Hợp tác nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật thông tin trải phổ trong thiết kế chế tạo thiết bị thông tin liên lạc vô tuyến nhảy tần

B KHOA HC & CễNG NGH B QUC PHềNG
TRUNG TM KHOA HC K THUT & CễNG NGH QUN S
VIN IN T - VIN THễNG
***







BO CO TNG KT KHOA HC V K THUT
NHIM V HP TC QUC T THEO NGH NH TH VI
NC NGOI


Nhim v:
Hợp tác nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật thông tin trải phổ
trong thiết kế chế tạo thiết bị thông tin liên lạc vô tuyến nhảy tần



Ch nhim : Thiu tng PGS.TS Bựi Huy Hong






7433

30/6/2009




Bn quyn 2007 thuc Vin in t - Vin thụng
n xin sao chộp ton b hoc tng phn ti liu ny phi gi n Vin trng
tr trng hp s dng vo mc ớch nghiờn cu.

H NI, 9/2007


Mục lục

Đặt vấn đề
1. Tổng quan về kỹ thuật trải phổ. 8
1.1. Định nghĩa...8
1.2. Phân loai kỹ thuật trải phổ 8
1.3. Trải phổ dãy trực tiếp . ..9
1.4. Trải phổ nhảy tần . 10
1.5. Khả năng chống nhiễu của tín hiệu trải phổ. .12
1.6. Độ tăng ích xử lý hệ thống của tín hiệu trải phổ 15
1.7. Truyền dữ liệu trong thông tin trải phổ 19

2. Tổng quan về máy thông tin nhảy tần VHF .23
2.1. Giới thiệu . 23
2.2. Cấu hình hệ thống thông tin nhảy tần 24
2.3. Nguyên lý điều khiển nhảy tần .. .28
2.4. Truyền dữ liệu trong thông tin trải phổ29
2.5. Đặc điểm công tác của máy thông tin nhảy tần 31

2.6. Giới thiệu một số máy thông tin nhảy tần VHF điển hình. 33

3. Đồng bộ trong thông tin nhảy tần. 41
3.1. Khái quát về đồng bộ trong thông tin số. 41
3.2. Đồng bộ pha sóng mang . 41
3.3. Đồng bộ bit tín hiệu thu .. 43
3.4. Lựa chọn dãy giả ngẫu nhiên cho điều khiển nhảy tần 45
3.5. Kỹ thuật phân tích và bắt mã đồng bộ. 50
3.6. Bắt đồng bộ tín hiệu trải phổ bằng chuỗi giả ngẫu nhiên PN 54
3.7. Các phơng pháp đồng bộ tín hiệu trải phổ dùng chuỗi PN 58
3.8. Kỹ thuật bám đồng bộ. 66
3.9. Thuật toán đồng bộ. 69

4. Các kỹ thuật sử dụng trong thông tin nhảy tần VHF 70
4.1. Đặc điểm công tác của máy thông tin nhảy tần 70
4.2. Tổ hợp tần số loại PLL 71
4.3. Tổ hợp tần số loại DDS 75
4.4. Phong pháp điều chế tín hiệu thoại trong thông tin nhảy tần.80
4.5. Kỹ thuật điều hởng mạch vào ra .. 86
4.6. Phơng pháp đồng bộ trong thông tin nhảy tần. 90

5. Nghiên cứu phơng án ứng dụng 97


5.1. Lựa chọn phơng án. 97
5.2. Xây dựng sơ đồ chức năng. . 98
5.3. Lựa chọn giải pháp công nghệ. 101
5.4. Tính toán thiết kế tham số hệ thống. . 102

6. Sản phẩm 106

6.1 Giới thiệu sản phẩm . 106
6.2. Hoạt động của thiết bị. 106
6.3. Giải thích sơ đồ nguyên lý 108
6.4. Phần mềm của hệ thống 122
6.5. Hớng dẫn sử dụng 135

7. Kết quả thử nghiệm 140
7.1. Khả năng điều khiển nhảy tần 140
7.2. Khả năng đồng bộ nhảy tần giữa 2 máy thông tin 140
7.3. Tốc độ nhảy tần 141
7.4. Khả năng thay đổi kênh đồng bộ 141
7.5. Biên bản thử nghiệm 141
8. Sơ đồ mạch điện . 148

9. Kết luận.158

10. Tài liệu tham khảo.159

11. Phụ lục ...161







8
Đặt vấn đề

Thông tin liên lạc vô tuyến là phơng tiện liên lạc không thể thay thế đợc,

nhất là trong thông tin liên lạc quân sự. Tuy nhiên, nhợc điểm cố hữu của nó là
thờng xuyên chịu ảnh hởng của đủ loại can nhiễu điện từ. Thông tin liên lạc
quân sự còn phải đối phó với các hiểm hoạ của hoạt động tác chiến điện tử bao
gồm : nghe trộm thông tin (interception), định vị (direction - finding) và hoạt
động gây nhiễu chủ động (jamming).
Từ cuối thập niên 80 của thế kỷ 20 đã ra đời một thế hệ máy thông tin thông
minh, nâng cao đáng kể hiệu suất và chất lợng thông tin với các tính năng nh:
- Tự động chọn kênh (Automatic Channel Selection - ACS).
- Tự động thiết lập đờng truyền (Automatic Link Establishment - ALE).
- Phản ứng thay đổi đờng truyền khi có can nhiễu nặng
Các máy thông tin này thực chất vẫn hoạt động trên các tần số cố định và
chúng chỉ phát huy hiệu quả cao trong điều kiện có can nhiễu thông thờng.
Trong điều kiện chiến tranh, các thiết bị mã mật có khả năng chống lại hoạt
động nghe trộm ở một mức độ nhất định, song nếu bị gây nhiễu chủ động thì
liên lạc vô tuyến sẽ bị tê liệt.
Việc đối phó với các hoạt động của tác chiến điện tử (Electronic Counter
Measures - ECM ) đòi hỏi các giải pháp mang tính đột phá cao hơn. Do đó một
thế hệ máy thông tin với tính năng chống tác chiến điện tử (Electronic
Protection Measures - EPM) đã ra đời. Đó là các máy thông tin vô tuyến nhảy
tần ( Frequency Hopping Radio - FH Radio).
Các máy thông tin này vừa đảm bảo đợc an toàn thông tin (comsec), vừa đảm
bảo đợc khả năng làm việc trong điều kiện có chế áp điện tử, do chúng liên tục
thay đổi tần số công tác, không phụ thuộc vào chất lợng đờng truyền .
Trong bối cảnh phát triển nh vũ bão của tác chiến điện tử, máy thông tin vô
tuyến nhảy tần là xu hớng phát triển tất yếu trong tơng lai của các thiết bị
thông tin liên lạc.
Trên thế giới, việc nghiên cứu phát triển và đa vào ứng dụng máy thông tin
nhảy tần đã đựoc tiến hành từ hàng chục năm nay và đã đạt đợc nhiều thành
tựu lớn.
Hiện nay, có nhiều thiết bị thông tin nhảy tần dải VHF/UHF (Sóng cực ngắn)

đã đợc đa vào trang bị quân đội của một số nớc.
Các thiết bị thông tin nhảy tần dải HF (Sóng ngắn) cũng đang đợc phát triển
và hoàn thiện.
ở nớc ta, việc nghiên cứu kỹ thuật nhảy tần cho đến nay vẫn cha có công
trình nào đợc công bố.

9
Để từng bớc tiếp cận kỹ thuật thông minh hóa thiết bị thông tin liên lạc vô
tuyến, nhằm nâng cao tính năng và hiệu quả của thiết bị trong việc khắc phục
các can nhiễu vô tuyến thông thờng , tiến tới đối phó với các hoạt động của tác
chiến điện tử, đề tài nghiên cứu này hớng tới các mục tiêu sau đây :
Nghiên cứu, tiếp thu kỹ thuật nhảy tần chống nhiễu trong các máy thông
tin sóng cực ngắn (VHF) hiện đại.
Trên cơ sở hợp tác quốc tế với các cơ sở nghiên cứu của Cộng hoà Ba Lan
trong khuôn khổ Nghị định th, học tập tìm hiểu kỹ thuật trải phổ nhảy
tần trong các thiết bị thông tin liên lạc sóng cực ngắn (VHF).
ứng dụng kỹ thuật trải phổ nhảy tần đã học tập đợc để thiết kế chế tạo
bộ điều khiển nhảy tần ngẫu nhiên.
Ghép nối bộ điều khiển với máy thông tin VHF quân sự để tạo thành máy
thông tin có tự động nhảy tần
Đối tác hợp tác quốc tế của đề tài là Khoa vô tuyến điện tử thuộc Đại học Bách
khoa Vác-sa-va và Công ty thiết bị thông tin liên lạc Radmor của Cộng hoà Ba
Lan.
Đại học Bách khoa Vác-sa-va đợc thành lập từ năm 1826. Trờng hiện có hơn
5.000 giáo viên và hơn 50.000 sinh viên (Số liệu 2005).
Khoa vô tuyến điện tử thuộc Đại học Bách khoa Vác-sa-va hiện có hơn 300
giáo viên và hơn 4.000 sinh viên (Số liệu 2005).
Công ty Radmor (Cộng hoà Ba Lan) là công ty sản xuất các thiết bị thông tin
liên lạc hàng đầu của Ba Lan, thành lập từ năm 1947, là nhà cung cấp chính các
trang thiết bị thông tin liên lạc cho Quân đội Ba Lan. Ngoài ra, Radmor còn

cung cấp thiết bị thông tin liên lạc cho quân đội một số nớc nh Séc, Slôvakia,
Litva, Latvia, Inđônêxia
Công ty Radmor là nơi sản xuất các máy thông tin VHF nhảy tần RRC-9210,
RRC-9500 thuộc loại hiện đại nhất trên thị trờng hiện nay.
Công ty Radmor đã có một số chuyến làm việc và giới thiệu sản phẩm cho Bộ
Quốc Phòng tại Việt Nam trong các năm 2006, 2007.


8
i. tổng quan về kỹ thuật trải phổ
1.1. Định nghĩa
Thông tin trải phổ đợc định nghĩa nh sau:
Thông tin trải phổ (Spread Spectrum Communications) là loại hình thông tin
có băng thông rộng hơn nhiều lần so với băng thông cơ bản cần để truyền dẫn
thông tin. Hiệu ứng trải phổ đợc tạo ra do bộ mã trải phổ, hoàn toàn độc lập
với thông tin. Quá trình giải trải phổ (nắn phổ) đợc thực hiện tại máy thu nhờ
bộ mã giải trải phổ đồng bộ với mã trải phổ của phía phát.
Từ định nghĩa này, ta thấy các sơ đồ điều chế chuẩn nh điều tần (FM), điều
chế xung mã (PCM), tuy có mở rộng phổ của tín hiệu so với băng tần gốc, song
không đợc coi là tín hiệu trải phổ.
Thông tin trải phổ có các u điểm sau:
Có khả năng chống nhiễu cao đối với các can nhiễu chủ động cũng nh
thụ động.
Có khả năng chống hoặc giảm ảnh hởng của pha đinh.
Có khả năng dùng chung băng tần với các nhiều ngời dùng khác.
Bảo mật thông tin trong quá trình truyền dẫn.
1.2. Phân loại kỹ thuật trải phổ
Kỹ thuật trải phổ (Spread spectrum- SS) đợc phân biệt thành 3 kỹ thuật
chính là:
Trải phổ dãy trực tiếp ( Direct Sequence Spread Spectrum - DS SS)

Trải phổ nhảy tần ( Frequency Hopping Spread Spectrum - FH SS)
Trải phổ tổng hợp (DS/FH)
Trong kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp ngời ta sử dụng dãy mã giả ngẫu
nhiên (Pseudorandom noise-PN) trực tiếp trải phổ sóng mang đã đợc điều chế.
Trong hệ thống thông tin trải phổ kiểu này, băng tần phát có độ rộng lớn hơn
nhiều lần băng tần tín hiệu gốc, do sử dụng điều chế tín hiệu gốc với mã trải phổ
có bề rộng phổ lớn hơn nhiều lần.

9
Trong kỹ thuật trải phổ nhảy tần, mã trải phổ (chuỗi PN) không trực tiếp điều
chế sóng mang đã đợc điều chế bằng dữ liệu mà nó dùng để điều khiển bộ tổ
hợp tần số.
Tại mỗi thời điểm nhảy tần, bộ tạo mã giả ngẫu nhiên PN đa ra một đoạn k
chip mã ( ở đây ta dùng khái niệm chip để phân biệt với bit của tín hiệu băng tần
gốc) để điều khiển bộ tổ hợp tần số. Dới sự điều khiển của bộ tạo mã PN, bộ tổ
hợp tần số sẽ nhảy sang hoạt động ở tần số tơng ứng thuộc 2
k
tần số. Mỗi đoạn
k chip đợc gọi là một từ xác định tần số (Frequency setting word FSW)
Trong kỹ thuật trải phổ tổng hợp, thông tin đã trải phổ bằng dãy trực tiếp đợc
truyền trên nhiều tần số khác nhau theo kiểu nhảy tần. Ngoài ra, tín hiệu trên
mỗi tần số đợc trải phổ bằng các chuỗi giả ngẫu nhiên khác nhau đặc trng cho
từng tần số.
1.3. Trải phổ dãy trực tiếp
Trong kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp ngời ta sử dụng dãy mã giả ngẫu
nhiên (Pseudorandom noise-PN) trực tiếp trải phổ sóng mang đã đợc điều chế.
Sơ đồ giải thích quá trình điều chế dữ liệu bằng chuỗi PN trình bầy trên
hình.1.1.

Hình 1.1: Quá trình điều chế dữ liệu bằng chuỗi PN
Dữ liệu
M PN
Tín hiệu trải
phổ

10
Trên h.1.1. ta thấy, dữ liệu đợc biểu diễn bằng một bit 1 và một bit 0 trên biểu
đồ 1.
Dãy mã giả ngẫu nhiên (mã PN) có tốc độ bit (gọi là chip) cao hơn rất nhiều so
với dữ liệu (biểu đồ 2).
Sau quá trình điều chế (sử dụng phép X-OR), ta đợc tín hiệu trải phổ nh trên
biểu đồ 3. Tín hiệu này mới trực tiếp điều chế sóng mang của thiết bị phát.
1.4. Trải phổ nhảy tần
Trong các thiết bị thông tin liên lạc nh máy thông tin quân sự VHF, băng
thông có giá trị rất hạn chế. Thông thờng các thiết bị này có dải tần công tác
30-88 MHz với dải thông 10 - 20 kHz.
Để nâng cao khả năng chống nhiễu cho tín hiệu truyền trong các hệ thống này
ngời ta tạo ra hiệu quả trải phổ bằng cách nhảy tần.
Trong kỹ thuật trải phổ kiểu nhảy tần, mã trải phổ (chuỗi PN) không trực tiếp
điều chế sóng mang đã đợc điều chế bằng dữ liệu mà nó dùng để điều khiển bộ

tổ hợp tần số.
Tại mỗi thời điểm nhảy tần, bộ tạo mã giả ngẫu nhiên PN đa ra một đoạn k
chip mã để điều khiển bộ tổ hợp tần số. Dới sự điều khiển của bộ tạo mã PN,
bộ tổ hợp tần số sẽ nhảy sang hoạt động ở tần số tơng ứng thuộc 2
k
tần số. Mỗi
đoạn k chip đợc gọi là từ xác định tần số (Frequence setting word FSW)
Do các từ tần số xuất hiện ngẫu nghiên nên tần số của dao động do bộ tổ hợp
tần số tạo ra (nhận một giá trị thuộc 2
k
) cũng mang tính ngẫu nhiên.
Sơ đồ biểu diễn quá trình trải phổ nhảy tần trình bầy trên h.1.2.
Trên hình 1.2, quá trình trải phổ nhảy tần đợc minh hoạ trong không gian 3
chiều.
Một chiều là thời gian, một chiều là tần số , chiều thứ 3 mô tả công suất tín hiệu
Trên biểu đồ ta thấy:
Công suất tín hiệu không thay đổi trong quá trình nhảy tần
Các tần số công tác của hệ thống xuất hiện ngẫu nhiên
Phổ của tín hiệu nhảy tần có bề rộng nh bề rộng phổ sóng mang điều chế

11

Hình 1.2: Sơ đồ biểu diễn quá trình trải phổ nhảy tần








a. DS SS b. FH SS
Hình 1.3: Phổ của tín hiệu
a. Trải phổ dãy trực tiếp b. Trải phổ nhảy tần

bằng tín hiệu băng tần gốc. Điều khác ở đây là nó bị dich tần đi một khoảng
bằng một bớc nhảy. Độ dịch tần trong các bớc nhảy có các giá trị khác nhau.
Giá trị các bớc nhảy tuỳ thuộc vào thuật toán của chơng trình điều khiển. Mặc
Thời gian
Bớc nhảy tần
Tần s
ố

Công suất
Thời
gian

12

dầu độ rộng phổ trong một bớc nhảy không tăng, tuy nhiên tính trung bình
trên nhiều bớc nhảy thì phổ của tín hiệu nhảy tần chiếm trọn cả băng tần nhảy
hoặc chiếm trọn toàn bộ bề rộng băng tần của thiết bị tuỳ theo cách tổ chức.
Phổ tín hiệu của hai kỹ thuật trên đợc minh hoạ trên h.1.3.

1.5. Khả năng chống nhiễu của tín hiệu trải phổ
Theo Shannon, dung lợng truyền dẫn thông tin của kênh đợc xác định nh
sau:
C = W. log (1 + S/N) (1)
Trong đó:
C - Dung lợng thông tin (bit/s)
W - Độ rộng băng thông.
S - Công suất tín hiệu.
N - Công suất nhiễu.
Nh vậy, dung lợng kênh truyền tỷ lệ thuận với dải thông và tỷ số tín/ tạp.
Kỹ thuật trải phổ làm tăng độ rộng băng thông W lên nhiều lần. Kết quả không
những bảo đảm đợc dung lợng thông tin mà phần thừa của dung lợng đợc
dùng cho việc giảm thiểu tác động của nhiễu.
Giả thiết phổ tín hiệu ban đầu có độ rộng là W
O
, tơng ứng với tốc độ dữ liệu có
chu kỳ T.
Sau khi trải phổ bằng dãy trực tiếp, tín hiệu sẽ có chu kỳ là T
C
, trong đó T
C

tơng ứng với tốc độ chip (khái niệm chip đợc dùng cho mã trải phổ để phân
biệt với khái niệm bit của dữ liệu) của tín hiệu trải phổ.
Băng tần sau trải phổ có độ rộng là W

SS
. Thông thờng, tốc độ chip lớn hơn
nhiều so với tốc độ dữ liệu: T=NT
C

Để có hiệu quả trải phổ càng cao, N càng phải lớn.
Hệ số N = W
SS
/W
O
đợc gọi là hệ số trải phổ và đợc định nghĩa là hệ số tăng
ích xử lý của hệ thống (System Processing Gain).

13
Dới đây ta sẽ chứng minh là tác động của nhiễu vào tín hiệu tỷ lệ nghịch với
hệ số trải phổ của hệ thống, nghĩa là hệ số trải phổ càng cao, tác động của nhiễu
đến tín hiệu càng nhỏ.
Từ đó cũng suy ra kết luận là: trải phổ dãy trực tiếp đòi hỏi thiết bị thu phát
phải có băng thông đủ rộng . Khi đó hệ số trải phổ mới có thể đạt tới giá trị đủ
cao và do đó mang lại hiệu quả chống nhiễu cao cho tín hiệu.
Ta xét tác động của nguồn gây nhiễu J(t) lên tín hiệu trải phổ.
a- Tín hiệu phát đi S(t) có thể đợc biểu diễn dới dạng hàm trực giao nh sau:


=
=
n
k
kiki
tStS

1
)()( Di


1 ; Tt


0 (2)
Trong đó:
D- số chiều của không gian tín hiệu,
T- chu kỳ tồn tại của tín hiệu
n- số chiều của hàm trải phổ
Biểu diễn dới dạng tích phân ta có:

dtttStS
k
T
ii
)()()(
0
=

(3)
Trong đó
)(t
k
là hàm trực giao chuẩn hoá, có nghĩa là:


==

T
ml
cdttt
0
)()(

(4)
Năng lợng trung bình của mỗi tín hiệu là:
S
T
n
k
ik
i
ESdttS ==


=
0
1
22
)(
(5)
Để giấu tập tín hiệu kích thớc D trong không gian kích thớc n, ngời ta chọn
các hệ số
ik
S độc lập, sao cho thoả mãn điều kiện là chúng có giá trị trung bình
và tơng quan bằng 0.
1, l=m
0, lm

14
C
n
E
SS
S
imik
= ;
Di 1
(6)
b- Tín hiệu của nguồn gây nhiễu đợc biểu diễn nh sau:
;)()(
1

=
=
n
k
kk
tJtJ
Tt

0 (7)
Từ đây ta tính đợc năng lợng của nguồn nhiễu nh sau:
J
T
n
k
k

EJdttJ ==


=
0
1
2
2
)(
(8)

c- Tín hiệu thu đợc biểu diễn nh sau:
)()()( kJtStr
i
+= (9)
Trong đó:
S
i
(t) Tín hiệu hữu ích
J(k) - Tín hiệu nhiễu.
Trên lối ra bộ tơng quan i của mạch nắn phổ ta có:


=
+==
T
n
k
ikkikii
SJSdttStrU

0
1
2
)()()(
(10)
Do thành phần
ikk
SJ có trung bình là 0 (không có tơng quan với mã nắn phổ),
dẫn đến:
S
n
k
ikii
ESSUE ==

=1
2
)/( (11)
Ta có năng lợng của một tín hiệu là:
D
E
UE
S
i
=)( (12)
Tơng tự từ (5) và (6) ta có:

ilik
lk
lk

i
i
SSJJ
S
U

=






,
var


=
=
n
k
kik
SJ
1
2
,
2


15

J
S
E
n
E
= (13)

J
S
i
E
nD
E
U =var (14)
d. Tỷ số tín/tạp của tín hiệu trải phổ đợc xác định nh sau:

D
n
E
E
U
UE
SNR
J
S
.
)var(
)(
2

== (15)
Giả thiết băng thông của tín hiệu băng tần gốc là B
D
, B
ss
là băng thông của tín
hiệu trải phổ, T là chu kỳ của tín hiệu, ta có thể biểu diễn hệ số tăng ích xử lý hệ
thống nh sau:

D
SS
D
SS
P
B
B
TB
TB
D
n
G ==
2
2
(16)
Biểu thức (16) cho thấy, tín hiệu trải phổ có độ tăng ích xử lý hệ thống tỷ lệ với
tỷ số
D
n
, tức tỷ lệ thuận với hệ số trải phổ.
Khả năng chống nhiễu của tín hiệu trải phổ đợc minh hoạ trên hình 1.4.

Trên h.1.4 , phía bên trái là biểu diễn của tín hiệu hữu ích bị tín hiệu nhiễu đè
lên. Tín hiệu hữu ích có phổ trải rộng vơí mức công suất rất nhỏ, nằm dới mức
tạp nền. Tín hiệu do máy phát nhiễu gây ra có phổ tập trung với công suất rất
cao so với tín hiệu hữu ích.
Trên phần bên phải của h.1.4 là biểu diễn của tín hiệu sau nắn phổ. Lúc này, do
tác động của quá trình nắn phổ xẩy ra trong máy thu mà tín hiệu can nhiễu đã
bị trải phổ ra và có biên độ nằm dới mức tạp nền. Ngợc lại, tín hiệu hữu ích đã
đợc hoàn phổ và có biên độ cao hơn tạp nhiễu rất nhiều.

1.6. Độ tăng ích xử lý hệ thống của tín hiệu trải phổ
Theo định nghĩa, độ tăng ích (độ lợi) xử lý hệ thống của tín hiệu trải phổ đợc
xác định nh sau:
Độ lợi xử lí hệ thống ( Processing Gain ) là tỷ số tín/tạp ở lối ra hệ thống so với
tỉ số tín/tạp đầu vào hệ thống

16
Khả năng chống nhiễu của tín hiệu trải phổ đợc đặc trng bằng hệ số tăng ích
xử lý hệ thống (Processing Gain - PG). Hệ số PG đợc định nghĩa nh sau:
PG = SNR out/ SNRin (17)
Trong đó: SNRin là tỷ số tín/tạp của tín hiệu trải phổ
SNRout là tỷ số tín/tạp của tín hiệu sau nắn phổ




Hình1.4: Khả năng chống nhiễu của tín hiệu trải phổ

a. Độ lợi xử lí hệ thống trải phổ dãy trực tiếp (DS SS processing gain):
Do quá trình nắn phổ (giải trải phổ) không làm thay đổi công suất của tín
hiệu, do đó công suất tín hiệu sau nắn phổ vẫn bằng công suất tín hiệu khi trải

phổ:
Sout = Sin (18)
Trong đó:
Sout - là công suất tín hiệu sau nắn phổ
Sin - là công suất tín hiệu trải phổ
Máy phát
tín hiệu
Máy phát
nhiễu
Máy thu
trải phổ

Lọc
Tín hiệu
hữu ích
T/ h tạp
nhiễu
Tín hiệu
hữu ích
Tín hiệu
nhiễu
Tín hiệu
sau lọc
Phông
nhiễu

17
Độ lợi xử lí hệ thống trải phổ dãy trực tiếp đợc xác định nh sau:
PG = SNRout/ SNRin
Trong đó:

SNRout = Sout/NoBWout
SNRin = Sin/NoBWin
No- là công suất nhiễu
BWout - là độ rộng băng tần sau nắn phổ
BWin - là độ rộng băng tần trải phổ

Do đó:
PG = [ Sout/NoBWout ]/[ Sin/NoBWin ] (19)

Độ rộng băng tần của tín hiệu trải phổ tỷ lệ thuận với tốc độ chip Rc, tức tỷ lệ
với 1/Tc, trong đó Tc là chu kỳ chip:
BWin = k/Tc (20)
Độ rộng băng tần tín hiệu sau nắn phổ tỷ lệ với tốc độ số liệu Rd, tức là tỷ lệ với
1/Td:
BWout = k/Td (21)
Từ biểu thức cân bằng công suất tín hiệu ( Sout = Sin) trớc và sau nắn phổ,
với No là công suất nhiễu, ta có:
PG = [ Sout/NoBWout ]/[ Sin/NoBWin ]
= (Sout/NoBWout)/(Sin/NoBWin)
= Td/Tc
PG = Rc/Rd (22)
(Bằng tỷ số tốc độ chip / tốc độ số liệu)
Nh vậy, với hệ thống trải phổ dãy trực tiếp, độ lợi xử lý hệ thống tỷ lệ với tốc
độ chíp của tín hiệu trải phổ.
Để so sánh các hệ thống với nhau, ngời ta thờng dùng hệ số PG theo decibel
qui ớc nh sau:

18
PG = 10 log BW/R (23)

Ví dụ:

Hệ thống thông tin dữ liệu giữa vệ tinh nhỏ (microsat) với mặt đất công tác trên
tần số 436 MHz theo nguyên lý trải phổ với các chỉ tiêu:
Dữ liệu có tốc độ bit 9,842 kbps
Chuỗi trải phổ có tốc độ chip 1,25 Mcps
Hệ thống có độ lợi xử lý hệ thống là:
PG = 10 log (1 250/ 9,842) =10 log 127 = 21 dB.
Do có độ lợi xử lý hệ thống cao, các hệ thống thông tin trải phổ có thể làm việc
bình thờng trong điều kiện tỷ số tín/tạp nhỏ hơn 1. Nhiều máy thu trải phổ có
thể làm việc với tỷ số S/N rất thấp, đến 10
-3
.

b. Độ lợi xử lí hệ thống của tín hiệu trải phổ nhảy tần(FH SS Processing Gain)
Đối với tín hiệu trải phổ nhảy tần, ta có các biểu thức sau:
Độ rộng băng tần sau nắn phổ trở về độ rộng ban đầu trớc khi trải phổ:
BWout= Rd (24)
Độ rộng trải phổ bằng độ rộng toàn bộ băng tần nhảy W của thiết bị:
BWin= W (25)
Thay (24), (25) vào (17) ta có:
PG = SNR out/ SNRin
= (Sout/NoRd)/(Sin/NoW)
= W/Rd
PG = N
Độ lợi xử lí hệ thống trải phổ nhảy tần:
PG = W/Rd =Nchannel (26)
Nh vậy độ lợi xử lý hệ thống trong hệ thống trải phổ nhảy tần bằng tỷ số độ
rộng toàn băng tần nhảy / độ rộng băng tần cơ sở, tức là bằng số kênh nhảy.
Ví dụ:

19
Máy thông tin cấp chiến thuật với các chỉ tiêu:
Dải tần công tác: 30 88Mhz
Dãn cách kênh : 25kHz
Ta có độ rộng băng tần công tác là:
W = 88Mhz 30Mhz = 58Mhz.
Số lợng kênh nhảy:
N = 58 : 0,025 = 2320.
Nh vậy, nếu thực hiện nhảy tần trong toàn băng sẽ đạt đợc độ lợi xử lí hệ
thống là:
PGfh1 = 2320 34dB
Trong trờng hợp nhảy tần với ngăn tần chuẩn 256 kênh, độ lợi xử lí hệ thống
sẽ là:
PGfh2 = 256 25dB

1.7. Truyền dữ liệu trong thông tin trải phổ
Tín hiệu trải phổ (trải phổ dãy trực tiếp, trải phổ nhảy tần hay các dạng trải phổ
kết hợp) có khả năng hỗ trợ bất kỳ dạng điều chế truyền thống nào, dù là tín
hiệu tơng tự hay tín hiệu số.
Tuy nhiên mỗi phơng pháp điều chế có độ phù hợp khác nhau với các dạng
trải phổ khác nhau.
Điều chế biên độ (AM) là dạng điều chế kém phù hợp nhất, do việc ứng
dụng AM sẽ phá huỷ cấu trúc đồng đều về mật độ phổ của tín hiệu trải
phổ.
Dạng điều chế có đờng bao sóng mang không thay đổi là dạng phù hợp
nhất.
Điều tần (FM) đợc sử dụng nhiều trong các hệ thống trải phổ nhảy tần
nhng ít đợc sử dụng trong trải phổ dãy trực tiếp.

20
Dạng điều chế phổ biến trong trải phổ dãy trực tiếp là điều chế đảo mã,
trong đó dữ liệu số đợc cộng mođun 2 với dãy giả ngẫu nhiên PN. Nếu
đảm bảo yêu cầu về đồng bộ giữa dữ liệu và mã trải phổ thì các tính chất
tơng quan của mã không bị ảnh hởng. ở phía thu, sau khi đã nắn
phổ, dữ liệu đợc phục hồi trong các mạch giải điều chế kiểu bội tần
(squaring) hoặc mạch vòng Costas. Tuy nhiên, nhợc điểm của phơng
pháp điều chế này là đòi hỏi dữ liệu điều chế ( tín hiệu thoại hoặc các
loại tín hiệu tơng tự khác) phải đợc số hoá.
Trong thiết kế hệ thống, việc lựa chọn kỹ thuật số hoá có ý nghĩa quan trọng.
Kỹ thuật đợc lựa chọn phải đảm bảo sao cho dữ liệu đợc số hoá có tốc độ bít
thấp nhất, do tốc độ bít của dữ liệu tỷ lệ nghịch với độ tăng ích xử lý của hệ
thống.
Việc số hoá tín hiệu thoại để truyền trong kỹ thuật trải phổ có vai trò rất quan
trọng, vì truyền dữ liệu thoại là ứng dụng quan trọng nhất của hệ thống thông tin
liên lạc.
Tín hiệu thoại dùng trong thông tin liên lạc có dải thông 300-3300 Hz. Để số
hoá theo tiêu chuẩn Nyquist với tần số lấy mẫu 8kHz và 8 bit tín hiệu ra, ta có
tốc độ số liệu là 8x8 = 64 kbps. Dải thông cần để truyền tín hiệu thoại số hoá
này là 64 kHz.
Các máy thông tin liên lạc quân sự cấp chiến thuật có dải thông tối đa đến
20kHz. Do vậy, để truyền đợc tín hiệu này, yêu cầu phải có giải pháp nén
luồng số PCM hoặc có phơng pháp số hoá với tốc độ bit thấp mà vẫn đảm bảo
đợc chất lợng thông tin thoại.
Trong các hệ thống thông tin nhảy tần, thờng ứng dụng xử lý tín hiệu thoại
bằng phơng pháp điều chế delta.
Điều chế delta (Delta modulation - DM) là một biến thể của mã hoá PCM.
Mạch DM so sánh các mẫu tín hiệu kế tiếp và chỉ đa ra tín hiệu sai khác của
mẫu sau so với mẫu trớc đó. Điều này làm giảm đáng kể số bít cần để mã hoá

tín hiệu thoại do bản chất tín hiệu thoại có lợng thông tin d rất lớn.

21
Dạng tín hiệu thoại trong phơng pháp điều chế delta trình bày trên hình 1.5.
Sau khi lấy mẫu tín hiệu vào và so sánh với giá trị chuẩn, mạch điều chế delta sẽ
cho ra:
- 1 xung dơng nếu tín hiệu vào lớn hơn tín hiệu chuẩn.
- 1 xung âm nếu tín hiệu vào nhỏ hơn tín hiệu chuẩn.



Hình1.5: Số hoá tín hiệu thoại bằng điều chế delta

Tín hiệu trên lối ra bộ điều chế là dãy xung số. Tần số xuất hiện của các xung
này tỷ lệ thuận với tốc độ biến đổi (độ gia, delta) của tín hiệu vào. Tín hiệu trên
lối ra bộ điều chế đợc đa đi điều chế máy phát.
ở phía thu, sau khi hoàn dạng tín hiệu xung, dãy xung thu đợc đa qua bộ giải
điều chế delta, thờng là các mạch tích phân có chức năng phục hồi thành phần
một chiều cho tín hiệu gốc. Tín hiệu trên lối ra bộ giải điều chế đợc đa qua bộ
lọc thông thấp để loại bỏ các hài bậc cao và cho ra tín hiệu thoại đã hồi phục.
Tuy nhiên, điều chế delta tuyến tính có nhợc điểm là mắc lỗi số hoá lớn khi tín
hiệu vào biến thiên nhanh.
T/h thoại
vào
Lối ra bộ
điều chế
Lối ra
g
iải
điều chế

22
Để khắc phục nhợc điểm này của phơng pháp điều chế delta tuyến tính, ngời
ta sử dụng phơng pháp điều chế delta thích nghi (continuosly variable slope
delta modulation - CVSD).
Trong CVSD, ngời ta sử dụng bộ nén, để nén các giá trị biên độ tín hiệu lớn
trớc khi đa đến bộ điều chế.
ở phía thu, tín hiệu lối ra bộ giải điều chế delta đợc đa qua bộ giãn tín hiệu
để bù lại giá trị gốc cho các thnàh phần bị nén ở phía phát. Thuật toán nén giãn
đợc tối u hoá cho tín hiệu thoại, do đó tín hiệu thoại trải qua quá trình điều
chế, truyền dẫn và giải điều chế vẫn đảm bảo đợc chất lợng .
Với kỹ thuật CVSD, có thể truyền tín hiệu thoại số hoá chỉ với tốc độ 9,6 kbps
mà vẫn bảo đảm nghe rõ nội dung.

23

II. Tổng quan về máy thông tin nhảy tần VHF

2.1. Giới thiệu
Nh trên đã đề cập, để nâng cao hiệu quả chống nhiễu cho tín hiệu truyền
trên kênh vô tuyến, hiện nay ngời ta áp dụng nhiều kỹ thuật khác nhau, trong
đó kỹ thuật trải phổ đợc coi là hiệu quả hơn cả.
Trong hệ thống thông tin trải phổ, băng tần phát có độ rộng lớn hơn nhiều
lần băng tần tín hiệu gốc, do sử dụng điều chế tín hiệu gốc với mã trải phổ có bề
rộng phổ lớn hơn nhiều lần.
Phần trên ta đã chứng minh đợc là tác động của nhiễu vào tín hiệu tỷ lệ nghịch
với hệ số trải phổ của hệ thống, nghĩa là hệ số trải phổ càng cao, tác động của
nhiễu đến tín hiệu càng nhỏ.
Tuy nhiên, trải phổ dãy trực tiếp đòi hỏi thiết bị thu phát phải có băng thông đủ
rộng . Khi đó hệ số trải phổ mới có thể đạt tới giá trị đủ cao và do đó mang lại

hiệu quả chống nhiễu cao cho tín hiệu.
Trong các thiết bị thông tin liên lạc nh máy thông tin quân sự VHF, băng
thông có giá trị rất hạn chế. Thông thờng các máy này có dải tần công tác 30-
88 MHz với dải thông 10 - 20 kHz.
Để nâng cao khả năng chống nhiễu cho tín hiệu truyền trong các hệ thống này,
ngời ta tạo ra hiệu quả trải phổ bằng cách nhảy tần.
Trong kỹ thuật trải phổ kiểu nhảy tần, mã trải phổ (chuỗi PN) không trực tiếp
điều chế sóng mang đã đợc điều chế bằng dữ liệu mà nó dùng để điều khiển bộ
tổ hợp tần số.
Tại mỗi thời điểm nhảy tần, bộ tạo mã giả ngẫu nhiên PN đa ra một đoạn k
chip mã để điều khiển bộ tổ hợp tần số. Dới sự điều khiển của bộ tạo mã PN,
bộ tổ hợp tần số sẽ nhảy sang hoạt động ở tần số tơng ứng thuộc 2
k
tần số. Mỗi
đoạn k chip đợc gọi là một từ xác định tần số (Frequence setting word FSW)
Do các từ tần số xuất hiện ngẫu nghiên nên tần số của dao động do bộ tổ hợp tần
số tạo ra (nhận một giá trị thuộc 2
k
) cũng mang tính ngẫu nhiên.

24

Phổ của tín hiệu nhảy tần có bề rộng nh bề rộng phổ sóng mang điều chế.
Chỉ khác là nó bị dich tần đi một khoảng bằng một bớc nhảy. Tuy nhiên tính
trung bình trên nhiều bớc nhảy thì phổ của tín hiệu nhảy tần chiếm trọn cả
băng tần nhảy hoặc chiếm trọn toàn bộ bề rộng băng tần của thiết bị tuỳ theo
cách tổ chức.

2.2. Cấu hình của hệ thống thông tin nhảy tần
Sơ đồ khối của hệ thống thông tin nhảy tần đợc trình bày trên hình 2.1.

ở phía phát, dữ liệu (gồm thoại và số liệu) đi vào khối mã hoá. Quá trình mã
hoá do khoá mã mật (comsec) quy định. Tín hiệu sau mã hoá đợc đa sang
khối điều chế của bộ tổ hợp tần số. Lối ra bộ tổ hợp tần số thay đổi theo trạng
thái của bộ tạo mã giả ngẫu nhiên PN. Lối ra của bộ tổ hợp tần số tác động vào
khâu biến đổi tần số để tạo ra tần số công tác của máy thông tin. Sóng mang đã
điều chế đợc khuyếch đại công suất và đa ra anten qua bộ khuếch đại dải
rộng.
Khoá transec quy định trình tự nhảy tần của máy thông tin thông qua việc
tác động vào quy trình sinh từ tần số FSW trên lối ra của bộ tạo chuỗi PN.
Bàn phím là tổ hợp các nút điều khiển trên mặt máy, thông qua đó ngời sử
dụng có thể vận hành hệ thống theo ý muốn.
ở phía thu, tín hiệu cao tần đi qua mạch khuếch đại đầu vào dải rộng, sau đó
đợc trộn với tín hiệu ngoại sai để trở thành tín hiệu trung tần. Lối ra của khuếch
đại trung tần đợc đa đi giải điều chế và giải mã mật. Cũng từ lối ra của khuếch
đại trung tần, tín hiệu đồng bộ đợc tách ra để thực hiện quá trình đồng bộ nhảy
tần. Tín hiệu đồng bộ điều khiển bộ tạo mã PN sinh ra các từ tần số FSW giống
hệt nh ở phía phát.





25

Khoá mã
mật

Tổ hợp tần số

Mã hoá
Khoá
TRANSEC
Bàn
p

hím

Chuỗi PN
Dữ liệu
Biến đổi tần
số
Khuếch đại
dải rộng

Máy phát

Biến đổi tần
số
Trun
g
tần
Đồn
g
b
ộ

Khoá
TRANSEC
Bàn
p
hím

Tổ hợp tần số
Mạch vào
dải rộng

Chuỗi
PN
Giải điều
chế
Máy thu
Giải mã
mật
Dữ liệu
H
ình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống thông tin nhảy tần

26

Khoá COMSEC quy định việc giải mã mật và khóa TRANSEC quy định trình
tự sinh từ tần số ở đầu thu phải đợc đặt giống nh ở đầu phát.
Với sơ đồ khối nh trên ta có nhận xét sau:
Sự khác biệt giữa một máy thông tin nhảy tần và một máy thông tin truyền
thống nằm ở chỗ có sự hiên diện của các mođun sau đây:
a- Mođun đồng bộ
b- Mođun tạo mã PN
c- Mạch khuyếch đại dải rộng
Trên sơ đồ chức năng, các khối này đợc đánh dấu bằng tô đậm.
Trong máy thông tin truyền thống, tần số công tác là cố định. Vì vậy số liệu đa
đến bộ tổ hợp tần số kiểu số (Digital Frequency Synthesizer) sẽ xác định :
a- tần số công tác
b- thông số các mạch lọc đầu vào, đầu ra anten.
Trong máy thông tin nhảy tần, số liệu về tần số công tác đợc thay đổi liên tục
theo các trạng thái của chuỗi PN điều khiển nhảy tần. Mỗi trạng thái của chuỗi
PN xác định một từ tần số FSW. Mỗi từ tần số FSW tơng ứng với một tập số
liệu và kết quả là một tần số công tác tơng ứng đợc xác lập.

Mạch tạo chuỗi PN có các trạng thái ra thay đổi ngẫu nhiên, kéo theo sự thay
đổi ngẫu nhiên của tần số công tác.
Mạch đồng bộ đảm bảo cho sự thay đổi tần số công tác ở phía phát và phía thu
xảy ra giống hệt nhau.
Ví dụ về dạng phổ tần số của một số máy thông tin nhảy tần đợc trình bày trên
hình 2.2.
Trên hình 2.2. ta thấy, phần đầu tiên của phổ (phía trái mốc số 0 của thời gian
nhảy tần) biểu diễn phổ tần dùng cho đồng bộ. Tần số trung tâm của phổ là 45
MHz


27



Hình 2.2: Phổ tần số của một số máy thông tin nhảy tần

Trên biểu đồ thứ nhất ta thấy đồng bộ đợc thiết lập trên một tần số cố định
(44,5 MHz). Sau khi kết thúc đồng bộ, hệ thống chuyển sang giai đoạn nhảy tần
ngẫu nhiên trong dải phổ 44ữ46 MHz. Phơng pháp đồng bộ này đơn giản và có
độ tin cậy xác lập đồng bộ cao nhất. Tuy nhiên nó có xác suất bị phát hiện và
gây nhiễu cao nhất .
Trên biểu đồ thứ 2, ta thấy tín hiệu đồng bộ đợc gửi đi trên tần số quy ớc.
Tuy nhiên tần số dùng để phát đồng bộ không phải là tần số cố định mà nó thay
đổi theo quy luật và lặp lại theo chu kỳ. Phơng pháp đồng bộ này phức tạp hơn
phơng án 1 song có khả năng chống nhiễu cao hơn.
Trên biểu đồ thứ 3, tín hiệu đồng bộ đợc gửi đi trong những bớc nhảy tần
ngắn trong một chu kỳ giống nh quá trình nhảy tần ngẫu nhiên.
Phát xun
g

đồn
g
bộ