Hệ thống nhảy tần – FH

Nói chính xác thì điều chế FH là “sự dịch chuyển tần số của nhiều tần số được chọn theo mã”. Nó gần giống như điều chế FSK ngoài việc dải chọn lọc tần số tăng lên. FSK đơn giản chỉ sử dụng 2 tần số và phát tín hiệu là f1 khi có ký hiệu và f2 khi không có ký hiệu. Trong khi đó, hệ thống FH có thể sử dụng vài nghìn tần số. Trong các hệ thống thực tế thì sự chọn lọc ngẫu nhiên trong 220 tần số được phân bổ có thể được chọn nhờ sự tổ hợp mã theo mỗi thông tin chuyển dịch tần số. Trong điều chế FH, khoảng dịch giữa các tần số phụ thuộc vào các yêu cầu vị trí đối với việc lắp đặt cho các mục đích đặc biệt.

Trong hệ thống FH-CDMA, tần số sóng mang của tín hiệu thông tin được điều chế không liên tục mà biến đổi tuần hoàn. Trong suốt khoảng thời gian T, tần số sóng mang giữ nguyên như cũ nhưng sau mỗi khoảng thời gian sóng mang lại nhảy đến một tần số khác (hoặc cũng có thể là tần số cũ). Kiểu nhảy do tín hiệu mã hóa quy định. Tập hợp các tần số có thể dùng được mà tần số sóng mang này có thể đạt được, được gọi là một “tập hợp nhảy” (hop set). Tần số chiếm của hệ thống FH-SS khác đáng kể so với tần số chiếm của hệ thống DS-SS. Hệ thống DS chiếm toàn bộ dải tần số khi nó phát tín hiệu, trong khi đó hệ thống FH chỉ sử dụng một phần nhỏ dải thông khi nó phát tín hiệu, nhưng vị trí xác định của từng phần dải thông này theo thời gian sẽ khác nhau.

Giả sử rằng, một hệ thống FH truyền tín hiệu trong dải tần số thấp (như trên hình 2.8). Một hệ thống DS truyền tín hiệu trong cùng khoảng thời gian thì công suất tín hiệu của nó trải rộng trên toàn bộ dải tần số và kết quả là công suất phát ở dải tần số này thấp hơn nhiều công suất phát trong hệ thống FH. Tuy nhiên, hệ thống DS truyền tín hiệu trên dải tần số trong tất cả các khoảng thời gian, trong khi đó hệ thống FH chỉ sử dụng dải băng tần này trong một phần thời gian. Trung bình, cả hai hệ thống đều truyền tín hiệu với cùng công suất trong một dải tần số. Sự khác biệt giữa hệ thống DS-SS và FH-SS được minh họa trên hình 2.8. Hình 2.9 là sơ đồ khối của máy phát FH-SS và máy thu FH-SS.

Thời gian T ần s ố Thời gian T ần s ố DS FH

Hình 2.8: Sự chiếm giữ thời gian/tần số của các tín hiệu DS và FH

Tín hiệu dữ liệu được điều chế băng gốc trong một sóng mang. Có thể sử dụng nhiều kỹ thuật điều chế trong quá trình điều chế. Thông thường, tín hiệu tương tự sử dụng kỹ thuật điều chế FM, tín hiệu số sử dụng kỹ thuật điều chế FSK. Có thể sử dụng bộ tổng hợp tần số nhanh được điều khiển bởi tín hiệu mã hóa, tần số sóng mang được chuyển đổi lên (convert up) thành tần số phát đi.

Quá trình ngược lại xảy ra ở nơi thu. Với một chuỗi phát đi tại chỗ, tín hiệu thu được sẽ chuyển đổi xuống (convert down) thành sóng mang điều chế băng gốc. Và sẽ thu được tín hiệu sau khi giải điều chế (băng gốc). Mạch đồng bộ hóa/bám bảo đảm bước nhảy của sóng mang được phát đi tại chỗ sẽ được đồng bộ hóa với bước nhảy của sóng mang nhận được ở nơi thu, do vậy tín hiệu sẽ được giải trải phổ thích hợp.

Với giao thức FH-CDMA, tạo ra một sự khác biệt, và sự khác biệt này phụ thuộc vào tốc độ nhảy của sóng mang. Nếu số bước nhảy nhiều hơn tốc độ ký hiệu, tức là đề cập đến giao thức Fast FH (F-FH) CDMA. Trong trường hợp này,

đến khi ký hiệu này được truyền tại các tần số khác. Nếu số bước nhảy ít hơn tốc độ ký hiệu, tức là đề cập đến giao thức Slow FH (S-FH) CDMA. Trong trường hợp này, các ký hiệu đồng thời được truyền đi tại cùng một tần số.

Bộ điều chế băng cơ sở

Bộ tạo mã

Chuyển đổi lên

Bộ tổng hợp tần số Dữ liệu b(t) c(t) s(t) y(t) x(t) a) Máy phát Bộ giải điều chế dữ liệu Bộ tạo mã Chuyển đổi xuống Bộ tổng hợp tần số s(t) Đồng bộ hóa/ bám b) Máy thu b(t)

Hình 2.9: Sơ đồ khối máy thu, phát của hệ thống FH-SS

Dải thông chiếm của một tín hiệu trong một bước nhảy tần số không chỉ phụ thuộc vào dải thông của tín hiệu thông tin mà còn phụ thuộc vào dạng của tín hiệu nhảy và nhảy tại tần số nào. Nếu tần số của bước nhảy nhỏ hơn rất nhiều so với dải thông của tín hiệu thông tin (đây là trường hợp S-FH), thì dải thông của tín hiệu thông tin là thừa số chính để quyết định dải thông chiếm. Tuy nhiên, nếu tần số của bước nhảy lớn hơn rất nhiều dải thông của tín hiệu thông tin thì dạng xung của tín hiệu nhảy sẽ quyết định dải thông chiếm tại tần số của bước nhảy. Nếu dạng xung thay đổi đột ngột (do tần số thay đổi đột ngột), dải tần số sẽ rất rộng, sẽ giới hạn số các tần số của bước nhảy. Nếu ta chắc chắn tạo ra được các tần số thay đổi trơn tru, thì dải tần số tại mỗi điểm tần số thực hiện bước nhảy

bằng 1/Th lần tần số dải thông (Th là chu kỳ bước nhảy tần). Ta có thể tạo ra các tần số thay đổi trơn tru bằng cách giảm công suất phát trước khi thực hiện một bước nhảy tần số và tăng công suất phát về như cũ khi tần số của bước nhảy đã thay đổi xong.

Về mặt định lượng, ta xét một hệ thống Fast FH/SS sử dụng kỹ thuật điều chế FSK như sau: Bộ tạo mã PN Bộ nhân tần số Bộ tổng hợp tần số Bộ điều chế FSK  1 băng rộngBPF b(t) x(t) y(t) s(t) j bit

Hình 2.10: Sơ đồ khối máy phát của hệ thống Fast FH/SS.

Tại máy phát, tín hiệu FSK cơ số hai x(t) được tạo ra từ luồng dữ liệu. Trong khoảng thời gian mỗi bit x(t) có một trong hai tần số f’ và  f ' f  tương ứng với các bit dữ liệu 0, 1.

        cos 2 ' 0 cos 2 ' 1 f t bit x t f f t bit        

Tín hiệu này được trộn với tín hiệu y(t) từ bộ tổng hợp tần số. Cứ mỗi Th

giây, tần số của y(t) lại thay đổi theo các giá trị của J bit nhận được từ bộ tạo chuỗi PN. Do có 2J tổ hợp của J bit nên ta có thể có tới 2J tần số được tạo ra bởi bộ tổng hợp tần số. Bộ trộn tạo ra tần số của tổng và hiệu, một trong hai tần số này được lọc nhờ bộ lọc BPF. Tín hiệu ra của bộ tổng hợp tần số trong đoạn nhảy thứ l như sau:   2 cos 2  g l l  l, h  1 h y t  A  f    i f b f t lT   t l T (2.11) Trong đó: il - Các số nguyên chẵn 0,2,...,2 2 j 1 l i   fg - Tần số không đổi 

Giả sử rằng tần số tổng cộng tại đầu ra của bộ trộn được đưa qua bộ lọc BPF. Tín hiệu lối ra của bộ lọc BPF trong bước nhảy thứ l là:

  cos 2  0 l l  l, h  1 h

s t  A  f    i f b f t lT   t l T (2.12) Với bl 0,1 là giá trị của dữ liệu trong khoảng thời gian lTh   t l 1Th và

'

0 g

f  f  f .

Bộ nhân tần với mục đích trải rộng thêm băng tần của hệ thống FH/SS. Tại máy thu, tín hiệu thu được trước hết được lọc bằng bộ lọc BPF có độ rộng băng tần bằng độ rộng băng tần của tín hiệu Fast FH/SS. Ta không cần khôi phục sóng mang vì ta sử dụng bộ giải điều chế không kết hợp. Sở dĩ ta không sử dụng bộ giải điều chế kết hợp vì với tốc độ nhảy tần cao, máy thu rất khó theo dõi được pha của sóng mang khi pha thay đổi ở mỗi đoạn nhảy. Bộ tạo mã tạo ra một chuỗi PN đồng bộ với chuỗi thu. Ở đoạn nhảy thứ l, lối ra của bộ tổng hợp tần số có dạng:

     '  

cos 2 g l l ; h 1 h

g t   f  i f t lT   t l T (2.13) Không tính đến nhiễu, thì lối vào bộ lọc băng rộng BPF là:

       '    

0

. cos 2 g l l .cos 2 l l l

g t s t  A  f  i f t  f    i f b f t (2.14) Bộ lọc băng hẹp BPF lọc bỏ thành phần tần số cao, chỉ giữ lại thành phần

tần số thấp. Nếu ký hiệu '

0 g

f  f  f thì lối vào của bộ giải điều chế FSK là:

        ' ' ' ' cos 2 0 2 cos 2 1 2 l l l l l l A f t b w t A f f t b                     (2.14)

Ta thấy rằng, lối ra của bộ thu chứa tần số '

f hoặc tần số  ' 

f  f Hz. Vì

bl không đổi trong thời gian một bit nên trong khoảng T giây này w(t) có tần số không đổi. Như vậy trong thời gian T giây, bộ giải điều chế FSK tách tần số và tạo các mức logic “0”, “1”. Chúng ta cũng có thể tách tần số chứa trong w(t) cho từng bước nhảy để nhận được các giá trị T/Th. Từ các giá trị này, sử dụng nguyên tắc đa số để quyết định bit dữ liệu là “0” hay “1”.

Bộ tạo mã PN BPF băng hẹp Bộ tổng hợp tần số BPF

băng rộng f ', 'f  f Giải điều chế FSK không kết hợp

s(t)+n(t) g(t) s(t) J bit b(t) w(t) Hình 2.11: Sơ đồ khối máy thu của hệ thống Fast FH-SS

Các đặc trưng của hệ thống FH-CDMA

Như với giao thức DS-CDMA, ta xét các đặc tính của giao thức FH- CDMA ở khía cạnh khả năng đa truy nhập, loại bỏ nhiễu đa đường, loại bỏ nhiễu băng hẹp, và xác suất thu trộm.

 Đa truy nhập: Trong giao thức F-FH, mỗi bit được truyền trong các dải tần số khác nhau. Nếu người dùng ta quan tâm là duy nhất, phát đi trên hầu hết các dải tần số, thì công suất thu được của tín hiệu mong muốn sẽ lớn hơn rất nhiều công suất của nhiễu, và tín hiệu sẽ thu được chính xác. Trong giao thức S-FH, các bit đồng thời được truyền đi tại một tần số. Nếu xác suất của những người dùng khác phát tín hiệu tại cùng dải tần số này thấp hơn, thì người dùng ta quan tâm sẽ được ghi nhận chính xác trên hầu hết khoảng thời gian. Nếu khoảng thời gian này có nhiễu do người dùng khác gây can nhiễu, hệ thống sẽ sử dụng các mã sửa lỗi để thu lại tín hiệu dữ liệu đã truyền đi trong khoảng thời gian đó.

 Nhiễu đa đường: Trong giao thức F-FH CDMA, tần số sóng mang thay đổi một vài lần trong suốt quá trình truyền đi một ký hiệu. Do đó, một tần số tín hiệu cụ thể sẽ được điều chế và truyền đi trên một vài tần số sóng mang. Hiệu ứng đa đường xảy ra khác nhau tại các tần số sóng mang khác nhau. Kết quả là, các tần số tín hiệu được khuếch đại tại một tần số sóng mang và bị suy giảm tại một tần số sóng mang khác và ngược lại. Tại nơi thu, sẽ lấy trung bình các đáp ứng tại các tần số nhảy khác nhau, do đó sẽ giảm được nhiễu đa đường. Điều này không có hiệu quả tốt như việc loại bỏ nhiễu đa đường trong hệ thống DS-CDMA nhưng nó vẫn cải thiện chất lượng truyền tín hiệu.

 Nhiễu băng hẹp: Giả sử rằng một tín hiệu băng hẹp gây can nhiễu tại một trong các tần số nhảy. Nếu có Gp tần số nhảy (với Gp là độ lợi xử lý), thì người dùng mong muốn (trên trung bình) sử dụng tần số nhảy bậc tại nơi có nhiễu cục bộ là 1/Gp phần trăm của toàn dải thời gian. Do vậy, nhiễu này sẽ suy giảm theo hệ số Gp.

 LPI: Khó khăn trong việc thu trộm một tín hiệu FH không ở chỗ công suất phát thấp của tín hiệu này. Trong khi phát, nó dùng công suất tính trên 1 Hz giống như tín hiệu liên tục. Tuy nhiên, tín hiệu được phát tại tần số không biết trước và thời gian phát tại một tần số cụ thể là khá nhỏ. Do đó, mặc dù tín hiệu này thu trộm dễ hơn tín hiệu DS thì nó vẫn là một nhiệm vụ thực hiện khá khó khăn.

Ưu nhược điểm của hệ thống FH-CDMA

Ngoài một số các đặc tính đã đề cập ở trên, giao thức FH-CDMA còn có một số các đặc tính riêng mà ta có thể chia ra thành các ưu, nhược điểm như sau:

 Ưu điểm:

- Việc đồng bộ hóa với tín hiệu FH-CDMA dễ thực hiện hơn nhiều so với tín hiệu DS-CDMA. Với hệ thống FH-CDMA, việc đồng bộ phải thực hiện trong một phần của thời gian nhảy. Do thực hiện trải phổ không phải bằng cách dùng một tần số nhảy lớn, mà dùng một tập hợp lớn các bước nhảy, nên thời gian thực hiện bước nhảy sẽ lớn hơn rất nhiều so với chu kỳ chip của hệ thống DS-CDMA. Do đó, hệ thống FH-CDMA cho phép xảy ra một lỗi đồng bộ lớn hơn.

- Tín hiệu FH có thể chiếm các dải tần số khác nhau không liền kề nhau, bởi vì ta có thể tạo ra tần số tổng hợp có thể bỏ qua một vài phần nào đó của phổ. Cùng với việc đồng bộ hóa dễ dàng, điều này cho phép dải thông của hệ thống rộng hơn rất nhiều dải thông hệ SS.

- Do FH-CDMA là hệ thống phòng tránh, nên xác suất nhiều người dùng đồng thời truyền tín hiệu trong cùng một dải tần số tại cùng một thời điểm là rất thấp. Trạm gốc vẫn có thể thu được tín hiệu của người dùng ở xa nó ngay cả khi những người dùng gần trạm gốc đang phát tín hiệu, là do những người dùng này có thể đang phát tín hiệu tại các tần số khác. Do đó, hiệu năng gần-xa của hệ FH- CDMA tốt hơn của hệ DS.

- Bởi vì có thể sử dụng một hệ thống FH mà dải thông có thể rộng hơn, nên có thể giảm nhiễu băng hẹp nhiều hơn so với hệ thống DS.

 Nhược điểm:

- Cần có bộ tổng hợp tần số phức tạp.

- Sự thay đổi đột ngột của tín hiệu khi các dải tần số thay đổi sẽ dẫn tới việc chiếm dải tần số tăng. Để tránh hiện tượng đó tín hiệu phải đóng và mở khi tần số thay đổi.

- Rất khó thực hiện giải điều chế kết hợp do việc duy trì mối quan hệ về pha trong suốt thời gian thực hiện bước nhảy.