Phân tích giải điều chế tín hiệu vô tuyến dải sóng ngắn hf

Do những đặc điểm ưu việt của thông tin sóng ngắn là hệ thống đơn giản, cự ly truyền rất xa, công suất sử dụng nhỏ và hiệu quả nên trong thực tế nó được sử dụng rất rộng rãi trong thương

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đề cập trong luận văn “phân

tích và giải điều chế tín hiệu vô tuyến dải sóng ngắn”

được viết dựa trên kết quả nghiên cứu theo đề cương của cá nhân tôi dưới sự

hướng dẫn của TS Nguyễn Viết Nguyên

Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ nguồn và

sử dụng đúng luật bản quyền qui định

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung của bản luận văn

Học viên

Nguyễn Văn Thăng

Hình 1.2 Ví dụ một hệ thống thông tin sóng ngắn 5

Hình 2.1a Tín hiệu điều chế AM trong miền thời gian 16

Hình 2.5: Bản tin (dãy bit 0, 1) và tín hiệu ASK; biểu đồ chòm sao 22

Hình 2.7: a) bản tin; b) phổ tín hiệu số m(t); c) tín hiệu sau điều chế ASK 23

Hình 2.11: Biểu đồ chòm sao của tín hiệu BPSK, QPSK và 8-PSK 26 Hình 2.12 Tín hiệu điều chế QPSK với dãy bít vào là 0001110001110010 27

Hình 2.18 Thực hiện điều chế QPSK sử dụng 2 kênh vuông pha I và Q 30

Hình 2.23 Sự chuyển dịch tần số theo thời gian của tín hiệu FSK 33 Hình 2.24 Phổ tần số tín hiệu FSK: F space ứng với bít “0”, F mark ứng với bít “1 34

Hình 2.26 Phổ tín hiệu FSK với các thành phần nhiễu F A , F B , F C 36

Hình 2.28 Phương pháp sử dụng bộ lọc thích nghi Matched 37

Hình 3.2 Lấy mẫu phân tích FFT của bộ phân tích phổ thông thường, phân tích tín hiệu vectơ và phân tích phổ thời gian thực

Hình 3.17 Thiết lập các tham số cho bộ giải điều chế ASK 67 Hình 3.18 Kết quả giải điều chế, đồ thị hình mắt, đồ thị chòm sao

Hình 3.24 Phổ tín hiệu khi tăng công suất lên 2 lần:

a) tín hiệu PSK2A; b) tín hiệu PSK2B

72

Hình 3.25 Phổ tần số tín hiệu đầu vào bộ FFT là Biên độ với hệ số công suất

là 1.(Đo tốc độ điều chế bằng phương pháp FFT)

73 Hình 3.26a Đo tốc độ điều chế PSK2A bằng biểu đồ pha tức thời 74

Hình 3.30 Biểu đồ biên độ tức thời tín hiệu PSK2A và PSK2B 77

Hình 1.2 Ví dụ một hệ thống thông tin sóng ngắn 5

Hình 2.1a Tín hiệu điều chế AM trong miền thời gian 16

Hình 2.5: Bản tin (dãy bit 0, 1) và tín hiệu ASK; biểu đồ chòm sao 22

Hình 2.7: a) bản tin; b) phổ tín hiệu số m(t); c) tín hiệu sau điều chế ASK 23

Hình 2.11: Biểu đồ chòm sao của tín hiệu BPSK, QPSK và 8-PSK 26 Hình 2.12 Tín hiệu điều chế QPSK với dãy bít vào là 0001110001110010 27

Hình 2.18 Thực hiện điều chế QPSK sử dụng 2 kênh vuông pha I và Q 30

Hình 2.23 Sự chuyển dịch tần số theo thời gian của tín hiệu FSK 33 Hình 2.24 Phổ tần số tín hiệu FSK: F space ứng với bít “0”, F mark ứng với bít “1 34

Hình 2.26 Phổ tín hiệu FSK với các thành phần nhiễu F A , F B , F C 36

Hình 3.2 Lấy mẫu phân tích FFT của bộ phân tích phổ thông thường, phân tích tín hiệu vectơ và phân tích phổ thời gian thực

Hình 3.17 Thiết lập các tham số cho bộ giải điều chế ASK 67 Hình 3.18 Kết quả giải điều chế, đồ thị hình mắt, đồ thị chòm sao

Hình 3.24 Phổ tín hiệu khi tăng công suất lên 2 lần:

a) tín hiệu PSK2A; b) tín hiệu PSK2B

72

Hình 3.25 Phổ tần số tín hiệu đầu vào bộ FFT là Biên độ với hệ số công suất

là 1.(Đo tốc độ điều chế bằng phương pháp FFT)

73 Hình 3.26a Đo tốc độ điều chế PSK2A bằng biểu đồ pha tức thời 74 Hình 3.26b Đo tốc độ điều chế PSK2B bằng biểu đồ pha tức thời 74

Hình 3.30 Biểu đồ biên độ tức thời tín hiệu PSK2A và PSK2B 77

Ngày nay, song song với sự phát triển của các ngành khoa học công nghệ nói chung, đáp ứng nhu cầu và yêu cầu ngày càng cao trong đời sống xã hội đặc biệt là nhu cầu về truyền thông tin đi xa, thì thông tin điện tử là không thể thiếu được và được phát triển rất mạnh mẽ, ngày càng có nhiều công nghệ,

kỹ thuật được ứng dụng vào thông tin truyền thông, cho phép ứng dụng nhiều loại hình dịch vụ và truyền tải được thông tin dưới nhiều dạng khác nhau như thoại, Video, Fax, dữ liệu, với tốc độ và băng thông ngày càng cao như các

hệ thống thông tin Vệ tinh, các hệ thống thông tin cáp quang, Tuy nhiên phương thức truyền thông tin qua sóng vô tuyến điện vẫn rất hiệu quả và cần thiết, đặc biệt là thông tin sóng ngắn Do những đặc điểm ưu việt của thông tin sóng ngắn là hệ thống đơn giản, cự ly truyền rất xa, công suất sử dụng nhỏ và hiệu quả nên trong thực tế nó được sử dụng rất rộng rãi trong thương mại, dân

sự, hàng hải, hàng không và đặc biệt trong quân sự

Việc giám sát và thu chặn các thông tin là không được phép và vi phạm pháp luật Tuy nhiên để nắm bắt tình hình từ xa và theo dõi các hoạt động của

đối phương thì các nước đều tổ chức các hệ thống giám sát thu chặn các tuyến thông tin của các đối tượng quan tâm, đặc biệt là trong quân sự Công việc này

đóng vai trò hết sức quan trọng trong công tác bảo vệ an ninh quốc gia Để có thể từng bước tiếp cận với công tác này, tôi đã chọn đề tài nghiên cứu “phân tích và giải điều chế tín hiệu vô tuyến dải sóng ngắn” nhằm mục đích tìm hiểu các phương pháp phân tích, giải điều chế và giải mã các tín hiệu thu được từ các tuyến thông tin của đối tượng, rồi các hệ thống, các phương tiện phục vụ cho công việc này nhằm đưa vào triển khai thiết thực phục vụ trong công tác

Đây là những vấn đề hết sức cần thiết cho các cán bộ thực hiện công tác này, nên để phục vụ thiết thực tôi đã chọn nghiên cứu đề tài này một cách rất sát thực tế để ứng dụng ngay vào công việc

Hà Nội, tháng 01 năm 2008

Chương I Tổng quan về thông tin sóng ngắn

Giới thiệu:

Chương I trình bày một số kiến thức lý thuyết về thông tin vô tuyến

điện nói chung và thông tin sóng ngắn nói riêng Tổng quan về một mô hình thông tin sóng ngắn, các phương thức truyền dẫn sóng ngắn, tầng điện ly và các yếu tố ảnh hưởng đến tuyến thông tin sóng ngắn, các phương pháp tính toán tối ưu một tuyến thông tin sóng ngắn và cuối cùng là các ứng dụng, các dạng thông tin và các chế độ truyền thông tin sóng ngắn trong thực tế

I Khái niệm và sự phân chia các dải tần số sóng vô tuyến

Sóng vô tuyến điện là sóng điện từ truyền lan trong một môi trường truyền sóng (thường là không gian) Nhờ có sóng vô tuyến mà ta có thể thiết lập các kênh thông tin vô tuyến với cự ly thông tin rất lớn

Sóng vô tuyến điện được phân chia thành các dải sóng như sau:

Tên gọi & Tần số Phương thức truyền, đặc điểm ứng dụng

Tần số siêu thấp (ULF)

Sóng trung (MF)

300 kHz – 3 MHz

(1000 m – 100 m)

Ban ngày truyền sóng đất; ban

đêm truyền sóng trời; vào ban

đêm suy hao ít hơn ban ngày

Phát thanh quảng bá; Thông tin hàng hải; Vô tuyến đạo hàng

Sóng ngắn (HF) Truyền sóng tầng điện ly; truyền Thông tin nghiệp dư;

3 MHz – 30 MHz

(100 m – 10 m)

được đi rất xa Thông tin di động;

thông tin quân sự; thông tin hàng không; điện báo; Thông tin quốc tế Sóng cực ngắn (VHF)

Vô tuyến thiên văn; Rada sóng milimét; Thông tin vệ tinh (Băng

Ka, V, W); Nghiên cứu

Mỗi băng sóng có đặc điểm truyền lan khác nhau, nhưng giữa các băng gần nhau thì sự biến đổi đặc tính truyền lan là không rõ rệt Trong môi trường

đồng nhất, sóng sẽ truyền lan theo đường thẳng với vận tốc không đổi Khi sóng truyền lan gần mặt đất, do mặt đất là bán dẫn điện nên nó phản xạ sóng làm biến đổi sóng và gây ra hấp thụ sóng trong đất, mặt khác do mặt đất có dạng hình cầu nên sóng truyền lan sẽ có hiện tượng nhiễu xạ (đối với các sóng

Bảng phân chia các dải tần số sóng vô tuyến

trung, sóng dài, tần số cực thấp: vì hiện tượng nhiễu xạ chỉ xảy ra rõ rệt khi kích thước vật chướng ngại có thể so sánh với bước sóng)

Những sóng vô tuyến điện truyền lan ở gần mặt đất theo đường thẳng hoặc bị phản xạ từ mặt đất hoặc bị uốn cong theo độ cong mặt đất do hiện tượng nhiễu xạ thì được gọi là truyền lan sóng đất Có thể bao gồm tất cả các

Những sóng vô tuyến điện truyền đi xa nhờ sự phản xạ hoặc khuếch tán

từ tầng điện ly được gọi là truyền sóng tầng điện ly

Những sóng truyền lan trực tiếp từ mặt đất đến các đối tượng trong vũ trụ được gọi là sóng vũ trụ Đối với các sóng có tần số cao trên 1 GHz mới có

thể truyền lan theo sóng vũ trụ

II Thông tin sóng ngắn

Hệ thống thông tin sóng ngắn là hệ thống thông tin sử dụng sóng vô tuyến điện hoạt động ở dải tần số từ 3 MHz – 30 MHz để truyền tin tức (thoại, moóc, số liệu, ) Từ sau khi Marconi và Popov phát minh ra sóng vô tuyến cho đến nay, dải tần số sóng ngắn HF vẫn luôn được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin khoảng cách xa, bất chấp sự xuất hiện và bổ xung toàn diện của các hệ thống thông tin tế bào, thông tin vệ tinh, Chỉ duy nhất sử dụng phương thức truyền sóng ngắn mới có thể đạt được cự ly thông tin khắp toàn cầu mà không sử dụng các thiết bị, cơ sở hạ tầng đắt tiền trên mặt đất hay

vệ tinh Thông tin sóng ngắn là một phương tiện thông tin an toàn và quan trọng trong hệ thống các tuyến thông tin quan trọng như trong quân sự, trong hàng không và hàng hải,

+ Các bit mã kênh thực hiện điều chế số sóng mang phụ (thông thường

là điều chế ở băng cơ sở thành các tín hiệu âm tần) và đưa đến máy phát Tại máy phát sẽ thực hiện điều chế sóng mang cao tần để đưa tín hiệu số đó thành tín hiệu cao tần RF và đưa đến anten phát tín hiệu đi

- Kênh truyền: là đường đi của tín hiệu trong không gian từ máy phát đến

máy thu Đối với hệ thống thông tin sóng ngắn thường sử dụng phương thức truyền sóng điện ly Tức là tín hiệu từ anten phát sẽ đi lên không gian qua tầng

đối lưu và tầng trung lưu rồi bị phản xạ ở tầng điện ly trở lại trái đất Tín hiệu

có thể phản xạ ở tầng điện ly vài lần trước khi đến được máy thu

Giải mã

nguồn (DAC)

Giải mật mã

Phía thu

Hình 1.1 Sơ đồ khối một hệ thống thông tin sóng ngắn

Phía phát

- Phía thu:

+ Tín hiệu cao tần RF từ anten thu đưa vào máy thu được thực hiện giải

điều chế chuyển tín hiệu RF trở về tín hiệu số ở băng cơ sở hoặc ở trung tần

+ Sau đó tín hiệu được giải điều chế số và giải mã kênh, giải mật mã Nếu là tín hiệu tương tự thì sẽ được thực hiện giải mã nguồn qua bộ biến đổi số/tương tự DAC và đưa ra tín hiệu gốc ban đầu

Ví dụ một hệ thống thông tin sóng ngắn:

Hệ thống có thể hoạt động ở chế độ thoại hoặc truyền dữ liệu Trong ví

dụ này bao gồm:

+ Máy tính (Nguồn dữ liệu): Dữ liệu từ máy tính có thể là các bức điện

rõ hoặc các bức điện đã được mật mã hoá hoặc là các loại dữ liệu khác được

đưa tới bộ Modem

+ Modem: Là bộ điều chế/giải điều chế, thực hiện việc mã hoá kênh và

điều chế số thông tin được đưa sang từ máy tính thành các tín hiệu số (dưới dạng âm tần hoặc trung tần) Hoặc thực hiện giải điều chế số tín hiệu từ máy thu và giải mã kênh đưa về máy tính

+ Máy thu phát: ví dụ như máy Kenwood, sẽ thực hiện điều chế tín hiệu

số từ modem đưa tới thành tín hiệu cao tần và phát đi Hoặc giải điều chế tín hiệu cao tần RF từ anten thành tín hiệu số (dưới dạng âm tần hoặc trung tần) Các chế độ phát thường có trong các hệ thống thông tin sóng ngắn như: AM,

FM, SSB (USB, LSB) và FSK

Nguồn dữ liệu Modem Máy phát, thu

Hình 1.2 Ví dụ một hệ thống thông tin sóng ngắn

2 Các phương thức truyền sóng ngắn:

Sóng ngắn có thể lan truyền theo phương thức sóng điện ly là chủ yếu, ngoài ra còn có thể lan truyền theo phương thức sóng đất

2.1 Phương thức truyền sóng đất

- Là phương thức truyền sóng tầm nhìn thẳng từ anten phát đến anten thu

- Khi tần số tăng thì sự hấp thụ của mặt đất đối với sóng đất sẽ tăng lên Vì vậy đối với sóng ngắn HF nếu sử dụng các máy phát có công suất trung bình thì chỉ có thể truyền đi trong một cự ly giới hạn không vượt quá vài chục km

- Để có thể tính cường độ trường của sóng đất ta sử dụng công thức Sulâykin – Vander Pol:

F R

D P E

km

kw h

245

m h A I

h

) ( ).

(

) ( ).

(

- I0 là giá trị hiệu dụng của dòng điện (A);

- hhd là chiều cao hiệu dụng của anten (m);

- λ là bước sóng (m);

Khi tần số tăng thì sự hấp thụ sóng của mặt đất tăng lên và do đó hệ số suy giảm sóng tăng và cường độ trường tại điểm thu giảm mạnh khi ra xa Chính vì vậy phương thức truyền lan sóng mặt đất thực tế chỉ có hiệu quả đối với sóng dài và sóng trung, ít hiệu quả đối với sóng ngắn và sóng cực ngắn

2.2 Phương thức truyền sóng điện ly

Khi cự ly truyền lớn thì cần phải sử dụng phương thức truyền sóng điện ly Trong trường hợp này chỉ cần dùng máy phát có công suất trung bình cũng có

thể truyền đi được cự ly xa, tới hàng nghìn km Chính vì vậy mà thông tin sóng ngắn được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống thông tin cự ly lớn

So với sóng dài và sóng trung thì sử dụng sóng ngắn có ưu điểm hơn như:

- Có thể dùng anten với hướng tính cao, tiết kiệm được công suất máy phát

- Suy hao thấp hơn so với sóng trung do sự hấp thụ của tầng điện ly (lớp D nhỏ hơn

3 Cấu trúc tầng điện ly và ảnh hưởng của tầng điện ly đến thông tin sóng ngắn:

Tầng điện ly là vựng khớ quyển từ độ cao 50 km đến khoảng 500km so với mặt đất, cỏc phõn tử khớ bị Ion húa bởi cỏc phúng xạ từ mặt trời tạo ra cỏc phần tử khớ ion

Sự ion húa là quỏ trỡnh trong đú cỏc electron mang điện tớch õm bị tỏch khỏi (hoặc liờn kết) với cỏc nguyờn tử trung tớnh hoặc cỏc phõn tử

để tạo thành cỏc ion mang điện tớch dương (hoặc õm) và cỏc electron tự

do Chớnh vỡ gồm cỏc ion nờn vựng khớ quyển đú được gọi là tầng điện

ly, nhưng cỏc electron nhẹ hơn rất nhiều và đang chuyển động tự do mới

là yếu tố quan trọng đối với truyền súng vụ tuyến trong dải súng ngắn

Phõn chia cỏc lớp tầng điện ly:

Trong thời gian ngày, tầng điện ly cú thể chia thành 4 lớp chớnh gọi là lớp D, E, F1 và F2 Độ cao tương ứng của cỏc lớp đú là:

Lớp D: vựng từ 50 km đến 90 km;

Lớp F1: Vùng từ 140 km đến 210 km;

Lớp F2: Vùng từ 210 km đến 500 km

Vào ban ngày, đám mây điện tử (vùng E mật độ electron thấp) đôi khi xuất hiện trong lớp E, và ở những thời điểm nhất định trong năm vùng F1 có thể không phân biệt với lớp F2 mà kết hợp tạo thành một vùng lớp F Vào ban đêm các lớp D, E và F1 trở nên cực kỳ ít các electron tự do, do đó chỉ có lớp F2 là có tác dụng cho thông tin Tuy nhiên cũng có khi đám mây điện tử lại xuất hiện vào ban đêm

Chỉ các lớp E, F1, đám mây điện tử khi xuất hiện, và lớp F2 là phản xạ các sóng HF Tuy nhiên lớp D cũng rất quan trọng cần chú ý vì

nó không phản xạ các sóng vô tuyến HF nhưng nó hấp thụ hoặc làm suy giảm chúng

Lớp F2 là lớp quan trọng nhất đối với truyền sóng vô tuyến trong dải sóng ngắn HF vì nó có những đặc điểm sau:

- Luôn luôn tồn tại trong khí quyển, 24/24h trong ngày

- Xuất hiện ở độ cao rất cao cho phép đường truyền sóng đi được dài

- Thường phản xạ các tần số cao nhất trong dải tần số sóng ngắn

HF

Thời gian tồn tại của các electron ở trong lớp F2 là lớn nhất so với các electron ở các lớp khác, đó là một lý do tại sao nó vẫn tồn tại trong ban đêm Thời gian tồn tại trung bình của các electron trong các lớp E, F1 và F2 tương ứng là 20 giây, 1 phút và 20 phút

Bời vì lớp F1 không xuất hiện liên tục và thường hợp nhất với lớp F2, nên nó thường không được chú ý đến khi xem xét các chế độ truyền sóng có thể

Ban ngày Ban đờm

4 Tính toán tối ưu cho đường thông tin sóng ngắn

Để tính toán tối ưu một đường thông tin sóng ngắn, trước khi thiết lập một tuyến thông tin ta cần khảo sát trước các tích chất liên quan

Sử dụng các bản đồ dự báo hoặc sử dụng các phần mềm chuyên dụng

để xác định và tính toán các tham số cho tuyến thông tin

- Xác định vị trí dự định đặt máy phát và máy thu, xác định khoảng cách giữa

Trường hợp cần tính đường liên lạc dài hơn 4000 km, ta cần xác định 2

điểm phản xạ trên tầng điên ly cách mỗi đầu phát và thu một khoảng cách tương đối là 2000 km đối với lớp F2, 1500 km đối với lớp F1 và 1000 km đối với lớp E hoặc Es

- Xác định giới hạn của dải tần số hoạt động:

Để đảm bảo trong thông tin liên lạc sóng ngắn, tức là có thể thu được sóng ở một cự ly xa nhất định thì sóng truyền lan phải đảm bảo 2 điều kiện là:

+ Sóng phải phản xạ được trên tầng điện ly Tức là xác định tần số sử dụng cao nhất MUF

+ Cường độ trường ở điểm thu phải đủ lớn Điều kiện này xác định tần

số thấp nhất LUF

Do mật độ điện tử của tầng điện ly biến đổi theo thời gian ngày, đêm nên giới hạn dải tần số hoạt động cũng biến đổi theo

Vào ban ngày: thường chọn bước sóng từ 10m đến 35m (8.5MHz - 30 MHz) Vào ban đêm: thường chọn bước sóng từ 35m đến 100m (3MHz – 8.5 MHz)

Để đảm bảo tuyến thông tin hoạt động tốt nhất, nên sử dụng bản đồ dự báo hoặc phần mềm tính toán, dự báo các tham số cho tuyến liên lạc Đặc biệt

ta xác định được các tần số tối ưu cho từng tuyến ở từng thời điểm khác nhau với những góc ngẩng khác nhau của anten thu phát

- Xác định miền im lặng: Là vùng mà tại đó máy thu không thể thu được tín

hiệu (không thu được sóng truyền thẳng từ máy phát đến và cũng không thu

được sóng điện ly):

Hiện tượng phadinh là hiện tượng

thường gặp trong thông tin sóng ngắn do sự giao thoa giữa nhiều sóng tại

điểm thu nên làm cường độ trường thăng giáng Để chống hiện tượng phading

ta có thể sử dụng các phương pháp:

+ Tại phía thu sử dụng anten thu có hướng tính cao (đồ thi phương hướng thật hẹp) và định hướng chuẩn để chỉ thu được một tia sóng tới Tuy nhiên do tầng điện ly thay đổi theo thời gian nên đường đi của sóng sẽ thay

đổi và do đó góc tới cũng thay đổi Như vậy sẽ khó khăn cho ta để xác định và thay đổi hướng anten để thu được tín hiệu tốt nhất

+ Sử dụng phương pháp phân tập anten: Hiện tượng phading không phải xảy ra đồng thời ở tất cả các điểm dù chỉ trên một phạm vi nhỏ (vài trăm m) Nên ta có thể sử dụng nhiều anten thu đặt cách nhau để thu sẽ đảm bảo được chất lượng tín hiệu thu tốt hơn

- Tuỳ theo mục đích sử dụng mà nên chọn sử dụng anten và các thiết bị khác cho phù hợp và tối ưu Nếu là hệ thống phát quảng bá hoặc liên lạc với nhiều đài, trạm trong cùng thời điểm với cùng nội dung thì có thể sử dụng anten vô hướng, tuy nhiên công suất máy phát cần lớn hơn Nếu mục đích để liên lạc với một hoặc một vài đài thì nên sử dụng anten định hướng, có hướng tính cao và do đó công suất phát chỉ cần nhỏ cũng có thể phát đi khoảng cách

Miền im lặng

điện ly, khí quyển đối với các tần số khác nhau, vẽ lại các đường đi tối ưu của tín hiệu, tạo bản đồ tầng điện ly ở các khu vực từ đó ta có thể chọn được các tuyến truyền sóng ổn định

Ví dụ ta sử dụng phần mềm Prolab để tính toán xác địn tần số cao nhất

và tần số tối ưu cho một tuyến nhất định:

- Ta xác định rõ vị trí theo toạ độ của điểm phát và điểm thu dự kiến, khoảng cách giữa chúng

- Chạy chương trình Prolab, chạy tuỳ chọn tính tần số cao nhất

“Compute MUF” Rồi nhập các tham số vào Chú ý toạ độ tính (+) theo Vĩ độ Bắc và kinh độ Tây

Giả sử ta tính tần số hoạt động cao nhất và tần số tồi ưu cho tuyến thông tin liên lạc sóng ngắn từ Hà Nội (có toạ độ 21,50 N, 1050 E) đến Thành phố

Hồ Chí Minh (130N, 1050 E): Khoảng cách là khoảng 1200 km (các tham số này chỉ là tương đối làm ví dụ)

Lúc 18h00:

Tuyến đi: Trạm phát ở HN, trạm thu ở TP HCM:

- Tần số cao nhất: 9.4444 MHz, ở góc ngẩng anten là 24,3750

Tuyến đi: Trạm phát ở HN, trạm thu ở TP HCM:

- Tần số cao nhất: 17.4247 MHz, ở góc ngẩng anten là 24,0000

- Tần số tối ưu: 14.8110 MHz

Tuyến về: trạm phát ở Tp HCM, trạm thu ở HN:

- Tần số cao nhất: 19.2475 MHz, ở góc ngẩng anten là 22.5000

- Tần số tối ưu: 16.3604 MHz

5 Các loại thông tin sóng ngắn sử dụng trong thực tế

Trong thực tế do ưu điểm của sóng ngắn là có cự ly truyền được xa nên

nó được ứng dụng rất nhiều trong thông tin liên lạc Người ta sử dụng các hệ thống thông tin sóng ngắn để truyền các thông tin dưới dạng các tín hiệu thoại, phát thanh, truyền điện báo, truyền fax và dữ liệu Đặc biệt sóng ngắn

được ứng dụng nhiều trong các trường hợp như: Thông tin quảng bá, thông tin nghiệp dư, thông tin quân sự, thông tin hàng hải, thông tin hàng không

+ Thông tin quảng bá: Sử dụng trong phát thanh, thông thường các đài phát thanh sóng ngắn sử dụng ở chế độ điều chế biên độ AM hoặc điều chế

đơn biên SSB (LSB hoặc USB) Các đài phát thanh sóng ngắn với công suất trung bình có cự ly phát lên đến hàng nghìn km

+ Thông tin quân sự: Trong quân sự, các hệ thống thông tin sóng ngắn

được sử dụng rất nhiều trong các lực lượng như lục quân, không quân, hải quân, biên phòng, Đối với những tín hiệu thoại có thể sử dụng để chỉ huy trực tiếp không cần bí mật hoặc sử dụng để truyền các bản điện mật đã được mật mã hoá trước khi phát Các chế độ thường được sử dụng nhất là chế độ phát Moóc CW hoặc các loại tín hiệu số như Baudot, Sitor,

+ Trong thông tin hàng hải: Sóng ngắn được sử dụng để liên lạc giữa các trạm, đài duyên hải với các tàu bè ngoài khơi, hoặc thông tin giữa các đài duyên hải với nhau, thông tin về khí tượng thuỷ văn, thông tin về thời tiết và thông tin tìm kiếm cứu nạn trên biển,

+ Thông tin hàng không: Sử dụng để thông tin liên lạc giữa máy bay và trạm mặt đất, thông tin điều khiển bay, điều khiển máy bay khi cất cánh và hạ cánh

Các chế độ thường được sử dụng:

+ Thoại: Thông thường các hệ thống thông tin sóng ngắn khi sử dụng

để thông tin thoại người ta thường sử dụng chế độ phát là SSB vì so với các chế độ phát thoại khác như (AM, FM) thì ở chế độ SSB chỉ cần độ rộng băng

+ Các chế độ truyền dữ liệu dưới dạng tín hiệu số như:

- Điện báo ghi chữ RTTY: Truyền các bực điện dưới dạng các ký tự

được mã hoá chủ yếu ở dạng mã ITA2 – 5 bit (mã Baudot) hoặc mã ASCII 7 bít: Bao gồm các tín hiệu Baudot, Sitor,

- Các chế độ truyền gói dữ liệu: như hệ thống Amtor, Pactor, Gtor, PSK31, Packet, Stanag,

- Các chế độ truyền ARQ, FEC: Sitor-Fec, Fec-A, HNG-Fec, ARQ-E, ARQ-N,

Ngoài ra người ta cũng phân chia thành các nhóm chế độ như sau:

- Chế độ chuẩn: Có các loại hệ thống mã như: ASCII, Baudot, Morse, Packet, Pactor, Psk31, Sitor

CW Chế độ song công: bao gồm các loại mã như : ARQCW E, ARQCW N, ARQCW M2, Cis11, Cis14, Cis36-50, Cis50-50, Pol-ARQ, Dup-ARQ

ARQ Chế độ đơn công: ALIS, ARQ6ARQ 90/98, Gtor, Pactor, HC_ARQ, SiARQ ARQ, Si-Auto, Sitor-ARQ, Twinplex

Si Chế độ FEC: Các hệ thống sử dụng mã sửa lỗi trước như: Autospec, Dup-FEC, HNG-FEC, Spread, Si-FEC, Sitor-FEC

- Chế độ MFSK: Aum13, Cis36, Coquelet 8/13, MFSK8/16/20, MK6/12

Picolo Chế độ truyền FAX và truyền hình quét chậm: Weather Fax, SSTV, PressFax

- Các chế độ Mil-Stanag: Mil-188-110, Mil-188-141, Stanag4285, Stanag 4529

6 Bảo mật dữ liệu trong thông tin sóng ngắn

Thông tin sóng ngắn được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin quốc tế, các hệ thống thông tin tầm xa, có cự ly lớn, trong những điều kiện mà các hệ thống khác không đáp ứng được hoặc không hợp lý, tối ưu để sử dụng Đặc biệt là trong quân sự, thông tin sóng ngắn đóng vai trò rất quan trọng trong thông tin liên lạc chỉ huy, không chỉ

do khả năng cự ly truyền xa mà còn do hệ thống đơn giản và dễ dàng trong triển khai và sử dụng, truyền và nhận đảm bảo yêu cầu chất lượng, trong đó

đặc biệt là các tuyến liên lạc bằng tín hiệu moóc và một số mã đơn giản như Baudot, Sitor,

Đối với những thông tin có nội dung quan trọng thì người ta sẽ mã hoá thông tin trước khi đưa vào hệ thống truyền đi Nôi dung các bức điện được mật mã hoá (mã cơ yếu) dưới nhiều dạng mật mã khác nhau Trong thực tế khi thu chặn tín hiệu và giải điều chế, giải mã kỹ thuật ra, thu được các bức điện

được mật mã dưới các dạng là tập hợp các nhóm gồm 4 số, các nhóm 4 chữ, nhóm 5 chữ, nhóm 3 số; Do đó để lấy được nội dung thông tin thì không chỉ

ta phải thu được tín hiệu truyền đi rồi giải điều chế và giải mã kỹ thuật mà ta còn cần phải nghiên cứu để giải mật mã các bản điện mã thành các bản điện

rõ Đây là một trong những công đoạn khó khăn nhất

Kết luận: Trên đây đã trình bày tổng quan những khái niệm chung về

thông tin sóng ngắn, và những khái niệm liên quan đến các hệ thống thông tin sóng ngắn Để phục vụ cho việc nghiên cứu phân tích và giải điều chế các tín hiệu vô tuyến thu chặn được thì cần thiết phải nắm được nguyên lý và bản chất của các phương pháp điều chế đó, đồng thời xác định các tham số đặc trưng, những đặc điểm riêng của từng loại điều chế được sử dụng, chương 2 sẽ trình bày lý thuyết và các đặc trưng của các loại điều chế thường được sử dụng trong thông tin sóng ngắn trong thực tế và chủ yếu đề cập đến một số phương

CHƯƠNG II Các phương pháp điều chế tín hiệu thường

được sử dụng trong thông tin sóng ngắn

Giới thiệu:

Chương II trình bày lý thuyết về các phương pháp điều chế tương tự và phương pháp điều chế số thường được sử dụng trong thông tin sóng ngắn, chủ yếu tập trung một số phương pháp điều chế số Đây là những phương pháp

điều chế được ứng dụng rất phổ biến trong các tuyến thông tin sóng ngắn trong thực tế Để có thể dễ dàng phân tích, nhận dạng và tiến hành đo lường các tham số của tín hiệu vô tuyến thì việc nắm bắt và hiểu được lý thuyết về các phương pháp điều chế của tín hiệu và những đặc trưng là rất quan trọng

Thông tin truyền đi: m(t) = M.Sin (wm.t)

Tín hiệu sau khi điều chế có dạng:

y(t) = {C + M.Sin (wm.t)} Sin(wc.t) Hay:

t w w Cos

M t w w Cos

M t w Sin C

t

2 ).

( 2 ) ( )

Như vậy tín hiệu sau điều chế AM sẽ bao gồm 3 thành phần: thành phần sóng mang tần số wc không mang thông tin và 2 biên mang thông tin có tần số là (wc – wm) và (wc + wm) Phổ của tín hiệu trước và sau điều chế như hình 2.1 sau:

Hình 2.1a Tín hiệu điều chế AM trong miền thời gian

Thực tế tín hiệu điều chế có phổ rộng B, sau khi điều chế AM phổ tín hiệu là 2B:

Xét về mặt sử dụng công suất thì điều chế 2 biên AM là không hiệu quả

và phần lớn công suất phát tín hiệu bị lãng phí Vì ít nhất là 2/3 công suất tín hiệu tập trung ở thành phần sóng mang (không mang thông tin), phần công suất còn lại chia đều cho 2 biên Do vậy trong nhiều hệ thống người ta có thể lọc bỏ thành phần sóng mang và chỉ phát đi 2 biên Hơn nữa, mỗi biên đều mang đầy đủ thông tin mà ta cần truyền do vậy để tăng hiệu quả sử dụng hệ

Biên độ

w

wmTín hiệu điều chế wm

Hình 2.2 Phổ tần số tín hiệu AM

đơn biên được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin nghiệp dư do tính hiệu quả của nó cả về công suất và băng thông

Theo hiệp hội viễn thông quốc tế, có các loại điều chế biên độ như: A3E: Điều chế 2 biên có sóng mang

R3E: Điều chế đơn biên suy giảm sóng mang

H3E: Điều chế đơn biên có sóng mang

J3E: Điều chế đơn biên không sóng mang

B8E: Điều chế 2 biên độc lập

h= max ưNếu h = 0.5 tức là biên độ sóng mang biến đổi 50% so với mức biên độ của nó khi chưa điều chế Nếu h = 1, tức là biên độ sóng mang biến đổi 100%

so với biên độ khi chưa điều chế

2 Điều chế đơn biên SSB

- Do mỗi biên đều mang đầy đủ thông tin cần truyền đi nên người ta chỉ cần sử dụng một biên dưới (LSB) hoặc sử dụng biên trên (USB) để phát đi mà không có tín hiệu sóng mang

- SSB là chế độ thường được sử dụng nhiều nhất, phổ biến nhất trong các dải sóng vô tuyến nghiệp dư HF

- Phương pháp SSB có ưu điểm là chỉ yêu cầu độ rộng băng thông liên lạc nhỏ nên rất hiệu quả trong việc sử dụng băng thông Hơn nữa do chỉ phải phát đi một biên nên tiết kiệm được công suất máy phát, cự ly thông tin ở chế

độ SSB là rất lớn cho dù công suất phát nhỏ

- Thông thường người ta hay sử dụng chế độ USB khi tần số hoạt động lớn hơn 10 MHz và sử dụng chế độ LSB khi tần số liên lạc thấp hơn 10 MHz

3 Điều chế tần số FM

- Điều tần FM là phương pháp điều chế sử dụng thông tin cần truyền làm thay đổi tần số sóng mang:

Tín hiệu m(t)

Sóng mang: c(t) = C.Cos(wc.t) = C.Cos(2πfc.t)

Sau khi điều chế: S t C Cos π f τ dτ C Cos π f f mτ dτ

t c

t

} ) ( {

2 ( ) ) ( 2 ( ) (

0

=

Tần số của tín hiệu sau điều chế: f(t)=fc + f∆.m(t)

Trong đó f(t) là tần số tức thời của tín hiệu sau điều chế, fc là tần số sóng mang và f∆ là độ lệch tần số, là độ dịch tần số tối đa so với tần số fc Mặc

dù tần số tín hiệu điều tần FM bị giới hạn tần số trong phạm vi fc ± f∆, nhưng thực tế phổ tần số của một tín hiệu FM có các thành phần trải rộng ra tần số không xác định, mặc dù nó chỉ là các điểm rất bé Tuy nhiên đến 98% công suất của tín hiệu FM nằm trong độ rộng băng tần là 2(f∆ + fm) Trong đó fm là thành phần tần số cao nhất của tín hiệu điều chế m(t)

Chỉ số điều chế: là chỉ số thể hiện mức độ thay đổi tần số sóng mang sau điều chế so với tần số sóng mang trước khi điều chế:

m

t m f f

Điều chế FM được sử dụng chủ yếu trong dải V/UHF cho các đài phát thanh quảng bá với độ trung thực cao và trong truyền hình tương tự (kênh tiếng) Dưới dạng FM băng hẹp (N-FM) được sử dụng trong các hệ thống thông tin thoại nghiệp dư và thương mại Đối với các hệ thống thông tin thoại nghiệp dư sử dụng chế độ FM thường hoạt động ở dải tần số 29MHz (HF) và dải 6m (50-54MHz) đối với VHF

Do FM đòi hỏi độ rộng băng tần lớn nên nó ít được sử dụng trong thông tin sóng ngắn hơn so với các chế độ AM, SSB do hiệu quả sử dụng băng tần Tuy nhiên người ta vẫn sử dụng chế độ FM trong một số trường hợp vì chất lượng tiếng của tín hiệu FM là tốt nhất so với các chế độ khác

Hình 2.4 Phổ tần số tín hiệu FM

II Điều chế số

1 Điều chế và giải điều chế biên độ ASK (Amplitude Shift Keying)

1.1 Điều chế ASK

Khoá dịch biên ASK là phương pháp điều chế số mà biên độ của tín hiệu

sóng mang bị thay đổi theo tín hiệu số điều chế làm cho tín hiệu sóng mang

thành tín hiệu có hai hay nhiều mức biên độ rời rạc Số mức này phụ thuộc

vào bản tin số liệu

Xét 1 tín hiệu điều chế ASK nhị phân:

S(t) = A.m(t).Cos2πfct với 0 ≤ t ≤ T;

Trong đó A là hằng số; m(t) là tín hiệu số (dãy bit vào để điều chế tín

hiệu) lấy giá trị 0 hoặc 1; fc là tần số sóng mang; T là độ dài bit

Đối với dãy bản tin nhị phân có hai mức, một trong hai mức thường là

mức 0 Do vậy dạng sóng đã điều chế bao gồm các cụm hình sin Biên độ của

sóng mang được chuyển hoặc khoá theo tín hiệu số đầu vào m(t) Do đó đôi

khi còn gọi là khoá bật-tắt (On-Off Keying)

Biến đổi Furiê của tín hiệu ASK S(t) là:

∞

ư

ư dt+A m t e e dt e

e t m

A j2πc t j2πft j2πc t j2πft

) ( 2 )

( 2

2 ) (

A f f M

⊗

A.Cos2πfct

Kết qủa của việc nhân bản tin m(t) với tín hiệu sóng mang A.Cos2πfct là dịch chuyển phổ của chính tín hiệu điều chế m(t) đến tần số fc Hình 2.7 sau

đây thể hiện sự dịch phổ đó Nếu phổ của tín hiệu số m(t) là B (=1/2T) thì độ rộng phổ tín hiệu sau điều chế sẽ là 2B

Một nhược điểm của tín hiệu ASK (so với FSK và PSK) là nó không có

đường biên tín hiệu liên tục làm cho việc xử lý trở nên phức tạp vì tính tuyến tính là yếu tố quan trọng Tuy nhiên nó lại làm dễ dàng cho việc giải điều chế bằng bộ tách sóng đường biên

Bộ tạo sóng

mang hình Sin

Tín hiệu ASK (giới hạn băng tần)

Hình 2.6: Bộ tạo tín hiệu ASK

Chuỗi bit nhị phân (bản tin)Hình 2.5: Bản tin (dãy bit 0, 1) và tín hiệu ASK; biểu đồ chòm sao

Dãy bit nhị phân

Tín hiệu

sau điều

chế ASK

1.2 Giải điều chế ASK

Vì tín hiệu ASK có đường biên rõ nét, do đó dễ dàng thực hiện giải điều chế bằng phương pháp tách sóng đường biên Do tín hiệu bị hạn chế băng thông nên không có phương pháp giải điều chế nào (tách sóng đường biên hay giải điều chế liên kết) có thể tái tạo lại chuỗi nhị phân gốc ban đầu mà đầu ra

là tín hiệu cũng bị giới hạn băng tần Do vậy cần có thêm mạch quyết định Như vậy giải điều chế bao gồm hai giai đoạn:

- Khôi phục lại luồng bit bị giới hạn băng thông

- Tái tạo lại luồng bit nhị phân ban đầu

Hình 2.7: a) bản tin; b) phổ tín hiệu số m(t); c) tín hiệu sau điều chế ASK

Đường biên

Đường biên

Để thực hiện giải điều chế liên kết, tín hiệu đầu vào ở phía thu sẽ được nhân với tín hiệu sóng mang Cos2πfct, sau đó đưa qua bộ lọc sẽ thu được tín hiệu số ban đầu m(t):

S’(t) = S(t).Cos2πfct = A.m(t).Cos2πfct.Cos2πfct = 0,5A.m(t).(Cos4πfct + 1) = 0,5.A.m(t) + 0,5.A.m(t).Cos2π2fct

Như vậy sau khi cho qua bộ lọc thông thấp, thành phần tín hiệu ở tần số 2fc sẽ bị lọc và đầu ra bộ lọc chỉ còn thành phần tín hiệu số 0,5A.m(t)

Sau khi qua bộ lọc tín hiệu đưa vào bộ so sánh để lấy ra tín hiệu ban

đầu m(t), sau đó sử dụng bộ chuyển đổi Tương tự – số để chuyển tín hiệu m(t) thành chuỗi bit ban đầu

2 Điều chế và giải điều chế pha PSK (Phase Shift Keying – Khoá dịch tần) 2.1 Điều chế BPSK (Binary PSK)

Điều chế pha đối với tín hiệu số PSK (Phase Shift Keying - Khoá dịch pha) là phương pháp điều chế sử dụng tín hiệu số m(t) (tín hiệu mang thông

Hình 2.8: Tái tạo lại luông bit

Bộ so sánh

Bộ chuyển

đổi A/D

Dãy bít nhị phân

Hình 2.9: Giải điều chế liên kết

tin) làm biến đổi pha của tín hiệu sóng mang Nh− vậy pha của tín hiệu sóng mang sau khi điều chế sẽ thay đổi theo giá trị bít thông tin đ−a vào

)}

( 2

S = b ∗ π c + θ với θ(t) = (i-1)π; 0 ≤ t ≤ Tb ; i =1, 2

Hay :

) ( 2

2 )

(

T

E t

2 ) 2

(

2 )

(

T

E t

f Cos T

E t

b

b c

)

Φ là hàm đơn vị năng l−ợng cơ sở

(pha biến đổi) S1 0

t f Cos T

E

c b

b 2 π

2 ∗

S2 1

) 2

Ví dụ: Tín hiệu BPSK với đầu vào là dãy bit nhị phân 0111 0101 0010 1011:

2.2 Điều chế PSK 4 trạng thái (4-PSK hay QPSK):

Ta thấy rằng đối với tín hiệu QPSK thì có hai mức dịch pha ở góc 900 hoặc

1800 Trong khi đó đối với BPSK thì chỉ có duy nhất một mức dịch pha là

Hình 2.11: Biểu đồ chòm sao của tín hiệu BPSK, QPSK và 8-PSK

Chuyển pha 180 0

NÕu pha ban ®Çu lµ 450, ta viÕt ®−îc ph−¬ng tr×nh:

} 4

2 2

.

2 )

M

i t f Cos T

E t

4

2 2

M

i Sin t f Sin M

i Cos t f Cos T

E

c c

4

5 ( );

4

3 ( );

4 ( 2

orCos orCos

orCos Cos

t f Cos T

4

5 ( );

4

3 ( );

4 ( 2

orSin orSin

orSin Sin

t f Sin T

E

Ta viÕt l¹i ph−¬ng tr×nh ®iÒu chÕ d−íi d¹ng cÇu ph−¬ng (vu«ng pha):

t f Sin t Sin T

E t f Cos t

Cos T

E t

c

s ( θ ( )) 2 π 2 ( θ ( )) 2 π

2 )

S1 00

} 4 2

.

t f Cos T

3 2

.

t f Cos T

5 2

.

t f Cos T

7 2

.

t f Cos T

Ví dụ ta thực hiện điều chế QPSK để truyền một chuỗi ký hiệu mức từ 0 đến 3

được biểu diễn như hình 2.11 sau:

ở băng cơ sở (fc = 0) Tín hiệu được chuyển thành các kênh I và Q vuông pha như trên:

Các tín hiệu này trước khi truyền đi được điều chế đến tần số sóng mang fc tương ứng như sau:

Có 2 phương pháp để thực hiện điều chế QPSK:

Xử lý tín hiệu băng

A(t)

Tín hiệu sau

điều chế

)} ( 2

) ( )

Đây là phương pháp điều chế phân cực Tuy nhiên phương pháp này cần thực hiện phép nhân và phép lấy hàm căn bậc hai Chính vì thế thiết bị thực hiện sẽ phức tạp Thông thường người ta hay thực hiện theo phương pháp điều chế cầu phương sử dụng 2 kênh vuông pha nhau I và Q Phương pháp này dễ thực hiện đối với phần cứng và thường được sử dụng trong thông tin số

Trong thực tế thực hiện điều chế tín hiệu QPSK hay QPSK dịch (OQPSK) như sau:

Hình 2.18 Thực hiện điều chế QPSK sử dụng 2 kênh vuông pha I và Q

Hình 2.19 Sơ đồ khối bộ điều chế QPSK thực tế

Dòng bít thông tin tốc độ là Rb đưa qua bộ chuyển đổi nối tiếp - song song tách thành 2 đường (tốc độ R = Rb/2) theo 2 kênh I và Q, cặp bit này sẽ xác định biên độ kênh I và Q thông qua so sánh với bảng chuẩn Sau đó được

đưa qua bộ định dạng xung cosin căn (RRC) trước khi được điều chế với sóng mang hàm sin và cosin ở tần số fc Hai tín hiệu I và Q sau khi điều chế được cộng lại trước khi truyền

Hình 2.20 Sơ đồ khối bộ điều chế OQPSK

OQPSK: mức dịch pha 900

QPSK: mức dịch pha 1800 Hình 2.21 Sự khác nhau giữa QPSK và OQPSK