2.5. Ghép nối với lƣới điện – xử lý tín hiệu
2.5.3.4. Điều chế dạng khoá dịch pha PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK
37
bằng cách điều chế s , trong khi đó thì biên tần As = E0 và tần số 0 của sóng mang đƣợc giữ là hằng số. Khi đó có thể viết nhƣ sau:
Es(t) = E0cos[0t+m(t)] (2.7)
Trong đó m(t) nhận các giá trị 0 và 1, điều này có nghĩa là pha s nhận hai giá trị 0 và . Dạng phổ công suất giống nhƣ của ASK, nhƣng có phổ vạch sóng mang nhƣ thể hiện trong hình 2.21 . Vậy sơ đồ này hiện hữu hơn so với sơ đồ ASK.
Điều chế dạng khoá dịch pha vi phân DPSK (Differential PSK) cũng giống nhƣ điều chế PSK nhƣ vậy có thể viết.
Es(t) = E0cos[0t+m(t)] (2.8)
Trong thực tế chỉ khác ở quy luật mã vì trong DPSK, thơng tin đƣợc mã hố theo sự khác nhau về pha giữa hai bít kế tiếp nhau. Ƣu điểm của điều chế DPSK là tín hiệu phát có thể đƣợc điều chế thành cơng cho đến khi pha sóng mang duy trì khá ổn định trên độ dài hai bít. Điều chế này thƣờng đƣợc dùng trong các hệ thống thực tế, vì khơng cần các bộ giải điều chế phức tạp mà vẫn cho đặc tính tốt.
2.5.4. Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực. 2.5.4.1. Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu.
Kể từ khi đƣờng dây điện đƣợc thiết kế để truyền tải điện năng, nó chƣa đƣợc đánh giá đúng mức với vai trị là một mơi trƣờng truyền dữ liệu. Đƣờng dây điện thơng thƣờng có một số lƣợng lớn các loại nhiễu, là nguyên nhân gây nên méo tín hiệu. Sự méo tín hiệu này làm tăng tỉ số lỗi bit (BER). Tỉ số BER đƣợc định nghĩa một cách gần đúng là tỉ số của các bit đã giải điều chế bởi bộ thu với số các bit nhận đƣợc. Xa hơn nữa, các tín hiệu trên đƣờng dây điện lực cũng gặp phải một vấn đề là sự suy hao rất lớn. Những vấn đề trên là những lý do chính làm cho đƣờng dây điện khơng đƣợc lựa chọn làm đƣờng truyền dữ liệu chính.
Để khắc phục những nhƣợc điểm của đƣờng dây điện lực, chúng ta có thể áp dụng nhiều phƣơng pháp làm giảm tỉ số BER. Biện pháp đầu tiên là sử dụngphƣơng
38
pháp điều chế FSK để điều chế thông tin. Tất cả các biện pháp nói chung đều làm giảm sự xuyên nhiễu, tuy nhiên các biện pháp nói chung cũng khơng khả quan hơn phƣơng pháp sử dụng FSK là bao nhiêu. Có một kĩ thuật đƣợc gọi là BPSK (Binary Phase Shift Keying) đƣợc xem là tốt hơn FSK trong việc giảm nhiễu. BPSK sử dụng hai pha khác nhau của tín hiệu điều chế để phân biệt giữa 0 và 1. Hình 2.21 chỉ ra hiệu suất của một số kĩ thuật điều chế khác nhau trong việc làm giảm nhiễu.
Hình 2.21: Hiệu suất của một số kĩ thuật điều chế khác nhau trong việc làm giảm
nhiễu
Tỉ số Eb/N0 đƣợc hiểu là tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR). Nhƣ chúng ta quan sát thấy trên hình vẽ, BPSK có một tỉ số SNR thấp hơn FSK, DPSK và ASK.
Tuy nhiên, những kết quả lý thuyết đƣa ra trong hình 2.32 khơng quyết định đƣợc là BPSK sẽ làm giảm đáng kể tỉ số BER trong hệ thống. Việc kiểm tra phải đƣợc thực hiện cụ thể trên một vi mạch BPSK đối với mạch điện hiện tại. Một vi mạch BPSK có thể đƣợc sử dụng là MAX2900.Thiết kế hiện tại cần phải đƣợc khai báo và chỉ rõ giá trị của tụ điện và điện trở điều khiển các thông số của vi mạch FSK để thuận tiện cho việc bổ xung vi mạch điều chế mới.
Một cách khác để nhận đƣợc tín hiệu tốt hơn là cải thiện mạch lọc trong phần thu. Hiện tại, mạch lọc đầu tiên đƣợc sử dụng là mạch lọc RLC thông cao. Tuy nhiên, đƣờng dây điện ln ln có rất nhiều tín hiệu nhiễu từ nhiều nguồn nhiễu
39
khác nhau. Một số tín hiệu nhiễu trong các nguồn này có tần số đủ cao để đi qua mạch lọc thơng cao đó. Một giải pháp hợp lý hơn là sử dụng một mạch lọc tích cực thơng giải mà chỉ cho phép đi qua một dải tần số nhất định nhỏ hơn. Một vi mạch tích hợp có thể thực hiện đƣợc vai trị này là MAX267AEWG. Vi mạch này có thể thay thế cho mạch lọc thụ động RC trong thiết kế hiện tại.
2.5.4.2. Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền dữ liệu.
Hệ thống đƣợc thiết kế với mục đích xa hơn cho sự phát triển của các ứng dụng khác trên đƣờng dây điện lực, bao gồm cả truyền dữ liệu với tốc độ cao. Thiết kế hiện tại chỉ thực thi tại hai tần số tín hiệu riêng biệt. Mỗi tần số tƣơng ứng với một tín hiệu nhị phân 1 hoặc 0. Nếu một tần số thứ ba hoặc thứ tƣ đƣợc phát hiện bởi bộ thu, nó có thể tƣơng ứng lần lƣợt với các tín hiệu 10 và 11 do đó tốc độ dữ liệu sẽ đƣợc nhân đôi. Bằng việc sử dụng một dạng khác của BPSK đƣợc gọi là QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), cũng cho phép làm giảm nhiễu, chúng ta có thể tăng tốc độ dữ liệu lên gấp đôi. QPSK giống nhƣ BPSK ở điểm những pha khác nhau của tín hiệu phát biểu thị cho các bit khác nhau, nhƣng thay vì hai pha khác nhau, nó sử dụng bốn trạng thái pha biểu thị bằng bốn mẫu bit lần lƣợt. QPSK đƣợc sử dụng rộng rãi cho truyền thông tốc độ cao nhƣ là cáp modem.
Một phƣơng pháp có triển vọng hơn cho việc cải thiện băng thông đƣợc gọi là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). OFDM là phƣơng pháp lý tƣởng cho việc mở rộng tối đa khả năng của kênh truyền. Nó cho phép một vài tín hiệu có thể truyền đồng thời qua một kênh mà không gây ra nhiễu giữa các thơng tin đó. Hiện tại OFDM đang đƣợc sử dụng trong các ứng dụng băng thông cao bao gồm cả đƣờng truyền số.
Chúng ta cũng đã thực hiện tìm kiếm một vài cách khác để cải tiến hệ thống. Bằng việc thay đổi kĩ thuật điều chế với BPSK chung ta có thể giảm xuyên nhiễu. Nếu thay đổi kĩ thuật điều chế thành QPSK chúng ta có thể tăng gấp đơi tốc độ truyền dữ liệu và vẫn có thể chống nhiễu. Do đó hệ thống có thể thực hiện tốt hơn với một vi mạch QPSK. Để tăng tốc độ dữ liệu lên cao hơn, kĩ thuật OFDM có thể đƣợc thực hiện để đạt đƣợc khả năng lớn nhất của đƣờng dây điện lực.
40
Kỹ thuật trải phổ và kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) đƣợc sử dụng để tăng dung lƣợng và tăng số kênh truyền dẫn. Sau đây chúng ta sẽ tiếp tục nghiên cứu các kỹ thuật này.
2.6. Kỹ thuật trải phổ
Nhƣ chúng ta đã biết thì mọi kỹ thuật điều chế và giải điều chế ngoài việc nhằm mục đích truyền đƣợc tín hiệu đi xa còn phải bảo mật trong suốt q trình truyền từ phía phát sang phía thu. Một trong những kỹ thuật điều chế và giải điều chế số thỏa mãn đƣợc hầu hết các điều kiện trên và có hiệu quả cao là kỹ thuật trải phổ. Có hai loại kỹ thuật trải phổ chính là trải phổ dãy trực tiếp và trải phổ nhảy tần.
Hình 2.22: Sơ đồ mơ hình hệ thống thơng tin trải phổ
Tại đầu phát: Tín hiệu thơng tin số liệu băng hẹp cần truyền đi đƣợc tạo ra từ các hệ thống băng thơng hẹp là q trình điều chế sơ cấp, sau đó tín hiệu này đƣợc nhân với mã trải phổ. Tại đầu thu: Tín hiệu băng tần rộng đƣợc thu tại máy thu đƣợc nén phổ nhờ việc nhân với bản sao đƣợc đồng bộ của tín hiệu trải phổ đã đƣợc sử dụng ở phía phát.
2.6.1. Trải phổ dãy trực tiếp
Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS sử dụng mã trải phổ băng rộng để điều chế tín hiệu sóng mang đã đƣợc điều chế bởi dữ liệu gốc. Dãy mã đƣợc sử dụng có tốc độ cao hơn nhiều ( tốc độ chip) so với tốc độ bit thông tin, mỗi bit thông tin của tín hiệu số đƣợc truyền nhƣ một chuỗi ngẫu nhiên của chip. Các hệ thống trải phổ dãy trực tiếp còn đƣợc gọi là hệ thống giả tạp âm. Trong thời gian gần đây các hệ thống DSSS đã đƣợc ứng dụng trong các hệ thống thông tin thƣơng mại.
41
Hình 2.23: Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS
Ký hiệu:
T : Thời gian một bit của luồng số cần phát
T : chu kỳ của mã giải ngẫu nhiên dùng cho trải phổ Te : thời gian 1 chíp của trải phổ
2.6.1.1. Trải phổ dãy trực tiếp kiểu BPSK
Đây là loại điều chế đơn giản nhất của trải phổ dãy trực tiếp. Trong kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp BPSK ngƣời ta sử dụng điều chế dịch pha nhị phân nhƣ phƣơng pháp điều chế trải phổ, điều đó có nghĩa là lần điều chế thứ nhất điều chế dữ liệu theo phƣơng pháp điều chế thông thƣờng, lần thứ hai ngƣời ta sử dụng mã trải phổ để điều chế tín hiệu sóng mang đã đƣợc điều chế bởi tín hiệu (điều chế lần thứ nhất) theo kiểu BPSK.
Trƣớc tiên ta đi xét tín hiệu sóng mang s(t): s(t) = A.cos ω0t Trong đó: + A: biên độ đỉnh của sóng mang.
+ ω0: tần số góc của sóng mang.
Ams là biên độ hiệu dụng của sóng mang, ta có: √ Gọi P là cơng suất sóng mang, do P = Ams2 nên ta có: √ Và ta có biểu thức sóng mang là: s(t) = √ .cos ω0t
Biểu thức sóng mang đã đƣợc điều chế bởi dữ liệu đƣa qua điều chế dịch pha nhị phân BPSK:
Sd(t) =√ .cos[ ω0t + фd(t)] với 0 ≤ t ≤ Ts (2.9) Trong đó: + фd(t): là pha của song mang.
42
Tín hiệu Sd(t) này chiếm độ rộng băng tần từ 1/2 đến 2 lần tốc độ dữ liệu trƣớc đó và phụ thuộc vào đặc điểm của việc điều chế.
Trải phổ dãy trực tiếp sử dụng kỹ thuật BPSK bằng mã trải phổ C(t) có dạng xung tín hiệu NRZ và chỉ có giá trị mức bằng ±1 và có tốc độ dịng gấp N lần tốc độ dòng dữ liệu d(t). Việc điều chế trải phổ đƣợc thực hiện bằng phép nhân đơn giản giữa sóng mang đã đƣợc điều chế Sd(t) với hàm mã C(t) .
Tín hiệu phát đi có dạng:
( ) √ ( ) với 0 ≤ t ≤ T (2.10) Nhƣ vậy bây giờ pha của tín hiệu sóng mang phát đi phụ thuộc 2 thành phần: + фc(t) : phụ thuộc vào mã giả ngẫu nhiên C(t)
+ фd(t) : phụ thuộc vào dòng dữ liệu d(t).
Trên cơ sở của phƣơng trình (2.10) ta xây dựng đƣợc sơ đồ điều chế nhƣ sau:
Hình 2.24: Sơ đồ trải phổ trực tiếp kiểu BPSK
Do tính chất của dãy mã giả ngẫu nhiên trải phổ C(t) có dạng xung NRZ có các giá trị ±1 nên từ phƣơng trình (2.11) ta có:
( ) √ ( ) ( ) (2.11) Nhƣ vậy trải phổ sử dụng kỹ thuật điều chế BPSK đƣợc thực hiện một cách đơn giản bằng cách nhân tín hiệu sóng mang đã đƣợc điều chế bởi dữ liệu với mã trải phổ C(t), bộ điều chế mã BPSK ở hình trên đƣợc thay thế bằng bộ nhân. Ta xây dựng đƣợc bộ điều chế nhƣ sau:
43
Hình 2.25: Sơ đồ trải phổ trực tiếp đơn giản
Khi này thì tín hiệu phát đi có thể đƣợc viết lại là:
St(t) = C(t). Sd(t) (2.12) Mặt khác do tính chất của tín hiệu C(t) là các tín hiệu xung NRZ nên
C(t)= ±1 do đó C2(t) = 1. Vì vậy: St(t). C(t) = C2(t). Sd(t)= Sd(t) (2.13) Tại đầu thu thì bộ thu sẽ thu đƣợc tín hiệu sau một khoảng thời gian trễ Td là:
√ C(t-Td).cos[ ω0t + фd(t- Td) + φ] + nhiễu (2.14) Ta xây dựng sơ đồ giải điều chế nhƣ sau:
Hình 2.26: Sơ đồ giải điều chế trải phổ dạng đơn giản.
Do việc điều chế tín hiệu ờ phía phát đƣợc thực hiện qua 2 lần điều chế. Do đó tại đầu thu quá trình giải điều chế cũng phải thực hiện theo 2 q trình ngƣợc lại với phía phát:
- Q trình 1: Thực hiện nhân tín hiệu điều chế thu đƣợc với mã trải phổ có sẵn ở đầu thu (quá trình này thực chất là quá trình nén phổ tín hiệu). sau q trình này thì tín hiệu thu đƣợc sẽ có dạng sau:
SR(t)= √ .C(t-T’’d). C(t-Td).cos[ ω0t + фd(t- Td) + φ] (2.15) Trong đó: Td: thời gian trễ do truyền dẫn.
44
T’’d: thời gian trễ truyền dẫn do phía thu dự đốn.
Nếu T’’ = Td thì điều đó có nghĩa mã trải phổ phía thu đƣợc đồng bộ chính xác với mã trải phổ phía phát. Khi đó ta có: C(t- T’’d). C(t-Td).
Nếu bỏ qua thành phần pha ngẫu nhiên φ thì tín hiệu thu đƣợc sau bộ nén phổ là:
( ) √ ( ) ( ) Ta thấy S*R(t) chính là Sd(t) bị trễ đi một khoảng thời gian là Td.
- Q trình 2: Tín hiệu S*R(t) đƣợc đƣa đến bộ giải điều chế pha để tách trở lại tín hiệu ban đầu.
Trong trƣờng hợp ta đang xét thì lần điều chế thứ nhất đối với dữ liệu thơng tin là q trình điều chế pha số thơng thƣờng, cịn điều chế trải phổ lần thứ 2 là điều chế BPSK.
Sau đây ta xét quá trình điều chế mà cả hai quá trình điều chế đều sử dụng phƣơng pháp điều chế BPSK (phƣơng pháp này còn đƣợc gọi là phƣơng pháp điều chế BPSK cải tiến).
Điều chế dữ liệu lần 1 có dạng:
Sd(t) =√ .cos[ ω0t + dt] với 0 ≤ t ≤ Ts (2.16) Trong đó: Tb là độ rộng của một tín hiệu hay một bít.
Do điều chế BPSK nên độ dịch pha là Π. Dữ liệu d(t) mang giá trị ±1. Trong ký hiệu BPSK một ký hiệu điều chế đƣợc thay bở một bít. Do vậy:
Ts= Tb với Ts là độ dài của một ký hiệu điều chế.
Do đó phƣơng trình (2-16) có thể đƣợc viết lại nhƣ sau: Sd(t) = √ ..cosω0t với 0 ≤ t ≤ Tb
Lúc này tín hiệu này đƣợc đƣa qua điều chế lần thứ hai dạng BPSK, và nó sẽ có dạng sau:
Sd(t) =√ .C(t). d(t). cosω0t với 0 ≤ t ≤ Tb (2.17) Do vậy quá trình điều chế 2 lần đƣợc thay thế bằng quá trình điều chế duy nhất thơng qua việc nhân mã trải phổ C(t) với dãy dữ liệu d(t).
45
2.6.1.2. Trải phổ dãy trực tiếp kiểu QPSK
Ngồi phƣơng pháp điều chế tín hiệu dịch pha nhị phân (BPSK) cịn có nhiều phƣơng pháp điều chế dịch pha khác. Với phƣơng pháp điều chế dịch pha nhị phân, góc pha của sóng mang bị dịch cố định là 0 hay 1800
tùy thuộc vào giá trị của dữ liệu. Do vậy nếu cả hai quá trình điều chế (dữ liệu và trải phổ) đều áp dụng phƣơng pháp này thì ngƣời ta có thể thay bằng một bƣớc điều chế dịch pha nhị phân cho tích của dữ liệu và mã trải phổ. Còn đối với phƣơng pháp điều chế pha 4 mức (QPSK) thì góc pha của sóng mang bị dịch đi nằm tại một trong bốn giá trị là 0, ±900 và 1800.
Điều chế pha 4 mức QPSK thực hiện tổ hợp 2 bít của tín hiệu thành một ký hiệu điều chế và quyết định một trạng thái pha sóng mang. Do vậy cùng với một độ rộng băng tần truyền dẫn, sử dụng phƣơng pháp điều chế QPSK sẽ có tốc độ bít tăng gấp đơi so với phƣơng pháp điều chế BPSK.
Quy luật về trạng thái pha của phƣơng pháp điều chế QPSK nhƣ sau:
Bảng 2.1: Trạng thái pha của phƣơng pháp điều chế QPSK
Trong trƣờng hợp tổng quát khi bƣớc điều chế dữ liệu ban đầu là phép điều chế dịch pha, tín hiệu đầu vào bộ điều chế trải phổ dãy trực tiếp kiểu QPSK là:
S (t) =√ .cos[ ω0t + фd(t)] với 0 ≤ t ≤ Tb (2.18)
Phép điều chế trải phổ QPSK thực hiện dịch pha của sóng mang đã đƣợc điều chế bởi dữ liệu dƣới tác dụng của mã trải phổ giả ngẫu nhiên theo quy luật điều chế theo bảng nhƣ trên. Việc điều chế này đƣợc thực hiện nhƣ hình vẽ sau:
46
Hình 2.27: Trải phổ dãy trực tiếp điều chế pha 4 mức
Trong đó bộ lai cầu phƣơng thực hiện tạo ra 2 tín hiệu có lệch pha nhau là 1800 (trực giao với nhau) từ tín hiệu điều chế pha ban đầu. Hai tín hiệu này có cơng thức sau:
Tín hiệu thứ nhất: I(t) = √ .cos[ ω0t + фd(t)] (2.19) Tín hiệu thứ hai: Q(t) = √ .sin[ ω0t + фd(t)] (2.20) Đồng thời tín hiệu giả ngẫu nhiên C(t) cũng đƣợc tách làm hai tín hiệu C1(t) và tín hiệu C2(t) với tốc độ bít bằng một nữa tốc độ bít của dịng nhị phân ban đầu. Dịng bít của tín hiệu C1(t) chứa các giá trị bít nằm ở các vị trí chẵn trong dịng bít của tín hiệu C(t) và ngƣợc lại dịng bít của tín hiệu C2(t) chứa các giá trị bít nằm ở các vị trí lẻ trong dịng bít của tín hiệu C(t). Nhƣ vậy hai tín hiệu I(t) và Q(t) bây giờ bị trải phổ dịch pha nhị phân bởi hai mã trải phổ có tốc độ bằng nữa tốc độ mã ban đầu. Kết quả tín hiệu trải phổ đầu ra thu đƣợc bằng cách cộng hai tín hiệu trải phổ này với nhau và có dạng sau:
x(t)=C1(t).I(t)+C2(t).Q(t)=√ .C1(t).cos[ω0t+фd(t)]+ √ C2(t).sin[ω0t+ фd(t)] (2.21) Nhƣ vậy với bƣớc điều chế trải phổ sử dụng phép điều chế pha 4 mức, tín