Xây dựng hệ thống truyền thông vô tuyến bảo an toàn thông tin

Vũ Tuấn Anh Trƣờng Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Ngƣời hƣớng dẫn: PGS. TS. Bạch Gia Dƣơng Năm bảo vệ: 2011

Xây dựng hệ thống truyền thông vô tuyến đảm bảo an toàn thông tin Vũ Tuấn Anh Trƣờng Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Ngƣời hƣớng dẫn: PGS. TS. Bạch Gia Dƣơng Năm bảo vệ: 2011 Abstract: Chƣơng 1. Điều chế Delta: Điều chế PCM; Điều chế Delta; Giới thiệu về IC MC34115. Chƣơng 2. Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha: Vòng bám pha PLL; Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha; Kết nối bộ tổ hợp tần số với máy vi tính; Giới thiệu về họ IC ADF 411x. Chƣơng 3. Thực nghiệm: Chế tạo bộ điều chế/giải điều chế Delta tự thích nghi; Chế tạo bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO; Thử nghiệm phát tín hiệu mã Delta lên sóng mang cao tần sử dụng điều chế ASK. Keywords: Truyền thông vô tuyến; An toàn thông tin; Vòng bám pha Content PHẦN 1 Cơ sở lý thuyết CHƢƠNG 1 Điều chế Delta 1.1. ĐIỀU CHẾ PCM Điều chế PCM bao gồm 3 bƣớc: Lấy mẫu, lƣợng tử hóa và mã hóa. 1.1.1. Lấy mẫu Lấy mẫu là quá trình rời rạc hóa các tín hiệu tƣơng tự đầu vào thành các xung PAM, sao cho tần số số lấy mẫu f mẫu ≥ 2*f tín hiệu . 1.1.2. Lượng tử hóa Lƣợng tử hóa là quá trình xấp xỉ hóa giá trị của các mẫu tƣơng tự bằng cách sử dụng một số hữu hạn mức lƣợng tử. Lƣợng tử hóa chia làm 2 loại chính là lƣợng tử hóa đều và lƣợng tử hóa không đều. – Lƣợng tử hóa đều là quá trình xấp xỉ hóa giá trị các mẫu xung PAM bằng các mức lƣợng tử trong đó khoảng cách giữa các mức lƣợng tử là nhƣ nhau. 2 – Lƣợng tử hóa không đều hay còn gọi là lƣợng tử hóa nén – giãn là quá trình xấp xỉ hóa giá trị các mẫu xung PAM bằng các mức lƣợng tử có khoảng cách không đều nhau. 1.1.3. Mã hóa Mã hóa là quá trình số hóa các xung lƣợng tử để số hóa tín hiệu tƣơng tự đầu vào. Thông thƣờng có 3 phƣơng pháp để mã hóa các xung lƣợng tử. – Mã hóa đếm: Sử dụng một bộ so sánh để so sánh điện áp của xung lƣợng tử với các điện áp đƣợc tạo ra từ bộ đếm một cách tăng dần, đồng thời bộ đếm nhị phân đƣợc sử dụng để quy đổi điện áp nội thành các bit. Khi điện áp nội bằng điện áp xung lƣợng tử thì đầu ra của bộ đếm nhị phân chính là từ mã PCM cho xung lƣợng tử đầu vào. – Mã hóa nối tiếp: Liên tiếp so sánh điện áp của xung lƣợng tử với các giá trị điện áp nội có trƣớc. Nếu điện áp nội thấp hơn thì so sánh với điện áp nội cao hơn và ngƣợc lại. Khi điện áp nội bằng điện áp xung lƣợng tử thì giá trị nhị phân của điện áp nội sẽ là mã PCM cho xung lƣợng tử đầu vào. Tốc độ so sánh ở phƣơng pháp này sẽ nhanh hơn so với phƣơng pháp đếm. – Mã hóa song song: Sử dụng (n – 1) bộ mã hóa nối tiếp để tiến hành so sánh, khi đó điện áp nội sẽ nhanh chóng hội tụ tới điện áp xung lƣợng tử đầu vào. 1.2. ĐIỀU CHẾ DELTA 1.2.1. Điều chế DPCM Phƣơng pháp DPCM là phƣơng pháp thực hiện mã hóa dựa trên cơ sở PCM nhƣng có chú ý đến sự tƣơng quan của các mẫu gần nhau. Phƣơng pháp DPCM sử dụng thuật toán dự đoán để dự đoán giá trị của mẫu tƣơng lai. Sau khi nhận đƣợc mẫu tƣơng lai, DPCM sẽ tiến hành so sánh với mẫu dự đoán, sau đó gửi đi sự khác biệt giữa mẫu dự đoán với mẫu thực tế. Theo phƣơng pháp này, tín hiệu có thể đƣợc mã hóa với số từ mã giảm đi 1.2.2. Điều chế Delta Phƣơng pháp điều chế Delta là một trƣờng hợp đặc biệt của điều chế DPCM, trong đó mỗi từ mã chỉ có một bit nhị phân, tức là chỉ có hai mức lƣợng tử hóa. Bit nhị phân này sẽ chỉ ra sự tăng hay giảm của mẫu sau so với mẫu trƣớc. Thông thƣờng, điều chế Delta có ba phƣơng pháp chính: – Điều chế Delta tuyến tính – Điều chế Delta – Sigma – Điều chế Delta tự thích nghi 1.2.2.1. Điều chế Delta tuyến tính Điều chế Delta tuyến tính là quá trình liên tiếp so sánh tín hiệu đầu vào với tín hiệu hồi tiếp liền trƣớc từ bộ mã hóa. Nếu tín hiệu đầu vào lớn hơn tín hiệu mã hóa thì đầu ra bộ mã hóa là bit 1 và ngƣợc lại là bit 0. 3 Điều chế Delta tuyến tính có hai loại nhiễu chính là nhiễu lƣợng tử và hiện tƣợng quá tải độ dốc. – Nhiễu lƣợng tử: là sự sai khác giữa tín hiệu khôi phục với tín hiệu gốc. – Hiện tƣợng quá tải độ dốc: gây ra khi biên độ của tín hiệu thay đổi giữa hai xung nhịp liền nhau lớn hơn biên độ “d” của xung răng cƣa. 1.2.2.2. Điều chế Delta–Sigma Về nguyên tắc, điều chế Delta–Sigma tƣơng tự điều chế Delta tuyến tính nhƣng thay vì so sánh tín hiệu đầu vào thì so sánh với tích phân của tín hiệu đầu vào. Do hàm tích phân có độ dốc nhỏ hơn nên hiện tƣợng quá tải dốc đƣợc giảm đi. 1.2.2.3. Điều chế Delta tự thích nghi Để cải thiện hiệu quả hơn hiện tƣợng quá tải dốc và nhiễu lƣợng tử, điều chế Delta tự thích nghi sử dụng một quá trình nén–dãn phù hợp, sao cho khi biên độ tín hiệu đầu vào là lớn thì biên độ tín hiệu răng cƣa đầu ra của bộ tích phân cũng lớn và ngƣợc lại. Mạch của bộ điều chế Delta tự thích nghi tƣơng tự nhƣ mạch của bộ điều chế Delta tuyến tính nhƣng có thêm bộ ghi dịch để phát hiện điều kiện lặp (điều kiện lặp hình thành khi ba bit cuối cùng cũng dãy dữ liệu đã điều chế là toàn 0 hoặc toàn 1), qua đó điều khiển hệ số khuyếch đại của bộ tích phân giúp hiệu chỉnh biên độ tín hiệu đầu ra của bộ tích phân tƣơng tự với biên độ của tín hiệu đầu vào. Khi sử dụng điều chế Delta tự thích nghi thì phía thu phải sử dụng công nghệ tƣơng tự nhƣ phía phát thì mới thu và giải điều chế đƣợc tín hiệu. 1.3. GIỚI THIỆU VỀ IC MC34115 CỦA MOTOROLA IC MC34115 của Motorola là loại IC cung cấp phƣơng pháp điều chế và giải điều chế Delta tự thích nghi CVSD (Continuously Variable Slope Delta Modulation/Demodulation) với các tính năng nhƣ sau: – Có thể lựa chọn các chức năng mã hóa và giải mã với một đầu vào số – Sử dụng IIL tƣơng thích – Công nghệ lƣỡng cực tuyến tính – Đầu ra số tƣơng thích CMOS – Ngƣỡng đầu vào số có thể lựa chọn đƣợc – Thuật toán 3 bit Sử dụng IC MC34115 của Motorola hoàn toàn có thể thiết lập đƣợc bộ điều chế/giải điều chế Delta tự thích nghi CVSD với các tính năng hoàn toàn tƣơng tự nhƣ lý thuyết. 4 CHƢƠNG 2 Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha 2.1. MẠCH VÒNG BÁM PHA PLL Do các bộ dao động có độ chính xác và ổn định cao (chẳng hạn dao động thạch anh) thì lại khó chế tạo cho tần số cao còn các bộ dao động có tần số cao thì lại có độ chính xác và ổn định không cao nên ta có thể sử dụng mạch vòng bám pha PLL giúp cho các bộ dao động có tần số cao có thể có độ ổn định và chính xác cao ngang cấp với các bộ dao động chuẩn. Phƣơng pháp PLL sử dụng hệ thống hồi tiếp kín, trong đó độ ổn định của hồi tiếp là quan trọng nhất. Trong mạch vòng bám pha, khi chƣa có tín hiệu đầu vào thì VCO hoạt động ở tần số trung tâm f o . Khi có tín hiệu đầu vào f s thì đầu ra của bộ so sánh pha tần sẽ hình thành điện áp thể hiện sự chênh lệch giữa f s và f o . Điện áp này sau khi cho qua bộ lọc sẽ trở thành điện áp điều khiển VCO theo hƣớng giảm thiểu sự khác biệt giữa hai tần số. Khi tần số f s tiến gần tới f o thì mạch PLL tiến hành bắt chập sau đó giữ chập tần số. Sau khi giữ chập tần số thì tần số và pha của VCO sẽ đƣợc đồng bộ với tần số và pha của tín hiệu đầu vào. Nếu tín hiệu đầu vào là nguồn dao động có độ ổn định và chính xác cấp thạch anh thì VCO cũng sẽ dao động với tần số ổn định và chính xác ngang cấp thạch anh. 2.2. BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ DÙNG VÒNG BÁM PHA PLL Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha PLL về nguyên tắc hoạt động hoàn toàn dựa trên nguyên lý của vòng bám pha PLL nhƣng thêm vào hai bộ chia là bộ chia R (dùng để chia tần số của tần số chuẩn f ref đầu vào) và bộ chia M (dùng để chia tần số f VCO của bộ VCO bên ngoài). Khi đó, tần số dao động của bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO bên ngoài sau khi giữ chập sẽ là: M*f ref f VCO = R 2.3. BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ KẾT NỐI VỚI MÁY TÍNH Có thể kết nối bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha với máy tính để xác lập hệ số chia M/R. Khi xác lập đƣợc chính xác hệ số chia M/R thì ta có thể dễ dàng xác lập chính xác đƣợc tần số dao động cho bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO. Khi đó ở đầu ra của bộ VCO ta sẽ có sóng cao tần có tần số chính xác và có độ ổn định cao ngang cấp với tần số của dao động dùng làm chuẩn đầu vào. 2.4. GIỚI THIỆU VỀ HỌ IC ADF411x Họ IC ADF411x đƣợc thiết kế để xây dựng thành bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha. Chỉ cần thiết kế thêm một bộ VCO bên ngoài là ta có một bộ tổ hợp tần số hoàn chỉnh. Trung tâm của bộ tổ hợp tần số là một IC ADF4113 thuộc họ ADF411x. Loại IC này có chức năng tạo ra dao động sóng mang của các thiết bị thu và phát vô tuyến. Nó gồm một bộ tách pha/tần số PFD (phase frequency detector) đƣợc số hoá với độ ồn thấp, một bộ tạo dòng chính xác, một bộ chia chuẩn lập trình đƣợc R(14 bít), hai bộ chia lập trình đƣợc A(6 bít) và 5 B(13 bít), một bộ chia trƣớc mô-đun kép (P/P+1). Các thiết bị hoạt động với nguồn cung cấp 2.7V-5.5V và có thể ở trạng thái tiêu tốn ít năng lƣợng khi không sử dụng. Điều khiển tất cả các thanh ghi là một giao diện ba đƣờng đơn giản. Họ IC ADF. 411x có nhiều kiểu dáng và hình dạng khác nhau. Có thể là loại 2 hàng chân, hoặc cũng có thể là loại 4 hàng chân. Cũng có thể là loại chân rết (hay còn gọi là chân chìa), hoặc cũng có thể là chân gầm. Thông thƣờng nhất thì họ IC này đƣợc thiết kế theo hai định dạng chính là IC 16 chân loại chân rết và IC 20 chân loại chân gầm. PHẦN 2 Thực nghiệm CHƢƠNG 3 Thực nghiệm 3.1. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHẾ/GIẢI ĐIỀU CHẾ DELTA TỰ THÍCH NGHI 3.1.1. Sơ đồ nguyên lý 3.1.2. Sơ đồ mạch in 6 3.1.3. Mạch in 3.1.4. Kết nối đo thử 7 3.1.5. Kết quả đo 8 3.1.6. Kết luận Thông qua đo thử và xem xét kết quả trên máy dao động ký ta hoàn toàn có thể thấy: Đối với tín hiệu đầu vào có biên độ lớn thì độ rộng xung mã Delta cũng lớn theo và khi tín hiệu đầu vào có biên độ nhỏ thì độ rộng xung mã Delta cũng nhỏ theo, hoàn toàn phù hợp với lý thuyết. 3.2. Thiết kế bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO 3.2.1. Sơ đồ nguyên lý 3.2.2. Sơ đồ mạch in 3.2.3. Mạch thực tế 9 3.2.4. Sự phụ thuộc của tần số vào điện áp 0 200 400 600 800 1000 1200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 V MHz 3.2.5. Kết nối đo thử và kết quả đo 10 f = 830 MHz f = 800 MHz . Xây dựng hệ thống truyền thông vô tuyến đảm bảo an toàn thông tin Vũ Tuấn Anh Trƣờng Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành:. điều chế ASK). KẾT LUẬN Với đề tài luận văn là Xây dựng hệ thống truyền thông vô tuyến đảm bảo an toàn thông tin , luận văn của tôi đã giải quyết đƣợc những