2.1. Phương pháp điều MSK:
2.1.1. Phương pháp điều chế tín hiệu MSK:
MSK là một trường hợp đặc biệt của FSK pha liên tục (CP-FSK), với độ di tần 2fd = 0,5 và sử dựng tách sóng kết hợp. Kỹ thuật này đạt được chất lượng cũng như PSK kết hợp, và có đặc tính phổ cao hơn CP-FSK. MSK có ưu điểm là thực hiện tự đồng bộ tương đối đơn giản hơn CP-FSK kết hợp với độ di tần 0,7. Dạng của tín hiệu MSK như sau:
st(t) = cos[2π.(fc + dk/4T)t + xk] (2.1) với: kT ≤ t ≤ (k+1)T
fc: là tần số sóng mang
dk=±1 biểu diễn dữ liệu điều chế có dạng xung lưỡng cực được phát đi với tốc độ R = 1/T (bit/s)
xk: là góc pha không đổi ứng với giá trị của sữ liệu nhị phân thứ k. Nhận thấy rằng với dk = 1 thì tần số sóng mang được phát đi là (fc + 1/4T) và khi dk = -1 thì tần số sóng mang là (fc - 1/4T) , do đó khoảng cách tấn số giữa các tấn số lân cận của MSK bằng 1 nửa so với điều chế FSK trực giao không liên kết. Trong mỗi khoảng thời gian bằng độ rộng 1 xung dữ liệu T thì giá trị của xk là 1 hằng số, nghĩa là giá trị của xk được xác định bằng 0 hoặc π bị ràng bược bởi điều kiện pha của sóng mang bị điều chế phải liên tục tại thời điểm t = kT. Từ ràng buộc này người ta đã xác định được biểu thức của xk:
xk = [xk-1 + π.k/2(dk-1 – dk)] mod 2π (2.2) Phương trình (2.1) có thể viết dưới dạng cầu phương như sau:
st(t) = ak.cos(πt/2T).cos2πfct – bk.sin(πt/2T).sin2πfct (2.3) với: kT ≤ t ≤ (k+1)T
ak = cosxk = ±1 bk = dkcosxk = ±1
Thành phần cùng pha (I) được xem như ak.cos(πt/2T).cos2πfct. Trong đó cos2 πfct chính là sóng mang, cos(πt/2T) được xem như trọng số kí hiệu hàm sin và ak là biểu thức phụ thuộc vào dữ liệu. Có khả năng xảy ra là ak và bk có thể thay đổi trong mỗi khoảng T giây, do dữ liệu nguồn d có thể thay đổi trong mỗi khoảng T giây. Tuy
nhiên vì có ràng buộc pha liên tục nên biểu thức ak chỉ có thể thay đổi giá trị tại điểm cắt 0 của sin(π/2T). Do đó trọng số kí hiệu trong kênh cùng pha (I) hoặc kênh cầu phương có dạng nửa hình sin có độ rộng 2T giây với dấu đảo cực luân phiên. Giống như trong trường hợp OQPSK, dữ liệu kênh I và Q lệch nhau 1 khoảng T giây.
Nhận thấy rằng xk trong phương trình (2.2) là 1 hàm của sự chênh lệch giữa bít dữ liệu trước và bít dữ liệu hiện tại. Do đó biểu thức ak và bk trong phương trình (2.3) có thể được xem như các thành phần mã vi sai của dữ liệu nguồn dk. Tuy nhiên vì các bit của dữ liệu dk độc lập nhau, các kí hiệu của các xung kênh I và Q kế tiếp cũng ngẫu nhiên từ khoảng bằng độ rộng xung 2T này tiếp tới 2T tiếp theo. Do đó nếu xem MSK như trường hợp đặc biệt của OQPSK, phương trình (2.3) có thể viết lại với việc mã hóa thẳng dữ liệu như sau:
st(t) = I(t). cos(πt/2T).cos2πfct – Q(t).sin(πt/2T).sin2πfct (2.4) Trong đó I(t) và Q(t) là dữ liệu trên các kênh cùng pha I và Q.
Hình vẽ 2.1 diễn đạt phương trình (2.4) bằng hình ảnh. Hình 2.1a và 2.1e biểu diễn 2 dòng xung I(t) và Q(t) được tách ra từ dòng xung dữ liệu dk. Hình 2.1b và 2.1f biểu diễn hàm sin của dòng xung dữ liệu. Hình 2.1c và 2.1g biểu diễn trọng số hàm sin của các xung kênh I và Q. Do việc nhân dữ liệu I(t) và Q(t) với hàm sin dẫn tới sự chuyển tiếp pha từ từ - tất nhiên là so với sự chuyển tiếp của dữ liệu nguyên thủy. Hình 2.1d và 2.1h mô tả sự điều chế các thành phần trực giao cos2πfc và sin2πfc bởi các dòng dữ liệu dạng hàm sin. Hình 2.1i mô tả tổng của các thành phần trực giao được mô tả trong hình 2.1d và 2.1h.
2.1.2. Mật độ phổ công suất của MSK:
Việc sử dụng MSK đã được xét đến trong viba số mặt đất và vệ tinh. Nếu các xung đi vào mạch máy phát đều được lọc để tạo ra các xung hình sin “độ dài toàn bộ”. Trước khi điều chế với sóng mang, MSK có thể coi như OQPSK cải biên trong đó các xung hình chữ nhật băng gốc được thay thế bằng các xung nửa hình sin.
MSK là một sơ đồ điều biến có hiệu suất theo phổ là đặc biệt hấp dẫn cho việc sử dụng trong hệ thống thông tin di động. Nó có những đặc tính như hình bao không đổi, có hiệu suất về phổ, chất lượng BER tốt và khả năng tự đồng bộ.
Đối với MSK, hàm tạo dạng xung băng gốc là:
'cos cos ( ) 2 0 t voi t T p t T voi t kha c π < ÷ = (2.5a)
Như vậy biểu thức mật độ phổ công suất chưa lọc của MSK là: P(f)MSK = [8CT(1 + cos4πfT)] / [π(1 – 16 T2f2)]2 (2.5b)
Với: f là tần số dịch so với sóng mang. C là công suất sóng mang.
T là thời gian bít đơn vị trong máy thu.
Hình 2.2 – Mật độ phổ công suất MSK.
Đối với MSK, hầu hết năng lượng tín hiệu được chứa trong một miền tần số hẹp bằng 1,5 lần tốc độ bít và đường viền của phổ có độ dốc trung bình là 12 dB/octa.
Một trong những ưu điểm của MSK là khi chỉ số điều chế của tín hiệu FSK bằng 1 nửa (tức là độ di tần đỉnh-đỉnh bằng 1 nửa tốc độ bit), mật độ phổ chỉ chứa các thành phần liên tục mang thông tin. Và ưu điểm khác của MSK so với FSK là khi độ di tần bằng 1 đơn vị, độ rộng của băng sẽ nhỏ hơn với cùng tốc độ bít. Vì không có sự thay đổi đột ngột tại các chu kỳ chuyển dịch bit, sự hạn chế độ rộng dải tín hiệu MSK, để đáp ứng các thông số kỹ thuật ngoài dải đòi hỏi không làm cho hình bao qua số không. Hình bao được giữ gần như không đổi ngay cả sau khi hạn chế độ rộng dải. Vì biên độ được giữ không đổi, các tín hiệu MSK có thể được khuyếch đại khi dùng các bộ khuyếch đại phi tuyến có hiệu suất. Tính chất pha liên tục làm cho nó ưa dùng hơn với các tải trở kháng cao. Thêm vào các ưu điểm đó, MSK có các mạch giải điều chế và đồng bộ đơn giản. Vì lẽ đó MSK là phương pháp điều chế phổ biến trong thông tin vô tuyến di động.
2.1.3. Sơ đồ phát và thu tín hiệu MSK:
Có hai kĩ thuật chung để điều chế và giải điều chế MSK. Những phương pháp này đều dựa vào các phương pháp song song và nối tiếp. Cả 2 tương đương hoàn toàn về độ rộng băng và đặc tính xác suất lỗi.
Phương pháp song song thực chất là ghép cầu phương những luồng số liệu dạng xung nửa hình sinh sắp xếp trong 1 chu kì nửa ký hiệu trên sóng mang như hình 2.6. Những modul dùng phương án này trong thực tế cần phải cân bằng bền và đồng bộ các tín hiệu kênh đồng pha và cầu phương trên những sóng mang đã tự cân bằng và pha của chúng đều cầu phương. Tương tự ở máy thu duy trị và cân bằng phương pha, cần thiết để cực tiểu hóa độ méo và xuyên âm.
Với phương pháp nối tiếp, tín hiệu được tạo ra từ tín hiệu hai pha bằng cách lọc qua 1 bộ lọc chuyển đổi đã thiết kế phù hợp. Nên vấn đề cân bằng và duy trì sóng mang cầu phương pha ở phương án song song được thay thế bằng nhiệm vụ xây dựng 1 bộ lọc chuyển đổi với đáp tuyến sin thích hợp. Bộ giải điều chế gồm 1 bộ lọc với phổ tín hiệu phát, tiếp theo là giải điều chế kết hợp và tách bit… Thực hiện bộ giải điều chế nối tiếp yêu cầu sự tổng hợp của bộ lọc thông dải phối hợp chặt chẽ với tín hiệu MSK để đảm bảo chất lượng gần đạt lý tưởng.
Dưới đây chúng ta sẽ xét đến sơ đồ bộ phát và thu tín hiệu của phương pháp song song. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Sơ đồ bộ phát tín hiệu MSK:
Hình 2.3 – Sơ đồ bộ phát tín hiệu MSK.
Khi nhân một tín hiệu sóng mang với cos(πt/2T ) tạo ra hai tín hiệu pha kết hợp tại f + 1/4T và f - 1/4T. Hai tín hiệu này được tách ra nhờ bộ lọc thông giải hẹp và được tổ hợp một cách thích hợp để tạo nên lần lượt các thành phần sóng mang cùng pha và lệch pha 900 x(t), y(t). Các sóng mang này được nhân với các dòng bit lẻ và chẵn dI(t), dQ(t) để tạo ra tín hiệu đã điều biến SMSK(t).
+ Sơ đồ bộ thu tín hiệu MSK :
Tín hiệu thu được SMSK(t) (khi không có nhiễu và giao thoa) được nhân lần lượt với sóng mang cùng pha và lệch pha 900 x(t), y(t). Lối ra của các bộ nhân này được tích phân theo hai chu kỳ bít và tạo dạng để đưa tới mạch quyết định tại cuối của mỗi hai chu kỳ bit. Dựa trên mức của tín hiệu tại lối ra của bộ tích phân. Bộ tách sóng theo ngưỡng quyết định xem tín hiệu là 0 hay 1. Các dòng tín hiệu ra tương ứng với dI(t), dQ(t), chúng là các độ lệch được tổ hợp lại để có tín hiệu giải điều chế.
Hình 2.4 – Sơ đồ bộ thu tín hiệu MSK.
2.1.4. Kĩ thuật khôi phục tín hiệu MSK.