Tín hiệu gốc trước khi thực hiện trải phổ là:
v( )t = 2Ps cos(ω0t +d( )t Ω+θ) (3.24)
Tín hiệu gốc sẽ được điều chế FH bằng cách biến thiên tần số sóng mang. Kết quả là tín hiệu được trải phổ FH có dạng như sau:
( )t = P (ω t+d( )t Ω+θ)
s 2 s cos i (3.25)
trong đó ωi là tần số sóng mang của tín hiệu sẽ thay đổi sau mỗi thời gian TH và được chọn từ một tập hợp tần số có giá trị mang tính chất giả ngẫu nhiên, thông thường từ 32 đến 500 tần số khác nhau hình thành nên tập hợp này. Ở phương pháp này, chuỗi mã g(t) không điều chế trực tiếp mà nó dùng để điều khiển việc chọn tần số sóng mang.
Quá trình điều chế - giải điều chế:
Hình 3.8: Giải điều chế FH dùng BPSK 3.1.3 TH - CDMA (Time Hopping CDMA)
Trải phổ nhảy thời gian là kỹ thuật thứ ba dùng trong CDMA. Kỹ thuật này cũng tương tự như FH nhưng lại sử dụng khe thời gian thay vì khe tần số. Bộ điều chế TH cơ bản như sau:
Hình 3.9: TH Modulator
Chuỗi giả ngẫu nhiên PN dùng để chọn khe thời gian phát cụm. Các bit dữ liệu được lưu trữ và truyền với tốc độ cao trong suốt quá trình truyền cụm. Sơ đồ bộ thu tín hiệu TH cho như sau:
Hình 3.10: TH Receiver
Bộ chọn khe thời gian (time slot selector) dùng để chọn thành phần mong muốn của khung và sau đó thực hiện giải điều chế. Bộ đồng bộ bit (bit synchronizer) sử dụng các dữ liệu chuyển tiếp để thực hiện tinh chỉnh mã. Quá trình tinh chỉnh mã được thực hiện bởi clock dữ liệu và clock đồng bộ PN.
3.1.4 Hệ thống hỗn hợp (Hybrid) FH/DS
Hệ thống FH/DS sử dụng tín hiệu điều chế DS với tần số trung tâm được chuyển dịch một cách định kỳ. Phổ tần số của bộ điều chếđược minh hoạ như sau:
Hình 3.11: Phổ tần số của hệ thống tổng hợp FH/DS
Một tín hiệu DS xuất hiện một cách tức thời với băng thông là một phần của các tín hiệu trải phổ chồng lấn nhau và tín hiệu toàn bộ xuất hiện khi dịch chuyển tới băng thông khác bởi mô hình tín hiệu FH.
Hệ thống điều chế tổng hợp có ý nghĩa đặc biệt khi tốc độ xung clock của bộ tạo mã DS đạt được giá trị cực đại và giá trị giới hạn của kênh FH. Bộ phát tổng hợp FH/DS cơ bản như sau:
Hình 3.12: Bộ điều chế tổng hợp FH/DS
Bộ điều chế tổng hợp này thực hiện chức năng điều chế DS nhờ biến đổi tần số sóng mang (sóng mang FH là tín hiệu DS được điều chế) không giống như bộ điều chế DS đơn giản, nghĩa là có một bộ tạo mã để cung cấp các mã với bộ trộn tần được sử dụng để cung cấp các dạng nhảy tần số và một bộ điều chế cân bằng đểđiều chế DS.
Sự đồng bộ thực hiện giữa các mô hình mã FH/DS biểu thị rằng phần mô hình DS đã cho được xác định tại cùng một vị trí tần số lúc nào cũng được truyền qua kênh tần số nhất định. Nhìn chung, tốc độ mã của DS phải nhanh hơn tốc độ dịch tần. Do số lượng các kênh tần số được sử dụng nhỏ hơn nhiều so với lượng các chip mã nên tất cả các kênh tần số nằm trong tổng chiều dài mã sẽ được sử dụng nhiều lần. Các kênh được sử dụng ở dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên như trong trường hợp các mã.
Hình 3.13: Bộ thu tổng hợp FH/DS
Bộ tương quan được sử dụng để giải điều chế tín hiệu đã được mã hoá trước khi thực hiện giải điều chế băng tần gốc tại đầu thu. Bộ tương quan FH có một bộ tương quan DS và tín hiệu dao động nội được nhân với tất cả các tín hiệu thu được. Bộ tạo tín hiệu dao động nội trong bộ tương quan giống như bộ điều chế phát ngoại trừ hai điểm sau:
• Tần số trung tâm của tín hiệu dao động nội được cốđịnh bằng độ lệch tần số trung tần IF.
• Mã DS không bị biến đổi bởi đầu vào băng gốc.
Giá trị độ lợi xử lý của hệ thống tổng hợp được tính bằng tổng độ lợi xử lý của hai loại điều chế trải phổ trên:
Gp(FH/DS) = Gp(DS) + Gp(FH) = 10log(số lượng các kênh)+10log(BWDS/fb) (3.26)
3.1.5 Đồng bộ
Đồng bộ tín hiệu trải phổởđầu thu cần yêu cầu ba loại đồng bộ:
• Đồng bộ sóng mang và pha (khôi phục sóng mang). • Đồng bộ bit (khôi phục định thời bit).
Đối với các hệ thống không kết hợp, như hệ thống giải điều chế FSK và DPSK không kết hợp, thì không cần mạch phục hồi sóng mang, quá trình giải điều chế được tiến hành bằng bộ giải điều chế sai phân. Còn hệ thống kết hợp thì phải yêu cầu cả ba loại đồng bộ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Quá trình đồng bộđược tiến hành qua hai giai đoạn: • Đồng bộ thô (coarse synchronization). • Tinh chỉnh đồng bộ (fine synchronization).
3.1.5.1 Đồng bộ cho hệ thống DS 3.1.5.1.1 Đồng bộ thô
Đồng bộ thô là quá trình tìm kiếm tất cả các pha của tín hiệu đến khi pha của chuỗi tín hiệu nhận được có cùng pha với chuỗi giả ngẫu nhiên tạo ra ở máy thu. Kỹ thuật đồng bộ thô thường sử dụng là tìm nối tiếp từng bước (stepped serial search). Kỹ thuật này có thể thực hiện như sau:
Hình 3.14: Mạch đồng bộ thô DS
Tín hiệu thu có dạng:
r( )t = Psg( ) (t cosω0t+θ) (3.27)
Đầu tiên, công tắc S ở vị trí 1 có điện áp cố định cho phép cổng AND. Bộ dao động hoạt động ở tần số fc cho ra các xung clock điều khiển bộ tạo chuỗi giả
ngẫu nhiên. Giả sử rằng bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên ở máy thu và ở máy phát không đồng bộ nên tín hiệu vào BPF có phổ trải rộng. Tín hiệu này sẽ có mật độ phổ công suất nhỏ. Do đó mức công suất ở ngõ ra của BPF và của mạch tách sóng bao hình là mức thấp . Sau đó tín hiệu ngõ ra bộ tách sóng bao hình cho qua mạch tích phân. Nếu tín hiệu chưa đồng bộ thì ngõ ra của mạch tích phân sẽ không đủ lớn hơn điện áp ngưỡng của mạch so sánh. Khi công tắc S sẽ chuyển sang vị trí 2 thì cổng AND không hoạt động và dừng bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên. Sau đó công tắc S chuyển sang vị trí 1 quá trình được lặp lại.. Đồng bộ thô được xác lập khi tích g(t)g(t – iTc) = g2(t) = 1, lúc này ngõ ra của mạch tách sóng hình bao và của mạch tích phân có mức cao nên ngõ ra của bộ so sánh cũng ở mức cao. Công tắc S chuyển sang vị trí 1 hay 2 không làm dừng hoạt động của bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên.
3.1.5.1. Tinh chỉnh đồng bộ (Tracking or Fine Synchronization)
Tín hiệu sau khi được đồng bộ thô sẽ đưa vào mạch tinh chỉnh đồng bộ, sử dụng DLL (Delay Locked Loop) như sau:
Hình 3.15: Mạch tinh chỉnh đồng bộ DS
Tín hiệu ngõ vào DLL liên quan đến tốc độ chuỗi giả ngẫu nhiên g(t) và chuỗi dữ liệu d(t). Bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên ở máy thu sẽ tạo ra chuỗi giống như chuỗi thu được nhưng sẽ lệch một khoảng thời gian, tức là g(t +τ) và sau đó sẽ tạo ra hai chuỗi sớm và trễ một lượng Tc/2:g(t+τ −Tc 2)vàg(t+τ +Tc 2).
vD =g( ) (t g t+τ −Tc 2) ( ) (d t cosω0t+θ) (3.28)
vA =g( ) (t g t+τ +Tc 2) ( ) (d t cosω0t+θ) (3.29) Các tín hiệu này cho qua các bộ BPF giống nhau có BW = 2fb và tần số trung
tâm f0. Băng thông của BPF nhỏ hơn nhiều so với băng thông của chuỗi giả ngẫu nhiên nên chỉ cho giá trị trung bình của g( ) (t g t+τ ±Tc 2) đi qua. Do đó ngõ ra của mạch lọc là:
vDF ≈d( ) (t cosω0t +θ) (3.30) vAF ≈d( ) (t cosω0t+θ) (3.31) Ta thấy rằng giá trị trung bình của tích g( ) (t g t+τ ±Tc 2) là hàm tự tương quan của nó: Rg(τ ±Tc 2) ( ) (=g t g t+τ ±Tc 2) (3.32) Mạch tách sóng bao hình sẽ loại dữ liệu d(t) nên tín hiệu ngõ ra là: ( c 2) g T R τ − Và Rg(τ +Tc 2) Ngõ vào của VCO là: y( )t = Rg(τ −Tc 2) − Rg(τ +Tc 2) (3.33) Hình 3.16: VCO Input
VCO và làm giảm τ. Tương tự, nếu τ < 0 thì điện áp âm xuất hiện ở ngõ vào VCO làm giảm tần số của VCO và làm tăng τ.
3.1.5.2 Đồng bộ cho hệ thống FH 3.1.5.2.1 Đồng bộ thô
Như ta đã biết, hệ thống thông tin không kết hợp như FSK sẽ yêu cầu đồng bộ bit để cho phép phục hồi tín hiệu ở đầu thu. Hệ thống kết hợp yêu cầu thêm đồng bộ pha và sóng mang để cho phép giải điều chế tín hiệu. Trong hệ thống trải phổ, đồng bộ pha sử dụng để tạo lại dạng sóng chia (chipping waveform) giống với tín hiệu phát. Quá trình đồng bộ thô FH tương tự như kỹ thuật tìm nối tiếp trong hệ thống DS ngoại trừ bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên điều khiển tần số nhảy. Sơ đồ khối của mạch đồng bộ thô FH như sau:
Hình 3.17: Mạch đồng bộ thô FH
Mạch bao gồm bộ trộn, bộ BPF có tần số trung tâm là f0 với băng thông gấp hai lần tốc độ nhảy (BW = 2fH), bộ tách sóng bao hình, bộ so sánh và VCO. VCO bao gồm xung clock, bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên, bộ tổng hợp tần số. Xung clock được điều khiển bởi ngõ ra bộ so sánh và được truyền tới bộ tạo PN. Bộ tạo chuỗi PN và tổng hợp tần số của máy phát và máy thu giống nhau. Bộ tổng hợp tần số chỉ có một bộ dao động mà tần số của nó được điều khiển bởi chuỗi giả ngẫu nhiên. Do đó,
khi chuỗi giả ngẫu nhiên thay đổi trạng thái (mỗi trạng thái tồn tại trong khoảng thời gian TH = 1/fH) thì bộ tổng hợp tần số sẽ nhảy từf1 tới f2, …, fN và quay trở lại f1.
Mạch đồng bộ thô dùng để điều chỉnh sao cho bộ tạo chuỗi PN ở máy thu đồng bộ với máy phát. Giả sử tần số ban đầu tại bộ tổng hợp tần sốở máy thu là f0 + fj trong khi đó tần số thu được là fi với fi ≠ fj.Tại ngõ ra của bộ trộn tần sẽ có tần số
(fj fi)
f0 + − và không đi qua được BPF. Do đó ngõ ra của mạch tách sóng hình bao là 0 và được so sánh với điện áp ngưỡng nên ngõ ra mạch so sánh là 0 → không cho phép bộ dao động hoạt động. Ta thấy nếu tần số tín hiệu nhận được khác fi thì bộ tạo chuỗi PN sẽ không hoạt động và bộ tổng hợp tần số ở đầu thu giữ nguyên tần số.
Khi tần số thu là fj thì sẽ có tín hiệu đi qua mạch BPF và ngõ ra bộ tách sóng sẽ lớn hơn điện áp ngưỡng nên ngõ ra của bộ so sánh là 1 → bộ dao động hoạt động và bộ tạo chuỗi PN ở máy thu sẽ có trạng thái sớm hơn so với ở máy phát. Dạng sóng của các ngõ ra có dạng như sau:
Hình 3.18: Dạng sóng của mạch đồng bộ thô FH
chuỗi PN ở máy thu thay đổi trạng thái chậm hơn thời gian thay đổi trạng thái của máy phát. Ngoài ra, do sự đáp ứng chậm này, ngõ ra của bộ tách sóng giữ nguyên ở trên mức điện áp ngưỡng và vẫn điều khiển bộ dao động hoạt động trong suốt thời gian khi hai chuỗi PN không cùng trạng thái.
3.1.5.2.2 Tinh chỉnh đồng bộ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Để hiệu quả trong tinh chỉnh, chúng ta cần phải thay thế VCO của mạch đồng bộ thô bằng một VCO mà tần số của nó có thể hiệu chỉnh trên hoặc dưới tần số nhảy. Tần số của VCO được điều khiển bởi điện áp. Điện áp này được đo bởi sự khác biệt pha giữa hai chuỗi giả ngẫu nhiên, dùng để tăng hay giảm tần số VCO để giảm sự khác biệt pha. Thông thường sử dụng PLL (Phase Locked Loop).
Sơđồ khối của hệ thống cho như sau:
Hình 3.19: Mạch tinh chỉnh đồng bộ FH (hay mạch tinh chỉnh cổng sớm trễ) Mạch BPF có băng thông đủ lớn để cho dữ liệu đi qua (BW = 2∆f). Bộ điều khiển đóng/mở của mạch đồng bộ thô được thay thế bởi VCO hoạt động ở tần số fH. Tuy nhiên, có thể biến đổi trên hay dưới tần số fH nhờ tín hiệu điều khiển ở ngõ ra của mạch LPF làm cho xung clock ở bộ tạo chuỗi PN sẽ biến đổi giữa hai mức điện áp +1 và -1. Bộ tách sóng hình bao, không giống như trong mạch đồng bộ thô, có đáp ứng nhanh. Để đơn giản, ta giả sử rằng ngõ ra của mạch tách sóng hình bao đáp
ứng ngay lập tức và không có thời gian trễ. Cổng giữa mạch tách sóng hình bao và mạch LPF gọi là cổng phát (transmission gate). Khi có tín hiệu ra của bộ tách sóng hình bao thì xung clock của VCO sẽ được truyền qua cổng và ngược lại. Nói chung, ta có thể thấy rằng đặc tính hoạt động của cổng như một quá trình nhân nếu xung clock của VCO biến đổi ở hai mức điện áp 1V và ngõ ra của mạch tách sóng là 0 khi không có tín hiệu ra và 1 khi có tín hiệu.
Giả sử rằng đồng bộ thô đã được thiết lập, bộ tạo chuỗi PN giữa máy phát và máy thu sẽ trễ một lượng là τ. Trong suốt khoảng trễ này, hai chuỗi không cùng trạng thái nên ngõ ra mạch tách sóng sẽ có giá trị 0 và ngược lại. Do đó, dạng sóng
d v
g VV
V = sẽ có ba mức và được đưa vào mạch LPF nên ngõ ra là Vc (giá trị trung bình của Vg) điều khiển VCO. Nếu ngõ ra VCO đối xứng và τ = 0 thì Vc = 0. Tuy nhiên, trong thực tế thì τ ≠ 0 nên Vc sẽ ở một trong hai mức để tăng hay giảm tần số VCO. Phương pháp đồng bộ này gọi là cổng sớm-trễ (early-late gate). Khi |τ| < TH
thì hệ thống được đồng bộ, ngược lại, hệ thống mất đồng bộ và phải thực hiện lại toàn bộ quá trình.
Các dạng sóng mô tả hoạt động của mạch như sau:
3.1.6 So sánh các phương pháp trải phổ 3.1.6.1 DS - CDMA Khả năng chống nhiễu: Tín hiệu đến máy thu: ( ) ( ) ( )t s t nt r = + (3.34)
Quá trình điều chế tác động đến nhiễu như sau: - Nhân r(t) với chuỗi PN:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )t g t s t g t nt g t
r = + (3.35)
- Nhân với thành phần sóng mang được phục hồi ở máy thu:
( ) ( )t g t ct s( ) ( )t g t ct n( ) ( )t g t ct
r ′ cosω = cosω + cosω (3.36)
Xét thành phần nhiễu: N( ) ( ) ( )t =n t g t cosωct
Sau khi qua bộ LPF thì thành phần này được lấy trung bình như sau:
( ) ( ) ( )t tdt g t n N b b T k kT ω cos 1 ∫ + = (3.37)
Nếu chọn tần số sóng mang fc sao cho fc = k/Tb thì thành phần nhiễu bị triệt tiêu.
Ưu điểm của hệ thống CDMA:
- Khả năng triệt nhiễu. - Độ bảo mật cao.
- Chống hiện tượng fading. - Hệ thống linh động.
- Cho phép xây dựng một hệ thống thông tin phân kênh theo mã cho phép truyền cùng lúc nhiều kênh trên cùng một tần số trong đó mỗi kênh thông tin được gán băng một mã PN riêng.
3.1.6.2 FH - CDMA
Trong hệ thống này, băng thông tín hiệu không được trải rộng ra trực tiếp mỗi kênh tần số ωi, như trong phạm vi của N kênh truyền thì băng thông tín hiệu sẽđược trải rộng.
Khả năng chống nhiễu: Hệ thống FH không có khả năng chống nhiễu tốt bằng hệ thống DS. Để chống nhiễu tốt thì chỉ tăng độ lợi xử lý của hệ thống bằng cách tăng băng thông của mỗi kênh hay mở rộng số kênh truyền N.
Ưu khuyết điểm:
Nguyên lý FH cũng cho phép xây dựng một hệ thống thông tin đa kênh nhưng không sử dụng một kênh tần số như trong hệ thống DS mà sử dụng N kênh tần số. Với mỗi kênh thông tin sẽ sử dụng một nguồn mã PN riêng biệt cho nó để chọn ra các kênh tần số tương ứng. Với nhiều kênh thông tin thì phải thiết kế sao cho có ít nhất hai kênh thông tin không sử dụng cùng một lúc hai kênh tần số. Như vậy, nếu số lượng kênh thông tin càng nhiều thì việc thiết kế rất phức tạp. Do đó số lượng kênh thông tin được mở rộng có hạn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ưu điểm lớn của FH là nó không phụ thuộc vào khoảng cách truyền như