Bài giảng Kĩ thuật trải phổ

Kĩ Thuật Trải Phổ Phạm Minh Tõm ĐT3_K48 Tổng quan Kĩ thuật trải phổ là 1 cụng nghệ được sử dụng nhiều trong quõn sự vỡ nú cú đặc tớnh chống nhiều và bảo mật rất cao. Ngày nay nú là thành phần tất yếu trong cỏc hệ thống thụng tin vụ tuyến lớn : CDMA sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp( DSSS) , GPS là hệ thống trải phổ lớn nhất thế giới , cỏc Wlan như WIFI hay Bluetooth .. Cỏc ưu việt của CN trải phổ Tớnh bảo mật cao Chống nhiễu tốt Giảm Fading đa đường Phõn Loại Trải phổ dóy trực tiếp (DS/SS) Quỏ trỡnh đạt được bằng cỏch nhõn nguồn tớn hiệu vào với tớn hiệu mó giả ngẫu nhiờn một cỏch trực tiếp tớn hiệu trải phổ đưa ra cú độ rộng phổ xấp xỉ tốc độ của mó giả ngẫu nhiờn Trải phổ nhảy tần Quỏ trớnh trải phổ đạt được bằng cỏch nhảy tần số súng mang trờn một tập lớn cỏc tần số.Sự nhảy tần của tần số súng mang được quyết định của cỏc mó nhảy tần cú dạng giả ngẫu nhiờn được điều khiển bởi cỏc từ mó trải phổ PN. Kĩ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp Sử dụng mó trải phổ băng rộng để điều chế tớn hiệu súng mang chứa thụng tin.Trong phương phỏp này mó trải phố trực tiếp tham gia vào quỏ trỡnh điều chế , cũn trong cỏc dạng trải phổ khỏc mó trải phổ chỉ dựng để điều khiển tần số hay thời gian truyền dẫn súng mang . DSSS sử dụng điều chế BPSK Mó trải phổ là tớn hiệu NRZ (non return to zero) chỉ cú giỏ trị  1 điều chế trực tiếp tớn hiệu súng mang đó được điều chế BPSK Bộ điều chế dữ liệu S(t) C(t) d(t) Dữ liệu nhị phõn Súng mang Mó trải phổ 1 S(t) = A Cos 0t Nếu c(t) và d(t) chỉ nhận cỏc gớa trị  1 thỡ ST(t) cú thể được viết đơn giản hơn như sau ST (t) = d(t). c(t) Cos0t = c(t) Cos [0t + d (t)] Trong đú d (t)] : gúc pha của súng mang được điều chế bởi dữ liệu C(t) : gúc pha của ST(t) fụ thuộcvào c(t) Ở bờn nhận Lọc thụng Dải Giải điều chế BPSK C(t - d) Sd(t) Mó trải phổ Việc giải điều chế tớn hiệu thu được tiến hành theo 2 bước Bước 1 : Thực hiện quỏ trỡnh nộn phổ Bước này được thực hiện bằng cỏch nhõn 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 thỡ Td = d và c(t- Td)c(t - d) = 1 Khi đú tớn hiệu đi ra bộ lọc thụng dải chỉ cũn mang tớn hiệu dliệu R*(t) = . Cos[0(t-Td) + d(t-Td) + ] Như vậy sau khi nộn phổ ta thu đc dliệu giống như ở bờn phỏt và bị trễ đi 1 khoảng thời gian là Td Bước 2 : Giải điều chế pha Tín hiệu sau bộ lọc thông dải R*(t) được đi qua bộ giải điều chế BPSK để thu lại dữ liệu d(t). Sau đây ta sẽ xem xét phổ công suất sóng mang trong điều chế DS/BSK. DSSS sử dụng điều chế QPSK Điều chế pha 4 mức (QPSK) sử dụng nguyên lý tổ hợp 2 bit thành một ký hiệu điều chế và được mô tả cùng một trạng thái pha sóng mang. Do vậy cùng độ rộng băng truyền dẫn, sử dụng phương pháp điều chế pha QPSK sẽ có tốc độ bit truyền dẫn đạt gấp đôi nếu dùng phương pháp BPSK. 4 tổ hợp của 2 bit nhị phân sẽ tương ứng với 4 trạng thái của sóng mang như sau: Khối phỏt 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 tớn hiệu điều chế pha 4 trạng thỏi Sd(t) = Cos[0t + d(t)] 0  t  Ts trong đó d(t) là góc pha của sóng mang bị điều chế nhận các giá trị là /4, 3/4, -/4 , -3/4 tuỳ theo cặp bit tương ứng 00 01 10 11 Dữ liệu sau khi qua bộ điều chế pha được đưa qua bộ chuyển đổi nối tiếp song song tạo ra 2 tín hiệu sóng mang được điều chế bởi dữ liệu trực giao với nhau trên 2 đường được gọi là kênh I ( kênh đồng pha ) và kênh Q ( kênh cầu phương ) Sóng mang trên kênh I là: SdI(t) = Cos[0t + d(t)] Sóng mang trên kênh Q là: SdQ(t) = Sin[0t + d(t)] súng mang trờn 2 kờnh này được điều chế với 2 mó trải phổ C1(t) và C2(t) tương tự như quá trinh điều chế trải phổ BPSK Tớn hiệu trải phổ trờn 2 kờnh I và Q STI(t) = Cos[0t + d(t) + C1(t)] STQ(t) = Sin[0t + d(t) + C2(t)] Tớn hiệu phỏt ra là : ST(t) = STI(t) + STQ(t) = C1(t). Cos[0t + d(t)] + C2(t). Sin[0t + d(t) ] Khối thu Bộ chia công suất Lọc thụng dải  Giải đchế phaQPSK Tín hiệu thu ST(t-Td) 2Cos[(0 + IF)t + ] 2Sin[(0 + IF)t + ] X(t) Y(t) C2(t- d) C1(t- d) Tớn 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 cụng suất thi tớn hiệu trờn 2 nhỏnh X(t) và Y(t) chỉ cũn 1 nửa cụng suất nhưng tần số khụng đổi , nếu bỏ qua lệch pha ngóu nhiờn thỡ X(t) và Y(t) cú 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 thỡ X(t) sẽ cú dạng: X(t) =  Cos[20t+IFt+d(t)] + Cos[-IFt +d(t)]  bộ lọc thụng dải điều chỉnh để cộng hưởng tại tần số trung tõm IFt cú độ rộng đủ lớn để súng màn đi qua mà khụng bị biến dạng, tớn hiệu X(t) tại lõn cận tần số trung tõm IFt : X*(t) = Cos[-IFt +d(t)] Tương tự cho Y(t) kết quả cú dạng Y*(t) = Cos[-IFt +d(t)] Tớn sau bộ lọc thụng dải là : Z*(t) = X*(t) + Y*(t) = Cos[-IFt +d(t)] Như vậy ta thấy súng mang được điều chế bởi dữ liệu đó được phục hồi , bõy giờ cho qua bộ giải điều chế QPSK ta sẽ thu được dữ liệu d(t) Thụng số quan trọng của quỏ trỡnh trải phổ là độ tăng ớch 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 cú giỏ trị xấp xỉ tốc độ chip của mó trải phổ Wss  Rc=1/Tc Rb : Tốc độ dữ liệu Rb=1/Tb GP = WSS/ Rb = Tb/Tc Tb càng lớn hơn Tc thỡ tức là độ tăng ớch càng lớn, chất lượng trải phổ càng tốt. Kĩ thuật trải phổ nhảy tần Được phỏt minh bởi nữ diễn viờn Hollywood Hedy Lamarr Là kĩ thuật điều chế trong đú tần số súng mang nhảy trờn cỏc dải tần khỏc nhau . Được thiết kế đầu tiờn với mục đớch quõn sự chia 83,5 Mhz phổ thành 79 kờnh , mỗi kờnh 1Mhz cụng tỏc 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 kờnh mỗi kờnh 1Mhz Cỏc ưu nhược điểm Ưu điểm : Giảm fading đa đường do tớn hiệu được cỏc súng mang cú tần số khỏc nhau Sủ dụng 1 phần dải thụng nhỏ ở mỗi thời điểm Nhược điểm : Fụ thuộc nhiều vào cỏc yếu tố mụi trường Dễ bị phỏt hiện hơn DSSS Phõn Loại Phõn loại dựa trờn tương quan giữa tốc độ nhảy tần RH và tốc độ điều chế RS Nếu RH là bội của RS thỡ ta cú nhảy tần nhanh Nếu RS là bội của RH thỡ ta cú nhảy tần chậm Phõn loại theo kiểu điều chế và giải điều chế ta cú 2 loại : Hệ thống nhảy tần kết hợp (Coherent FH/SS) Hệ thống nhảy khụng tần kết hợp (Non Coherent FH/SS) Sau đõy là hỡnh ảnh minh họa cho 2 loại nhảy tần nhanh và chậm Mụ hỡnh hệ thống trải phổ nhảy tần Điều chế nhảy tần Tạo mó PN Bộ điều chế MFSK Giải điều chế Nhảy tần Giải điều chế MFSK Tạo mó PN Dữ liệu d(t) 1 k …. 1 ….. k Dữ liệu Kờnh truyền  Nhiễu Bờn phỏt Bờn thu Xung nhịp Xung nhịp d(t) Hoạt động Ở phớa phỏt dữ liệu d(t) được đưa tới bộ điều chế MFSK để điều chế súng mang sau đú được đưa tới điều chế nhảy tần với mó nhảy tần giả ngẫu nhiờn Ở phớa thu quỏ trỡnh diễn ra ngược lại,tớn hiệu đi qua bộ giải điều chế nhảy tần đễ khụi phục lại súng mang, sau đú súng mang này đi qua bộ giải điều chế MFSK thụng thường để khụi phục lại dữ liệu Ở cả mỏy thu và mỏy phỏt đều cú bộ tạo mó PN gồm k chớp mó tương ứng với 1 từ tần số Hệ thống nhảy tần chậm kết hợp Bộ điều chế Dữ liệu Lọc thụng cao Trải phổ nhảy tần Tạo mó PN 1 k ….. Dữ liệu vào d(t) Nhịp hT(t) S(t) = Cos0t Sơ đồ khối phớa phỏt Sơ đồ khối phớa thu Mạch lọc tần số ảnh Lọc thụng dải Trải phổ nhảy tần Tạo mó PN 1 k ….. Nhịp hR(t) Bộ giải điều chế MFSK Cos0t Tớn hiệu hT(t) tại đầu ra của bộ chọn lọc tần số cú dạng hT(t) = 2p(t - nTC ). Cos(nt + n) p(t): là hàm xung đơn vị trong độ rộng xung nhảy tần Tc( thời gian tồn tại tone) n: tần số góc của tone nhẩy thứ n với - < n < + n : góc pha của tone nhẩy thứ n (được xác định lại ở phía thu để thực hiện giải điều chế nhất quán- kết hợp Từ sơ đồ ta thấy súng nhảy tần phỏt ra chớnh là tớch của hR(t) và hàm Sd(t) Tại phớa thu tớn hiệu nhận được sẽ cú dạng : ST(t-Td) = p(t-Td -nTC). Cos[(0+n)t - n+d(t-Td)-(0+n)Td] Trong đú Td là trễ truyền dẫn Tớn 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 súng mang ở phớa thu đồng bộ với súng mang ở phớa phỏt tức là d=Td Sau khi qua bộ lọc thụng dải để loại bỏ cỏc thành phần tần số khụng cần thiết thỡ ta cú được tớn 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 súng mang bị điều chế bởi dữ liệu, sau khi đi qua bộ giải điều chế thụng thường , ta nhận được dữ liệu d(t) ở đầu ra Cỏc tớn hiệu trải phổ đều sử dụng mó giả ngẫu nhiờn để trải phổ tớn hiệu hoặc điều khiển nhảy tần số nờn vấn đề đồng bộ được xem là yếu tố sống cũn Với bất kỡ kĩ thuật trải phổ nào chỳng ta cần phải cú thụng tin về thời gian của tớn hiệu được phỏt để nộn tớn hiệu thu được và giải điều chế tớn hiệu vừa mới được nộn. Đặc biệt đối với hệ thống DS-SS nếu chỳng ta chỉ chệch đi 1 khoảng thời gian bằng 1 chip thỡ chỳng ta khụng thể nộn được tớn hiệu trải phổ thu được nờn khụng thể tỡm ra được tớn hiệu dữ liệu ban đầu . Vấn đề đồng bộ trong trải phổ Đồng bộ chia làm 2 giai đoạn Bắt mó( Acquớition) Ở bước này 2 mó trải phổ (mó thu được và mó tự sinh ra ở bờn nhận ) sẽ đồng chỉnh với nhau, đồng bộ giữa mỏy phỏt và mỏy thu trong khoảng thời gian xac định là  Tc Bỏm mó (tracking) Ở bước này nhờ sử dụng vũng hồi tiếp mà mó trải phổ tại chỗ chớnh xỏc nhất liờn tục được chọn Một số yếu tố ảnh hưởng đến việc đồng bộ Khoảng cỏch giữa mỏy thu và mỏy phỏt khụng xỏc định dẫn đến tớnh toỏn giỏ trị trễ truyền dẫn khụng chớnh xỏc Nhịp tương đối giữ mỏy thu và mỏy phỏt khụng được thiết lập dẫn đến sự khỏc nhau về pha giữa tớn hiệu trải phổ của mỏy phỏt và mỏy thu Mỏy phỏt và mỏy thu khụng được lắp đặt cỏc bộ dao động giống nhau dẫn đến lệch tần số giữa 2 tớn hiệu Đặc điểm của hầu hết chiến lược đồng bộ là trong khoảng thời gian bắt mó, nơi thu tiến hành cho mó thu và mó tạo ra tại chỗ đựoc tương quan với nhau để cú được địa lượng đỏnh giỏ sự giống nhau giữa chỳng. Sau đú đại lượng này được so sỏnh với 1 mức chuẩn định trước để đưa ra quuyết định. Nếu chỳng đũng bộ thỡ việc bắt mó kết thỳc, nếu khụng thỡ thủ tục thu lại đưa ra mó được tạo ra tại chỗ cú sự thay đổi về tần số và pha và lại so sỏnh tiếp đến bao giờ chỳng đũng bộ mới thụi. Bước bắt mó Tớn hiệu thu Bộ tạo tớn hiệu PN tham chiếu BPF Tỏch năng lượng Thiết bị quyết định Điều khiển Logic Pha dũ Bờn thu chọn 1 pha cho dóy PN tại mỏy thu để nộn phổ tớn hiệu thu được.Tớn hiệu sau khi nộn phổ sẽ cho qua bộ lọc thụng dải. Nếu pha của chỳng giống nhau thỡ BPF sẽ nhận toàn bộ cụng suất của tớn hiệu vừa thu được và thiết bị điều khiển sẽ cho kết thỳc chu trỡnh bỏm. Ngược lại nếu pha thử chọn này khụng khớp với tớn hiệu thu được, thỡ sẽ xuất hiện tớn hiệu băng rộng tại đầu vào của BPF và nú chỉ thu nhận được 1 phần cụng suất rất nhỏ. Dựa vào điều này mỏy thu quyết định pha dũ khụng đỳng và tiếp tục dũ pha khỏc. Xin cảm ơn thầy giỏo và cỏc bạn