2.5. Ghép nối với lƣới điện – xử lý tín hiệu
2.5.3.1. Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông
Bộ điều chế số và giải điều chế số là một phần của máy phát và máy thu, kỹ thuật điều chế liên quan đến việc truyền dẫn trên cáp bọc, cáp đồng trục. Trong chƣơng này ta sẽ điểm lại các kỹ thuật điều chế khác nhau đã có, cùng với việc tính tốn xắc suất lỗi đối với phần lớn các trƣờng hợp và phƣơng pháp giảm xắc suất lỗi. Kỹ thuật điều chế số đƣợc dùng để điều chế sóng mang, có thể làm thay đổi biên độ, pha, tần số của sóng mang thành từng mức gián đoạn. Dƣới tác động của tín hiệu mang thơng tin. Về ngun lý có thể thực hiện đƣợc cả điều chế số và điều chế tƣơng tự, nhƣng trong thực tế việc điều chế số cho hệ thống là rất phổ biến, còn điều chế tƣơng tự rất ít đƣợc áp dụng. Hiện nay chỉ sử dụng trong một số phịng thí nghiệm. Mặc dù có nhiều phƣơng thức điều chế, nhƣng việc phân tích các phƣơng thức điều chế này tuỳ thuộc chủ yếu vào kiểu điều chế và tách sóng.
Q trình điều chế, lƣợng tin của nguồn tín hiệu đƣợc bảo tồn, chỉ thay đổi mối tƣơng quan về tần số và cơng suất của tín hiệu truyền đi.
Việc phân tích chất lƣợng của các kỹ thuật điều chế và giải điều chế khác nhau, các tín hiệu băng thơng và các kênh trong một số loại có thể chuyển đổi một
34
cách đơn giản theo toán học thành dạng băng thấp tƣơng đƣơng. Điều chế này cho phép phân tích độc lập các tần số sóng mang và băng tần kênh.
- Điều biên - AM : Dạng điều chế này tạo ra bằng cách cho tín hiệu thơng tin tác động vào biên độ với sóng mang có tần số cao hơn và lọc sang băng mong muốn để truyền đi.
- Điều tần - FM: Tín hiệu thơng tin tác động vào tần số đầu ra của nó biến đổi phù hợp với quy luật của tín hiệu.
Hình 2.19: Các dạng tín hiệu đƣợc điều chế ASK, PSK, FSK
Điều pha – PM: Tín hiệu thơng tin tác động vào pha của sóng mang tạo lên độ lệch pha theo quy luật của tín hiệu cần điều chế.
Việc chọn tần số sóng mang phụ thuộc vào độ rộng băng tần của tín hiệu điều chế và phƣơng pháp tách sóng sau đó. Chọn phƣơng pháp điều chế phụ thuộc vào sự mong muốn cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR đối với băng tần bị chiếm và các yếu tố khác nhƣ giá thành, độ phức tạp của hệ thống.
Trong hệ thống thơng tin, có ba dạng điều chế là: điều chế khố dịch biên độ ASK, điều chế dịch tần FSK và điều chế khố dịch pha PSK hình 2.30 mơ tả các dạng tín hiệu điều chế này. Sau đây, ta sẽ đi vào phân tích cụ thể các dạng điều chế.
35
Hình 2.20: Phổ cơng suất tín hiệu khi điều chế số 2.5.3.2. Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK.
Khoá dịch biên độ ASK hay cịn gọi là khố đóng mở OOK (on/off Keying). Đây là cách điều chế sóng mang đơn giản nhất.
Trƣờng sóng tín hiệu có thể viết nhƣ sau:
Es(t) = E0m(t)cos[0t+s(t)] (2.5)
Trong đó As = E0m(t) là biên độ đƣợc điều chế thơng qua tín hiệu điều chế m(t), trong khi đó phải giữ cho 0 và s là hằng số. Vì là điều chế số nên m(t) chỉ có 2 giá trị 0 và 1 tuỳ thuộc vào các bít 0 hay 1 cần đƣợc phát đi. Trong hầu hết các trƣờng hợp thì As có giá trị bằng 0 khi truyền các bit 0. Dạng phổ tín hiệu của ASK đƣợc biểu thị trong hình 2.20.
2.5.3.3. Điều chế dạng khố dịch tần số FSK.
Trong dạng điều chế FSK, thơng tin đƣợc mã hố trên sóng mang bằng cách dịch tần số sóng mang 0 . Với dạng tín hiệu số ở dạng điều chế này, đƣờng bao sóng mang giữ khơng đổi, cịn tần số 0 có 2 giá trị là (0 - ) và (0 + ), tuỳ thuộc vào tín hiệu phát đi là bit 0 hay 1. Sự dịch f = /2 đƣợc gọi là lệch tần.
36
Đại lƣợng 2f đôi khi đƣợc gọi là khoảng cách TONE vì nó là biểu hiện khoảng cách giữa các bit 0 và 1.
Trƣờng của dạng điều chế FSK đƣợc viết nhƣ sau:
Es(t) = E0cos[(0t + m(t)2f) + s] (2.6)
Với m(t) có thể nhận 2 giá trị ±1. Nếu 2f là độ lệch tần đỉnh - đỉnh thì tham số = 2f/B đƣợc gọi là chỉ số điều chế tần số. Tƣơng ứng với các khác nhau sẽ có các sơ đồ khác nhau.
Khi = 0.5 thì đƣợc coi là điều chế khố dịch tần tối thiểu MSK (Minimum Shift Keying), dạng phổ công suất nén rất chặt làm cho sơ đồ này rất hấp dẫn đối với các hệ thống tốc độ cao, độ rộng băng tần giữa các điểm không ở thực tế 1.5B.
Khi (0,5 0, 7) thì đƣợc coi là điều chế khoá dịch tần pha liên tục CPFSK (Continuous Phase Frequency Shift Keying) hoặc là độ lệch tần hẹp, và dạng phổ của nó bị nén rất chặt, nhƣ vậy có thể coi MSK là trƣờng hợp riêng của CPFSK. Giải điều chế tại tầng IF có thể đƣợc thực hiện bằng bộ phân biệt tần số đƣờng dây trễ.
Khi >> 1 thì đƣợc coi là điều chế FSK lệch tần rộng và phổ của nó đƣợc phân thành 2 thành phần tập chung quanh fs - f và fs+f tƣơng ứng, mỗi thành phần đƣợc coi giống nhƣ phổ của tín hiệu điều chế ASK nếu đủ lớn xem hình 2.31. Nhƣ vậy độ rộng băng tần tổng cộng rất rộng, vì thế sơ đồ này khơng thích hợp cho hệ thống tốc độ cao, nhƣng có thể dùng cho các hệ thống đơn giản và rẻ tiền. Có thể điều chế tín hiệu IF bằng phƣơng pháp đƣờng bao hoặc đồng bộ.
Các trƣờng hợp trung bình 1 thực tế khơng quan tâm. Vì tần số của tín hiệu khơng phải là hằng số trong khi điều chế, sơ đồ FSK không thể thực hiện đƣợc cho dù là hệ thống đồng tần số.
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 không 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 thơng 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 đơi. 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 thông 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 ngồi việc nhằm mục đích truyền đƣợc tín hiệu đi xa cịn phải bảo mật trong suốt quá 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 thơng 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 thơng 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).