Kĩ thuật trải phổ (Cơ sở viễn thông) doc

8.2 Kĩ thuật trải phổ trực tiếp• Phương pháp trải phổ tín hiệu, sử dụng mã trải phổ băng rộng điều chế tín hiệu sóng mang đã được điều chế bởi dữ liệu gọi là kĩ thuật trải phổ trực tiếpD

Môn Học: Cơ Sở Viễn Thông

Trường Đại Học Công Nghiệp Tp HCM

Khoa Công Nghệ Điện Tử

Bộ Môn Viễn Thông

GV: Hà Văn Kha Ly

Thuyết trình: Kĩ Thuật Trải Phổ

Nội dung

Chương 8: Kỹ thuật trải phổ ( Spread Spectrum)

8.1 - Giới thiệu

8.2 - Trải phổ trực tiếp

8.3 - Trải phổ bằng phương pháp nhảy tần

8.4 - Trải phổ trong CDMA

8.5 - Đồng bộ hóa

8.6 - Ứng dụng kĩ thuật trải phổ trong các hệ thống thương mại

8.1 Giới thiệu về kĩ thuật trải phổ

• Kĩ thuật trải phổ là một công nghệ sử dụng nhiều trong quân sự vì nó có tính chống nhiễu và bảo mật rất cao Ngày nay nó là thành phần tất yếu trong các hệ thống thông tin vô tuyến lớn.

• CDMA (Code Division Multiple Access) sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp.

• GPS (Global Positioning System) là hệ thống trải phổ

lớn nhất thế giới cácWireless LAN như Wifi hay

Bluetooth.

Trải phổ trực tiếp (Direct Sequence Spread Spectrum–DSSS)

Trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum–

FHSS)

Quá trình trải phổ đạt được bằng cách nhân nguồn tín hiệu vào với tín hiệu mã giả ngẫu nhiên 1 cách trực tiếp, tín hiệu trải phổ đưa ra

có độ rộng phổ xấp xỉ tốc độ mã giả ngẫu nhiên.

Quá trình trải phổ đạt được bằng cách nhảy tần số sóng mang (sóng mang đã mang tín hiệu tin tức) trên một tập lớn các tần số Sự nhảy của tần số sóng mang được quyết định bởi các mã nhảy tần số có dạng giả ngẫu nhiên được điều khiển từ các mã trải phổ PN.

8.2 Kĩ thuật trải phổ trực tiếp

• Phương pháp trải phổ tín hiệu, sử dụng mã trải phổ

băng rộng điều chế tín hiệu sóng mang đã được điều chế bởi dữ liệu gọi là kĩ thuật trải phổ trực tiếp(DS/SS)

• Trong phương pháp này, mã trải phổ tham gia trực tiếp quá trình điều chế còn trong các phương pháp khác mã trải phổ chỉ sử dụng để điều khiển tần số hay thời gian truyền dẫn tín hiệu sóng mang đã được điều chế bởi dữ liệu

• Ưu điểm của kĩ thuật trải phổ trực tiếp:

- Có dạng khá đơn giản

- Không yêu cầu tính ổn định nhanh hay tổng hợp tần

số cao

• Nhược điểm của kĩ thuật trải phổ trực tiếp:

- Băng trải phổ chỉ đến vài trăm Mhz

- Năng lượng phổ chỉ chiếm đến 90% trong dải chính của toàn bộ dải phổ và 99% nếu như thêm 2 dải phụ thứ nhất

Hình 1 Phổ của tín hiệu DS

8.2.1 Trải phổ trực tiếp sử dụng phương pháp BPSK

BPSK (binary phase shift keying – điều chế dịch

pha nhị phân) là một trong những biện pháp đơn giản nhất của trải phổ trực tiếp.

Mã trải phổ được sử dụng là dãy xung NRZ (Non

Return Zero) chỉ nhận các giá trị ± 1 điều chế trực tiếp tín hiệu sóng mang đã điều chế BPSK.

Hình 2 Sơ đồ khối điều chế trải phổ trực tiếp BPSK (phía phát)

• Sau khi điều chế số dịch pha (PSK), tín hiệu dữ liệu sẽ được thể hiện thông qua pha của sóng mang.

Sóng mang bây giờ có dạng:

Trong đó d : là pha của sóng mang bị điều chế bởi dữ liệu

T s : là thời gian tồn tại của 1 kí hiệu điều chế

• Tiến hành trải phổ dãy trực tiếp sử dụng kĩ thuật BPSK bằng mã trải phổ C(t)

có dạng xung NRZ Đó là dãy mã nhận các giá trị ± 1 và có tốc độ chip lớn gấp nhiều lần tốc độ dữ liệu.

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

Trong đó  c (t) : góc pha của S T (t) phụ thuộc vào c(t)

Bộ điều chế phía thu được thực hiện bằng sự tương quan giữa tín hiệu thu được R(t) và bản sao của mã trải phổ phía phát được tạo ra ở máy thu.

Sơ đồ khối giải điều chế trải phổ trực tiếp BPSK (phía

thu)

Trong đó

Td:Trễ truyền dẫn thực sữ giữa máy phát và máy thu

:là góc pha ngẫu nhiên  = [0, 2]

8.2.2 Trải phổ trực tiếp dùng phương pháp QPSK

Điều chế dịch pha một phần tư (Quaternary Phase Shift Keying - QPSK) sử dụng nguyên lí tổ hợp 2 bit thành một

kí hiệu điều chế và được mô tả cùng một trạng thái pha sóng mang

Cùng độ rộng băng truyền dẫn, sử dụng phương pháp

điều chế pha QPSK sẽ có tốc độ bit truyền dẫn đạt gấp

đôi 4 tổ hợp của 2 bit nhị phân sẽ tương ứng với 4 trạng thái của sóng mang như sau:

Sơ đồ khối bộ điều chế trải phổ DS/QPSK

Dòng bit dữ liệu d(t) điều chế sóng mang

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

Trong đó

d (t) là góc pha của sóng mang bị điều chế nhận các giá trị là 0, /2, , 3/2 tùy theo cặp bit tương ứng

Các vectơ tín hiệu được biểu diễn trong không gian tín hiệu như sau:

Dữ liệu sau khi qua bộ điều chế pha được đưa qua bộ chuyển đổi nối tiếp song song tạo ra 2 tín hiệu sóng mang được điều chế bởi dữ liệu trực giao với nhau trên dòng gọi là kênh I (kênh đồng pha) và kênh Q (kênh cầu phương)

Sóng mang kênh I là:

Sóng mang kênh Q là:

Sóng mang trên hai kênh đồng pha I và kênh cầu

phương Q sau đó được điều chế trải phổ với hai mã trải phổ là C1(t) và C2(t) tương tư như quá trình điều chế trải phổ BPSK

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

Sơ đồ bộ giải điều chế trải phổ DS/QPSK Tín hiệu đầu vào của bộ giải điều chế là:

Sau khi chia bộ công suất tín hiệu trên hai nhánh chỉ còn một nửa công suất của

8.3 Kĩ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần

Khác với trải phổ trức tiếp ở trải phổ nhảy tần mã trải phổ không trực tiếp điều chế tín hiệu sóng mang mà 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 mả giã ngẫu nhiên

sẽ điều khiển bộ tổng hợp tần số nhảy đến tần số tương ứng k chip đó Trên một bước nhảy tần thì phổ sóng mang không thay đổi mà chỉ nhảy đến hoạt động ở tần

số mới

Hệ thống trải phổ nhảy tần

Phía máy 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

được đi qua bộ giải điều chế nhảy tần khôi phục tín hiệu sóng mang bị điều chế bởi dữ liệu Tín hiệu sóng mang này cho qua bộ máy giải điều chế MFSK thông thường để thu lại dữ liệu

Phân loại theo tương quan giữa tốc độ nhảy tần RH

và tốc độ điều chế RS :

Nhảy tần nhanh:

Nhảy tần chậm :

Hình ảnh minh họa về nhảy tần nhanh:

Hình ảnh minh họa về nhảy tần chậm

Ưu điểm :

Giảm fading (hiện tượng sai lạc tín hiệu thu) đa đường

do tín hiệu được các sóng mang có tần số khác nhau.

Sử dụng 1 phần dải thông nhỏ ở mỗi thời điểm

8.4 Trải phổ trong CDMA

Ngày nay nhu cầu trao đổi thông tin bằng điện thoại di động rất phổ biến và trở thành vật bất li thân của nhiều người

Đi kèm với sự ra đời của điện thoại di động là công nghệ điều chế TDMA (Time Division Multiple Access – đa truy nhập phân thời) trong các hệ thống GMS (Global System for

Mobile Communications – hệ thống thông tin di động toàn cầu)

Gần đây là sự xuất hiện của công nghệ CDMA (Code

Division Multiple Access – đa truy nhập phân chia mã) góp phần nâng cao chất lượng cũng như đáp ứng được nhu cầu

của người sử dụng

8.4.1 Hệ thống DSSS - BPSK

Sơ đồ khối của máy phát DSSS - BPSK

Ta có thể biểu diễn số liệu hay bản tin nhận các giá trị ±1 như sau:

Trong đó

dk(i) = ± 1 là bit số liệu thứ i

Tb là độ rộng của một bit số liệu (tốc độ số liệu là 1/Tb bít/s)

Tín hiệu dk(t) được trải phổ bằng tín hiệu PN c(t) bằng cách nhân hai tín hiệu với nhau

Tín hiệu nhận được c(t) d(t) sau đó sẽ điều chế sóng mang sử dụng BPSK

Kết quả cho ra tín hiệu DSSS – BPSK như sau:

Tín hiệu DSSS – BPSK nhận được có dạng:

Sơ đồ khối máy thu DSSS - BPSK

Mục đích của máy thu này là lấy ra bản tin dk(t) (số liệu {di}) từ tín hiệu thu được bao gồm tín hiệu được phát cộng với tạp âm Do tồn tại trễ truyền lan  nên tín hiệu thu là:

Trong đó:

Eb là năng lượng trung bình của sóng mang trên một bitn(t) là tạp âm của kênh đầu vào máy thu

Giản đồ máy thu DSSS - BPSK

Trước hết tín hiệu thu được trải phổ để giảm băng tần rộng

và băng tần hẹp

Sau đó nó được giải điều chế để được băng tần gốc Để giải trải phổ tín hiệu thu được nhân tín hiệu (đồng bộ) PN c(t-) được tạo ra ở máy thu ta được:

Vì c(t) bằng ±1, trong đó

Tín hiệu nhận được là tín hiệu băng hẹp với độ rộng

băng tần theo Niquist là 1/Tb

8.4.2 Hệ thống DSSS - QPSK

Ưu điểm của hệ thống DSS – QPSK so với hệ thống

BPSK được đề cập ở trên đạt được là nhờ tính trực giao của sóng mang sin(2fc t+) và cos(2fc t+) ở các

8.5 Đồng bộ hóa

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.

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 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

Đồng bộ chia làm 2 giai đoạn

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

8.6 Ứng dụng kĩ thuật trải phổ trong hệ thống thương mại

1 Thông tin vệ tinh

2 Đo cự li

3 Hệ thống định vị toàn cầu

4 Vô tuyến đa truy nhập nhảy tần

5 Radar xung

8.6.1 Thông tin vệ tinh

Những tiến bộ của công nghệ vi điện tử cho phép thực

hiện 1 số xử lí tín hiệu (giải điều chế, lọc và điều chế lại) ngay trên vệ tinh trước khi phát tín hiệu đường truyền

xuống Việc xử lí tín hiệu ngay trên vệ tinh mã – giải mã

và khử nhiễu

Ưu điểm trải phổ trong thông tin vệ tinh để chuyển tiếp chính của các hệ thống thông tin vệ tinh sử dụng kĩ thuật trải phổ vì nó có vùng phủ rộng rất phù hợp với các thông tin ở địa điểm xa

Các quỹ đạo vệ tinh khác nhau

8.6.1.1 Đa truy nhập

Hình ảnh mô tả hệ thống thông tin đa truy nhập đơn giản

Đối với hệ thống FDMA (Frequency Division Multiple Access), các người dùng (trạm mặt đất) sử dụng các tần số sóng mang khác nhau (tránh nhau về tần số)

Trong các hệ thống TDMA (Time Division Multiple

Access), các người dùng khác nhau phát tại các khe thời gian khác nhau, như vậy, chúng tranh nhau về thời gian

Đối với hệ thống CDMA (Code Division Multiple

Access), tất cả các người dùng phát đồng thời và dùng

cùng băng tần nhưng với các mã trải phổ khác nhau

8.6.1.2 Tỉ số tín/tạp

 Là tỉ số năng lượng giữa tín hiệu và mật phổ công suất tạp

âm (SNR - Signal to Noise Ratio), có liên quan chặt chẽ với tỉ số sóng mang tạp âm (CNR – Carrier to Noise Ratio)

Sử dụng đặc tính băng thông của kỹ thuật trải phổ

để có thể thành lập tỉ số tín/tạp theo mong muốn của người sử dụng

Việc phân tích công suất tín hiệu và công suất tạp từ máy phát đến máy thu được gọi là phân tích quĩ

đường truyền

8.6.2 Đo cự li

Tín hiệu DS/SS có thể được sử dụng để đo cự li 2 điểm

Hệ thống đo cự li như vậy có thể sử dụng chẳng hạn để

đo khoảng cách của vệ tinh

Điều này được thực hiện bằng cách phát đi tín hiệu DS/

SS từ nguồn

Tín hiệu này được phản xạ lại máy phát bởi đối tượng,

từ đó máy phát có thể tách hiệu pha giữa tín hiệu phản

xạ và tín hiệu chuẩn (phát đi)

8.6.4 Vô tuyến đa truy nhập nhảy tần

FH( Frequency Hopping) kết hợp với MFSK

Hệ thống được xây dựng trên cơ sở kỹ

thuật trải phổ trực tiếp

8.6.5 Radar Xung

Xét một hệ thống radar xung Một dạng sóng q(t) điều chế sóng mang

Giả sử q(t) là xung vuông có độ rộng Tq nghĩa là

Hệ thống DSSS giảm nhiễu giao thoa bằng cách trải rộng

nó ở một phổ tần rộng

Trong các hệ thống FHSS, ở mọi thời điểm cho trước

người sử dụng phát các tần số khác nhau vì thế có thể

tránh được nhiễu giao thoa

Có thể thiết kế hệ thống DSSS với giải điều chế nhất quán

và không nhất quán

Với cùng tốc độ của bộ tạo mã PN, FHSS có thể nhảy tần trên băng tần rộng hơn nhiều so với băng tần của tín hiệu DSSS.

Tuy nhiên do sự chuyển dịch tần số phát nhanh rất khó duy trì đồng bộ pha ở các hệ thống FHSS, vì thế chúng thường đòi hỏi điều chế không nhất quán

Trong thực tế, hệ thống DSSS nhận được chất lượng tốt hơn vào khoảng 3dB so với hệ thống FHSS nhờ giải

điều chế nhất quán Cái giá phải trả cho ưu điểm này là giá thành của mạch khóa pha của sóng mang

Hết