Khái niệm hệ thống thông tin trải phổ

Trải phổ là quá trình điều chế với mục đích phân bố năng lượng tín hiệu trên một băng tần rộng (rộng hơn nhiều so với tín hiệu chưa điều chế).

Hệ thống thông tin trải phổ là một hệ thống thông tin truyền các tín hiệu nhờ trải phổ của các tín hiệu số liệu thông tin thông qua điều chế tín hiệu gốc với mã trải phổ, trong đó mã trải phổ (mã PN) có độ rộng băng lớn hơn nhiều lần các tín hiệu số liệu thông tin gốc. Mã trải phổ trong trường hợp này độc lập với tín hiệu số liệu thông tin.

Hình 3.13 Mô hình hệ thống thông tin trải phổ

Nguyên lý:

 Máy phát:

Bước 1: Điều chế sơ cấp tín hiệu băng hẹp Sn.

Bước 2: Điều chế cấp 2, sử dụng kỹ thuật trải phổ, ký hiệu ε( ). Kết quả là máy phát mở rộng tín hiệu đến băng tần rộng Sw.

 Máy thu:

Bước 1: Quá trình nén phổ được thực hiện, ký hiệu ε-1( ), thực chất của quá trình nén phổ là sự tương quan tín hiệu thu được Sw với bản sao mã trải phổ được đồng bộ, do vậy ε-1( ) = ε( ).

Bước 2: Tín hiệu trải phổ băng rộng được khôi phục về dạng gốc Sn của tín hiệu băng hẹp, đến đây tín hiệu băng hẹp được giải điều chế về tín hiệu ban đầu.

Tín hiệu trải phổ có nhiều thuộc tính khác biệt so với các tín hiệu băng hẹp thông thường, cụ thể:

1) Khả năng đa truy nhập

Nếu nhiều người truyền tín hiệu trải phổ cùng một thời điểm, máy thu vẫn 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 của tín hiệu người sử dụng đó co hẹp trong khi các tín hiệu của người sử dụng khác vẫn trải rộng trên băng tần truyền dẫn. Do đó, trong băng tần thông tin chỉ có công suất tín hiệu của người sử dụng đang quan tâm là lớn.

2) Khả năng chống nhiễu đa đường

Tín hiệu tới máy thu qua nhiều đường khác nhau, ngoài đường trực tiếp còn do nguyên nhân phản xạ. Các tín hiệu đa đường này có biên độ và pha khác nhau làm tăng tín hiệu tổng ở một vài tần số và làm giảm tín hiệu tổng ở các tần số khác. Trong miền thời gian, hiện tượng này làm cho tín hiệu bị giãn rộng. Đối với tín hiệu băng rộng, chính hiện tượng này tạo nên sự phân tập tần số một cách tự nhiên, có tác dụng chống fading chọn lọc.

3) Khả năng bảo mật

Tín hiệu được truyền đi chỉ có thể được nén phổ và dữ liệu ban đầu được khôi phục khi máy thu biết mã trải phổ đã sử dụng cho thông tin đó. Đồng thời, phổ của tín hiệu được trải rộng do đó công suất tín hiệu được trải đều và mỏng trên toàn bộ miền trải phổ. Vì vậy, việc phát hiện sự tồn tại của tín hiệu rất khó và cũng khó có thể tách sóng được tín hiệu đối với các máy thu không được phép (máy thu ngoài phạm vi cuộc liên lạc). Vì vậy khả năng bảo mật thông tin cao.

4) Khả năng loại trừ nhiễu

Việc tương quan chéo giữa mã trải phổ và một tín hiệu băng hẹp sẽ làm trải rộng công suất của tín hiệu băng hẹp. Nhờ vậy, có thể giảm công suất nhiễu trong băng tần thông tin.

Tín hiệu trải phổ (s) chịu ảnh hưởng của nhiễu băng hẹp (i). Tại máy thu, tín hiệu trải phổ được nén trong khi tín hiệu băng hẹp lại bị trải phổ, làm nó xuất hiện như một tạp âm nền so với tín hiệu mong muốn.

Hình 3.14 Khả năng loại trừ nhiễu

5) Xác xuất phát hiện thấp

Vì mật độ công suất của tín hiệu thấp nên tín hiệu trải phổ khó có thể bị phát hiện

2.3.3 Mã PN

Trong hệ thống thông tin trải phổ, chuỗi mã giả ngẫu nhiên – PN được sử dụng để điều chế trực tiếp tín hiệu nhằm đạt được tín hiệu có băng tần rộng. Việc tạo chuỗi PN

được thực hiện bằng cách sử dụng một thanh ghi M bit với các đường hồi tiếp như hình vẽ dưới đây (trường hợp M= 5).

Hình 3.15 Bộ tạo chuỗi PN chiều dài cực đại (M=5, N=31) Chiều dài chuỗi số liệu đầu ra có thể đạt cực đại (Lmax):

N= Lmax =2M -1.

Chuỗi PN có chiều dài cực đại được gọi là các chuỗi mã tuyến tính cực đại. Chuỗi PN có những đặc trưng sau:

- Cân bằng mã: số lượng bit 1 và 0 chỉ khác nhau một đơn vị.

- Tự tương quan: với giá trị tín hiệu ±1, hàm tự tương quan của chuỗi PN nhận giá trị bằng -1 với tất cả các tín hiệu có độ sai pha lớn hơn 1bit. Với tín hiệu không có sai pha, hàm tự tương quan đạt giá trị bằng N (chiều dài chuỗi PN) (như hình 2.4).

- Cộng môđun 2: cộng môđun 2 của một chuỗi PN với phiên bản dịch bit của chuỗi đó sẽ thu được kết quả là một bản dịch bit khác của chính chuỗi đó.

Hình 3.16 Hàm tự tương quan liên tục

Hàm tự tương quan liên tục của một chuỗi PN được định nghĩa như sau:

( ) ( )

∫

p(t): chuỗi PN, một hàm biến thời gian với các giá trị ±1 N: số lượng bit của chuỗi ngẫu nhiên

Tc: chu kỳ của một bit PN N.Tc: độ dài chuỗi PN.