Ky thuat trai pho

Kĩ Thuật Trải Phổ
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
Bu?c 2 : Gi?i di?u ch? pha
Tín hiệu sau bộ lọc thông dải R*(t) được đi qua bộ giải điều chế BPSK để thu lại d? 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
Diều 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 bang 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 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
Bộ chia
công suất
Lọc thông
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)
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
…..
D? liệu vào 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