Bám mã PN trong các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS)

2.1.2 Đồng bộ trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp

2.1.2.3 Bám mã PN trong các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS)

Trong mục tr-ớc chúng ta đã đề cập một số mạch bắt mã PN trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp, trong phần này chúng ta sẽ đề cập đến các mạch bám mã PN. Một mạch bám nói chung bao gồm có một vòng phản hồi để giám sát sai lệch và điều chỉnh sai lệch đó về 0. Chúng ta sẽ xem xét hai kiểu mạch vòng đ-ợc dùng để bám tín hiệu PN trong các hệ thống DS- SS: vòng bám dùng bộ khóa trễ (vòng bám sớm chậm toàn bộ thời gian) và vòng bám dùng bộ rung tau (còn gọi là vòng bám sớm muộn theo phiên).

a/ Vòng khóa trễ

Giả sử rằng việc bám đã đ-ợc khởi động sau khi mạch bắt đã đ-a sai pha giữa tín hiệu PN nội và tín hiệu tới trong khoảng ±ΔTc. Hình 2.11 biểu diễn một vòng khóa trễ quyết định trực tiếp với giải điều chế sóng mang kết hợp. Chúng ta giả sử tín hiệu tới là s(t) Pc(t)b(t1)cos[2fct)], có nghĩa là pha của c(t) bằng 0. Khi đó mạch bắt đã sẵn sàng cung cấp tín hiệu PN nội c(t+τ) với sai pha trong khoảng thời gian ΔTc,  Tc. Ngoài ra, nó cũng tạo ra tín hiệu sớm pha và trễ pha so với tín hiệu PN gốc là:

)

(t d

c   và c(t d) với độ lệch cố định τd. Chúng đ-ợc sử dụng để giải trải tín hiệu DS-SS tới. Do tính đối xứng hai tín hiệu giải trải bằng nhau khi τ = 0 và khác nhau khi τ # 0. Sự sai khác của chúng chính là sai số tín hiệu, nó đ-ợc dùng để phản hồi lại hiệu chỉnh pha của bộ tao PN. Các tín hiệu sớm pha và trễ pha đ-ợc nhân với tín hiệu tới và sóng mang từ mạch khôi phục sóng mang. Từ hình 2.11, bỏ qua các thành phần tạp nhiễu ta có:

v1(t) 2Pc(t)c(t d)b(t)cos2(2fct) = ( ) ( ) ( )1 cos(4 2 )

2c t c t  b t  f t  P

c

d (2.23)

v2(t) 2Pc(t)c(t d)b(t)cos2(2fct) = ( ) ( ) ( )1 cos(4 2 )

2c t c t  b t  f t  P

c

d (2.24)

LPF

LPF Bộ tạo chuỗi

PN VCC Bộ lọc vòng

s(t)+n(t)

) 2

cos( fct

) 2

sin( fct

)

(t d

c  

)

(t d

c  ) (t c

Tc



 

)

1(t v

)

2(t v

) ˆ(t b

) ˆ(t b

y(t)

)

1(t u

)

2(t u

) (t

z +

-

Hình 2.11: Sơ đồ của một vòng khóa trễ

Chú ý b(t) có dải thông hẹp hơn so với tín hiệu PN c(t). Các bộ lọc thông thấp có độ rộng dải thông đủ để cho qua thành phần b(t) nh-ng đủ hẹp để lọc (các bộ lọc thông thấp) các thành phần tần số cao. Do vậy, sau khi lọc thông thấp và trộn với bˆ(t)(thành phần đánh giá đầu ra), các tín hiệu nhận đ-ợc là:









 t

NT t

d

c

dt t

c t NTc c t b t Pb t

u 1 ( ') ( ' ) '

) ˆ( ) 2 ( )

1(  

= ( )ˆ( ) ( ) 2b t b t Rc d

P   (2.25)

( )ˆ( ) 1 ( ') ( ' ) ' ) 2

2( 







 t

NT t

d

c

dt t

c t NTc c t b t Pb t

u  

= ( )ˆ( ) ( ) 2b t b t Rc d

P   (2.26) Trong đó Rc()là hàm tự t-ơng quan của tín hiệu PN, cho bởi công thức (2.22), với chu kỳ NTc, chú ý rằng các tích phân trên đ-ợc thực hiện trên một chu kỳ dạng sóng PN, vì rằng mức trung bình của một tín hiệu

tuần hoàn là giống nhau nh- mức trung bình trên một chu kỳ. Giả sử )

( ) ˆ(t b t

b  , do vậy bˆ(t).b(t)1. Sự khác nhau giữa u1(t)và u2(t) là:

0 ) (

|n

) ( )

(  z t t 

d  =  ( ) ( )

) 2 ( )

( 2

1 P Rc d Rc d

t u t

u        (2.27) Chú ý rằng bˆ(t)là một -ớc đoán của b(t). Nó có các sai số không th-ờng xuyên, do đó chúng không giống nhau. Trong tr-ờng hợp này, mạch lọc vòng có một dải thông nhỏ, bằng trung bình đầu ra của tích bˆ(t).b(t) xấp xỉ bằng 1. Do vậy, sai số trong các máy thu làm việc hoàn hảo là nhỏ, -ớc

đoán bˆ(t)bằng b(t)trong hầu hết thời gian và mức trung bình của bˆ(t).b(t) xấp xỉ bằng 1. Do vậy, công thức (2.27) vẫn có hiệu quả, trừ tr-ờng hợp giảm nhỏ biên độ tín hiệu.

Hàm d(τ) trong (2.27) đ-ợc gọi là đặc tính phân biệt trễ. Chúng ta giả

sử rằng hàm tự t-ơng quan tuần hoàn Rc()là tuần hoàn với chu kỳ NTc, có dạng hình tam giác nh- trong công thức (2.22) và trên hình 2.12(a). Hàm

) (

d cũng tuần hoàn với chu kỳ NTc, với chu kỳ đầu tiên đ-ợc vẽ trên hình 2.12(b) víi d  Tc /2

Tc -Tc

a

 0

c( ) aR 

-Tc

Tc

 d

d

 0

c d 0.5T



 c( d) (c d)

a R   R  

§é dèc = -2a/Tc



(a)

(b)

Hình 2.12: Đặc tr-ng phân biệt trễ

Giá trị a trong hình 2.12 chính là hằng số P/2. Độ dốc của đoạn tuyến tính giữa trong hình 2.12 (b) là 2 /a Tc. Tín hiệu y(t) trong hình 2.11 dùng để điều khiển xung đồng hồ điều khiển bằng điện áp (VCC). Đối với mục đích nghiên cứu hoạt động của vòng khóa trễ ta coi nhiễu bằng 0, y(t)=z(t). Nếu y(t) = 0, tức là tr-ờng hợp d(τ) và nhiễu bằng 0, thì VCC và bộ tạo PN không cần điều chỉnh. Tuy nhiên, khi y(t) # 0, thì pha τ của máy phát PN đ-ợc điều chỉnh t-ơng ứng (bằng cách làn trễ hay sớm pha tùy thuộc vào y(t) d-ơng hay âm). Cụ thể là pha τ của máy phát PN phải tăng khi y(t) d-ơng và giảm khi pha của τ âm. Việc điều chỉnh nh- vậy t-ơng ứng với sự thay đổi trên hình 2.12(b) theo h-ớng cân bằng tại τ = 0, theo chiều mũi tên trên hình vẽ.

Nếu pha của sóng mang không đ-ợc sử dụng trong mạch bám thì khi

đó ng-ời ta dùng một bộ giải điều chế không kết hợp thay cho bộ giải điều chế kết hợp.

b/ Vòng khóa trễ với giải điều chế không kết hợp

Nếu pha của sóng mang không đ-ợc sử dụng trong mạch bám, một bộ giải điều chế không kết hợp đ-ợc sử dụng để loại bỏ sóng mang. Một bộ tách sóng đ-ờng bao theo luật bình ph-ơng đ-ợc sử dụng cho mục đích này. Quá

trình bình ph-ơng cũng sẽ không sử dụng thành phần bˆ(t). Một vòng khóa trễ nh- vậy đ-ợc thể hiện trên hình 2.13. Bộ tách sóng đ-ờng bao theo luật bình ph-ơng bao gồm một bộ bình ph-ơng và sau đó một bộ lọc thông thấp (LPF). Theo nh- trên tín hiệu s(t) 2Pc(t)b(t)cos(2fc) và nhiễu n(t) là nhiễu trắng Gauss với PSD hai biên là N0/2. Để hiểu cơ chế làm việc của vòng bám nh- thế nào chúng ta chú ý vào các tín hiệu tại các điểm thay đổi, không loại thành phần tạp nhiễu. Tín hiệu đầu vào phía cao của bộ lọc thông dải trong hình 2.13 là:

1(t) 2Pc(t)c(t d)b(t)cos(2fct) + tạp nhiễu (2.28)

LPF

BPF fc BW=2B Bộ tạo chuỗi

PN VCC Bộ lọc vòng

s(t)+n(t)

) 2

cos( fct

) 2

sin( fct

)

(t d

c  

)

(t d

c   ) (t c

Tc



 

)

1(t



)

2(t



y(t)

)

1(t u

)

2(t u

) (t z

(.)2 LPF

Bộ tách sóng

®-êng bao theo luật bình ph-ơng

Bộ tách sóng đ-ờng bao theo luật bình ph-ơng

Hình 2.13: Sơ đồ khối vòng khóa trễ với giải điều chế không kết hợp

Do các bộ lọc thông dải có tần số trung tâm của dải tại ±fc, độ rộng 2B Hz, trong

đó B  1/T(Hz), với T là thời gian một bit của b(t). Độ rộng dải thông này

đủ để cho qua b(t) nh-ng đủ hẹp để loại tín hiệu PN ra ngoài. Nh- vậy chóng ta cã:

) 2

cos(

) ( ) (

2 )

1(t  PR   b t f t

v c d c + tạp nhiễu (2.29)

Tín hiệu v1(t) đ-ợc đ-a qua bộ tách sóng đ-ờng bao theo luật bình ph-ơng, nó đ-ợc bình ph-ơng lên và qua bộ lọc thông thấp, ta nhận đ-ợc:

u1(t) = P R2c(τ + τd) + tạp nhiễu (2.30) Trong đó nhiễu hiện giờ là nhiễu thông thấp. T-ơng tự chúng ta có:

u1(t) = P R2c(τ - τd) + tạp nhiễu (2.31) Do vậy đầu vào bộ lọc vòng là:

z(t) =P[R2c (τ + τd) - P R2c(τ + τd)] + tạp nhiễu (2.32) Đặc tr-ng phân biệt trễ trong thành phần tín hiệu của z(t):

d(τ) = z(t)|nhiÔu=0

= P[R2c(τ + τd) - P R2c(τ + τd)] (2.33)

Với R2c(τ) đã cho trong công thức (2.22), các giá trị bình ph-ơng R2c(τ +τd) và R2c(τ - τd) là tuần hoàn với chu kỳ NTc, với chu kỳ đầu tiên cho nh- sau:





























 



 



 











 



 



 



















d c

d c

d c d

c d

d d

c c

d

d c d

c

d

NT T

T T T T

T NT

c R











 







 













2 / ,

0

, 1

, 1

2 / ,

0

) (

2

2 (2.34)



























 



 



 









 



 



 



















d c

d c

d c d

c d

d d

c c

d

d c d

c

d

NT T

T T T T

T NT

c R











 







 













2 / ,

0

, 1

, 1

2 / ,

0

) (

2

2 (2.35)

Một vấn đề đặt ra đối với vòng khóa trễ là hai nhánh trong vòng phải có đặc tính phù hợp nhau. Mặt khác, tham số phân biệt trễ có thể sẽ không đi qua điểm τ = 0. Do vậy vòng bám sẽ khóa tới một điểm khác 0. Nh- vậy vòng bám có một trạng thái ổn định với sai pha. Nh-ợc điểm này đ-ợc khắc phục trong vòng rung tau (Tau ’ dither - loop).

c/ Vòng rung tau

Vòng rung tau có nguyên tắc hoạt động giống nh- vòng khóa trễ, nh-ng nó chỉ sử dụng một nhánh t-ơng quan thay cho hai nhánh t-ơng quan trong vòng khóa trễ. Hiệu ứng t-ơng quan giữa các tín hiệu PN sớm và trễ đạt đ-ợc bằng cách dịch ng-ợc về phía sau và phía tr-ớc giữa các tín hiệu sớm và trễ đó. Ưu điểm của vòng rung tau là loại trừ đ-ợc đòi hỏi phải phù hợp về tham số giữa hai nhánh của hai bộ t-ơng quan.

Sơ đồ khối của vòng rung tau đ-ợc biểu diễn trên hình 2.14(a).

BPF fc

Bộ tạo chuỗi

PN VCC

Bộ tạo xung vuông )

(t

W u(t)

) (t z

) (t q

(.)2 LPF

Bộ lọc vòng s(t) + n(t)

q1(t) q2(t)

y(t)

) (t v

)

(t d

c  )

(t d

c  

Hình 2.14(a): Sơ đồ vòng rung tau

Việc rung đ-ợc điều khiển bởi hai tín hiệu q1(t) và q2(t), là các tín hiệu t-ơng ứng sớm và trễ pha so với tín hiệu PN với tốc độ fD=1/TD, trong đó TD>>Tc. Hai tín hiệu xung t-ơng ứng với các thành phần d-ơng và âm của sóng vuông q(t), nh- thấy trong hình 2.14(b). Xung vuông q(t) cũng điều khiển tín hiệu vào bộ lọc vòng, đồng thời với quá trình rung pha. Do vậy, hoạt động mô phỏng hai nhánh t-ơng quan chỉ cần một bộ t-ơng quan.

. . . . t -1

1 q(t)

T

. . . . t

1 q1(t)

T

. . . . t 1

q2(t)

T

TD = 1/fn

Hình 2.14(b): Biểu đồ dạng xung vòng rung Tau

Tín hiệu (t) bao gồm 1(t) và 2(t) luân phiên nhau, trong đó:

1(t) = s(t)c(t+τ+τd) + tạp nhiễu (2.36) 2(t) = s(t)c(t+τ+τd) + tạp nhiễu (2.37) Việc sử dụng q1(t) và q2(t) nh- trong hình 2.14(b), chúng ta có thể viết:

(t) = q1(t)1(t) + q2(t)2(t) + tạp nhiễu (2.38) Tín hiệu u(t) luân phiên giữa u1(t) và u2(t). Tín hiệu ui(t), với i=1,2. Các giá trị của ui(t) là u1(t) = PR2c(τ + τd) + tạp nhiễu và u2(t) = PR2c(τ - τd) + tạp nhiễu, có thể nhận

đ-ợc từ một cách giống nh- ui(t) trong hình 2.11. Sau đó u(t) đ-ợc q(t) điều chế, chúng ta có:

z(t)q(t)u(t)

q(t)[q1(t)u1(t)q2(t)u2(t)] q1(t)u1(t)q2(t)u2(t)

P[q1(t)R2c( d)q2(t)R2c( d)] + tạp nhiễu (2.39) Trong đó R2c(τ + τd) và R2c(τ - τd) cho bởi công thức (2.34) và (2.35).

Nếu bộ lọc vòng có dải thông hẹp, so sánh đựơc với fd, thì tín hiệu q1(t) và q2(t) kết quả là các giá trị lấy trung bình, từ đó ta có tham số phân biệt trễ là:

d(τ) = P{ Ave.[q1(t)]R2c (τ + τd) - Ave.[q2(t)]R2c (τ - τd)}

=(P/2)[R2c(τ + τd)] - R2c(τ - τd)] (2.40) Tham số này bằng một nửa so với vòng khóa trễ (theo công thức 2.33). Do vậy công suất vòng rung tau nhỏ hơn 3 dB so với vòng khóa trễ. Điều này có thể giải thích bằng trực giác là do nhánh t-ơng quan đơn của vòng rung tau đ-ợc chia phiên thời gian cho tín hiệu sớm và trễ so với tín hiệu PN. Vì

thế công suất giảm đi một nửa.

2.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần (FH-SS) 2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần đ-ợc trình bày ở hình 2.15. Trong hệ thống trải phổ nhảy tần, phổ của sóng mang đã đ-ợc

điều chế sm(t) sẽ đ-ợc trải rộng ra bằng cách thay đổi tần số sóng mang. Mã

trải phổ c(t) không điều chế trực tiếp sm(t) mà dùng để điều khiển bộ tổ hợp tần số. Tại mỗi thời điểm xác định, bộ tạo mã PN cung cấp một từ mã gồm k bit điều khiển bộ tổ hợp tần số, từ mã này xác định tần số của tín hiệu dao

động phát ht(t) của bộ tổng hợp tần số để cung cấp cho bộ điều chế trải phổ.

Do các từ mã k bit đ-ợc tạo ra giả ngẫu nhiên trong một tập hợp 2k từ mã

nên ht(t) sẽ nhận một tần số trong tập 2k tần số. Tín hiệu phát st(t) là tín hiệu tại đầu ra của bộ trộn giữa ht(t) và sm(t).

Điều chế dữ liệu

Lọc thông dải

Tổ hợp tần sè

phát dãy PN

Bộ lọc đầu vào

Lọc thông dải

Tổ hợp tần sè

Phát dãy PN

Giải điều chế

m(t) sm(t)

t Pcosn 2

ht(t)

st(t)

Xung nhịp FH

1 b

hr(t)

1 b

Xung nhịp FH

sm(t) m(t)

a) Máy phát

b) Máy thu

sr(t)

Hình 2.15: Sơ đồ khối một hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần

Trong tr-ờng hợp dữ liệu m(t) đ-ợc điều chế BSFK thì tín hiệu sm(t) chọn một trong hai tần số f1 hoặc f 2 t-ơng ứng mức logic 1 hoặc 0 đ-ợc

phát. Trong điều chế MFSK, dữ liệu m(t) với độ rộng Tb và tốc độ ký hiệu Rs = R/n = 1/nTb với n = log2M là số bit thông tin trong một ký hiệu, thì tần số của tín hiệu sm(t) nhận một trong tập M = 2k tần số f0, f1, ... fM-1.

Trong khoảng thời gian Th, tín hiệu ht(t) có nhận một tần số trong tập K = 2k tần số F0, F1, ..., FK-1 và đ-ợc trộn với tần số sóng mang đã điều chế sm(t) tại bộ điều chế nhảy tần. Tín hiệu sm(t) sẽ đ-ợc nhảy đến một tần số xác định với tốc độ nhảy là Rh = 1/Th. Tín hiệu phát st(t) có tần số trong tập 2n.2k = MK tần số F0,0, F0,1, F0,2,...F0,M-1, F1,0, F1,1, ... ,FK-1,M-1 hay phổ của sóng mang đã đ-ợc trải rộng ra 2k lần. Với độ rộng của sóng mang đã điều chế là Bm thì độ rộng của tín hiệu đã trải phổ là :

B = 2k.Bm

Tại máy thu, thực hiện quá trình ng-ợc lại. Tại đây cũng có một bộ tạo chuỗi PN nh- máy phát đ-ợc sử dụng để điều khiển bộ tổng hợp tần số.

Sau khi qua bộ trộn sự dịch chuyển tần số giả ngẫu nhiên của tín hiệu phát thu đ-ợc sr(t) sẽ đ-ợc loại bỏ tại bộ giải điều chế nhờ việc trộn tín hiệu lối ra của bộ tổng hợp tần số hr(t) với tín hiệu thu đ-ợc. Tín hiệu sau bộ trộn sm(t) đ-ợc giải điều chế bằng bộ giải điều chế FSK không kết hợp. Tín hiệu xung nhịp đ-a đến bộ tạo chuỗi PN th-ờng đ-ợc tách từ tín hiệu thu đ-ợc.

Mặc dù điều chế/giải điều chế kết hợp BPSK nói chung cho chất l-ợng tốt hơn điều chế BFSK hoặc MFSK, song khó mà duy trì đ-ợc sự kết hợp về pha trong quá trình tổng hợp các tần số đ-ợc sử dụng trong các mẩu nhảy tần và cả trong quá trình truyền lan tín hiệu truyền qua kênh, do tín hiệu nhảy từ tần số này sang tần số khác trên một giải tần rộng. Hệ quả là điều chế/giải điều chế FSK không kết hợp th-ờng đ-ợc dùng trong các hệ thống trải phổ nhảy tần.

Tốc độ nhảy tần, đ-ợc kí hiệu là Rh, có thể đ-ợc chọn lựa bằng, thấp hơn hay cao hơn tốc độ symbol. Nếu Rh bằng hoặc thấp hơn tốc độ symbol, hệ thống đ-ợc gọi là hệ thống nhảy tần chậm. Nếu Rh cao hơn tốc độ symbol, thì hệ thống đ-ợc gọi là hệ thống nhảy tần nhanh. Trong quân đội

ng-ời ta th-ờng dùng nhảy tần nhanh nhằm mục đích gây khó khăn cho việc gây nhiễu cố ý. Tuy nhiên công nghệ phức tạp và dĩ nhiên là đắt, vì thế trong th-ơng mại ng-ời ta th-ờng dùng nhảy tần chậm.