Các hệ thống DS/SS – BPSK:

2. HỆ THỐNG TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP (DS/SS):

2.1 Các hệ thống DS/SS – BPSK:

2.1.1 Máy phát DS/SS – BPSK

Chƣơng 2: Các kỹ thuật trải phổ

Ta cĩ thể biểu diễn các bản tin đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

  ( )     kT  k b t b t kT  2.1

Trong đĩ là bit dữ liệu tin tức thứ k và T là độ rộng xung (tốc độ số liệu là 1/T bit/s).Tín hiệu b(t) đƣợc trải phổ bằng tín hiệu PN c(t) bằng cách nhân hai tín hiệu này với nhau.Tín hiệu nhận đƣợc b(t).c(t) sau đĩ sẽ đƣợc điều chế sĩng mang sử dụng BPSK, cho ta tín hiệu DS/SS – BPSK xác định theo cơng thức:

      . (2 )

s t Ab t c t cos t  2.2

Trong đĩ: A là biên độ, fc là tần số sĩng mang, là pha của sĩng mang.Trong rất nhiều ứng dụng bản tin bằng một chu kỳ của tín hiệu P, nghĩa là .Trong trƣờng hợp hình 2.1, ta sử dụng N = 7.Ta cĩ thể thấy rằng tích của b(t).c(t) cũng là tín hiệu cơ số 2 cĩ biên độ là A, cĩ cùng tần số với tín hiệu PN.

2.1.2 Máy thu DS/SS – BPSK

Đồ án tốt nghiệp Trang 25

Chƣơng 2: Các kỹ thuật trải phổ

Mục đích của máy thu là lấy ra bản tin b(t) (số liệu từ tín hiệu thu đƣợc bao gồm cả tín hiệu đƣợc phát cộng với tạp âm).Do tồn tại trễ truyền lan nên tín hiệu thu đƣợc là:

      cos 2  c(   )  ( )

s t Ab t c t f t n t 2.1.3

Trong đĩ n(t) là tạp âm của kênh và đầu vào máy thu.Để mơ tả lại quá trình khơi phục bản tin, ta giả thuyết khơng cĩ tạp âm.Trƣớc hết tín hiệu đƣợc giải trải phổ để đƣa từ băng tần rộng về băng tần hẹp.Sau đĩ nĩ đƣợc giải điều chế để nhận tín hiệu băng gốc.Để giải trải phổ, tín hiệu thu đƣợc nhân với tín hiệu (đồng bộ) PN

đƣợc tạo ở máy thu ta đƣợc:

    2       

cos 2 cos 2

      

   c   c

w t Ab t c t f Ab t f 2.1.4

Tín hiệu thu đƣợc là tín hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần là 2/T.Để giải

điều chế ta giả thuyết máy thu biết pha và tần số cũng nhƣ điểm khởi đầu của từng bit.Một bộ giải mã điều chế bao gồm một bộ tƣơng quan, đi sau là một thiết bị đánh giá ngƣỡng.Để tách ra bit số liệu thứ i, bộ tƣơng quan phải tính tốn:

  ' z i  w t cos(2fc  )dt     2 ' 2 ' A (2 ) A (2 ) 2               c c b t cos f dt b t cos f dt 2.1.5

Trong đĩ là thời điểm bắt đầu của bit thứ i.Vì là hoac trong thời gian một bit.Thành phần thứ nhất tích phân sẽ cho ta T hoặc .Thành phần thứ hai là thành phần nhân đơi tần số nên sau tích phân bằng 0.Vậy kết quả cho là hoặc .Cho kết quả này qua thiết bị đánh giá ngƣỡng ta đƣợc đầu ra là cơ số hai.Ngồi thành phần tín hiệu , đầu ra tích phân cũng cĩ tạp âm nên cĩ thể gây ra lỗi.

Tín hiệu PN đĩng vai trị nhƣ một mã đã biết trƣớc ở máy thu chủ định.Do đĩ nĩ cĩ thể khơi phục bản tin, cịn các mấy thu khác thì nhìn thấy tín hiệu ngẫu nhiên.Để máy thu cĩ thể khơi phục bản tin thì máy thu phải đồng bộ với tín hiệu thu đƣợc.Quá trình xác định đƣợc gọi là quá trình đồng bộ thƣờng đƣợc thực hiện hai

Chƣơng 2: Các kỹ thuật trải phổ

bƣớc bắt và bám.Quá trình nhận đƣợc đƣợc gọi là quá trình khơi phục đồng hồ (định thời) (STR – Symbol Timing Recovery).Quá trình nhận đƣợc (cũng nhƣ ) là quá trình khơi phục sĩng mang.

2.1.3 Mật độ phổ cơng suất

Mật độ phổ cơng suất PSD (Power Spectral Density) của tín hiệu ở các điểm khác nhau trong máy phát và trong máy thu.

Hình 2.3 Mật độ phổ cơng suất của các tín hiệu

Giả sử dữ liệu và chuỗi tín hiệu PN là các tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên ( mỗi bit hay chip đều nhận giá trị +1 và -1 với xác xuất là nhƣ nhau.

Biên độ là 1 và tốc độ chip là 1/Tb bit/s và PSD.

2

( ) sin ( )

b f T b fTb

  2.1.6

Cĩ độ rộng băng tần là 1/T Hz và tốc độ chip là 1/Tc bit/s và PSD. 2

( ) sin ( )

c f Tc fTc

  2.1.7

Cĩ độ rộng băng tần là 1/T Hz và T/Tc là một số nguyên và khởi đầu của mỗi bit b(t) trùng với khởi đầu của mỗi chip c(t) nên b(t).c(t) cĩ PSD nhƣ sau:

2

( ) sin ( )

bc f Tc fTc

Đồ án tốt nghiệp Trang 27

Chƣơng 2: Các kỹ thuật trải phổ

Cĩ độ rộng băng tần là 1/T Hz giống với c(t) do đĩ quá trình trải phổ sẽ tăng độ rộng băng tần lên là T/Tc=N lần.thơng thƣờng giá trị này thƣờng rất lớn.Điều chế sĩng mang chuyển đổi tín hiệu c(t).b(t) vào tín hiệu băng thơng s(t) cĩ mật độ xác xuất ( PSD) là:  2 2  ( ) sin (( ) ) sin (( ) ) 4 c s c c c c AT f f f T f f T      2.1.9

Ở máy thu tín hiệu s t( ) là phiên bản của tín hiệu DS s t( ) nên PSD của nĩ cũng giống nhƣ PSD của s(t) vì trễ khơng làm thay đổi cơng suất ở vùng tần số.ngồi ra PSD của c t( ) cũng giống với PSD của c t( ) sau khi trải phổ ta đƣợc tín hiệu w( )t với PSD đƣợc xác định bởi cơng thức.

Ta thấy rằng băng hẹp cùng dạng phổ với tín hiệu b t( ) nhƣng dịch về phía

phải fc, độ rộng băng tần là 2/T gấp 2 lần b(t).Điều này giống nhƣ dự tính vì w(t) giống hệt phiên bản của b(t).

 2 2  w( ) sin (( ) ) sin (( ) ) 4 c c c c c AT f f f T f f T      2.1.10

Từ các PSD của các tín hiệu khác nhau ta thấy PSD của tín hiệu b(t) đƣợc trải phổ với c(t) và đƣợc giải trải phổ với tín hiệu c t( ) ở máy thu.

2.1.4 Độ lợi xử lý (PG)

Độ lợi xử lý (PG: Processing Gain) đƣợc định nghĩa là: Tỷ số giữa độ rộng băng tần cần thiết của kênh vơ tuyến cho tín hiệu trải phổ và độ rộng băng tần cần thiết của kênh vơ tuyến cho tín hiệu cho tín hiệu khơng trải phổ.

Chƣơng 2: Các kỹ thuật trải phổ

Hình 2.4 Liên hệ chu chù dữ liệu và chu kỳ chip

Đối với hệ thống DS/SS độ lợi xử lý đƣợc xác định:

b G c N T P T   2.1.6

Trong đĩ Tb chu kỳ bit dữ liệu, Tc chu kỳ chip.

Độ lợi xử lý cho thấy bản tin phát đƣợc trải phổ bao nhiêu lần.Đây là một thơng số chất lƣợng quan trọng của hệ thống SS, vì PG cao cĩ nghĩa là khả năng chống nhiễu tốt hơn.

2.2 Các hệ thống DS/SS – QPSK

Ngồi kiểu điều chế BPSK ngƣời ta cịn sử dụng các kiểu điều chế khác nhƣ QPSK hoặc MSK trong các hệ thống SS.

2.2.1 Máyphát

Sơ đồ bên dƣới gồm cĩ hai nhánh đồng pha và một nhánh vuơng gĩc (hình vẽ).Tín hiệu DS/SS – QPSK cĩ dạng s t( )s t1( )s t2( ) 1 2 ( ) ( ) sin(2 ) ( ) ( ) sin(2 ) 2 os(2 ( ))                c c c Ab t c t f t Ab t c t f t Ac f t t 2.2.1 nếu và nếu và nếu và

Đồ án tốt nghiệp Trang 29

Chƣơng 2: Các kỹ thuật trải phổ

nếu và

Vậy tín hiệu s(t) cĩ thể nhận bốn trạng thái pha khác nhau , ,

, .

Chƣơng 2: Các kỹ thuật trải phổ

2.2.2 Máy thu:

Hình 2.6.Sơ đồ khối máy thu cho hệ thống DS/SS – QPSK

Các thành phần đồng pha và vuơng gĩc đƣợc trải phổ độc lập với nhau bởi và .Giả thuyết là thời gian trễ, tín hiệu vào sẽ là (nếu bỏ qua tạp âm):

1 2 ... ( ) ( ) ( ) sin (2 ) ( ) .... ( ) sin(2 )                    c c s t Ab t c t f t Ab t c t f t 2.2.2 Các tín hiệu trƣớc bộ cộng là: 2 1 1 2 ... ( ) ( ) sin (2 ) ( ) ( ) ( ) sin(2 ) cos(2 )                    c c c u t Ab t f t Ab t c t c t f t f t 2.2.3 2 2 1 2 ... ( ) ( ) cos (2 ) ( ) ( ) ( ) sin(2 ) cos(2 )                    c c c u t Ab t f t Ab t c t c t f t f t 2.2.4

Tổng các tín hiệu trên đƣợc lấy tích phân ở khoảng thời gian một bit.Kết quả cho ta nếu bản tin tƣơng ứng bằng 1 vì tất cả các thành phần tần số cĩ giá trị trung bình bằng 0.Vì thế đầu ra bộ so sánh bằng 1 (mức logic).

Hai tín hiệu PN cĩ thể là hai tín hiệu độc lập hay cĩ thể lấy cùng từ một tín hiệu PN.Các hệ thống DS/SS cĩ thể sử dụng ở các cấu hình khác nhau.Các hệ thống xét trên đƣợc sử dụng để phát một tín hiếu cĩ tốc độ bit bit/s.PG và độ rộng băng tần chiếm bởi tín hiệu DS/SS – QPSK phụ thuộc vào tốc độ chip và

.Ta cũng cĩ thể sử dụng hệ thống DS/SS – QPSK để phát một tín hiệu số bit/s bằng cách để mỗi tín hiệu điều chế một nhánh.Một dạng khác cĩ thể sử dụng hệ thống DS/SS – QPSK để phát một tín hiệu số cĩ tốc độ bit gấp đơi 2 bit/s bằng cách chia tín hiệu số thành hai tín hiệu cĩ tốc độ bit bit/s và để chúng điều chế một trong hai nhánh.

Đồ án tốt nghiệp Trang 31

Chƣơng 2: Các kỹ thuật trải phổ

Tồn tại nhân tố đặc trƣng cho hiệu quả hoặt động DS/SS – QPSK nhƣ: độ rộng băng tần đƣợc sử dụng, PG tổng và SNR.Khi so sánh DS/SS – QPSK với DS/SS – BPSK ta cần giữ một số thơng số trên nhƣ nhau ở cả hai hệ thống và so sánh các thơng số khác.Chẳng hạn một tín hiệu số đƣợc phát đi trong hệ thống DS/SS – QPSK chỉ sử dụng độ rộng băng tần bằng một nửa độ rộng băng tần của hệ thống DS/SS – BPSK khi cĩ cùng PG và SNR.Tuy nhiên nếu cả hai hệ thống cùng sử dụng băng tần nhƣ nhau và PG bằng nhau thì hệ thồng DS/SS – QPSK cĩ tỷ lệ lỗi thấp hơn.Mặt khác hệ thống DS/SS – QPSK cĩ thể phát gấp hai lần số liệu so với hệ thống DS/SS – BPSK khi cùng sử dụng độ rộng băng tần cĩ cùng PG và SNR.

Ƣu điểm hệ thống DS/SS – QPSK cĩ đƣợc là nhờ tính trực giao của các sĩng mang và ở các thành phần đồng pha và vuơng gĩc.Nhƣợc điểm của hệ thống DS/SS – QPSK là phức tạp hơn hệ thống DS/SS – BPSK.Ngồi ra các sĩng mang sử dụng để giải điều chế ở máy thu khơng thực sự trực giao thì sẽ xảy ra xuyên âm giữa hai nhánh và sẽ gây thêm sự giảm chất lƣợng của hệ thống.DS/SS – QPSK đƣợc sử dụng trong hệ thống thơng tin di động IS – 95 CDMA và hệ thống định vị tồn cầu (GPS).

3. HỆ THỐNG NHẢY TẦN (FH/SS)

Dạng hệ thống trải phổ thứ hai là hệ thống trải phổ nhảy tần FH/SS.Hệ thống này cĩ nghĩa là chuyển đổi sĩng mang ở tập hợp các tần số theo mẫu đƣợc xác định bằng chuỗi mã PN.Chuỗi mã ở đây chỉ cĩ tác dụng xác định mẫu nhảy tần.Tốc độ nhảy tần cĩ thể nhanh hơn hoặc chậm hơn tốc độ số liệu.Trong trƣờng hợp thứ nhất gọi là nhảy tần nhanh, trong trƣờng hợp thứ hai gọi là nhảy tần chậm.

Ta kí hiệu cho thời gian đoạn nhảy và T là thời gian của một bit số liệu.Điều chế FSK thƣờng đƣợc sử dụng cho các hệ thống này.Do việc thay đổi tần số sĩng mang nên giải điều chế khơng nhất thiết phải hợp và vì thế giải điều chế khơng nhất quán thƣờng đƣợc sử dụng.Các hệ thống đƣợc trình bày với giải thuyết giải điều chế khơng nhất quán.

Chƣơng 2: Các kỹ thuật trải phổ

Hình 2.7 Biểu đồ tần số cho hệ thống FH điều chế FSK

3.1 Các hệ thống FH/SS nhanh

Ở hệ thống FH/SS cĩ ít nhất một lần nhảy ở một bit số liệu nghĩa là .Trong khoảng thời gian Th giây của mỗi lần nhảy tần, một trong số J tần số đƣợc phát.Khi dịch chuyển theo phƣơng ngang của biểu đồ ta thấy cứ Th giây tần số phát lại thay đổi.Ở hình 2.5, tốc độ nhảy tần bằng ba lần tốc độ số liệu.Mặc dù tín hiệu phát ở mỗi bƣớc nhảy là hàm sin cĩ tần số , do độ rộng cĩ hạn Th giây phổ của nĩ chiếm khoảng Hz.

Khoảng cách thƣờng đƣợc chọn bằng giây.Chọn nhƣ vậy vì các tín

hiệu , , …,

trực giao ở khoảng nhả.Nghĩa là:

Đồ án tốt nghiệp Trang 33

Chƣơng 2: Các kỹ thuật trải phổ

Hình 2.8 Sơ đồ cho hệ thống FH/SS

Ở các hệ thống khơng nhất quán, việc sử dụng các hàm trực giao cho hiệu quả tốt hơn (ở ý nghĩa xác xuất lỗi bit) là khơng trực giao.Phƣơng trình trên đúng cho ( với ).Để đạt hiệu quả sử dụng phổ tần ta cho .

3.1.1 Máy phát

Ở máy phát tín hiệu FSK cơ số hai x(t) trƣớc hết đƣợc tạo ra từ luồng số

liệu.Trong khoảng thời gian mỗi bit x(t) cĩ một trong hai tần số f và tƣơng ứng với các bit số liệu 0 và 1.

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

giây, tần số của y(t) lại thay đổi theo các giá tri của J bit nhận đƣợc từ bộ tạo chuỗi PN.Do đĩ 2j tổ hợp j bit nên ta cĩ thể tới 2j tần số đƣợc tạo bởi bộ tổng hợp tần số.Bộ trộn tạo tần số của tổng và hiệu, một trong hai tầ số đƣợc lọc ở bộ băng thơng BPF. Tín hiệu ra của bộ tổng hợp tần số trong đoạn nhảy nhƣ sau: với .Trong đĩ = { 0, 2, …, 2(2J – 1)} là một số nguyên chẵn, là tần số khơng đổi và là pha.Giá trị đƣợc xác định bởi j bit nhận đƣợc từ bộ tạo chuỗi giả tạp âm.Giả thuyết rằng bộ lọc

Chƣơng 2: Các kỹ thuật trải phổ

BPF lấy ra ở tần số đầu ra bộ chọn.Khi này tín hiệu đầu ra bộ lọc BPF trong bƣớc

nhảy một: với

trong đĩ là giá trị số liệu ở và .Ta thấy

rằng tần số phát cĩ thể là trong đĩ để

cĩ tổng tần số nhảy là J.Pha cĩ thể thay đổi bƣớc nhảy này sang bƣớc nhảy kia.Ta cĩ thể viết tín hiệu FH/SS nhƣ sau:

Trong đĩ T(t) là xung chữ nhật.Bộ nhân tần với mục đích trải rộng thêm băng tần của FH/SS.Lúc này tín hiệu của FH/SS thành:

với .

Với bộ nhân tần thừa số khoảng cách giữa hai tần số lân cận trở thành và các tần số nhảy là

.

3.1.2 Độ rộng băng tần

Tần số của tín hiệu FH/SS khơng thay đổi trong đoạn nhảy.Trong tồn bộ khoảng thời gian, tín hiệu phát nhảy tất cả ở J tần số.Vì vậy nĩ chiếm độ rộng băng tần là: (Hz)

Độ lợi xử lý đƣợc tính: PG = Độ rộng băng tần tín hiệu / 2 (Độ rộng băng gốc bản tin)

Giả thuyết phân cách tần số bằng .Nếu ta sử dụng nhân tần cĩ thừa số thì phổ của tín hiệu FH/SS mở rộng.Vì thế độ rộng băng tần tổng hợp của tín hiệu FH/SS là:

Đồ án tốt nghiệp Trang 35

Chƣơng 2: Các kỹ thuật trải phổ

3.1.3 Máy thu

Tín hiệu thu trƣớc hết đƣợc lọc bằng một bộ lọc BPF cĩ độ rộng băng tần bằng độ rộng băng tần của tín hiệu FH/SS.Chúng ta khơng cần khơi phục sĩng mang vì ta sử dụng giải điều chế khơng nhất quán.Sở dĩ ta khơng dùng giải điểu chế nhất quán vì ở tốc độ nhảy tần nhanh máy thu rất khĩ theo dõi đƣợc pha của sĩng mang khi pha này theo đổi ở mỗi đoạn nhảy.Bộ tạo chuỗi PN tạo ra chuỗi PN đồng bộ với chuỗi thu.Ở đoạn nhảy một đầu ra của bộ tổng hợp tần số là:

với Bỏ qua tạp âm, đầu vào BPF là:

với

Thành phần tần số cao bị bộ lọc BPF băng hep loại bỏ và chỉ cịn thành phần tần số thấp.Ký hiệu .Đầu này chứa tần số f Hz hoặc Hz.Vì khơng đổi trong thời gian của một bit nên trong thời gian này tín hiệu w(t) cĩ tần số khơng đổi.Nhƣ vậy trong khoảng thời gian T giây bộ giải điều chế FSK tách ra tần số này và tạo ra mức logic “0” và “1”.Một cách khác ta cĩ thể tách ra tần số chứa w(t) cho từng đoạn nhảy để nhận đƣợc các giá trị cho từng bƣớc nhảy.Từ giá trị , sử dụng nguyên tắc đa số để quyết định bit dữ liệu “0” hay “1”.

3.1.4 Tốc độ đồng hồ cho các hệ thống FH/SS nhanh