Các phương pháp điều chế và giải điều chế trong CDMA

1. 4 Thủ tục phát và thu tín hiệu

3.3 Các phương pháp điều chế và giải điều chế trong CDMA

3.3.1 Phương pháp điều chế và giải điều chế khóa dịch tần số FSK

Đối với phương pháp điều chế này, người ta thay đổi tần số sóng mang theo dải tín hiệu số cần truyền đi. Khi truyền dẫn tín hiệu số nhị phân, tần số sóng mang được thay đổi thành f0 (tần số thấp) và f1 (tần số cao) tương ứng với hai giá trị “0” và “1” của luồng số vào.

Trong FSK, biên độ của sóng mang không thay đổi trong quá trình điều chế nên không gây lãng phí công suất và tạo khả năng loại trừ đối với tạp âm. Hệ thống FSK có tỉ lệ lỗi ít hơn ASK và giá trị C/N nhỏ.Tuy nhiên hệ thống FSK không hiệu quả bằng hệ thống PSK về mặt công suất và độ rộng băng sử dụng.

Sơ đồ khối bộ điều chế FSK: Bộ điều chế FSK thực chất là một bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage Control Oscillator). Luồng tín hiệu số vào sẽ được đưa qua bộ chuyển đổi các mức logic thành các mức điện áp để

66

điều khiển bộ VCO tạo ra sóng mang thay đổi theo các mức điện áp đầu vào của nó.

Tín hiệu FSK cần tạo ra là tín hiệu sóng mang ở đầu ra có tần số thay đổi theo luồng tín hiệu số vào.

Với sơ đồ trên, dạng tín hiệu đầu ra FSK như sau: S(t)=Vc* Cos[(c /2)t]

Với:

c

 : Tần số sóng mang trung tâm. 2

/



 : Độ di tần tỉ lệ với biên độ và cực tính của tín hiệu nhị phân ngõ vào. Bit 1 là +V, bit 0 là -0V tạo nên độ di tần tương ứng là +/2 và-/2.

Sơ đồ khối bộ giải điều chế FSK:

- Sơ đồ khối của bộ giải điều chế FSK như sau:

 Đặc điểm: Do hệ thống CDMA thực hiện truyền qua môi trường vô tuyến, nên việc sử dụng tần số phải bảo đảm theo quy hoạch. Vì thế, điều chế FSK ít được dùng trong thông tin vô tuyến, nhưng nó có thể kết hợp với điều chế mã để tạo ra tính năng hữu dụng của nó. Ở đây, do thực hiện truyền qua môi trường vô

Output (FSK) Input

Binary

VCO

Hình 3.6: Sơ đồ khối của bộ điều chế FSK

Output Binary Input FSK PD LPF AP VCO

67

tuyến nên mọi phương pháp tách sóng phải thực hiện theo phương pháp tách sóng không liên kết là nhiều hơn tách sóng liên kết.

- Giải điều chế FSK liên kết:

Đối với phương pháp này, người ta căn cứ vào tín hiệu thu được để khôi phục sóng mang (đồng bộ sóng mang). Loại tách sóng này ít dùng trong thực tế, do khó khăn trong việc liên kết tần số. Khoảng cách biệt tần số tối thiểu hay độ di tần đỉnh tới đỉnh cực tiểu là: 2fd, khi trực giao (tương quan chéo bằng 0) với tách sóng kết hợp là: 2fd = rb/2 (với rb là tốc độ bit tiêu chuẩn hóa) và xác suất lỗi Pe xác định theo công thức sau:

PeFSK = ½ erfc[(1/2)* (W/rb)* (C/N)]1/2 FSK nếu so sánh với PSK về mặt xác suất lỗi thì ta thấy rằng xác suất lỗi bằng nhau nếu như công suất sóng mang của FSK tăng thêm 3dB. FSK kết hợp 99% độ rộng băng tần yêu cầu tuân theo quy luật Carlson, tức là 2 băng 2 lần di tần đỉnh đến đỉnh cộng với hai lần tần số điều chế cao nhất nếu tần số điều chế cao nhất được tính từ 0, có thể xem bằng một nữa độ rộng băng trung tần W. Độ di tần đỉnh tới đỉnh chia hết cho tần số điều chế cao nhất được định nghĩa là chỉ số điều chế m và có thể xem là độ di tần đỉnh tới đỉnh chia hết cho độ rộng băng W, và 99% độ rộng băng tần truyền dẫn là 2(1+m)W. Đối với phương pháp điều chế FSK kết hợp thì có độ di tần càng nhỏ càng tốt và xác suất lỗi Pe cũng là một hàm của độ di tần. Giảm độ di tần, Pe sẽ tăng lên. Giá trị tối ưu của độ di tần được xác định xấp xỉ bằng 0.7.

- Giải điều chế FSK không liên kết:

Phổ tần của điều chế FSK khi độ di tần từ đỉnh tới đỉnh là 2fd=krb (k là số nguyên) có các tần số sóng mang f0 - fd và f0 + fd.Từ phổ tần này, ta có thể dễ dàng tách ra tín hiệu mang tin nhờ hai bộ lọc băng thông với tần số trung tâm là f0 –fd và f0 + fd. Khi tần số sóng mang và tốc độ bit có quan hệ đơn trị như f0 =nrb, thì có nghĩa là sóng mang có quan hệ với tốc độ bit của tín hiệu mang tin. Tách sóng không liên kết sẽ là phương pháp thích hợp nhất trong việc truyền dẫn ở môi trường vô tuyến như trong thông tin di động CDMA (phương pháp thông dụng nhất).

68 Xác suất lỗi Pe được xác định như sau:

Pe = ½ exp[(1/2)* (W/rb)* (C/N)] Nó có thể có giá trị sau chỗ bộ tách sóng hình bao, khoảng cách tần số 2fd phải có giá trị ít nhất là 1/T (m≥1). Ta có thể dùng bộ tách sóng tần số để chuyển những biến thiên tần số thành những biến thiên biên độ sao cho tách sóng hình bao điều biên có thể thực hiện được. Sở dĩ ta dùng bộ tách sóng tần số là để tránh băng thông của hai bộ lọc chồng lẫn lên nhau. Phương pháp này hạn chế được những nhược điểm như đã đề cập ở trên với chỉ số điều chế m≥1.

 Nguyên lý:

Ta thấy rằng, khi không có tín hiệu vào thì điện áp ngõ ra của bộ khuếch đại Vout = 0. Khi có tín hiệu vào với điện áp Vin, tín hiệu này sẽ được đưa qua bộ tách sóng pha PD (Phase Detector) để so sánh pha và tần số của tín hiệu vào với pha và tần số của tín hiệu do bộ VCO tạo ra. Lúc này điện áp ngõ ra của bộ PD sẽ là điện áp tỉ lệ với sự sai biệt giữa hai tín hiệu (tức là sự sai biệt tần số tức thời giữa chúng). Giả sử tín hiệu sai biệt là Vd(t), tín hiệu này sẽ được đưa qua bộ lọc thông thấp LPF để lọc lấy thành phần một chiều biến đổi chậm, đây chính là điện áp cần tách sóng FSK. Tín hiệu ra bộ lọc LPF có biên độ tỉ lệ với độ di tần 

ngõ vào bộ tách sóng pha PD. Sau đó tín hiệu này được đưa tới bộ khuếch đại DC để khuếch đại tín hiệu một chiều DC cần thu lên đến mức cần thiết. Đồng thời một phần của tín hiệu này cũng được đưa về bộ VCO để điều khiển tần số của tín hiệu ra bám theo tần số của tín hiệu vào.

 Dạng sóng của tín hiệu FSK:

Giả sử ta xét luồng tín hiệu nhị phân là: 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0. Lúc đó dạng của tín hiệu điều chế FSK là: Binary Input FSK Carrier 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 Hình 3.8: Dạng sóng của tín hiệu FSK

69

3.3.2. Điều chế khóa dịch pha hai trạng thái (BPSK)

Đối với loại điều chế này thì tín hiệu sau khi điều chế có hai loại sóng mang được biểu thị như sau:

S1(t) = A* Cosct

S0(t) = -A* Cosct = - S1(t) = A* Cos(ct-) Trong đó:

S1(t): Đại diện cho mức nhị phân 1. S0(t): Đại diện cho mức nhị phân 0.

Trong điều chế PSK hai trạng thái (BPSK), biên độ giữ nguyên trong quá trình truyền dẫn, nhưng có sự chuyển đổi giữa hai trạng thái +A và –A, trạng thái –A có thể xem như là thay đổi pha 1800.

Sơ đồ khối bộ điều chế BPSK:

- Nguyên lý:

Luồng tín hiệu nhị phân vào được đưa qua bộ chuyển đổi mức để chuyển thành các mức điện áp +V và –V, tín hiệu sau khi được chuyển đổi mức được đưa vào bộ điều chế cân bằng để nhân với sóng mang cao tần sinct. Tín hiệu sau khi nhân được đưa qua bộ lọc thông băng BPF (Band Pass Filter) để lọc lấy băng tần cần thiết để truyền đi. Sau bộ lọc thông băng sẽ là tín hiệu điều chế BPSK, nó có dạng như sau:

S(t) = Ak(t)* Vsin[2fct + (t)]

Giả sử ở thời điểm ban đầu (t) = 0 thì ta được: S(t) = Ak(t)* Vsin(2fct) t Sinc Output (FSK) Input Binary BPF

70

Vì luồng bít vào là luồng bit nhị phân, nên Ak(t) có giá trị ứng với các bit “0” và “1” là:

Ak(t) = 1V, lúc đó: S(t)= Vsin2 fct. Ak(t) = -1V, luc đó: S(t)= Vsin(2fct +).

Từ đây ta thấy dạng sóng của tín hiệu điều chế BPSK đảo pha 1800 mỗi khi luồng bit vào có sự thay đổi từ bit 0 sang bit 1 và ngược lại.

- Dạng sóng của tín hiệu BPSK:

Giả sử luồng tín hiệu nhị phân vào là: 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0, thì dạng sóng của tín hiệu BPSK là:

- Giản đồ pha và phổ tín hiệu BPSK:

BPSK Output Carrier Binary Input 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 Hình 3.10: Dạng tín hiệu BPSK +Sin t  - Cos t Cos t Logic 1 00 Logic 1 1800 -900 900 -Sinct Hình 3.11: Quan hệ vị trí pha BPSK

71 f F0 1/T 2/T 3/T -1/T -2/T -3/T T Hình 3.12: Phổ tín hiệu BPSK

- Sơ đồ khối giải điều chế số BPSK:

Tín hiệu BPSK ngõ vào có dạng ±Sinct được đưa qua bộ lọc thông băng BPF và tách ra thành hai đường. Một đường được đưa đến bộ khôi phục sóng mang CR để khôi phục lại sóng mang, sau đó sóng mang này được đưa tới bộ giải điều chế cân bằng để phục vụ cho việc giải điều chế. Một đường được đưa tới bộ điều chế cân bằng để nhân với tín hiệu sóng mang đã được khôi phục Sinct. Giả sử tín hiệu BPSK ở đầu vào là Sinct (ứng với mức logic 1) thì lúc đó tín hiệu ở ngõ ra của bộ điều chế cân bằng sẽ là:

(Sinct)*( Sinct) = Sin2ct = ½ +1/2 * Cos2ct

Tín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông thấp và thành phần tần số cao 2c sẽ bị lọc, đầu ra của bộ loc thông thấp chỉ còn thành phần một chiều ½ VDC tương ứng với mức logic 1.

Tương tự nếu tín hiệu BPSK ngõ vào là - Sinct (ứng với mức logic 0) thì tín hiệu ngõ ra bộ lọc LPF sẽ là: -1/2 V DC tương ứng với mức logic 0.

t Sinc Output Binary Input BPSK BPF

Hình 3.13: Sơ đồ khối bộ giải điều chế BPSK

LPF

72

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu với sự chỉ bảo tận tình của thầy hướng dẫn, em đã hoàn thành báo cáo “Nghiên cứu hệ thống thu phát trải phổ trong CDMA”. Qua đó, em đã hiểu và nắm được các đặc điểm của hệ thống CDMA nói chung và kỹ thuật trải phổ sử dụng trong mạng di động CDMA nói riêng.

Sau khi tìm hiểu các kỹ thuật này, em đã nhận ra ưu điểm vượt trội của công nghệ CDMA. Tuy ra đời sau nhưng nó hơn hẳn các công nghệ khác về khả năng đa truy nhập, chất lượng và bảo mật.

Công nghệ CDMA ngày càng hoàn thiện và đưa vào ứng dụng trong thực tế. Nhưng với khoảng thời gian có hạn và do điều kiện chưa cho phép, nên các vấn đề em tìm hiểu được giới hạn như trên. Nhưng đó là những kiến thức nền tảng giúp em sau này có thể tự tìm hiểu thêm về mạng thông tin di động nói chung và mạng CDMA nói riêng.

73

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. HỆ THỐNG CDMA One và CDMA2000-1x, NHÀ XUẤT BẢN BƯU ĐIỆN.

[2]. INTRODUCTION TO SPREAD SPECTRUM COMMUNICATIONS, Roger L. Peterson – RogerE. Ziemer – David E. Borth.

[3]. LẬP TRÌNH MATLAB VÀ ỨNG DỤNG , Th.s NGUYỄN HOÀNG HẢI – Th.s NGUYỄN VIỆT ANH.

[4]. HỆ THỐNG VIỄN THÔNG , VŨ ĐÌNH THÀNH. [5]. LUẬN VĂN KHÓA TRƯỚC