kỹ thuật trải phổ.DOC

kỹ thuật trải phổ

Dựa trên 2 biện pháp này ngời ta đa ra 3 hệ thống trải phổ cơ bản là : trảiphổ trực tiếp, trải phổ nhảy tần và trải phổ nhảy thời gian.

Khi tăng thời gian tức là ta thực hiện trải phổ theo kiểu nhảy thời gian( Time hopping ) Với kỹ thuật nhảy thời gian, một bản tin có tốc độ dòng số R

đợc phân phối khoảng thời gian truyền dẫn dài hơn khoảng thời gian cần thiết

để truyền đi dòng tin này bằng phơng pháp điều chế và giải điều chế thông ờng Trong khoảng thời gian này dòng số đợc gửi đi theo từng loạt phù hợp với

th-sự điều khiển của mã Vì vậy ta có thể nói rằng: bằng cách nhảy thời gian, tínhiệu đợc trải ra trong không gian thời gian và trong trờng hợp này phía gâynhiễu cũng không thể biết chính xác tập con tín hiệu nào hiện tại hệ thốngthông tin đang sử dụng

Khi tăng băng tần W, ta có nhiều cách để thực hiện song chúng ta chỉ quantâm tới 2 kỹ thuật cơ bản là:

- Trải phổ dãy trực tiếp ( DS/SS): Quá trình trải phổ đạt đợc bằng cách nhânnguồn tín hiệu vào với nguồn tín hiệu mã giả ngẫu nhiên ( một cách trực tiếp ).Tín hiệu trải phổ đa ra có độ rộng phổ xấp xỉ tốc độ của mã giả ngẫu nhiên

- Trải phổ nhảy tần: Quá trình trải phổ đạt đợc bằng cách nhảy tần số sóngmang ( sóng mang đã mang tín hiệu tin tức ) trên một tập lớn các tần số Sựnhảy tần của tần số sóng mang quyết định bởi các mẫu nhảy tần có dạng giảngẫu nhiên bắt nguồn từ sự điều khiển của các từ mã trải phổ PN Do vậy tínhiệu trải phổ nhảy tần đa ra cũng chiếm độ rộng phổ lớn gấp nhiều lần độ rộngphổ của tín hiệu vào ( chứa trong sóng mang đã điều chế )

Bên cạnh các hệ thống trải phổ nói trên còn tồn tại một số loại kỹ thuật trảiphổ khác chủ yếu là sự kết hợp của 2 kỹ thuật trải phổ trực tiếp và nhảy tần ví

dụ DS/FH, FH/TH Trong chơng này ta sẽ xét tập trung vào 2 kỹ thuật DS vàFH.

2.2 Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp

Phơng pháp trải phổ tín hiệu , sử dụng mã trải phổ băng rộng điều chế tínhiệu sóng mang đã đợc điều chế bởi dữ liệu đợc gọi là kỹ thuật trải phổ trựctiếp ( Direct Sequence Spread Spectrum DS/SS )

Trong phơng pháp này mã trải phổ trực tiếp tham gia quá trình điều chế còntrong các phơng pháp khác mã trải phổ không trực tiếp tham gia quá trình điềuchế mà chỉ sử dụng để điều khiển tần số hay thời gian truyền dẫn tín hiệu sóngmang đã đợc điều chế bởi dữ liệu

Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ trực tiếp là có dạng khá đơn giản không yêucầu tính ổn định nhanh hay tốc độ tổng hợp tần số cao Song nó có nhợc điểm

là băng trải phổ chỉ đến vài trăm Mhz, năng lợng phổ chỉ chiếm đến 90% trongdải chính của toàn bộ dải phổ và 99% nếu thêm 2 dải phụ thứ nhất

C

f

f Sin

) (

) (

2.2.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng phơng pháp điều chế BPSK

Một trong những biện pháp đơn giản nhất của trải phổ trực tiếp là sử dụngphơng pháp điều chế BPSK ( điều chế dịch pha nhị phân ) Mã trải phổ đợc sửdụng là dãy xung NRZ chỉ nhận các giá trị  1 điều chế trực tiếp tín hiệu sóngmang đã đợc điều chế BPSK

Hình 2.2: Sơ đồ khối điều chế trải phổ trực tiếp BPSK ( phía phát )

Giả sử tín hiệu sóng mang có dạng nh sau:

S(t) = A Cos 0tTrong đó A là biên độ của sóng mang

Sau khi điều chế số dịch pha (PSK), tín hiệu dữ liệu sẽ đợc thể hiện thông quapha của sóng mang

Sóng mang bây giờ có dạng: Sd(t) = 2PCos [
0t + d (t)] ; 0  t  TS

với d(t) là pha của sóng mang bị điều chế bởi dữ liệu

TS : là thời gian tồn tại của 1 ký hiệu điều chế

Tiến hành trải phổ dãy trực tiếp sử dụng kỹ thuật BPSK bằng mã trải phổC(t) có dạng xung NRZ Đó là dãy mã nhận các giá trị  1 và có tốc độ chiplớn gấp nhiều lần tốc độ của dữ liệu

Tín hiệu sóng mang sau quá trình trải phổ đợc phát đi có dạng

S T(t) = 2P Cos [
0t + d (t) + C (t)]

C(t) : góc pha của ST(t) phụ thuộc vào c(t)

Nếu nh cả c(t) và d(t) đều chỉ nhận các giá trị  1 thì ST(t) có thể đợc viết lại

đơn giản nh sau:

ST (t) = 2P d(t) c(t) Cos0t

Từ phơng trình trên cho phép xây dựng mô hình hệ thống DS / BPSK phíaphát một cách đơn giản hơn trong đó việc điều chế trải phổ đợc thực hiện đơngiản bằng bộ cộng modul 2 giữa d(t) và c(t)

Bộ giải điều chế ở phía thu đợc thực hiện bằng sự tơng quan giữa tín hiệuthu đợc R(t) và bản sao của mã trải phổ phía phát đợc tạo ra ở máy thu

Hình 2.3: Sơ đồ khối giải điều chế trải phổ trực tiếp BPSK ( phía thu )

Trong đó Td : Trễ truyền dẫn thực sự giữa máy phát và máy thu

s

T

t 

 0

s

T

t 

 0

Lọc thông giải Giải điều chế BPSK

    t c t Cos t d

P t

ST( )  2 0

C(t)



T d : Đánh giá của máy thu đối với thời gian trễ Tín hiệu truyền tới máy thu là

Với  là góc pha ngẫu nhiên  = [
0 , 2]

ở đây để đơn giản ta bỏ qua một vài loại nhiễu hoặc tạp âm Gaussian

Quá trình giải điều chế tín hiệu R(t) đợc thực hiện qua 2 bớc

- Bớc 1: Thực hiện quá trình nén phổ Quá trình này đợc thực hiện bằng việcnhân tín hiệu R(t) với mã giải trải phổ đợc tạo ra ở máy thu là c(t- 

T d) Sau bớcnày tín hiệu ra bộ cộng modul 2:

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

a Phổ tín hiệu trớc khi trải phổ

01/T

b

+f 0

f

b Phổ tín hiệu sau khi trải phổ

Hình 2.4: Phổ công suất DS/BPSK

Với P là công suất tín hiệu

Mật độ phổ công suất sóng biên của sóng mang điều chế dịch pha đợc tính nhsau:

Tb : thời gian bit dữ liệu

Mật độ phổ của sóng mang đã trải phổ cũng đợc tính tơng tự

ở đây Tc là thời gian chip mã trải phổ

Từ biểu thức tính mật độ phổ và đồ thị biểu diễn phổ công suất của tín hiệutrải phổ ta có nhận xét là: Phổ công suất của tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp gồmhai biên đối xứng, biên độ của hai biên bằng nhau và bằng PTC/2 bề rộng phổmỗi bên bằng 2/TC

Nh vậy tín hiệu sau trải phổ có độ rộng phổ tăng lên Tb/Tc lần và biên độphổ giảm đi Tb/Tc lần Mã trải phổ có tốc độ chip lớn hơn nhiều tốc độ dữ liệunên Tc  Tb vì vậy sau trải phổ tín hiệu có mật độ phổ giảm đi nhiều

Quá trình trải phổ DS/BPSK đợc minh hoạ trong hình 2.5 sau:

  c   c   c

0 2

-f

0 0





01

0



10

0





01

0



101

0

1

01

0



10

0





10

0





01

0



10

0





01

0



11



0

11



0

11



0

00

000

00

000

11



0

11



00

000

000

00

000

00

000

00

000

11



0

d (t): D÷ liÖu sau gi¶i ®iÒu chÕ BPSK

d(t)+c(t): Pha cña sãng mang ph¸t

Tb càng lớn hơn Tc thì tức là độ tăng ích đợc xử lý càng tốt và chất lợng hệthống trải phổ càng tốt.

2.2.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng phơng pháp điều chế QPSK

Điều chế pha 4 mức (QPSK) sử dụng nguyên lý tổ hợp 2 bit thành một kýhiệu điều chế và đợc mô tả cùng một trạng thái pha sóng mang Do vậy cùng độrộng băng truyền dẫn, sử dụng phơng pháp điều chế pha QPSK sẽ có tốc độ bittruyền dẫn đạt gấp đôi nếu dùng phơng pháp BPSK 4 tổ hợp của 2 bit nhị phân

sẽ tơng ứng với 4 trạng thái của sóng mang nh sau:

Tổ hợp bit Trạng thái pha00

011011

0

/2

3/2 Với cơ sở kỹ thuật điều chế tín hiệu số QPSK quen thuộc, ta xây dựng bộ

điều chế trải phổ dãy trực tiếp QPSK nh sau:

Hình 2.6: Sơ đồ khối bộ điều chế trải phổ DS/QPSK

Hoạt động của bộ điều chế nh sau: đầu tiên dòng bit dữ liệu d(t) điều chếsóng mang s(t) = 2PCos0t

Đầu ra của bộ điều chế pha là tín hiệu điều pha 4 trạng thái

Sd(t) = 2P Cos[
0t + d(t)] 0  t  Ts trong đó d(t) là góc pha của sóng mang bị điều chế nhận các giá trị là 0, /2,

 , 3/2 tuỳ theo cặp bit tơng ứng

Q Cos

Các vectơ tín hiệu đợc biểu diễn trong không gian tín hiệu nh sau:

Dữ liệu sau khi qua bộ điều chế pha đợc đa qua bộ chuyển đổi nối tiếp songsong tạo ra 2 tín hiệu sóng mang đợc điều chế bởi dữ liệu trực giao với nhautrên 2 đờng đợc gọi là kênh I ( kênh đồng pha ) và kênh Q ( kênh cầu phơng )

Kết quả ta có hai tín hiệu trải phổ trên các kênh I và Q là :

STI(t) = P Cos[
0t + d(t) + C1(t)]

STQ(t) = PSin[
0t + d(t) + C2(t)]

Hai mã trải phổ C1(t) và C2(t) là các dòng xung lỡng cực, chỉ nhận các giá trịmức 1 đợc đồng bộ chip và độc lập hoàn toàn nhau nên 2 tín hiệu đa vào bộcộng () là tơng quan và tín hiệu đi ra bộ điều chế QPSK đợc viết nh sau:

ST(t) = STI(t) + STQ(t)

= PCos[
0t + d(t) + C1(t)] + PSin[
0t + d(t) + C2(t)]

hay ST(t) = P C1(t) Cos[
0t + d(t)] + P C2(t) Sin[
0t + d(t) ]

Ta thấy hai thành phần của biểu thức tính ST(t) là nh nhau chỉ khác về biên

độ và góc dịch pha và cũng từ biểu thức tính ST(t) ta có thể tính đợc phổ côngsuất sóng mang điều chế QPSK thông qua việc tính phổ công suất của hai sóngmang điều chế BPSK thành phần Bởi vì 2 thành phần STI(t) và STQ(t) là trực

giao nhau nên phổ công suất của ST(t) bằng tổng đại số phổ công suất của STI(t)

T d).Sin[
20t+IFt+d(t)] + Sin[
-IFt +d(t)]  Trong trờng hợp lý tởng, mã trải phổ phía thu đợc đồng bộ chính xác với mãtrải phổ phía phát, nghĩa là 

T d= Td do vậy

C1(t-Td).C1(t- 

T d) = C1(t-Td)2 = 1 Mặt khác hai mã trải phổ C1(t) và C2(t) trực giao nhau nên

Y(t)

d(t)

Bộ chia công suất

Lọc thông dải

Giải điều chế pha QPSK



C2(t-Td).C1(t- 

T d) = C2(t-Td).C1(t-Td) = 0 X(t) lúc này đợc viết lại nh sau:

X(t) = P/ 2  Cos[
20t+IFt+d(t)] + Cos[
-IFt +d(t)] 

Bộ lọc thông dải BPF đợc điều chỉnh cộng hởng tại tần số IF và có độ rộng

đủ lớn để cho sóng mang đi qua mà không bị biến dạng

Tín hiệu X(t) tại lân cận tần số trung tâm IF là

X*(t) = P/ 2 Cos[
-IFt +d(t)]

Tính toán tơng tự cho Y(t), kết quả ta đợc

Y(t) = P/ 2  - Cos[
20t+IFt+d(t)] + Cos[
-IFt +d(t)] 

độ hàm sin ( lệch pha hàm cos là 900) cho ta hai trạng thái lệch pha nhau 1800

và lệch pha với dI(t) là 900 Tổng hai tín hiệu này ở đầu ra là tín hiệu điều chếQPSK

Hình 2.8: Sơ đồ khối điều chế tín hiệu QPSKdQ (t)

b Khối giải điều chế:

Hoạt động của bộ giải điều chế đợc trình bày trong hình 2.9 sau

Hình 2.9: Sơ đồ khối giải điều chế QPSK

Do có đờng bao không đổi nên trong tất cả các hệ thống PSK việc tách sóngphải đợc thực hiện nhờ một dao động chuẩn tại chỗ Đối với hệ thống kiểuBPSK, dao động chuẩn đợc nhân với tín hiệu thu Khi đó, nếu dao động chuẩn

đợc nhân với dao động cùng pha sẽ tạo ra một tín hiệu ra dơng biên độ cực đại,còn khi nhân với tín hiệu ngợc pha sẽ tạo ra đợc tín hiệu ra âm biên độ cực đại

Nh vậy hệ thống kiểu BPSK nhận đợc đặc tính của tín hiệu đối lập nếu tạo ra

đ-ợc một dao động chuẩn kết hợp tại chỗ Khi tách sóng các tín hiệu điều chếbằng phơng pháp BPSK, bộ tách sóng pha duy nhất chỉ ra giá trị pha của tínhiệu thu đợc nằm gần 00 hoặc 1800 Dấu của tín hiệu cosin ở đầu ra bộ lọc phatrực tiếp phản ánh thông tin tách ra đợc Tuy nhiên ở hệ thống sử dụng phơngpháp điều chế QPSK, thông tin nhận đợc từ bộ tách sóng pha duy nhất là không

Tín

hiệu thu

Dữ liệu ra

Cos

0t

Bộ chia công suất 90

0

Bộ chuyển nối tiếp song song

Bộ khối phục tần số nhịp

Kết quả tách sóng pha ở 2 kênh I (cùng pha) và Q(cầu phơng) đợc mô tả vềmặt toán học nh sau:

SI(t)= thành phần tần số thấp của cos[
0t + d(t)].2 cos0t=cosd(t)

SQ(t)=thành phần tần số thấp của cos[
0t + d(t)].2 sin0t=sind(t)

Bộ tách sóng pha thứ hai không những chỉ giải quyết tính chất không xác

định giữa pha âm và pha dơng, mà còn khắc phục đợc sự cần thiết trong việcchuẩn biên độ Tất cả các cách giải quyết có thể dựa vào dấu của tín hiệu ở đầu

ra của bộ tách sóng pha chứ không dựa vào biên độ Có nhận xét sau: bit đầutiên trong 2 bit bằng 0 nếu góc pha là dơng (00 hoặc /2) và bằng 1 trong trờnghợp ngợc lại, do đó bit đầu tiên của tín hiệu số hoàn toàn đợc xác định nhờ vàocực của sind(t) tức là tín hiệu ra của bộ tách sóng pha thứ hai (kênh cầu ph-

ơng) Tơng tự bit thứ hai của tín hiệu bằng 1 nếu pha /2 hoặc  , điều đó chothấy rằng dấu của tín hiệu ra bộ tách sóng pha thứ nhất (kênh cùng pha) chứa

đựng thông tin cần thiết xác định bit thứ hai

Trên đây ta đã trình bày hai phơng pháp trải phổ trực tiếp BPSK và QPSK.Ngoài ra còn có những phơng pháp là kết hợp của hai phơng pháp trên , nhng

đều không phổ biến vì vậy không đợc trình bày trong đồ án này

2.3 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần

Hệ thống trải phổ trực tiếp sử dụng bộ điều chế pha QPSK kết hợp mà chúng

ta đã tìm hiểu ở phần trên có một hạn chế là tốc độ của mã trải phổ chỉ đạt cực

đại là 100 Mchip/s do đó giới hạn độ rộng băng tần trải phổ chỉ tới vài trămMhz

Tiếp theo trong phần này, ta sẽ xem xét một loại hệ thống trải phổ có độrộng băng tần lớn hơn nhiều so với trải phổ trực tiếp Đó là hệ thống trải phổnhảy tần ( Frequency Hopping - FH ) với kỹ thuật điều chế khoá dịch tần Mtrạng thái Khác với trải phổ trực tiếp ở trải phổ nhảy tần mã trải phổ không trựctiếp điều chế tín hiệu sóng mang mà đợc dùng để điều khiển bộ tổng hợp tần

số Bộ tổng hợp tần số có k chip mã do đó có thể nhảy đến 2k tần số khác Một

đoạn k chip của mã giả ngẫu nhiên sẽ điều khiển bộ tổng hợp tần số nhảy đếntần số tơng ứng k chip đó Trên một bớc nhảy tần thì phổ sóng mang khôngthay đổi mà chỉ nhảy đến hoạt động ở một tần số mới

Với kỹ thuật công nghệ ngày nay, độ rộng băng tần tín hiệu trải phổ có thể

đạt tới vài Ghz Tuy nhiên ở tần số cao nh vậy thì bộ tổng hợp tần số không thểgiữ đợc sự kết hợp về pha khi nhảy tần và vì vậy kỹ thuật điều chế kết hợp chỉ

có ý nghĩa trong từng khoảng nhảy tần

Hệ thống trải phổ nhảy tần đợc mô tả trong hình sau đây

Hình 2.10: Sơ đồ khối hệ thống nhảy tần

Hoạt động của hệ thống nh sau:

Phía máy phát: Dữ liệu d(t) đợc đa tới bộ điều chế MFSK để điều chế sóng

mang Sau đó đợc đa tới điều chế nhảy tần với mã nhảy tần giả ngẫu nhiên

Phía máy thu: Quá trình diễn ra ngợc lại, tín hiệu thu đợc đi qua bộ giải điều

chế nhảy tần để khôi phục tín hiệu sóng mang bị điều chế bởi dữ liệu Tín hiệusóng mang này cho qua bộ giải điều chế MSFK thông thờng để thu lại dữ liệu

Trong cả máy phát và máy thu đều có bộ tạo mã PN gồm k chip mã ứng với 1

từ tần số Nếu độ rộng băng trải phổ là Wss, độ rộng một bớc nhảy tần là f thì

Ký hiệu dữ liệu

0 1 2 3 4 5 6 7

f

0 + 175 Hz 000 f

0 + 125 Hz 001 f

0 + 75 Hz 010 f

0 + 25 Hz 011 f

0 - 25 Hz 100 f

0 - 75 Hz 101 f

0 - 125 Hz 110

Dữ liệu

d(t)

xung nhịp nhiễu

Tạo mã PN 1

Điều chế nhảy tần

Tạo mã PN

xung nhịp

Hình 2.11: Ví dụ về nhảy tần số sử dụng điều chế FSK- 8 trạng thái

Xét một ví dụ nhảy tần số nh trình bày ở hình trên Dữ liệu lối vào bộ điềuchế dữ liệu là dãy nhị phân có tốc độ Rb=150 bit/s Do điều chế là FSK- 8 trạngthái, nên cứ 3 bit nhị phân liên tiếp tính từ bit thứ nhất lại đợc nhóm thành một

ký hiệu, bởi vậy tốc độ ký hiệu điều chế sẽ là:

Rs=Rb/ 3= 50 ký hiệu/s (khoảng thời gian tồn tại một ký hiệu sẽ là 20 ms) Trong ví dụ này, giả sử sóng mang nhảy tần một lần trên một ký hiệu điềuchế; và sự nhảy tần đồng bộ về thời gian với các chuyển tiếp ký hiệu Nh vậytốc độ nhảy tần là Rb=50 bớc nhảy/s Hình 2.11 mô tả đồ thị thời gian và bềrộng phổ nguồn tin : trục hoành biểu diễn thời gian t, trục tung biểu diễn bềrộng băng nhảy tần Chú thích bên phải hình vẽ minh hoạ 8 ký hiệu điều chếFSK-8 trạng thái và các tone phát đi tơng ứng với 8 ký hiệu đó Lu ý rằngkhoảng cách tần số giữa các tone tối thiểu bằng 1/Ts=50 Hz, điều này nhằmthoả mãn điều kiện trực giao của các tone FSK-M trạng thái Nh đã biết, trong

hệ thống FSK-M trạng thái, một tone đơn biên có thể đợc phát đi thì lệch so vớitần số trung tâm f0 của băng dữ liệu Trong ví dụ này có khác ở chỗ là tần sốtrung tâm f0 của băng dữ liệu không cố định, mà ứng với mỗi ký hiệu mới f0 lạinhảy sang một vị trí mới trong băng nhảy tần ( do giả thiết sóng mang nhảy tầnmột lần trên một ký hiệu điều chế ), và toàn bộ cấu trúc băng dữ liệu sẽ dịchcùng với nó Trong ví dụ hình 2.11 ký hiệu FSK đầu tiên là 011 tơng ứng vớitone ( f0+ 25 Hz) , đồ thị miêu tả f0 bằng đờng nét đứt và tone (f0 +25 Hz) bằng

đờng nét đậm Tới ký hiệu FSK thứ 2 bộ tổng hợp tần số cũng nhảy sang tần số

f0 khác tone tơng ứng với ký hiệu 110 là (f0-125 Hz) đợc biểu diễn ở khoảngthời gian ký hiệu thứ hai bằng đờng nét đậm, và f0 mới cũng đợc biểu diễn bằng

đờng nét đứt Tơng tự nh vậy đối với các ký hiệu FSK tiếp theo Một lần nữanhắc lại rằng : tần số trung tâm đã nhảy sang vị trí mới, nhng vị trí tơng đối củacác tone ký hiệu so với tần số trung tâm vẫn đợc duy trì cố định

2.3.2 Phân loại các hệ thống nhảy tần

Việc phân loại hệ thống nhảy tần có thể dựa theo hai tiêu chuẩn