Kĩ thuật trải phổ nhảy tần lă kỹ thuật trong đú cú sử dụng một bộ phõt mờ PN để điều khiển bộ tổng hợp tần số. Hệ thống nhảy tần (FH) được coi như lă việc điều chế giõn tiếp văo mờ trải phổ. Hệ thống nhảy tần (FH) sẽ tạo ra hiệu quả của việc trải phổ bằng cõch nhảy tần giả ngẫu nhiớn giữa cõc tần số vụ tuyến f1, f2, f3.. . fn với n cú thể rất lớn. Trong hệ thống FH nếu tốc độ nhảy tần lớn hơn tốc độ của bit thụng tin thỡ được gọi lă hệ thống nhảy tần nhanh FFH (Fast Frequency Hopping). Nếu tốc độ nhảy tần nhỏ hơn tốc độ của bit thụng tin thỡ được gọi lă hệ thống nhảy tần chậm SFH (Slow Frequency Hopping). Cõc hệ thống sử dụng ký thuật trải phổ
nhảy tần đờ được dựng từ rất lđu trong cõc hệ thống thụng tin quđn sự. Chỳng ta thấy rằng, đối với một hệ thống trải phổ dờy trực tiếp sử dụng mờ trải phổ để trải phổ trực tiếp súng mang đờ được điều chế bởi dữ liệu. Phổ tần cụng suất của tớn hiệu cú dạng (Sĩnx/x)2, vă được phđn bố đều trớn toăn bộ băng tần trải phổ. Tuy nhiớn cõc hệ thống trải phổ dờy trực tiếp thường gặp phải một số nhược điểm sau:
- Việc đồng bộ mờ trải phổ giữa đầu phõt vă đầu thu lă rất khú khăn.
- Độ rộng băng của tớn hiệu trải phổ bị hạn chế trong khoảng văi trăm MHz do sự khú khăn trong qũ trỡnh đồng bộ. Trõi lại hệ thống trải phổ nhảy tần cú thể khắc phục được những nhược điểm trớn, hệ thống trải phổ nhảy tần được sử dụng trong thụng tin quđn sự của Mỹ từ những năm 50. So với hệ thống trải phổ dờy trực tiếp thỡ nú cú những ưu điểm sau:
- Mờ trải phổ khụng trực tiếp tham gia văo trong qũ trỡnh trải phổ tớn hiệu súng mang đờ được điều chế mă nú chỉđược sử dụng đểđiều khiển bộ tổng hợp tần sốđể
cú chứa K bit của mờ đểđiều khiển bộ tổng hợp tần số lăm cho bộ tổng hợp tần số
năy sẽ nhảy sang hoạt động ở một tần số tương ứng với mờ K bit của mờ đưa văo.
ứng với K bit thỡ mờ sẽ cho ta 2K giõ trị tần số khõc nhau, đoạn K bit năy được gọi lă một từ tần số vă cú 2K giõ trị tần số khõc nhau.
- Cú cõc giõ trị tần số năy được xuất hiện một cõch ngẫu nhiớn tại đầu ra của mỗi bộ tạo mờ trải phổ. Do đú 2K giõ trị tần số năy được tạo ra dưới sự điều khiển của 2K giõ trị từ tần số cũng mang tớnh ngẫu nhiớn.
- Phổ của tớn hiệu nhảy tần cú bề rộng giống như súng mang đờ được điều chế
bởi dữ liệu, nú chỉ khõc lă băng tần của phổ tần năy nhận những giõ trị trung tđm khõc nhau phụ thuộc văo giõ trị tần sốđược bộ tổng hợp tần số tạo ra trong mỗi lần nhảy tần. Tuy nhiớn nếu xĩt trớn toăn bộ cả qũ trỡnh điều chế súng mang đờ được
điều chế bởi dữ liệu thỡ phổ tần của tớn hiệu nhảy tần sẽ lần lượt chiếm toăn bộ miền giõ trị của băng tần trải phổ. Đối với cõc hệ thống trải phổ nhảy tần thỡ độ rộng phổ
của băng tần trải phổ cú thểđạt được giõ trị rất lớn cỡ văi GHz.
Hỡnh 2.16 Sơđồ mụ hỡnh hệ thống trải phổ nhảy tần
2.3 Thử nghiệm cõc phương thức điều chế.
2.3.1 Điều chế vă giải điều chế ASK 1. Điều chế ASK 1. Điều chế ASK
Điều chế ASK ta cú thể được thực hiện bằng cõch nhận trực tiếp súng mang với dữ liệu cần truyền đi (Hỡnh 2.17):
Hỡnh 2.17 Sơđồđiều chế ASK
Dao động lăm súng mang được tạo ra nhờ mạch dao động dựng thạch anh nớn cú độổn định rất cao về tần số. Tần số súng mang được quyết định bởi thạch anh, ở đđy ta thử nghiệm với cõc tần số 600kHz, 1.2MHz, 2MHz, vă 3MHz. Sau đú dao
động được IC đếm 7490 chia tần số xuống tần số thớch hợp. Việc nhđn súng mang với dữ liệu văo trong sơđồ trớn được thực hiện nhờ phần tử AND nhưng thực tế do
ở tần số cao cỡ MHz, phần tử NAND (7400) lăm việc tốt hơn AND (7408) nớn NAND được dựng cho mạch. Tớn hiệu ra cú dạng xung vuụng, sau khi qua bộ lọc thụng dải sẽ cho dạng Sin. Ưu điểm của sơ đồ điều chế ASK năy lă mạch rất đơn giản, ta cú thể thực hiện trong dải tần số khõ rộng.
2. Giải điều chế ASK
Hỡnh 2.18 Mạch giải điều chế ASK
Để giải điều chế ASK ta phải dựng mạch tõch súng biớn độ với điot tõch súng hoặc transistor. ở sơđồ trớn, T1 lăm nhiệm vụ tõch súng. Mạch tõch súng hoạt động như sau: Transistor T1được phđn õp sao cho Ube cú trị số từ 0.3 - 0.4 V. Trong nửa chu kỳ dương của tớn hiệu, Ube < 0.6V nớn T1 tắt, do đú URA= Uc = 0V. Trong nửa chu kỳ đm của tớn hiệu, Ube > 0.6V nớn T1 bắt đầu thụng vă đạt tới bờo hoă, URA= Uc = Ec. Tụ C cú chức năng lăm dạng dữ liệu ra bằng phẳng hơn. Cũn T2 lăm
đưa tiếp sang cõc tầng lọc, khuếch đại, phối ghĩp rồi kết nối với lưới điện. ở bớn thu: Tớn hiệu sẽ qua cõc tầng phối ghĩp, khuếch đại vă lọc thụng dải rồi đưa văo mạch giải điều chế ASK.
3. Kết quả thử nghiệm:
Mạch ASK chống nhiễu rất kĩm, dữ liệu thu được chỉ tốt khi biớn độ nhiễu cực
đại nhỏ hơn 25-30 % biớn độ cực tiểu của súng mang. Về lý thuyết thỡ tốc độ bit lớn nhất đạt được lă f0 /2 (với f0 lă tần số súng mang) nhưng thực tế khi thực hiện trớn mạch cũn phụ thuộc văo sự trễ trớn cõc bộ lọc vă mạch tõch súng vỡ thế, tốc độ bit thực tế lại thấp hơn rất nhiều, chỉđạt được tối đa lă 1/50 f0 . Đối với sơđồ trớn vă tần số hoạt động lă 1.2 MHz tốc độ tối đa đạt được khi thử nghiệm văo khoảng 10-12 kbps.
Với tần số thử nghiệm thấp (khoảng 200 - 600kHz) thỡ nhiễu trớn đường điện khụng cao nớn chất lượng truyền dẫn của ASK lă khõ tốt. Nhưng ở tần số cao hơn (khoảng 1.2MHz - 3MHz) thỡ nhiễu trớn lưới điện lă khõ mạnh, do đú chất lượng truyền dẫn của ASK giảm sỳt nhanh chúng.
Cựng với một sơ đồ khuếch đại phõt, súng mang tần số cao sẽ truyền đi xa hơn súng mang tần số thấp. Tuy nhiớn, khi thử với tần số súng mang 2 - 3MHz thỡ sự
khuếch đại ở bớn thu lại bị hạn chế do vấn đề tự kớch, nếu khuếch đại lớn qũ thỡ hiện tượng đú sẽ xảy ra vă lăm mạch khụng hoạt động.
Dạng dữ liệu văo mõy phõt
Dạng súng ở mõy thu sau bộ lọc
Dạng dữ liệu ra sau khi tõch súng
Dạng dữ liệu ra sau khi qua mạch sửa
Hỡnh 2.19 Dạng tớn hiệu đo được ở mõy phõt vă thu 2.3.2 Điều chế vă giải điều chế FSK
1.Vũng khõ pha (Phase locked loop - PLL)
Vũng khõ pha đúng vai trũ quan trọng trong kỹ thuật vụ tuyến điện, trong kỹ
thuật truyền số liệu cũng như trong kỹ thuật đo lường. PLL được dựng để tổng hợp tần số, đểđiều chế, giải điều chế tớn hiệu. Nguyớn lý hoạt động của PLL được chỉ ra trớn hỡnh 2.20. PLL hoạt động theo nguyớn tắc vũng điều khiển. Mạch so pha của PLL nhận cõc tớn hiệu fV vă f0, so sõnh pha vă tần số của f0 với pha vă tần số của fV, tạo ra điện õp sai biệt tương ứng ở ngừ ra, điện õp năy được lọc thụng thấp vă đưa
đến ngừ văo điều khiển vừa mạch VCO sao cho bất kỳ sai biệt năo về tần số hay pha giữa fV vă f0 đều được suy giảm liớn tục cho đến khi bằng 0, lỳc năy vũng đờ
được khõ (Hỡnh 2.20).
Hỡnh 2.20 Mạch vũng khõ pha PLL cơ bản
Hiện nay cú cõc loại IC PLL chớnh lă CMOS 4046B, NE565, NE567 vă đặc biệt lă NE564 (lă một vi mạch chuyớn dụng cho điều chế vă giải điều chế). Với yớu cầu về tần số cỡ 1MHz, điều chế vă giải điều chế FSK, FM nớn ta lựa chọn 4046 do khõ
đa năng vă phổ biến. (NE564 mạnh hơn vă nhiều ưu điểm hơn nhưng lại rất khú tỡm mua trớn thị trường). IC CMOS 4046B lă mạch PLL thụng dụng nổi tiếng. Bớn
hai đầu văo (chđn 3 vă chđn 14). PC2 cú dạng một mạch hai trạng thõi bền kớch khởi cạnh bằng tớn hiệu logic với ngừ ra 3 trạng thõi. Mạch PC2 được kớch khởi bởi cõc dạng súng khụng đối xứng trớn cõc chđn 3 vă 14. Mạch PC2 cú tần số rất rộng nhưng khả năng chống nhiễu khụng tốt. Mạch VCO bớn trong được điều khiển bằng
điện õp cú tần số lớn tới 1.3MHz. Tần số dao động của mạch VCO được xõc định bởi điện õp ngừ văo (chđn 9), giõ trị tụ điện dao động C0 (chđn 6 vă 7) vă điện trở
tần số cực đại R1 (chđn 11), điện trở tần số cực tiểu R2 (chđn 12).
Vi mạch 4046 cú thể được sử dụng để điều chế FSK, FM, giải điều chế FSK, FM, BPSK. Vỡ thế vi mạch năy được sinh viớn lựa chọn dựng trong việc điều chế vă giải điều chế tớn hiệu số vă tớn hiệu tương tự của mạch điện PLC.
2. Điều chế FSK dựng vi mạch CD4046
Hỡnh 2.21 Sơđồđiều chế FSK dựng CD4046
2
(f2) vă khi điện õp ngừ văo ở mức thấp (U1) thỡ tần số ra sẽ thấp (f1). giõ trị của f1, f2
được điều chỉnh bằng điện trở dao động RP1, RP2. Riớng f1 cú thể thấp đến 0 khi U1
ở mức 0 vă R2 lớn đến vụ cựng. Như vậy với dữ liệu văo lă bit 1 thỡ tớn hiệu ra sẽ cú tần số cao f2, vă bit 0 sẽ tương ứng với tớn hiệu ra cú tần số thấp f1. (Hỡnh 2.21).
Giõ trị cõc linh kiện trong sơđồđược lựa chọn như sau:
R1=10k R2=1k R3=4.7k C1=1nF RP1=10k RP2=3.3k CP0=55pF
Khi đú, tần số ra tương ứng lă f1=1070 kHz vă f2=1220 kHz.
3. Giải điều chế FSK
Hỡnh 2.22 Sơđồ giải điều chế FSK dựng CD4046
Cõc giõ trị của linh kiện được lựa chọn như sau: R1=100k R2=12k R3=1k
R4=10
CP0=55pF CP1=10nF RP1=10k RP2=1k RP3=220 CP2=1nF Ec=9V T1=C828
Để giải điều chế FSK ta cũng sử dụng vi mạch 4046 (hỡnh 2.22).
Trong sơđồ trớn, tầng khuếch đại T1 (EC) hoạt động ở chếđộ A, lăm nhiệm vụ khuếch
đại tớn hiệu trước khi văo giải điều chế. Tớn hiệu từ tầng khuếch đại được đưa văo ngừ văo
- Mạch điều chế và giải điều chế FM, là đơn giản với
3 2
được điều chỉnh bởi RP1, RP2 sao cho cú giõ trị từ fa đến fb vă nằm trong khoảng f1, f2 khi
điện õp ngừ văo (chđn 9) biến thiớn từ 0 - Ec.
Khi tớn hiệu văo cú tần số f2 (cao), f2 > fVCO nớn điện õp ra của mạch so pha hai (chđn13) sẽ ở mức cao, tương ứng thỡ điện õp ra của giải điều chế (chđn 10) cũng lớn mức cao, như vậy ta sẽ cú tớn hiệu lă bit 1. Khi tớn hiệu văo cú tần số f1 (thấp) thỡ qua trỡnh sẽ ngược lại, điện õp ra của giải điều chế sẽ xuống mức thấp, như vậy ta sẽ cú tớn hiệu lă bit 0.
4. Kết quả thử nghiệm:
Hỡnh 2.23 Dải tần sử dụng cho thử nghiệm FSK
Bt: Khoảng biến thiớn của tần số VCO mõy thu. Bp: Khoảng biến thiớn của tần số VCO mõy phõt.
Sơđồ FSK cú khả năng chống nhiễu rất tốt, tốt hơn ASK rất nhiều. Tuy lỳc thử nghiệm cú cõc thiết bị điện gđy nhiễu mạnh cựng hoạt động như mõy khoan, mõy tớnh, mõy sấy nhưng tớn hiệu ra khụng thấy bịảnh hưởng.
Sơđồ FSK ở trớn cú nhược điểm lă kĩm ổn định, dễ bị dịch tần số vă gđy lỗi truyền dẫn. Nếu khoảng cõch giữa hai tần số phõt f1, f2 (Bp) hẹp thỡ vỡ mạch dao động của cả bớn phõt vă thu lă mạch RC, khả năng ổn định kĩm nớn dễ bị dịch tần vă gđy lỗi. Cũn nếu khoảng cõch f1, f2 (Bp) lớn thỡ băng thụng chiếm dụng cũng lớn hơn vă cũn bị ảnh hưởng của bộ lọc thụng dải, bộ lọc thụng dải LC lă mạch lọc cộng hưởng nớn dải lọc khõ hẹp vă sẽ lăm ảnh hưởng đến tớn hiệu cú băng thụng lớn (Hỡnh 2.23). Tốc độ tối đa của dữ liệu cờ và khả năng chỉng nhiễu khá tỉt
bị giảm sỳt. Qua việc thử nghiệm với cõc dải tần từ 700kHz đến 1200kHz thỡ thấy, vấn đề
của FSK dựng 4046 lă tốc độ cho phĩp thấp vă kĩm ổn định.
2.3.3 Điều chế vă giải điều chế BPSK 1. Điều chế BPSK Hỡ nh 2.2 4 Sơ đồ điề u chế BP SK
Sơđồđiều chế BPSK cũng khõ đơn giản vă giống với điều chế ASK.
Mạch dao động thạch anh dựng IC cổng NAND (7400) sẽ tạo ra dao động rồi qua IC
đếm 7490 chia tần số theo yớu cầu. IC 74HC86 lă vi mạch cổng EX-OR cú nhiệm vụ thực hiện biến đổi pha của súng mang theo dữ liệu văo. Khi Data In = 0, tớn hiệu ngừ ra sẽ cựng pha với tớn hiệu cao tần ngừ văo, khi Data In = 1, tớn hiệu ngừ ra sẽ ngược pha với tớn hiệu cao tần ngừ văo.
Tần số ra được quyết định bởi tần số của thạch anh, ởđđy ta sử dụng thạch anh 12MHz vă chia 10 lần tần sốđể cú súng mang 1.2MHz.
Hỡnh 2.25 Sơđồ giải điều chế BPSK
CP0=5pF CP1=1nF C1=10nF RP1=10k RP2=10k RP3=220 RP4=10k R1=22k R2=22k R3=3.3k R4=12k R5=3.3k R6=220k R7=22k R8=47k R9=1k
ở bớn thu, tớn hiệu BPSK nhận được sẽđưa đến ngừ văo thứ nhất của hai bộ so pha, tớn hiệu dao động của VCO được đưa đến ngừ văo cũn lại. Mạch so pha một được sử dụng (chđn2). Dao
động của VCO được điều chỉnh bởi RP1 vă RP2 sao cho tần số dao động nằm trong khoảng từ
900 - 1300kHz. Khi hoạt động mạch VCO sẽđược điều khiển bởi điện õp của mạch so pha 1 vă sẽ bõm theo tớn hiệu ngừ văo, mỗi khi trạng thõi đảo pha xuất hiện thỡ nú sẽ gđy ra một xung đột biến tại ngừ ra của bộ so pha. Xung đột biến đú sẽđược khuếch đại lớn nhờ vi mạch LM386 rồi qua tầng khúa điện tửđểđưa về mức điện õp chuẩn vă đến ngừ văo của IC 74LS90, 74LS90 cú nhiệm vụ chia đảo trạng thõi theo mỗi sườn xung đột biến để khụi phục lại dạng dữ liệu ban
đầu. Tuy nhiớn thực tế, sựđảo pha lă tương đối vă khụng thể biết được pha trước lă bit 1 hay bit 0, do đú việc tõch pha phải được kết hợp với phần mềm đểđiều khiển.
Hỡnh 2.26 Dạng súng của tớn hiệu BPSK tại mõy thu
Ưu điểm rất lớn của kỹ thuật BPSK đạt được so với ASK vă FSK qua thử nghiệm lă cho phĩp tốc độ bit cao hơn rất nhiều khi cựng một tần số súng mang. Sơ đồ điều chế
BPSK trớn cho tốc độ tới 30kbps đối với súng mang tần số 1.2MHz, nguyớn nhđn gđy ảnh hưởng khõ rừ đến tốc độ bit lă sự trễ của bộ lọc. Như ta thấy ở trớn hỡnh 2.26, những chỗ
cú biớn độ súng hẹp lại chớnh lă điểm xảy ra đảo pha (đảo mức tớn hiệu dữ liệu ở mõy phõt) vă khi đú, sự qũ độ của mạch cộng hưởng LC đờ gđy ra hiện tượng trớn. Nếu như
tốc độ bit thấp hay thời gian qũ độ của mạch LC lă ngắn so với chiều dăi bit thỡ hiện tượng trớn hầu như khụng ảnh hưởng đến việc tõch dữ liệu ra, nhưng nếu tốc độ bit cao
đến mức thời gian qỳa độ của mạch LC cú thể so sõnh với chiều dăi bit thỡ rừ răng sẽ gđy ra sự lỗi bit khụng mong muốn.
Mạch BPSK cho thấy sựổn định lă khõ tốt do tần số lăm việc dựng thạch anh cú độ ổn
định rất cao.
Nhược điểm của BPSK lă sự phức tạp trong việc giải điều chế cả về phần cứng vă phần mềm. Giải điều chế khụng chỉ sử dụng đơn thuần phần cứng mă cũn phải dựng phần mềm
để kiểm tra vă tõch pha.
Khả năng chống nhiễu ở mức vừa phải, tức lă chống nhiễu tốt hơn ASK vă kĩm