Luận văn Thạc sĩ: Kỹ thuật trải phổ và các ứng dụng trong viễn thông

Luận văn trình bày tổng quan về kỹ thuật trải phổ và ứng dụng trong viễn thông. Phân tích nguyên lý hoạt động, các hệ thống DSSS, FHSS, THSS.

• Tác giả: Dương Nguyễn Trung
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quốc Trung
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Kỹ Thuật Trải Phổ: Tổng Quan, Nguyên Lý và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Kỹ thuật Trải Phổ

Kỹ thuật trải phổ là một phương pháp truyền thông hiện đại cho phép mở rộng tín hiệu truyền thông trên một dải tần số rộng hơn dải tần số ban đầu của nó. Kỹ thuật này được phát triển từ những năm 1940 và ngày nay là cơ sở của nhiều hệ thống truyền thông di động tiên tiến như 3G, 4G, 5G. Hệ thống trải phổ cung cấp khả năng bảo mật cao, khả năng chống nhiễu vượt trội, và hiệu quả sử dụng phổ tần số tối ưu. Các ưu điểm chính bao gồm giảm công suất truyền phát, tăng cường độ bảo mật dữ liệu, và khả năng phục hồi tín hiệu trong môi trường nhiễu cao. Mô hình kênh trong trải phổ được phân loại dựa trên các đặc tính truyền thông như kênh AWGN (Additive White Gaussian Noise), kênh Rayleigh và kênh Ricean, mỗi loại đều có những ứng dụng riêng trong thực tế.

1.1. Định nghĩa và Khái niệm cơ bản

Trải phổ là quá trình chuyển đổi tín hiệu tần số hẹp thành tín hiệu tần số rộng bằng cách sử dụng mã giả tạp âm (Pseudo Noise). Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu trên một dải tần số rộng, làm giảm mật độ công suất phổ. Ứng dụng chính bao gồm hệ thống vô tuyến quân sự, truyền thông vệ tinh, và mạng di động hiện đại.

1.2. Lịch sử Phát triển

Kỹ thuật trải phổ ban đầu được phát triển cho mục đích quân sự nhằm tăng cường bảo mật truyền thông. Từ những năm 1980, nó được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin dân sự. Tiêu chuẩn IS-95 CDMA (Code Division Multiple Access) đã mở đường cho sự phát triển của 3G, 4G và các công nghệ di động tiên tiến khác trong ngành viễn thông toàn cầu.

II. Nguyên lý hoạt động của Kỹ thuật Trải Phổ

Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật trải phổ dựa trên việc mở rộng phổ tần số của tín hiệu gốc bằng một mã mở rộng (spreading code). Quá trình này được gọi là điều chế trải phổ, trong đó tín hiệu thông tin được nhân với một chuỗi mã giả tạp âm (PN - Pseudo Noise) có tốc độ cao hơn tốc độ bit dữ liệu ban đầu. Ở phía nhận, quá trình đảo ngược được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu nhận được với cùng mã PN để khôi phục tín hiệu gốc. Kênh truyền bao gồm nhiều loại: kênh AWGN (Additive White Gaussian Noise) là kênh lý tưởng với nhiễu ngẫu nhiên, kênh Rayleigh mô tả môi trường đa đường, và kênh Ricean là kênh có thành phần tín hiệu trực tiếp.

2.1. Quá trình Mở rộng Phổ Spreading Process

Mở rộng phổ được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu dữ liệu với mã trải phổ có tốc độ cao. Hệ số mở rộng (spreading factor) quyết định độ rộng của phổ tần số cuối cùng. Mã trải phổ phải có các tính chất tự tương quan thấp và tương quan chéo thấp để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Các mã sử dụng bao gồm mã Barker, mã Gold, và mã Walsh, mỗi loại có ứng dụng khác nhau trong các hệ thống truyền thông.

2.2. Quá trình Khôi phục Tín hiệu Despreading Process

Khôi phục tín hiệu tại bộ thu được thực hiện bằng cách tương quan tín hiệu nhận được với cùng mã trải phổ. Bộ tương quan (correlator) tính toán mức độ tương đồng giữa tín hiệu nhận và các mã khả dĩ, từ đó xác định tín hiệu gốc. Nếu mã khớp, lợi suất xử lý sẽ cao, giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR - Signal to Noise Ratio) đáng kể, cho phép khôi phục dữ liệu chính xác ngay cả trong điều kiện nhiễu cao.

III. Các Loại Hệ thống Trải Phổ Chính

Hiện tại, có ba loại hệ thống trải phổ chính được sử dụng rộng rãi trong truyền thông hiện đại: DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), và THSS (Time Hopping Spread Spectrum). Mỗi loại có những đặc điểm, ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Hệ thống DSSS sử dụng một chuỗi mã dài để điều chế trực tiếp lên tín hiệu thông tin, được ứng dụng phổ biến trong 3G CDMA. Hệ thống FHSS thay đổi tần số truyền một cách ngẫu nhiên theo một dãy xác định, cung cấp khả năng chống nghe trộm tốt. Hệ thống lai (Hybrid) kết hợp ưu điểm của nhiều kỹ thuật để tối ưu hóa hiệu suất truyền thông trong các điều kiện kênh khác nhau.

3.1. Hệ thống DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

DSSS là hệ thống trải phổ trực tiếp, nơi tín hiệu dữ liệu được nhân trực tiếp với mã PN tốc độ cao. Ưu điểm bao gồm khả năng chống nhiễu tốt, bảo mật cao, và dễ triển khai. Nhược điểm là yêu cầu đồng bộ hóa mã chính xác và độ phức tạp xử lý cao. DSSS được sử dụng trong chuẩn IS-95 CDMA, WiFi 802.11b, và các hệ thống 3G.

3.2. Hệ thống FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum

FHSS thay đổi tần số truyền theo một dãy nhảy được xác định trước. Ưu điểm bao gồm khả năng chống nhiễu tập trung cao, bảo mật tốt, và khả năng sử dụng chung tần số. Nhược điểm là tốc độ truyền thấp hơn so với DSSS. Ứng dụng trong Bluetooth, quân sự, và truyền thông vô tuyến cá nhân.

IV. Ứng dụng Thực tiễn của Kỹ thuật Trải Phổ

Kỹ thuật trải phổ hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của truyền thông và công nghệ thông tin. Trong lĩnh vực viễn thông di động, nó là nền tảng của các hệ thống 3G CDMA (Code Division Multiple Access), 4G LTE, và 5G hiện đại. Hệ thống vô tuyến như WiFi (802.11), Bluetooth, và ZigBee đều sử dụng kỹ thuật trải phổ để đạt được khả năng chống nhiễu cao và bảo mật dữ liệu. Trong quân sự và an ninh, kỹ thuật này cung cấp bảo mật truyền thông không bị nghe trộm và khả năng chống tình báo điện tử. Hệ thống vệ tinh sử dụng CDMA dựa trên trải phổ để hỗ trợ nhiều người dùng đồng thời. Các ứng dụng mới như Internet của Vạn vật (IoT) và 5G tiếp tục tận dụng những lợi thế của kỹ thuật trải phổ để cải thiện hiệu suất mạng.

4.1. Ứng dụng trong Hệ thống Di động 3G 4G 5G

3G CDMA (IS-95) sử dụng DSSS để cho phép nhiều người dùng chia sẻ cùng một dải tần số. 4G LTE sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) kết hợp với kỹ thuật trải phổ để tăng tốc độ dữ liệu. 5G tiếp tục phát triển các kỹ thuật này nhằm đạt được tốc độ ultra-cao, độ trễ thấp, và khả năng kết nối đông tập trung cho Internet của Vạn vật.

4.2. Ứng dụng trong Truyền thông Vô tuyến và An ninh

WiFi 802.11 và Bluetooth sử dụng FHSS hoặc DSSS để tránh xung đột tần số và tăng cường bảo mật. Các hệ thống quân sự sử dụng kỹ thuật trải phổ để đạt được bảo mật truyền thông cao và khả năng chống ghi âm/can thiệp mạnh. Vệ tinh GPS sử dụng CDMA dựa trên trải phổ để cho phép nhiều vệ tinh phát tín hiệu trên cùng tần số mà không gây nhiễu lẫn nhau, cung cấp dịch vụ định vị toàn cầu chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG HOC BACH KHOA HA NOI DUONG NGUYEN TRUNG KY THUAT TRAI PHO VA UNG DUNG LUAN VAN THAC Si KY THUAT DIEN TU VIEN THONG NGUOI HUONG DAN KHOA HOC PGS.TS NGUYEN QUOC TRUNG HA NOI —2014 LOI CAM DOAN Trong quả trình thực hiện đề tài luận văn: Kỹ thuật trải phố và ứng đựng. Tôi dã thực hiện dùng qui trình thực hiện trong thời gian lảm luận vẫn. Trong quá trình nghiên cứu làm để lài, tôi đã sưu Lẫm và sử dụng một số lài liêu trong nước đã dược xuất bản củng với một số bài báo vả các tạp chỉ trong và ngoài nước. 'Tôi không sử dụng sao chép vi phạm qui dịnh dễ ra vi dụ như: Sao chép các luận văn cũ, sao chép các thông tin không có tính đích thực không được công bổ.

Tiên dây là lời cam đoan của lôi, nếu tôi vì phạm tôi hoàn loàn chịu trách nhiệm trước hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ và khoa, viện đào tạo sau đại học Hà Nội, ngày Ú1 tháng ƠI năm 2014 Tác giả luận văn DUONG NGUYEN TRUNG THUAT NG! 3" Genncration (of Mobile networks) | Hệ thông điện thoại di động tiên [iễn ' x gĩ ị auc Authentication Center | Trung tan nhận thực BCH Broadeast Channel ¡ Kênh quảng bá “BER Bit Error Rate ¡Tỷ số lỗi bứ |PBSK Binary Phase Shift Keying, | Khoa dịch pha nhị phân (Bss ”” Base Station Subsystem ””'”'ÏPhnhệtgmgác 7” Co-Channel Tnterference ¡ Nhiều kênh cùng tần số_ ị Coded Composite Transport Channel ¡ hoá Conunou Control Channel | Kênh diễu khiển chung Code Division Multiple Access CN CoreNetwork 7” 777 Coreless Phone Circuit Switched Pulic Data Iwork 3 MỤC LỤC LOLCAM DOAN. 1 THUAT NGU VIET TAT 2 MUCLUC 8 DANII MỤC CÁC HN. ll DANH MỤC CÁC BẰNG. 15 CHUONG 1: GIGE TIO.Mò bình kỹ thuật trải phỏ.

Các ưu điểm của hệ thống trái phổ.Mô hình kênh - 20 1. Cée hiện tượng anh hưởng dén chất lượng kênh truyền.Kênh nhiễu cộng chuẩn rắng(AWGN—Additive White Gaussian Noise). Kênh theo phân bó Rayloigh 26 1. Phân bộ Ricean.

cành eereesdsreeersu2RE 1.Kết luận chương, 30 CHƯƠNG 2: CÁC HỆ THÔNG THONG TIN TRAIT PHO: 32 2.Lệ thống trải phổ trực tiếp ( D8/S8) -. Sơ để khối đặc trưng một hệ thống trải phd DSSS. Hé thing DSSS-RPSK - 33 2.2, Hệ thống trải phố nhảy tần (TU/SS). Hệ thêng thu phát.11ệ thống trải phế nhảy thời gian ( TI/55 } Al 2.1 Nguyén Ii hoal déng etia hé thong TH/SS 42 2.Ưu nhược diễm của hệ thống trải phổ nhảy thời gian TH55.4, 118 théng lai ( Llybrid 5.

Hệ thống FH/D§ 44 Orthogonal Frequency Division. - Ghép phân chia tản số trực giao Multiplexing Orthogonal Frequeney Division — | Đa truy nhập phân chiathcotẩn | lultiple Access | số trực giao PCPCH Physical CPCH Kênh gót chung vật lý PCS Personal Communivation System | Hié théng thông lim có thôn PDC Personal Digital Cellular ¡ Hệ thông tổ ong số cá nhân. PDN Packet Data Network Ì Mạng số liệu công cộng PDE Packet Data Protocol | Giao thức đông gói dữ liệu 'PLMN Public Land Mobile Network |i Mang đi động mặt đất công công IN Pseudo Noise | GiÁ tạp âm PRACH Physical RACH | Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý PS Packet Switched | Chuyển trạch gói | PSK Phase Shifl Keying | Khoá địch chuyển pha pax Public Switched Telephone | Mang điện thoại chuyển mạch / Network QPSK Quadrature Phase Shift Keying RANAP Radio Access Network Application RLC Radio Link Control "FG Wing GhaySu mach Kah ide Iligh Speed Circuit Switched Data ¡ đô cao High Speed Downlink Packet ¡ Truy nhập gói đường xuống tốc International Mobile ¡ Hệ thống théng tin di dong toan Telecommunivations in the year i ¡ cầu trong năm 2000 2000 i Intemet Protocol International telecommunication | Lin doan viễn thông quốc tế Union | Ị Giao điện giữa RNC và núLB ¡ Giao điện giữa 2RNC Internet, Working Furetion | Chức năng tương lắc mạng Long Term Fvolution | Sự phát triển dai lạm u khiến truy nhập môi trường | ¡ Hệ thống điện thoại di đội eeÂu băng tần 900 MHz. Network VLR Visitor Location Registor.

¡ Bộ dăng ký dịnh vị tạm trú WAP Wireless application protocol | Giao thức ứng dụng vô tuyển | Wideband Code Division Multiplex | Đa truy cập phân chia theo ma WCTDMA Access ¡ băng rộng Teas gs meg Secondary Common Cantrol Kênh vật. lý điều khiến chưng tuy ¡ SCCPCH i / i Physical Channel ¡ cấp Ị | SCH Synchronization Channel | Kénh dong bé : I I. I | SOSN Servicing GPRS Support Node ¡ Nút hỗ trợ GPRS phục vụ : Total Access Communication Syslem Tonminal Adaplion Function ' TH Trallic Channel ¡ Kênh lau lượng Tce ‘Transmission Control Protocol Gao the digu khién truyén din oo ¡ Song công phân chia theo thời TDD Time Division Duplexing | a | Sự truyền đến kênh phân chia TDM ‘Time Division Multiplexing Ị ¡ theo thời gian i ¡ Đa truy nhập phân chủa theo thời TDMA Time Division Multiple Access | ¡ gian rmina| Equipment | Khải chuyên đổi mã và thích ứng | | toc độ Universal Mobile ‘Telecommunnication System / MỤC LỤC LOLCAM DOAN. 1 THUAT NGU VIET TAT 2 MUCLUC 8 DANII MỤC CÁC HN.

ll DANH MỤC CÁC BẰNG. 15 CHUONG 1: GIGE TIO.Mò bình kỹ thuật trải phỏ. Các ưu điểm của hệ thống trái phổ.Mô hình kênh - 20 1. Cée hiện tượng anh hưởng dén chất lượng kênh truyền.Kênh nhiễu cộng chuẩn rắng(AWGN—Additive White Gaussian Noise).

Kênh theo phân bó Rayloigh 26 1. Phân bộ Ricean. cành eereesdsreeersu2RE 1.Kết luận chương, 30 CHƯƠNG 2: CÁC HỆ THÔNG THONG TIN TRAIT PHO: 32 2.Lệ thống trải phổ trực tiếp ( D8/S8) -. Sơ để khối đặc trưng một hệ thống trải phd DSSS.

Hé thing DSSS-RPSK - 33 2.2, Hệ thống trải phố nhảy tần (TU/SS). Hệ thêng thu phát.11ệ thống trải phế nhảy thời gian ( TI/55 } Al 2.1 Nguyén Ii hoal déng etia hé thong TH/SS 42 2.Ưu nhược diễm của hệ thống trải phổ nhảy thời gian TH55.4, 118 théng lai ( Llybrid 5. Hệ thống FH/D§ 44 1inhanced Data Rates for Evolution Extended Tolal Access i Communication System i Huropean Telecommunications ¡ Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Standards Institute lâu IFDP Frequency Division Duplexing | Song công phân chia theo tan ị| DMA Frequency quency Division Multiple pl ¡| Đa Ba truytray nhập nhậpphân p chia theo tin i ‘Access Ị số Galeway MSC CGMSK” Gaussian Minima Shifl Keying "ite 7 Hanes Gano / | GPRS General Packet Radio Service ¡ Dịch vụ vô tuyển gói chung / GSM Global System for Mobile ¡ Hệ thống thông tin ton cfu cho | Orthogonal Frequency Division. - Ghép phân chia tản số trực giao Multiplexing Orthogonal Frequeney Division — | Đa truy nhập phân chiathcotẩn | lultiple Access | số trực giao PCPCH Physical CPCH Kênh gót chung vật lý PCS Personal Communivation System | Hié théng thông lim có thôn PDC Personal Digital Cellular ¡ Hệ thông tổ ong số cá nhân.

PDN Packet Data Network Ì Mạng số liệu công cộng PDE Packet Data Protocol | Giao thức đông gói dữ liệu 'PLMN Public Land Mobile Network |i Mang đi động mặt đất công công IN Pseudo Noise | GiÁ tạp âm PRACH Physical RACH | Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý PS Packet Switched | Chuyển trạch gói | PSK Phase Shifl Keying | Khoá địch chuyển pha pax Public Switched Telephone | Mang điện thoại chuyển mạch / Network QPSK Quadrature Phase Shift Keying RANAP Radio Access Network Application RLC Radio Link Control Network VLR Visitor Location Registor. ¡ Bộ dăng ký dịnh vị tạm trú WAP Wireless application protocol | Giao thức ứng dụng vô tuyển | Wideband Code Division Multiplex | Đa truy cập phân chia theo ma WCTDMA Access ¡ băng rộng MỤC LỤC LOLCAM DOAN. 1 THUAT NGU VIET TAT 2 MUCLUC 8 DANII MỤC CÁC HN. ll DANH MỤC CÁC BẰNG.

15 CHUONG 1: GIGE TIO.Mò bình kỹ thuật trải phỏ. Các ưu điểm của hệ thống trái phổ.Mô hình kênh - 20 1. Cée hiện tượng anh hưởng dén chất lượng kênh truyền.Kênh nhiễu cộng chuẩn rắng(AWGN—Additive White Gaussian Noise). Kênh theo phân bó Rayloigh 26 1.

Phân bộ Ricean. cành eereesdsreeersu2RE 1.Kết luận chương, 30 CHƯƠNG 2: CÁC HỆ THÔNG THONG TIN TRAIT PHO: 32 2.Lệ thống trải phổ trực tiếp ( D8/S8) -. Sơ để khối đặc trưng một hệ thống trải phd DSSS. Hé thing DSSS-RPSK - 33 2.2, Hệ thống trải phố nhảy tần (TU/SS).

Hệ thêng thu phát.11ệ thống trải phế nhảy thời gian ( TI/55 } Al 2.1 Nguyén Ii hoal déng etia hé thong TH/SS 42 2.Ưu nhược diễm của hệ thống trải phổ nhảy thời gian TH55.4, 118 théng lai ( Llybrid 5. Hệ thống FH/D§ 44 2. Hé théng TH/ FH 2. Hệ thống TH/DS - 2.

Các đấy giá ngẫu nhiên PN.Giới thiệu chung về chuỗi TT. Dãy gÌủ địch tuyển tính độ đài cực đại (đấy- m) 2.7 Kết luận chương - - - CHƯƠNG 3: ỨNG DỰNG KỸ THUAT TRAI PHO 3.Cöng nghệ CDMA.Quả trình phát triển cửa mạng thông tìn đi động 3.Khải niệm về CDMA. Thu pháttin hiệu trong CDMA. áo độc tỉnh uu việt của CDMA so với chuẩn khác.8ữ dụng bộ mã hoá ưu việt.Chuyén giao mềm.

Điều khiển công suất .K% thudt DS-CDMA .Giới thiện sơ lược về hệ thông.May thư RAKH,.Bé phat DS-CDMA 3. Ré dm DS-CDMA 3.KG thudt MC-CDMA wo.1 Khai niém MC-CDMA 3.4 May thu MC-CDMA 3.Các mã trải phố Teas gs meg Secondary Common Cantrol Kênh vật. lý điều khiến chưng tuy ¡ SCCPCH i / i Physical Channel ¡ cấp Ị | SCH Synchronization Channel | Kénh dong bé : I I. I | SOSN Servicing GPRS Support Node ¡ Nút hỗ trợ GPRS phục vụ : Total Access Communication Syslem Tonminal Adaplion Function ' TH Trallic Channel ¡ Kênh lau lượng Tce ‘Transmission Control Protocol Gao the digu khién truyén din oo ¡ Song công phân chia theo thời TDD Time Division Duplexing | a | Sự truyền đến kênh phân chia TDM ‘Time Division Multiplexing Ị ¡ theo thời gian i ¡ Đa truy nhập phân chủa theo thời TDMA Time Division Multiple Access | ¡ gian rmina| Equipment | Khải chuyên đổi mã và thích ứng | | toc độ Universal Mobile ‘Telecommunnication System / 2.

Hé théng TH/ FH 2. Hệ thống TH/DS - 2. Các đấy giá ngẫu nhiên PN.Giới thiệu chung về chuỗi TT. Dãy gÌủ địch tuyển tính độ đài cực đại (đấy- m) 2.7 Kết luận chương - - - CHƯƠNG 3: ỨNG DỰNG KỸ THUAT TRAI PHO 3.Cöng nghệ CDMA.Quả trình phát triển cửa mạng thông tìn đi động 3.Khải niệm về CDMA.

Thu pháttin hiệu trong CDMA. áo độc tỉnh uu việt của CDMA so với chuẩn khác.8ữ dụng bộ mã hoá ưu việt.Chuyén giao mềm. Điều khiển công suất .K% thudt DS-CDMA .Giới thiện sơ lược về hệ thông.May thư RAKH,.Bé phat DS-CDMA 3. Ré dm DS-CDMA 3.KG thudt MC-CDMA wo.1 Khai niém MC-CDMA 3.4 May thu MC-CDMA 3.