kỹ thuật trải phổ
Trang 1cách: hoặc tăng bề rộng phổ tín hiệu, hoặc tăng thời gian tồn tại T.
Dựa trên 2 biện pháp này ngời ta đa ra 3 hệ thống trải phổ cơ bản là : trải phổ 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 th-ờng Trong khoảng thời gian này dòng số đợc gửi đi theo từng loạt phù hợp với sự điều khiển của mã Vì vậy ta có thể nói rằng: bằng cách nhảy thời gian, tín hiệu đợc trải ra trong không gian thời gian và trong trờng hợp này phía gây nhiễu cũng không thể biết chính xác tập con tín hiệu nào hiện tại hệ thống thông tin đang sử dụng.
Khi tăng băng tần W, ta có nhiều cách để thực hiện song chúng ta chỉ quan tâm tới 2 kỹ thuật cơ bản là:
- Trải phổ dãy trực tiếp ( DS/SS): Quá trình trải phổ đạt đợc bằng cách nhân nguồn 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 sóng mang ( sóng mang đã mang tín hiệu tin tức ) trên một tập lớn các tần số Sự nhảy tần của tần số sóng mang quyết định bởi các mẫu nhảy tần có dạng giả ngẫu nhiên bắt nguồn từ sự điều khiển của các từ mã trải phổ PN Do vậy tín hiệu trải phổ nhảy tần đa ra cũng chiếm độ rộng phổ lớn gấp nhiều lần độ rộng phổ 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 trải phổ khác chủ yếu là sự kết hợp của 2 kỹ thuật trải phổ trực tiếp và nhảy tần ví
Trang 2dụ DS/FH, FH/TH Trong chơng này ta sẽ xét tập trung vào 2 kỹ thuật DS và FH.
2.2 Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp
Phơng pháp trải phổ tín hiệu , sử dụng mã trải phổ băng rộng điều chế tín hiệu sóng mang đã đợc điều chế bởi dữ liệu đợc gọi là kỹ thuật trải phổ trực tiếp ( Direct Sequence Spread Spectrum DS/SS ).
Trong phơng pháp này mã trải phổ trực tiếp tham gia quá trình điều chế còn trong các phơng pháp khác mã trải phổ không trực tiếp tham gia quá trình điều chế mà chỉ sử dụng để điều khiển tần số hay thời gian truyền dẫn tín hiệu sóng mang đã đợc điều chế bởi dữ liệu.
Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ trực tiếp là có dạng khá đơn giản không yêu cầu 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% trong dải chính của toàn bộ dải phổ và 99% nếu thêm 2 dải phụ thứ nhất.
Trang 32.2.1 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 dụng phơng pháp điều chế BPSK ( điều chế dịch pha nhị phân ) Mã trải phổ đợc sử dụng là dãy xung NRZ chỉ nhận các giá trị 1 điều chế trực tiếp tín hiệu sóng mang 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:
Trang 4Sau khi điều chế số dịch pha (PSK), tín hiệu dữ liệu sẽ đợc thể hiện thông qua pha 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 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 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) Cos0t
Từ phơng trình trên cho phép xây dựng mô hình hệ thống DS / BPSK phía phát một cách đơn giản hơn trong đó việc điều chế trải phổ đợc thực hiện đơn giản 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 hiệu thu 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
Trang 5
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 việc nhân tín hiệu R(t) với mã giải trải phổ đợc tạo ra ở máy thu là c(t-
Nh vậy sau bớc nén phổ ta thu đợc dữ liệu chỉ còn mang thông tin có dạng giống nh tín hiệu Sd(t) ở phía phát song bị trễ đi một khoảng thời gian là Td.
- Bớc 2: Giải điều chế pha Tín hiệu sau bộ lọc thông dải R*(t) đợc đi qua bộ giải điều chế BPSK để thu lại dữ liệu d(t).
Sau đây ta sẽ xem xét phổ công suất sóng mang trong điều chế DS/BSK.
a Phổ tín hiệu trớc khi trải phổ
Trang 6b 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 nh
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 hiệu trải phổ ta có nhận xét là: Phổ công suất của tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp gồm hai biên đối xứng, biên độ của hai biên bằng nhau và bằng PTC/2 bề rộng phổ mỗi bên bằng 2/TC
Nh vậy tín hiệu sau trải phổ có độ rộng phổ tăng lên Tb/Tc lần và biên độ phổ giảm đi Tb/Tc lần Mã trải phổ có tốc độ chip lớn hơn nhiều tốc độ dữ liệu nên 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:
Trang 7d (t): D÷ liÖu sau gi¶i ®iÒu chÕ BPSK d(t)+c(t): Pha cña sãng mang ph¸t
Trang 8Tb càng lớn hơn Tc thì tức là độ tăng ích đợc xử lý càng tốt và chất lợng hệ thống 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 ký hiệu điều chế và đợc mô tả cùng một trạng thái pha sóng mang Do vậy cùng độ rộng băng truyền dẫn, sử dụng phơng pháp điều chế pha QPSK sẽ có tốc độ bit truyền 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 pha
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 chế sóng mang s(t) = 2PCos0t
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.
Trang 9Các 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 song song tạo ra 2 tín hiệu sóng mang đợc điều chế bởi dữ liệu trực giao với nhau trên 2 đờng đợc gọi là kênh I ( kênh đồng pha ) và kênh Q ( kênh cầu phơng )
Sóng mang trên kênh I là: SdI(t) = PCos[0t + d(t)] Sóng mang trên kênh Q là: SdQ(t) = P Sin[0t + d(t)]
ở đây tốc độ dữ liệu không thay đổi, chỉ có sóng mang đợc chia ra làm hai thành phần lệch pha nhau và có công suất bằng một nửa Sd(t).
Sóng mang trên hai kênh đồng pha I và cầu phơng Q sau đó đợc điều chế trải phổ với hai mã trải phổ là C1(t) và C2(t) tơng tự nh quá trình điều chế trải phổ BPSK
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 trị mức 1 đợc đồng bộ chip và độc lập hoàn toàn nhau nên 2 tín hiệu đa vào bộ cộng () 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 công suất sóng mang điều chế QPSK thông qua việc tính phổ công suất của hai sóng mang điều chế BPSK thành phần Bởi vì 2 thành phần STI(t) và STQ(t) là trực
Trang 10giao nhau nên phổ công suất của ST(t) bằng tổng đại số phổ công suất của STI(t)
Sau bộ chia công suất, tín hiệu trên hai nhánh chỉ còn một nửa công suất của tín hiệu vào song có tần số không đổi.
Nếu bỏ qua sự lệch pha ngẫu nhiên , các thành phần X(t) và Y(t) đợc tính Trong trờng hợp lý tởng, mã trải phổ phía thu đợc đồng bộ chính xác với mã trải phổ phía phát, nghĩa là
Trang 11C2(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[20t+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[20t+IFt+d(t)] + Cos[-IFt +d(t)] Tại lân cận IF ta cũng có
Y*(t) = P/2 Cos[-IFt +d(t)] Tín hiệu sau bộ lọc thông dải là:
Z*(t) = X*(t) + Y*(t) = 2P Cos[-IFt +d(t)]
Từ công thức trên ta thấy sóng mang đợc điều chế bởi dữ liệu đã đợc phục hồi Bây giờ cho Z*(t) đi qua bộ giải điều chế QPSK ta sẽ thu đợc dữ liệu d(t).
Sau đây sẽ trình bày cấu trúc và hoạt động của hai bộ điều chế, giải điều
chế QPSK:a.Bộ điều chế:
Dãy bit dữ liệu d(t) qua bộ chuyển đổi nối tiếp song song đợc chia thành hai dãy, dI(t) gồm các bit chẵn và dQ(t) gồm các bít lẻ.
Dòng bit dI(t) điều chế biên độ hàm cos với 2 giá trị là +1 và -1 tơng đơng với hai pha lệch nhau 1800 thể hiện bit 0,1.Tơng tự dòng bit dQ(t) điều chế biên 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 chế
Trang 12b 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 sóng phải đợc thực hiện nhờ một dao động chuẩn tại chỗ Đối với hệ thống kiểu BPSK, 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 chế bằng phơng pháp BPSK, bộ tách sóng pha duy nhất chỉ ra giá trị pha của tín hiệu thu đợc nằm gần 00 hoặc 1800 Dấu của tín hiệu cosin ở đầu ra bộ lọc pha trực tiếp phản ánh thông tin tách ra đợc Tuy nhiên ở hệ thống sử dụng phơng pháp điều chế QPSK, thông tin nhận đợc từ bộ tách sóng pha duy nhất là không đầy đủ vì 2 nguyên nhân:
+ Cosd(t) không chỉ ra d(t) dơng hay âm.
+ Biên độ tín hiệu ra bộ tách sóng pha tỷ lệ với biên độ của tín hiệu thu đợc cũng nh với Cosd(t)
Do đó từ biên độ của tín hiệu ra bộ tách sóng pha không thể tách ra đợc một thông tin nào khi không so sánh nó với biên độ tín hiệu thu đợc Cả 2 vấn đề này giải quyết đợc nếu nhờ bộ trộn và lọc thứ hai do pha với một dao động chuẩn khác Đúng nh mong muốn, các đặc tính tốt nhất thu đợc trong trờng hợp nếu nh dao động chuẩn thứ hai trực giao với dao động chuẩn thứ nhất.
Trang 13Kết quả tách sóng pha ở 2 kênh I (cùng pha) và Q(cầu phơng) đợc mô tả về mặt toán học nh sau:
SI(t)= thành phần tần số thấp của cos[0t + d(t)].2 cos0t=cosd(t) SQ(t)=thành phần tần số thấp của cos[0t + d(t)].2 sin0t=sind(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 việc chuẩn 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 đầu tiên trong 2 bit bằng 0 nếu góc pha là dơng (00 hoặc /2) và bằng 1 trong trờng hợp ngợc lại, do đó bit đầu tiên của tín hiệu số hoàn toàn đợc xác định nhờ vào cực của sind(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 cho thấy 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 trăm Mhz
Tiếp theo trong phần này, ta sẽ xem xét một loại hệ thống trải phổ có độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với trải phổ trực tiếp Đó là hệ thống trải phổ nhảy tần ( Frequency Hopping - FH ) với kỹ thuật điều chế khoá dịch tần M trạng thái Khác với trải phổ trực tiếp ở trải phổ nhảy tần mã trải phổ không trực tiếp 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 đến tần số tơng ứng k chip đó Trên một bớc nhảy tần thì phổ sóng mang không thay đổi mà chỉ nhảy đến hoạt động ở một tần số mới.
Trang 14Với 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 thể giữ 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 hiệu sóng 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
