Kỹ thuật trải phổ

Trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS) Quá trình đạt được bằng cách nhân nguồn tín hiệu vào với tín hiệu mã giả ngẫu nhiên một cách trực tiếp tín hiệu trải phổ đưa ra có độ rộng phổ xấp xỉ tốc độ của mã giả ngẫu nhiên Trải phổ nhảy tần Quá trính trải phổ đạt được bằng cách nhảy tần số sóng mang trên một tập lớn các tần số.Sự nhảy tần của tần số sóng mang được quyết định của các mã nhảy tần có dạng giả ngẫu nhiên được điều khiển bởi các từ mã trải phổ PN.

Kĩ Thuật Trải Phổ

Phạm Minh Tâm ĐT3_K48

Tổng quan

Kĩ thuật trải phổ là 1 công nghệ được sử dụng nhiều trong quân sự vì nó có đặc tính chống nhiều và bảo mật rất cao Ngày nay nó là thành phần tất yếu trong các hệ thống thông tin vô tuyến lớn : CDMA sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp( DSSS) , GPS là hệ thống trải phổ lớn nhất thế giới , các Wlan như WIFI hay Bluetooth

Các ưu việt của CN trải phổ

• Tính bảo mật cao

• Chống nhiễu tốt

• Giảm Fading đa đường

Phân Loại

• Trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS)

Quá trình đạt được bằng cách nhân nguồn tín hiệu vào với tín hiệu mã giả ngẫu nhiên một cách trực tiếp tín hiệu trải phổ đưa ra có độ rộng phổ xấp xỉ tốc độ của mã giả ngẫu nhiên

• Trải phổ nhảy tần

Quá trính trải phổ đạt được bằng cách nhảy tần số sóng mang trên một tập lớn các tần số.Sự nhảy tần của tần số sóng mang được quyết định của các mã nhảy tần có

dạng giả ngẫu nhiên được điều khiển bởi các từ mã trải phổ PN.

Kĩ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp

Sử dụng mã trải phổ băng rộng để điều chế tín hiệu sóng mang chứa thông tin.Trong phương pháp này mã trải phố trực tiếp tham gia vào quá trình điều chế , còn trong các dạng trải phổ khác mã trải phổ chỉ dùng để điều khiển tần

số hay thời gian truyền dẫn sóng mang

DSSS sử dụng điều chế BPSK

Mã trải phổ là tín hiệu NRZ (non return to zero) chỉ có giá trị ± 1 điều chế trực tiếp tín hiệu sóng mang đã được điều chế BPSK

θd (t)] : góc pha của sóng mang được điều chế bởi dữ liệu

θC(t) : góc pha của ST(t) fụ thuộcvào c(t)

Ở bên nhận

Lọc thông Dải Giải điều chế BPSK

• Việc giải điều chế tín hiệu thu được tiến hành theo 2

bước

Bước 1 : Thực hiện quá trình nén phổ

Bước này được thực hiện bằng cách nhân R(t) với

C(t - d)

R*(t) = c(t-Td) c(t- d) Cos[ω0(t-Td) + θd(t-Td) + ϕ] Nếu đồng bộ tốt thì Td = d và c(t- Td)c(t - d) = 1

Khi đó tín hiệu đi ra bộ lọc thông dải chỉ còn mang tín hiệu dliệu

• B ướ c 2 : Gi i i u ch pha ả đ ề ế

• Tín hiệu sau bộ lọc thông dải R*(t) được đi qua bộ giải điều

chế BPSK để thu lại d liệu d(t).ữ

Sau đây ta sẽ xem xét phổ công suất sóng mang trong điều chế DS/BSK

DSSS sử dụng điều chế QPSK

• Điều chế pha 4 mức (QPSK) sử dụng nguyên lý tổ hợp 2 bit thành một ký hiệu điều chế và được mô tả cùng một trạng thái pha sóng mang Do vậy cùng độ rộng b ng truyền dẫn, sử ă

dụng phương pháp điều chế pha QPSK sẽ có tốc độ bit truyền dẫn đạt gấp đôi nếu dùng phương pháp BPSK 4 tổ hợp của 2 bit nhị phân sẽ tương ứng với 4 trạng thái của sóng mang như sau:

Đầu ra của bộ điều chế pha là tín hiệu điều chế

10 11

P

súng mang trờn 2 kờnh này được điều chế với 2 mó trải phổ

C1(t) và C2(t) tương tự như quá trinh điều chế trải phổ BPSK

P

P

• Tín hiệu trải phổ trên 2 kênh I và Q

Tín hiệu đầu vào của bộ giải điều chế

ST(t-Td) = C1(t-Td) Cos[ω0t + θd(t)] + C2(t-Td) Sin[ω0t + θd(t) ]

Sau bộ chia công suất thi tín hiệu trên 2 nhánh X(t) và Y(t) chỉ còn 1 nửa công suất nhưng tần số không đổi , nếu bỏ qua

lệch pha ngãu nhiên thì

T

2/

P

Nếu đạt được đồng bộ tốt thì X(t) sẽ có dạng:

X(t) = { Cos[2ω0t+ωIFt+θd(t)] + Cos[-ωIFt +θd(t)] }

bộ lọc thông dải điều chỉnh để cộng hưởng tại tần số trung tâm ωIFt có độ rộng đủ lớn để sóng màn đi qua mà không bị biến dạng, tín hiệu X(t) tại lân cận tần số trung tâm

ωIFt :

X*(t) = Cos[- ω IFt + θ d(t)]

Tương tự cho Y(t) kết quả có dạng

Y*(t) = Cos[- ω IFt + θ d(t)]

2 /

P

2/

P

2/

P

Tín sau bộ lọc thông dải là :

Z*(t) = X*(t) + Y*(t) = Cos[- ω IFt + θ d(t)]

Như vậy ta thấy sóng mang được điều chế bởi dữ liệu đã được phục hồi , bây giờ cho qua bộ giải điều chế QPSK ta sẽ thu được dữ liệu d(t)

P

Thông số quan trọng của quá trình trải phổ là độ tăng ích của hệ thống được định nghĩa là tỷ số độ rộng băng tần trải phổ và tốc độ dữ liệu vào :

Kĩ thuật trải phổ nhảy tần

o Được phát minh bởi nữ diễn viên Hollywood Hedy Lamarr

o Là kĩ thuật điều chế trong đó tần số sóng mang nhảy trên

các dải tần khác nhau

o 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)

o Wlan sử dụng băng tần 2.4 Ghz đến 2,4835 Ghz cũng chia

thành 79 kênh mỗi kênh 1Mhz

Các ưu nhược điểm

Phân Loại

Phân loại dựa trên tương quan giữa tốc độ nhảy tần RH và tốc độ điều chế RS

• NÕu RH lµ béi cña RS thì ta có nhảy tần nhanh

• NÕu RS lµ béi cña RH thì ta có nhảy tần chậm

Phân loại theo kiểu điều chế và giải điều chế ta có 2 loại :

• Hệ thống nhảy tần kết hợp (Coherent FH/SS)

• Hệ thống nhảy không tần kết hợp (Non Coherent FH/SS)

Sau đây là hình ảnh minh họa cho 2 loại nhảy tần nhanh và chậm

Mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần

Điều chế nhảy tần

Tạo mã PN

Bộ điều chế

MFSK

Giải điều chế Nhảy tần

Giải điều chế MFSK

Hoạt động

• 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

Sơ đồ khối phía thu

Cos ω0t

P

2

Tớn hiệu hT(t) tại đầu ra của bộ chọn lọc tần số cú dạng

• hT(t) = 2p(t - nTC ) Cos(ωnt + ϕn)

• p(t): là hàm xung đơn vị trong độ rộng xung nhảy tần Tc( thời

gian tồn tại tone)

∀ ωn: tần số góc của tone nhẩy thứ n với -∞ < n < +∞

∀ ϕn : góc pha của tone nhẩy thứ n (được xác định lại ở phía thu để thực hiện giải điều chế nhất quán- kết hợp

∑+∞

−∞

=

n

Từ sơ đồ ta thấy sóng nhảy tần phát ra chính là tích của hR(t) và hàm Sd(t)

Tại phía thu tín hiệu nhận được sẽ có dạng :

ST(t-Td) = Σp(t-Td -nTC) Cos[(ω0+ωn)t - ϕn+θ(ω0+ωn)Td]

Trong trường hợp lý tưởng sóng mang ở phía thu đồng bộ với sóng mang ở phía phát tức là d=Td

Sau khi qua bộ lọc thông dải để loại bỏ các thành phần tần

số không cần thiết thì ta có được tín hiệu tới bộ giải điều chế MFSK :

S*d(t) = ST(t-Td) hR(t)

= p(t - Td - nTC ) Cos[ω0t - ω0Td+θd(t-Td)] = Cos[ω0t - ω0Td+θd(t-Td)]

Như vậy Sd*(t) là sóng mang bị điều chế bởi dữ liệu, sau khi đi qua bộ giải điều chế thông thường , ta nhận được

• 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

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 Đặc biệt đối 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

Vấn đề đồng bộ trong trải phổ

Đồng bộ chia làm 2 giai đoạn

• Bắt mã( Acquíition)

Ở bước 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 bước 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

Đặc điểm của hầu hết chiến lược 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 Sau đó 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

Bước bắt mã

Tín hiệu thu

Bộ tạo tín hiệu

PN tham chiếu

BPF Tách năng

lượng

Thiết bị quyết định

Điều khiển Logic Pha dò

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 Ngược lại 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

Xin cảm ơn thầy giáo và các bạn