phân giả

ngẫu nhiên hay giả tạp (PN: Pseudo Noise) được sử dụng tại bộ điều chế để trải tín

hiệu phát đi về phổ và giải trải tín hiệu thu được tại bộ giải điều chế

Chuỗi PN được tạo ra ở máy thu phải đồng bộ với chuỗi PN hàm chứa trong

tín hiệu thu được để giải trải tín hiệu thu được đã được trải phổ Trong một hệ

thống thực tế việc đồng bộ được thiết lập trước khi truyền thông tin bằng cách

truyền mộtmẩu bít PN cố định được thiết kế sao cho máy thu sẽ tách được nó với

xác suất cao ngay cả khi có nhiễu Sau khi việc đồng bộ thời gian của các PN đã

thực hiện xong, việc truyền thông tin bắt đầu Trong chế độ truyền dữ liệu, hệ thống

thông tin thường bám định thời với tín hiệu thu được và giữ cho bộ PN được đồng

bộ

Sơ đồ chức năng của một hệ thống thông tin trải phổ được trình bày trong

hình 2.2 Từ sơ đồ khối trải phổ trong một hệ thống thông tin vô tuyến ta thấy

rằng: phổ của tín hiệu số sau khi được xử lý: nén dữ liệu, mã hóa sửa sai, sau đó

sẽ được trải rộng đến băng tần cần thiết bằng cách nhân tín hiệu với chuỗi PN

tạo ra từ khối tạo chuỗi PN Tiếp theo, tín hiệu qua bộ điều chế chuyển phổ này

tới băng tần truyền dẫn Tín hiệu đã điều chế được khuếch đại công suất và phát

trên kênh truyền dẫn mặt đất hoặc kênh vệ tinh Tại đầu thu, máy thu sẽ thực

hiện giải điều chế, giải trải phổ, giải mã, giải nén để thu được tín hiệu ban đầu

Bộ điều

Bộ giải điều chế

Bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên

Bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên

Dãy tín

hiệu vào

Dãy tín hiệu ra

Bộ giải

mã kênh

Bộ mã

hóa kênh

Để tách được tín hiệu cần thiết thì cần có sự đồng bộ chuỗi PN giữa đầu thu và đầu phát Việc đồng bộ được thực hiện nhờ khối đồng bộ chuỗi Việc đồng bộ đ-ược thiết lập ban đầu và thực hiện liên tục trong suốt quá trình truyền dữ liệu Trên kênh truyền dù là kênh mặt đất hoặc kênh vệ tinh, chắc chắn luôn có sự tác động của nhiễu Đối với hệ thống thông tin trải phổ, hiệu quả chống nhiễu là khá cao đối với các nhiễu không cố ý

2.2 Các loại trải phổ trong

Căn cứ vào cấu trúc và phương pháp điều chế, người ta phân loại kỹ thuật trải phổ bao gồm: trải phổ thuần túy và trải phổ kết hợp

Trong trải phổ thuần túy bao gồm:

- Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS- Direct Sequence)

- Trải phổ nhảy tần(FH - Frequency Hopping)

- Trải phổ nhảy thời gian (TH - Time Hopping)

Trong trải phổ kết hợp bao gồm một số dạng kết hợp cơ bản như sau: DS/FH, DS/TH, FH/TH, DS/FH/TH

2.3 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS

Tín hiệu DSSS nhận được bằng cách điều chế tin tức bởi tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng Sản phẩm trở thành tín hiệu băng rộng Trước tiên ta nghiên cứu một số tính chất của các tín hiệu giả ngẫu nhiên Sau đó ta xem xét các máy phát và các máy thu của hệ thống DSSS sử dụng BPSK và QPSK Ta cũng nghiên cứu ảnh

hưởng của tạp âm và nhiễu cố ý đến chất lượng của hệ thống DSSS

2.3.1 Tín hiệu giả tạp (Pseudo-Noise)

Ta dùng mã ngẫu nhiên để trải phổ của tin tức tại máy phát và giải trải phổ của tín hiệu thu được tại máy thu Mã ngẫu nhiên đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống SS Tuy nhiên nếu mã này là ngẫu nhiên thực sự, thì ngay cả máy thu mong muốn cũng không thể lấy được tin tức vì chưa có phương pháp nào để đồng

bộ với mã ngẫu nhiên thực sự, như vậy hệ thống trở nên vô dụng Thay vào đó ta phải dùng mã giả ngẫu nhiên, là mã tất định mà máy thu mong muốn biết được, còn

đối với máy thu không mong muốn thì nó giống như tạp âm Nó thường được gọi là dãy giả tạp (Pseudo-Noise PN)

Dãy PN là dãy các con số tuần hoàn với chu kì nhất định Giả sử N là chu kì của nó Đôi khi ta gọi N là độ dài của dãy PN

Để dãy cilà dãy tạp ngẫu nhiên tốt, giá trị của ciphải độc lập với giá trị c jvới

bất kì i≠ j Để điều này xảy ra thì dãy không được lặp lại tức chu kì phải là ∞ Vì

dãy PN là tuần hoàn, chu kì của nó phải lớn để nhận được tính chất ngẫu nhiên tốt

Trong hệ thống DSSS, tín hiệu liên tục thời gian (gọi là tín hiệu PN) được tạo ra từ dãy PN để trải phổ Giả sử dãy PN là nhị phân, tức là c i =±1, thì tín hiệu

ở đây P T là xung vuông biên độ bằng 1 Số c k được gọi là chíp và độ dài thời gian

Tc giây được gọi là thời gian chíp Để ý rằng tín hiệu PN có chu kì NTc

Một ví dụ như hình 2.3 với N=15

Hình 2.3: Một ví dụ của tín hiệu PN c(t), tạo nên từ dãy PN có chu kỳ N=15

Để thuận tiện, ta mô hình hóa tín hiệu PN như tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên tức giả sử ci bằng 1 hoặc -1 với xác suất như nhau và rằng c i và c j là độc lập nếu i≠

j Do đó hàm tự tương quan của nó là:

2.3.2 Các hệ thống DSSS-BPSK

Đây là dạng đơn giản nhất của trải phổ chuỗi trực tiếp, nó có sơ đồ như hình 2.4 Tín hiệu đầu ra của bộ điều chế S m (t) có tần số sóng mang 0 , công suất P, được điều chế pha bởi dữ liệu m(t) với độ dịch pha  m (t):

S m (t)= 2P cos[  0 t+ m (t)] (2.4)

Hình 2.4: Sơ đồ khối trải phổ DS

Tín hiệu S m (t) có độ rộng băng thông truyền dẫn tối thiểu là R/n, với R là tốc

độ bít của luồng dữ liệu m(t), n là số bít thông tin Tín hiệu S m (t) được trải phổ bởi

mã trải phổ c(t), cho ra tín hiệu phát là:

S(t)= S m (t) c(t)= 2P c(t)cos[ 0 t+ m (t)] (2.5)

Máy thu sẽ nhận được tín hiệu sau một thời gian trễ truyền dẫn T dcùng với

can nhiễu và tạp âm Tại máy thu để giải trải phổ tín hiệu thu được r(t) được nhân với mã trải phổ c(t-T’ d ), trong đó T’ d là thời gian trễ truyền dẫn mà máy thu tự đánh giá Tín hiệu sau giải trải phổ sẽ là:

x(t)= 2P c(t-T d )c(t-T’ d )cos[ 0 t+ m (t-T d )+] (2.6)

Trong đó:  là pha ngẫu nhiên gây bởi tạp âm và nhiễu

Khi máy thu đồng bộ với với máy phát, khi đó T d =T’ d Với c(t) là chuỗi nhị

phân  1, thì c(t-Td)c(t-T’d)=1; Biểu thức trở thành:

x(t)= 2P cos[ 0 t+ m (t-T d )+] (2.7)

Do đó tại đầu ra của bộ giải trải phổ, tín hiệu S m (t) được phục hồi sai khác

một góc pha ngẫu nhiên  và sau khi S m (t) được giải điều chế PSK kết hợp thông

Giải điều chế BPSK

C(t-T’ d )