Bài giảng Truyền dữ liệu - Chương 9: Kỹ thuật trải phổ

CHƯƠNG 9  KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 
TRUYỀN DỮ LIỆU 
Khoa Mạng máy tính và Truyền thông 
Trường Đại học Công nghệ Thông tin 
Nội dung 
Kỹ thuật trải phổ 
Điều chế và giải điều chế trong trải phổ 
Một số đặc điểm của điều chế trải phổ 
Các hệ thống trải phổ cơ bản 
Đồng bộ trong trải phổ 
Giao thức “Đa truy nhập chia theo mã” (CDMA) 
Kỹ thuật trải phổ 
Kĩ thuật trải phổ là một công nghệ được sử dụng nhiều trong quân sự vì nó có đặc tính chống nhiều và bảo mật rất cao 
Nguồn tín hiệu: tín hiệu số hay tương tự. 
Hệ thống thông tin được coi là hệ thống trải phổ nếu: 
Tín hiệu phát chiếm dải thông lớn hơn nhiều dải thông tối thiểu cần thiết để truyền thông tin; 
Sự mở rộng dải thông được thực hiện nhờ một mã không phụ thuộc vào dữ liệu. 
Phổ của tín hiệu 
Kỹ thuật trải phổ trong thực tế 
Phổ của tín hiệu nhận được trải ra trên dải thông mong muốn, tiếp sau là bộ điều chế có tác dụng dịch phổ đến dải tần phát được gán. 
Tín hiệu trải phổ trông giống như nhiễu, khó phát hiện và thậm chí khó để chặn đứng hay giải điều chế ( demodulation ) nếu không có các thiết bị thích hợp. 
Trong các hệ thống thông tin trải phổ, dải thông của tín hiệu được mở rộng, thường bằng vài bậc dải thông trước khi phát 
Khi một người dùng trong băng tần trải phổ, hiệu quả dải thông là thấp, tuy nhiên trong môi trường đa người dùng, có thể chia sẻ cùng một băng tần trải phổ và hệ thống có thể trở nên hiệu quả dải thông. 
Điều chế và giải điều chế trong trải phổ 
Công nghệ trải phổ 
Công nghệ trải phổ cho phép truyền băng hẹp và trải chúng ra trên một vùng tần số lớn hơn nhiều. Bằng việc sử dụng phổ tần số rộng hơn, sẽ giảm được khả năng dữ liệu sẽ bị hư hỏng hay jammed. 
Một máy phá sóng băng hẹp cố gắng jamming tín hiệu trải phổ sẽ giống như là việc ngăn chặn một phần nhỏ thông tin nằm trong dãy tần số băng hẹp. Nên hầu hết thông tin sẽ được nhận mà không thấy lỗi. 
Ngày nay thì các bộ phát tần số ( RF radios ) trải phổ có thể truyền lại bất kỳ một lượng thông tin nhỏ nào đã bị mất do nhiễu băng hẹp. 
Một số đặc điểm của điều chế trải phổ 
Khả năng chống lại nhiễu khi bị tấn công cố ý và không cố ý đặc biệt khi truyền thông tin trong các vùng đông đúc như thành phố. Cho mức độ bảo mật nhất định nhờ dùng các mã trải giả ngẫu nhiên làm cho nó khó bị nghe trộm. 
Có khả năng loại bỏ hoặc giảm nhẹ ảnh hưởng của truyền lan đa đường, có thể là vật cản lớn trong thông tin thành phố; 
Có thể chia sẻ cùng băng tần với các người dùng khác, nhờ tính chất tín hiệu giống như tạp âm của nó; Có thể dùng cho thông tin vệ tinh trong CDMA. 
Hệ thống trải phổ 
Để biến đổi tín hiệu phát thành tín hiệu giống như tạp âm, ta dùng mã được giả thiết là ngẫu nhiên để mãhóa tin tức. 
Máy thu phải biết được đó là mã nào để tạo ra một mã y hệt và đồng bộ với mã phát đi để giải mã tin tức. Do đó mã giả ngẫu nhiên phải là tất định. 
Tín hiệu phát được biến đổi bởi mã sao cho tín hiệu nhận được có dải thông xấp xỉ dải thông của tín hiệu ngẫu nhiên. Có thể xem việc biến đổi như là quá trình mã hóa 
Các hệ thống trải phổ cơ bản 
Trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum FHSS ): Hệ thống trải phổ bằng cách nhảy tần số sóng mang của nó trên một tập lớn các tần số, mẫu nhảy tần là giả ngẫu nhiên. 
Trải phổ dãy trực tiếp (Direct Sequence Spread Spectrum DSSS ): Hệ thống trải phổ nhờ nhân nguồn với tín hiệu giả ngẫu nhiên 
Trải phổ nhảy thời gian (Time Hopping Spread Spectrum THSS ): khối các bít dữ liệu được nén và phát đi một cách gián đoạn trong một hoặc nhiều khe thời gian trong một khung. Mẫu nhảy thời gian giả ngẫu nhiên xác định khe thời gian nào được dùng để truyền trong mỗi khung. 
Trải phổ nhảy tần Frequency Hopping Spread Spectrum 
Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) 
Được phát minh bởi nữ diễn viên Hollywood Hedy Lamarr, Là kĩ thuật điều chế trong đó tần số sóng mang nhảy trên các dải tần khác nhau . 
Ý tưởng của các hệ thống FHSS là nhảy hoặc chuyển tần số sóng mang trên một tập tần số theo 1 mẫu xác định bởi dãy giả tạp (Pseudo Noise - PN) . 
Được thiết kế đầu tiên với mục đích quân sự chia 83,5 Mhz phổ thành 79 kênh , mỗi kênh 1Mhz công tác tại tần số 900Mhz, tốc độ nhảy tần khoảng 2,5 hops/s (US) 
Dãy giả tạp (Pseudo-Noise PN) 
Mã ngẫu nhiên đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống trải phổ 
Nếu mã này là ngẫu nhiên thực sự, thì ngay cả máy thu cũng không thể lấy được tin tức vì không thể đồng bộ với mã ngẫu nhiên thực sự. 
Cần phải dùng mã giả ngẫu nhiên, là mã tất định mà máy thu biết được, còn đối với máy thu trộm 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. 
Trải phổ nhảy tần 
Dẫy PN dùng để điều khiển (xác định) mẫu nhảy. Tốc độ nhảy có thể nhanh hơn (nhảy tần nhanh) hoặc chậm hơn (nhảy tần chậm) tốc độ dữ liệu. 
Điều chế FSK thường được sử dụng cho hệ thống FHSS. Do sự thay đổi nhanh tần số sóng mang, giải điều chế không liên kết được sử dụng. 
Wlan sử dụng băng tần 2.4 Ghz đến 2,4835 Ghz cũng chia thành 79 kênh mỗi kênh 1Mhz 
Ví dụ Trải phổ nhảy tần 
Ví dụ Trải phổ nhảy tần 
Các ưu nhược điểm FHSS 
Ưu điểm : 
Giảm fading đa đường do tín hiệu được các sóng mang có tần số khác nhau 
Sủ dụng 1 phần dải thông nhỏ ở mỗi thời điểm 
Nhược điểm : 
Phụ thuộc nhiều vào các yếu tố môi trường 
Dễ bị phát hiện 
Mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần (Truyền) 
Mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần (Nhận) 
Phân loại nhảy tầnSlow và Fast FHSS 
Phân loại dựa trên tương quan giữa tốc độ nhảy tần RH và tốc độ điều chế RS 
Tần số nhảy sau mỗi T c giây 
Khoảng thời gian cho mỗi phần tử tín hiệu là T s giây 
Nếu RH là bội của RS thì ta có Nhảy tần nhanh (Fast FHSS T c T s ) 
Nếu RS là bội của RH thì ta có Nhảy tần chậm (Slow FHSS T c < T s ) 
Thông thường Nhảy tần nhanh có ưu điểm đối với nhiễu 
Nhảy tần chậm ( Slow FHSS ) (M=4, k=2) 
Nhảy tần nhanh ( Fast FHSS)  (M=4, k=2) 
Hoạt động hệ thống trải phổ 
Ở phía phát dữ liệu d(t) được đưa tới bộ điều chế MFSK để điều chế sóng mang sau đó được đưa tới điều chế nhảy tần với mã nhảy tần giả ngẫu nhiên 
Ở phía thu quá trình diễn ra ngược lại,tín hiệu đi qua bộ giải điều chế nhảy tần đễ khôi phục lại sóng mang, sau đó sóng mang này đi qua bộ giải điều chế MFSK thông thường để khôi phục lại dữ liệu 
 Ở cả máy thu và máy phát đều có bộ tạo mã PN gồm k chíp mã tương ứng với 1 từ tần số 
Trải phổ dãy trực tiếp Direct Sequence Spread Spectrum 
Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS ) 
Sử dụng mã trải phổ băng rộng để điều chế tín hiệu sóng mang chứa thông tin. 
Mã trải phố trực tiếp tham gia vào quá trình điều chế, (trong các dạng trải phổ khác mã trải phổ chỉ dùng để điều khiển tần số hay thời gian truyền dẫn sóng mang) 
Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS) 
Mỗi bit thể hiện bằng một chuỗi bit theo mã trải 
Mã trải trải tín hiệu ra phổ tần số rộng hơn 
Tỷ lệ với số lượng bit sử dụng 
Với 10 bit mã trải sẽ trải tín hiệu ra phỗ lớn gấp 10 lần 
Một phương pháp: 
Tổng hợp tín hiệu vào với mã trải bằng phép toán XOR 
Với bit 1 nghịch đảo các bit của mã trải 
Với bit 0 không thay đổi các bit của mã trải 
Hoạt động như là với FHSS 
Ví dụ Trải phổ dãy trực tiếp 
Mô hình xử lý truyền với trải phổ dãy trực tiếp 
Mô hình xử lý nhận với trải phổ dãy trực tiếp 
Ví dụ trải phổ dãy trực tiếp 
Ví dụ phổ tín hiệu của trải phổ dãy trực tiếp 
Đồng bộ trong trải phổ 
Các tín hiệu trải phổ đều sử dụng mã giả ngẫu nhiên để trải phổ tín hiệu hoặc điều khiển nhảy tần số nên vấn đề đồng bộ được xem là yếu tố sống còn 
Sự thành công của các hệ thống thông tin trải phổ phụ thuộc vào khả năng của máy thu tạo ra tín hiệu (dãy PN) là bản sao của (và đồng bộ với) tín hiệu PN thu được. 
Với bất kì kĩ thuật trải phổ nào chúng ta cần phải có thông tin về thời gian của tín hiệu được phát để nén tín hiệu thu được và giải điều chế tín hiệu vừa mới được nén. 
Xử lý đồng bộ trong trải phổ 
Máy thu biết tín hiệu PN là gì nhưng nó không biết pha của tín hiệu này khi nó đến máy thu. 
Đồng bộ dãy PN thường có hai bước: 
bước thứ nhất gọi là bắt (đồng bộ thô hoặc đồng bộ sơ bộ), là bước điều chỉnh độ lệch pha của tín hiệu PN tới và tín hiệu PN tại chỗ đến nằm trong một khoảng nào đó cỡ một chip hoặc nhỏ hơn. 
Bước thứ hai gọi là bám (đồng bộ tinh), thực hiện việc điều chỉnh tinh để đưa sai lệch pha này tiến tới 0. 
Với hệ thống DS-SS nếu chúng ta chỉ chệch đi 1 khoảng thời gian bằng 1 chip thì chúng ta không thể nén được tín hiệu trải phổ thu được nên không thể tìm ra được tín hiệu dữ liệu ban đầu 
Các giai đoạn của đồng bộ trong trải phổ 
Bắt mã( Acquíition): Ở giai đoạn này 2 mã trải phổ (mã thu được và mã tự sinh ra ở bên nhận ) sẽ đồng chỉnh với nhau, đồng bộ giữa máy phát và máy thu trong khoảng thời gian xac định là Tc 
Bám mã (tracking): Ở giai đoạn này nhờ sử dụng vòng hồi tiếp mà mã trải phổ tại chỗ chính xác nhất liên tục được chọn 
Một số yếu tố ảnh hưởng đến việc đồng bộ 
Khoảng cách giữa máy thu và máy phát không xác định dẫn đến tính toán giá trị trễ truyền dẫn không chính xác 
Nhịp tương đối giữ máy thu và máy phát không được thiết lập dẫn đến sự khác nhau về pha giữa tín hiệu trải phổ của máy phát và máy thu 
Máy phát và máy thu không được lắp đặt các bộ dao động giống nhau dẫn đến lệch tần số giữa 2 tín hiệu 
Vấn đề khó khăn đồng bộ trong trải phổ 
Đặc điểm của hầu hết giãi pháp đồng bộ là trong khoảng thời gian bắt mã, 
nơi thu tiến hành cho mã thu và mã tạo ra tại chỗ đựoc tương quan với nhau để có được địa lượng đánh giá sự giống nhau giữa chúng. 
đại lượng này được so sánh với 1 mức chuẩn định trước để đưa ra quuyết định. Nếu chúng đòng bộ thì việc bắt mã kết thúc, nếu không thì thủ tục thu lại đưa ra mã được tạo ra tại chỗ có sự thay đổi về tần số và pha và lại so sánh tiếp đến bao giờ chúng đòng bộ mới thôi. 
Cách giải quyết đồng bộ trong trải phổ 
Bên thu chọn 1 pha cho dãy PN tại máy thu để nén phổ tín hiệu thu được.Tín hiệu sau khi nén phổ sẽ cho qua bộ lọc thông dải. 
Nếu pha của chúng giống nhau thì BPF sẽ nhận toàn bộ công suất của tín hiệu vừa thu được và thiết bị điều khiển sẽ cho kết thúc chu trình bám. 
nếu pha thử chọn này không khớp với tín hiệu thu được, thì sẽ xuất hiện tín hiệu băng rộng tại đầu vào của BPF và nó chỉ thu nhận được 1 phần công suất rất nhỏ. 
 Dựa vào điều này máy thu quyết định pha dò không đúng và tiếp tục dò pha khác. 
Giao thức “Đa truy nhập chia theo mã” (CDMA) 
Code Division Multiple Access – CDMA là một công nghệ được ứng dụng nhiều nơi trên thế giới 
Trong thập niên 80, CDMA được đưa ra thương mại và chính thức được đề xuất bởi Qualcomm, một trong những công ty hàng đầu về công nghệ truyền thông. 
Công nghệ CDMA 
Kỹ thuật ghép kênh được sử dụng với trải phổ 
Thuê bao của mạng di động CDMA chia sẻ cùng một dải tần chung, có thể nói đồng thời và tín hiệu được phát đi trên cùng 1 dải tần. 
K hi truyền thông tin từ trạm phát sóng đến thuê bao di động, để có thể nhiều người sử dụng cùng lúc trong tại cùng thời điểm và trên cùng một dải tần thì người ta phân chia truy nhập theo mã, mã này được tạo ra một cách ngẫu nhiên và chỉ có trạm phát và máy di động được biết . 
Nguyên tắc hoạt động của CDMA 
Người ta nhỏ mỗi bit thành k chips theo mã ngẫu nhiên từng thuê bao. Ví dụ: k =6, ba t huê bao (A,B,C) cùng liên kết vói một trạm thu R 
Mã của A = 
Mã của B = 
Mã của C = 
Với tốc độ truyền dữ liệu khởi đầu là D: còn được gọi là “ bit data rate” 
Mỗi kênh sẽ có chip data rate là kD chips/ giây 
Vídụ CDMA 
Diễn giải về CDMA 
Giả sử t huê bao A liên kết với trạm thu 
Trạm thu biết được code của A 
Giả sử liên kết đã được đồng bộ rồi 
Thuê bao A muốn gửi bit 1 
Sẽ gửi một chuỗi 
Mã của A 
Thuê bao A muốn gửi bit 0 
Sẽ gửi một chuỗi 
Nghịch đảo Mã của A 
Trạm giải mã loại bỏ các kênh của thuê bao khác khi sử dụng mã của t huê bao A để giải mã (Orthogonal codes) 
CDMA với trải phổ dãy trực tiếp 
n t huê bao sử dụng chuỗi PN trực giao khác nhau 
Điều chế các luồng dữ liệu của t huê bao với BPSK 
Nhân với mã trải của từng t huê bao 
CDMA với trải phổ dãy trực tiếp 
Ví dụ mã và giải mã trong CDMA 
Ưu điểm của công nghệ CDMA 
Công nghệ CDMA có h iệu suất tái sử dụng tần số trải phổ cao và điều khiển năng lượng, nên nó cho phép quản lý số lượng thuê bao cao gấp 5 - 20 lần so với công nghệ GSM. 
Áp dụng kỹ thuật mã trải phổ, công nghệ CDMA nâng chất lượng thoại lên ngang bằng với hệ thống điện thoại hữu tuyến. 
Với công nghệ CDMA, ở vùng chuyển giao, thuê bao có thể liên lạc với 2 hoặc 3 trạm thu phát cùng một lúc, do đó cuộc gọi không bị ngắt quãng, làm giảm đáng kể xác suất rớt cuộc gọi. 
Bảo mật trong CDMA 
Công nghệ CDMA có khả năng bảo mật cao nhờ sử dụng tín hiệu trải băng phổ rộng. 
Các tín hiệu băng rộng khó bị dò ra vì nó xuất hiện tương đương ở mức nhiễu, khi nghe trộm sẽ chỉ thấy được những tín hiệu vô nghĩa. 
Công nghệ CDMA có tốc độ truyền nhanh hơn các công nghệ khác, nhà cung cấp dịch vụ CDMA có thể triển khai nhiều tùy chọn dịch vụ như thoại, thoại và dữ liệu, fax, Internet... 
Tài liệu tham khảo 
William Stallings (2010), Data and Computer Communications (9th Edition), Prentice Hall 
HẾT CHƯƠNG 9