Kĩ thuật trải phổ

Kĩ Thuật Trải Phổ Phạm Minh Tâm ĐT3_K48 Tổng quan Kĩ thuật trải phổ là 1 công nghệ được sử dụng nhiều trong quân sự vì nó có đặc tính chống nhiều và bảo mật rất cao. Ngày nay nó là thành phần tất yếu trong các hệ thống thông tin vô tuyến lớn : CDMA sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp( DSSS) , GPS là hệ thống trải phổ lớn nhất thế giới , các Wlan như WIFI hay Bluetooth .. Các ưu việt của CN trải phổ Tính bảo mật cao Chống nhiễu tốt Giảm Fading đa đường Phân Loại Trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS) Quá trình đạt được bằng cách nhân nguồn tín hiệu vào với tín hiệu mã giả ngẫu nhiên một cách trực tiếp tín hiệu trải phổ đưa ra có độ rộng phổ xấp xỉ tốc độ của mã giả ngẫu nhiên Trải phổ nhảy tần Quá trính trải phổ đạt được bằng cách nhảy tần số sóng mang trên một tập lớn các tần số.Sự nhảy tần của tần số sóng mang được quyết định của các mã nhảy tần có dạng giả ngẫu nhiên được điều khiển bởi các từ mã trải phổ PN. Kĩ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp Sử dụng mã trải phổ băng rộng để điều chế tín hiệu sóng mang chứa thông tin.Trong phương pháp này mã trải phố trực tiếp tham gia vào quá trình điều chế , còn trong các dạng trải phổ khác mã trải phổ chỉ dùng để điều khiển tần số hay thời gian truyền dẫn sóng mang . DSSS sử dụng điều chế BPSK Mã trải phổ là tín hiệu NRZ (non return to zero) chỉ có giá trị  1 điều chế trực tiếp tín hiệu sóng mang đã được điều chế BPSK Bộ điều chế dữ liệu S(t) C(t) d(t) Dữ liệu nhị phân Sóng mang Mã trải phổ 1 S(t) = A Cos 0t Nếu c(t) và d(t) chỉ nhận các gía trị  1 thì ST(t) có thể được viết đơn giản hơn như sau ST (t) = d(t). c(t) Cos0t = c(t) Cos [0t + d (t)] Trong đó d (t)] : góc pha của sóng mang được điều chế bởi dữ liệu C(t) : góc pha của ST(t) fụ thuộcvào c(t) Ở bên nhận Lọc thông Dải Giải điều chế BPSK C(t - d) Sd(t) Mã trải phổ Việc giải điều chế tín hiệu thu được tiến hành theo 2 bước Bước 1 : Thực hiện quá trình nén phổ Bước này được thực hiện bằng cách nhân R(t) với C(t - d) R*(t) = c(t-Td). c(t- d). Cos[0(t-Td) + d(t-Td) + ] Nếu đồng bộ tốt thì Td = d và c(t- Td)c(t - d) = 1 Khi đó tín hiệu đi ra bộ lọc thông dải chỉ còn mang tín hiệu dliệu R*(t) = . Cos[0(t-Td) + d(t-Td) + ] Như vậy sau khi nén phổ ta thu đc dliệu giống như ở bên phát và bị trễ đi 1 khoảng thời gian là Td Bước 2 : Giải điều chế pha TÝn hiÖu sau bé läc th«ng d¶i R*(t) ®­îc ®i qua bé gi¶i ®iÒu chÕ BPSK ®Ó thu l¹i dữ liÖu d(t). Sau ®©y ta sÏ xem xÐt phæ c«ng suÊt sãng mang trong ®iÒu chÕ DS/BSK. DSSS sử dụng điều chế QPSK ĐiÒu chÕ pha 4 møc (QPSK) sö dông nguyªn lý tæ hîp 2 bit thµnh mét ký hiÖu ®iÒu chÕ vµ ®­îc m« t¶ cïng mét tr¹ng th¸i pha sãng mang. Do vËy cïng ®é réng băng truyÒn dÉn, sö dông ph­¬ng ph¸p ®iÒu chÕ pha QPSK sÏ cã tèc ®é bit truyÒn dÉn ®¹t gÊp ®«i nÕu dïng ph­¬ng ph¸p BPSK. 4 tæ hîp cña 2 bit nhÞ ph©n sÏ t­¬ng øng víi 4 tr¹ng th¸i cña sãng mang nh­ sau: Khối phát Bộ điều chế pha Bộ lai cầu phương Dữ liệu vào d(t)  C1(t) C2(t) ST(t) Sd(t) Cos[0t+d(t)] Sin[0t+d(t)] Cos0t I Q Đầu ra của bộ điều chế pha là tín hiệu điều chế pha 4 trạng thái Sd(t) = Cos[0t + d(t)] 0  t  Ts trong ®ã d(t) lµ gãc pha cña sãng mang bÞ ®iÒu chÕ nhËn c¸c gi¸ trÞ lµ /4, 3/4, -/4 , -3/4 tuú theo cÆp bit t­¬ng øng 00 01 10 11 Dữ liÖu sau khi qua bé ®iÒu chÕ pha ®­îc ®­a qua bé chuyÓn ®æi nèi tiÕp song song t¹o ra 2 tÝn hiÖu sãng mang ®­îc ®iÒu chÕ bëi d÷ liÖu trùc giao víi nhau trªn 2 ®­êng ®­îc gäi lµ kªnh I ( kªnh ®ång pha ) vµ kªnh Q ( kªnh cÇu ph­¬ng ) Sãng mang trªn kªnh I lµ: SdI(t) = Cos[0t + d(t)] Sãng mang trªn kªnh Q lµ: SdQ(t) = Sin[0t + d(t)] sóng mang trên 2 kênh này được điều chế với 2 mã trải phổ C1(t) vµ C2(t) t­¬ng tù nh­ qu¸ trinh ®iÒu chÕ tr¶i phæ BPSK Tín hiệu trải phổ trên 2 kênh I và Q STI(t) = Cos[0t + d(t) + C1(t)] STQ(t) = Sin[0t + d(t) + C2(t)] Tín hiệu phát ra là : ST(t) = STI(t) + STQ(t) = C1(t). Cos[0t + d(t)] + C2(t). Sin[0t + d(t) ] Khối thu Bé chia c«ng suÊt Lọc thông dải  Giải đchế phaQPSK TÝn hiÖu thu ST(t-Td) 2Cos[(0 + IF)t + ] 2Sin[(0 + IF)t + ] X(t) Y(t) C2(t- d) C1(t- d) Tín hiệu đầu vào của bộ giải điều chế ST(t-Td) = C1(t-Td). Cos[0t + d(t)] + C2(t-Td). Sin[0t + d(t) ] Sau bộ chia công suất thi tín hiệu trên 2 nhánh X(t) và Y(t) chỉ còn 1 nửa công suất nhưng tần số không đổi , nếu bỏ qua lệch pha ngãu nhiên thì X(t) và Y(t) có dạng : X(t) = C1(t-Td). C1(t- d). Cos[0t + d(t)]. 2Cos[(0+ IF)t] + C2(t-Td). C1(t- d).Sin[0t + d(t) ] . 2Cos[(0+ IF)t] Nếu đạt được đồng bộ tốt thì X(t) sẽ có dạng: X(t) =  Cos[20t+IFt+d(t)] + Cos[-IFt +d(t)]  bộ lọc thông dải điều chỉnh để cộng hưởng tại tần số trung tâm IFt có độ rộng đủ lớn để sóng màn đi qua mà không bị biến dạng, tín hiệu X(t) tại lân cận tần số trung tâm IFt : X*(t) = Cos[-IFt +d(t)] Tương tự cho Y(t) kết quả có dạng Y*(t) = Cos[-IFt +d(t)] Tín sau bộ lọc thông dải là : Z*(t) = X*(t) + Y*(t) = Cos[-IFt +d(t)] Như vậy ta thấy sóng mang được điều chế bởi dữ liệu đã được phục hồi , bây giờ cho qua bộ giải điều chế QPSK ta sẽ thu được dữ liệu d(t) Thông số quan trọng của quá trình trải phổ là độ tăng ích của hệ thống được định nghĩa là tỷ số độ rộng băng tần trải phổ và tốc độ dữ liệu vào : GP = WSS / Rb WSS : độ rộng băng tần trải phổ có giá trị xấp xỉ tốc độ chip của mã trải phổ Wss  Rc=1/Tc Rb : Tèc ®é dữ liÖu Rb=1/Tb GP = WSS/ Rb = Tb/Tc Tb càng lớn hơn Tc thì tức là độ tăng ích càng lớn, chất lượng trải phổ càng tốt. Kĩ thuật trải phổ nhảy tần Được phát minh bởi nữ diễn viên Hollywood Hedy Lamarr Là kĩ thuật điều chế trong đó tần số sóng mang nhảy trên các dải tần khác nhau . Được thiết kế đầu tiên với mục đích quân sự chia 83,5 Mhz phổ thành 79 kênh , mỗi kênh 1Mhz công tác tại tần số 900Mhz, tốc độ nhảy tần khoảng 2,5 hops/s (US) Wlan sử dụng băng tần 2.4 Ghz đến 2,4835 Ghz cũng chia thành 79 kênh mỗi kênh 1Mhz Các ưu nhược điểm Ưu điểm : Giảm fading đa đường do tín hiệu được các sóng mang có tần số khác nhau Sủ dụng 1 phần dải thông nhỏ ở mỗi thời điểm Nhược điểm : Fụ thuộc nhiều vào các yếu tố môi trường Dễ bị phát hiện hơn DSSS Phân Loại Phân loại dựa trên tương quan giữa tốc độ nhảy tần RH và tốc độ điều chế RS NÕu RH lµ béi cña RS thì ta có nhảy tần nhanh NÕu RS lµ béi cña RH thì ta có nhảy tần chậm Phân loại theo kiểu điều chế và giải điều chế ta có 2 loại : Hệ thống nhảy tần kết hợp (Coherent FH/SS) Hệ thống nhảy không tần kết hợp (Non Coherent FH/SS) Sau đây là hình ảnh minh họa cho 2 loại nhảy tần nhanh và chậm Mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần Điều chế nhảy tần Tạo mã PN Bộ điều chế MFSK Giải điều chế Nhảy tần Giải điều chế MFSK Tạo mã PN Dữ liệu d(t) 1 k …. 1 ….. k Dữ liệu Kênh truyền  Nhiễu Bên phát Bên thu Xung nhịp Xung nhịp d(t) Hoạt động Ở phía phát dữ liệu d(t) được đưa tới bộ điều chế MFSK để điều chế sóng mang sau đó được đưa tới điều chế nhảy tần với mã nhảy tần giả ngẫu nhiên Ở phía thu quá trình diễn ra ngược lại,tín hiệu đi qua bộ giải điều chế nhảy tần đễ khôi phục lại sóng mang, sau đó sóng mang này đi qua bộ giải điều chế MFSK thông thường để khôi phục lại dữ liệu Ở cả máy thu và máy phát đều có bộ tạo mã PN gồm k chíp mã tương ứng với 1 từ tần số Hệ thống nhảy tần chậm kết hợp Bộ điều chế Dữ liệu Lọc thông cao Trải phổ nhảy tần Tạo mã PN 1 k ….. Dữ liÖu vµo d(t) Nhịp hT(t) S(t) = Cos0t Sơ đồ khối phía phát Sơ đồ khối phía thu Mạch lọc tần số ảnh Lọc thông dải Trải phổ nhảy tần Tạo mã PN 1 k ….. Nhịp hR(t) Bộ giải điều chế MFSK Cos0t Tín hiệu hT(t) tại đầu ra của bộ chọn lọc tần số có dạng hT(t) = 2p(t - nTC ). Cos(nt + n) p(t): lµ hµm xung ®¬n vÞ trong ®é réng xung nh¶y tÇn Tc( thêi gian tån t¹i tone) n: tÇn sè gãc cña tone nhÈy thø n víi - < n < + n : gãc pha cña tone nhÈy thø n (®­îc x¸c ®Þnh l¹i ë phÝa thu ®Ó thùc hiÖn gi¶i ®iÒu chÕ nhÊt qu¸n- kÕt hîp Từ sơ đồ ta thấy sóng nhảy tần phát ra chính là tích của hR(t) và hàm Sd(t) Tại phía thu tín hiệu nhận được sẽ có dạng : ST(t-Td) = p(t-Td -nTC). Cos[(0+n)t - n+d(t-Td)-(0+n)Td] Trong đó Td là trễ truyền dẫn Tín hiệu này được đổi tần xuống bằng th hR(t) hR(t) = 2 p(t - d - nTC ). Cos(nt + n -  d) Trong trường hợp lý tưởng sóng mang ở phía thu đồng bộ với sóng mang ở phía phát tức là d=Td Sau khi qua bộ lọc thông dải để loại bỏ các thành phần tần số không cần thiết thì ta có được tín hiệu tới bộ giải điều chế MFSK : S*d(t) = ST(t-Td). hR(t) = p(t - Td - nTC ). Cos[0t - 0Td+d(t-Td)] = Cos[0t - 0Td+d(t-Td)] Như vậy Sd*(t) là sóng mang bị điều chế bởi dữ liệu, sau khi đi qua bộ giải điều chế thông thường , ta nhận được dữ liệu d(t) ở đầu ra Các tín hiệu trải phổ đều sử dụng mã giả ngẫu nhiên để trải phổ tín hiệu hoặc điều khiển nhảy tần số nên vấn đề đồng bộ được xem là yếu tố sống còn Với bất kì kĩ thuật trải phổ nào chúng ta cần phải có thông tin về thời gian của tín hiệu được phát để nén tín hiệu thu được và giải điều chế tín hiệu vừa mới được nén. Đặc biệt đối với hệ thống DS-SS nếu chúng ta chỉ chệch đi 1 khoảng thời gian bằng 1 chip thì chúng ta không thể nén được tín hiệu trải phổ thu được nên không thể tìm ra được tín hiệu dữ liệu ban đầu . Vấn đề đồng bộ trong trải phổ Đồng bộ chia làm 2 giai đoạn Bắt mã( Acquíition) Ở bước này 2 mã trải phổ (mã thu được và mã tự sinh ra ở bên nhận ) sẽ đồng chỉnh với nhau, đồng bộ giữa máy phát và máy thu trong khoảng thời gian xac định là  Tc Bám mã (tracking) Ở bước này nhờ sử dụng vòng hồi tiếp mà mã trải phổ tại chỗ chính xác nhất liên tục được chọn Một số yếu tố ảnh hưởng đến việc đồng bộ Khoảng cách giữa máy thu và máy phát không xác định dẫn đến tính toán giá trị trễ truyền dẫn không chính xác Nhịp tương đối giữ máy thu và máy phát không được thiết lập dẫn đến sự khác nhau về pha giữa tín hiệu trải phổ của máy phát và máy thu Máy phát và máy thu không được lắp đặt các bộ dao động giống nhau dẫn đến lệch tần số giữa 2 tín hiệu Đặc điểm của hầu hết chiến lược đồng bộ là trong khoảng thời gian bắt mã, nơi thu tiến hành cho mã thu và mã tạo ra tại chỗ đựoc tương quan với nhau để có được địa lượng đánh giá sự giống nhau giữa chúng. Sau đó đại lượng này được so sánh với 1 mức chuẩn định trước để đưa ra quuyết định. Nếu chúng đòng bộ thì việc bắt mã kết thúc, nếu không thì thủ tục thu lại đưa ra mã được tạo ra tại chỗ có sự thay đổi về tần số và pha và lại so sánh tiếp đến bao giờ chúng đòng bộ mới thôi. Bước bắt mã Tín hiệu thu Bộ tạo tín hiệu PN tham chiếu BPF Tách năng lượng Thiết bị quyết định Điều khiển Logic Pha dò Bên thu chọn 1 pha cho dãy PN tại máy thu để nén phổ tín hiệu thu được.Tín hiệu sau khi nén phổ sẽ cho qua bộ lọc thông dải. Nếu pha của chúng giống nhau thì BPF sẽ nhận toàn bộ công suất của tín hiệu vừa thu được và thiết bị điều khiển sẽ cho kết thúc chu trình bám. Ngược lại nếu pha thử chọn này không khớp với tín hiệu thu được, thì sẽ xuất hiện tín hiệu băng rộng tại đầu vào của BPF và nó chỉ thu nhận được 1 phần công suất rất nhỏ. Dựa vào điều này máy thu quyết định pha dò không đúng và tiếp tục dò pha khác. Xin cảm ơn thầy giáo và các bạn