kỹ thuật trải phổ.DOC

đồ án tốt nghiệp Chơng 2 kỹ thuật trải phổ
Trang 17
Chơng 2
kỹ thuật trải phổ
2.1 Phân loại
Với các tín hiệu có bề rộng phổ W (Hz), thời gian tồn tại là T thì sẽ có số
phân lợng phổ 2WT. Để tăng số phân lợng phổ ta có thể thực hiện theo 2 cách:
hoặc tăng bề rộng phổ tín hiệu, hoặc tăng thời gian tồn tại T.
Dựa trên 2 biện pháp này ngời ta đa ra 3 hệ thống trải phổ cơ bản là : trải phổ
trực tiếp, trải phổ nhảy tần và trải phổ nhảy thời gian.
Khi tăng thời gian tức là ta thực hiện trải phổ theo kiểu nhảy thời gian ( Time
hopping ). Với kỹ thuật nhảy thời gian, một bản tin có tốc độ dòng số R đợc phân
phối khoảng thời gian truyền dẫn dài hơn khoảng thời gian cần thiết để truyền đi
dòng tin này bằng phơng pháp điều chế và giải điều chế thông thờng. Trong
khoảng thời gian này dòng số đợc gửi đi theo từng loạt phù hợp với sự điều khiển
của mã. Vì vậy ta có thể nói rằng: bằng cách nhảy thời gian, tín hiệu đợc trải ra
trong không gian thời gian và trong trờng hợp này phía gây nhiễu cũng không thể
biết chính xác tập con tín hiệu nào hiện tại hệ thống thông tin đang sử dụng.
Khi tăng băng tần W, ta có nhiều cách để thực hiện song chúng ta chỉ quan
tâm tới 2 kỹ thuật cơ bản là:
- Trải phổ dãy trực tiếp ( DS/SS): Quá trình trải phổ đạt đợc bằng cách nhân
nguồn tín hiệu vào với nguồn tín hiệu mã giả ngẫu nhiên ( một cách trực tiếp ).
Tín hiệu trải phổ đa ra có độ rộng phổ xấp xỉ tốc độ của mã giả ngẫu nhiên.
- Trải phổ nhảy tần: Quá trình trải phổ đạt đợc bằng cách nhảy tần số sóng mang
( sóng mang đã mang tín hiệu tin tức ) trên một tập lớn các tần số . Sự nhảy tần
của tần số sóng mang quyết định bởi các mẫu nhảy tần có dạng giả ngẫu nhiên
C(t)
S(t)
đồ án tốt nghiệp Chơng 2 kỹ thuật trải phổ
Trang 18
bắt nguồn từ sự điều khiển của các từ mã trải phổ PN. Do vậy tín hiệu trải phổ

nhảy tần đa ra cũng chiếm độ rộng phổ lớn gấp nhiều lần độ rộng phổ của tín
hiệu vào ( chứa trong sóng mang đã điều chế ).
Bên cạnh các hệ thống trải phổ nói trên còn tồn tại một số loại kỹ thuật trải
phổ khác chủ yếu là sự kết hợp của 2 kỹ thuật trải phổ trực tiếp và nhảy tần ví dụ
DS/FH, FH/TH... Trong chơng này ta sẽ xét tập trung vào 2 kỹ thuật DS và FH.
2.2 Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp
Phơng pháp trải phổ tín hiệu , sử dụng mã trải phổ băng rộng điều chế tín hiệu
sóng mang đã đợc điều chế bởi dữ liệu đợc gọi là kỹ thuật trải phổ trực tiếp
( Direct Sequence Spread Spectrum DS/SS ).
Trong phơng pháp này mã trải phổ trực tiếp tham gia quá trình điều chế còn
trong các phơng pháp khác mã trải phổ không trực tiếp tham gia quá trình điều
chế mà chỉ sử dụng để điều khiển tần số hay thời gian truyền dẫn tín hiệu sóng
mang đã đợc điều chế bởi dữ liệu.
Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ trực tiếp là có dạng khá đơn giản không yêu
cầu tính ổn định nhanh hay tốc độ tổng hợp tần số cao. Song nó có nhợc điểm là
băng trải phổ chỉ đến vài trăm Mhz, năng lợng phổ chỉ chiếm đến 90% trong dải
chính của toàn bộ dải phổ và 99% nếu thêm 2 dải phụ thứ nhất.
Dải phụ thứ 1
Dải phụ thứ 1
Dải chính
-2R
C
-R
C
R
C
2R
C
f
S(f) []

C(t)
S(t)
đồ án tốt nghiệp Chơng 2 kỹ thuật trải phổ
Trang 19
Hình 2.1: Phổ của tín hiệu DS
Công thức tính mật độ phổ công suất
S(f) =
R
C
P
















R
f
R
f

C
C
f
f
Sin
)(
)(
0
0


2
Trong đó: P: công suất phát
R
c
: tốc độ chíp mã f
0
: tần số sóng mang
2.2.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng phơng pháp điều chế BPSK
Một trong những biện pháp đơn giản nhất của trải phổ trực tiếp là sử dụng ph-
ơng pháp điều chế BPSK ( điều chế dịch pha nhị phân ). Mã trải phổ đợc sử dụng
là dãy xung NRZ chỉ nhận các giá trị 1 điều chế trực tiếp tín hiệu sóng mang
đã đợc điều chế BPSK.
Hình 2.2: Sơ đồ khối điều chế trải phổ trực tiếp BPSK ( phía phát )
Sóng mang
Mã trải phổ 1
Bộ điều chế dữ
liệu
C(t)
S(t)

Dữ liệu nhị
phân
d(t)
( ) ( )
)(2
0
ttC o sPtS
dd

+=
( ) ( ) ( )( )
tttC o sPtS
cdT

++=
0
2
đồ án tốt nghiệp Chơng 2 kỹ thuật trải phổ
Trang 20
Giả sử tín hiệu sóng mang có dạng nh sau:
S(t) = A Cos
0
t
Trong đó A là biên độ của sóng mang

0
là tần số góc của sóng mang
Gọi P là công suất sóng mang và A
rms
là biên độ hiệu dụng của sóng mang ta có:

A =
2
A
rms
và P = A
2
rms
Do đó : A =
P2
Do đó sóng mang còn có thể viết dới dạng: S (t) =
P2
Cos
0
t
Sau khi điều chế số dịch pha (PSK), tín hiệu dữ liệu sẽ đợc thể hiện thông qua
pha của sóng mang.
Sóng mang bây giờ có dạng: S
d
(t) =
P2
Cos [
0
t +
d
(t)] ; 0 t T
S
với
d
(t) là pha của sóng mang bị điều chế bởi dữ liệu
T

S
: là thời gian tồn tại của 1 ký hiệu điều chế.
Tiến hành trải phổ dãy trực tiếp sử dụng kỹ thuật BPSK bằng mã trải phổ C(t)
có dạng xung NRZ. Đó là dãy mã nhận các giá trị 1 và có tốc độ chip lớn gấp
nhiều lần tốc độ của dữ liệu.
Tín hiệu sóng mang sau quá trình trải phổ đợc phát đi có dạng
S
T
(t) =
P2
Cos [
0
t +
d
(t) +
C
(t)]

C
(t) : góc pha của S
T
(t) phụ thuộc vào c(t)
Nếu nh cả c(t) và d(t) đều chỉ nhận các giá trị 1 thì S
T
(t) có thể đợc viết lại
đơn giản nh sau:
S
T
(t) =
P2

d(t). c(t) Cos
0
t
Từ phơng trình trên cho phép xây dựng mô hình hệ thống DS / BPSK phía
phát một cách đơn giản hơn trong đó việc điều chế trải phổ đợc thực hiện đơn
giản bằng bộ cộng modul 2 giữa d(t) và c(t).
s
Tt

0
s
Tt 0
đồ án tốt nghiệp Chơng 2 kỹ thuật trải phổ
Trang 21

Bộ giải điều chế ở phía thu đợc thực hiện bằng sự tơng quan giữa tín hiệu thu
đợc R(t) và bản sao của mã trải phổ phía phát đợc tạo ra ở máy thu.

Hình 2.3: Sơ đồ khối giải điều chế trải phổ trực tiếp BPSK ( phía thu )
Trong đó T
d
: Trễ truyền dẫn thực sự giữa máy phát và máy thu


T
d
: Đánh giá của máy thu đối với thời gian trễ
Tín hiệu truyền tới máy thu là

Với là góc pha ngẫu nhiên = [0 , 2]

ở đây để đơn giản ta bỏ qua một vài loại nhiễu hoặc tạp âm Gaussian
Quá trình giải điều chế tín hiệu R(t) đợc thực hiện qua 2 bớc
- Bớc 1: Thực hiện quá trình nén phổ. Quá trình này đợc thực hiện bằng việc
nhân tín hiệu R(t) với mã giải trải phổ đợc tạo ra ở máy thu là c(t-

T
d
) . Sau bớc
này tín hiệu ra bộ cộng modul 2:
R
*
(t) =
P2
c(t-T
d
). c(t-

T
d
). Cos[
0
(t-T
d
) +
d
(t-T
d
) + ]
( ) ( ) ( )
[ ]

++=
dddd
TtTtCosTtcPtR
0
2)(
Lọc thông
giải
Giải điều chế
BPSK
C(t-
d
)
d(t)
S
d
(t)
( ) ( ) ( ) ( )( )

++=
dddd
TtTtC o sTtCPtR
0
2
d(t)
Điều chế
BPSK
S(t)
( ) ( )
tC o stctdPtS

T 0
..2)(

=
C(t)
đồ án tốt nghiệp Chơng 2 kỹ thuật trải phổ
Trang 22
Nếu đạt đợc đồng bộ tốt thì

T
d
=T
d
và
c (t-T
d
). c(t-

T
d
) = c(t-T
d
)
2
= 1
Khi đó tín hiệu đi ra bộ lọc thông dải đã đợc giải trải phổ chỉ còn mang tín hiệu
dữ liệu
R
*
(t) =

P2
. Cos[
0
(t-T
d
) +
d
(t-T
d
) + ]
Nh vậy sau bớc nén phổ ta thu đợc dữ liệu chỉ còn mang thông tin có dạng giống
nh tín hiệu S
d
(t) ở phía phát song bị trễ đi một khoảng thời gian là T
d.
- Bớc 2: Giải điều chế pha. Tín hiệu sau bộ lọc thông dải R
*
(t) đợc 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.
a. Phổ tín hiệu trớc khi trải phổ
b. Phổ tín hiệu sau khi trải phổ
PT
b
/2
-f
0
0
1/T
b

+f
0
f
f
PT
c
/2
1/T
c
-f
0
+f
0
0
đồ án tốt nghiệp Chơng 2 kỹ thuật trải phổ
Trang 23
Hình 2.4: Phổ công suất DS/BPSK
Với P là công suất tín hiệu
Mật độ phổ công suất sóng biên của sóng mang điều chế dịch pha đợc tính nh
sau:
S
d
(f) =



S
d
(t). exp(-it)dt =
2

1
PT
b
{Sin
2
[(f-f
0
)T
b
] + Sin
2
[(f+f
0
)T
b
]}
Với f
0
=
0
/ 2 : là tần số sóng mang dữ liệu ( tần số trung tâm băng tần dữ liệu
).
T
b
: thời gian bit dữ liệu.
Mật độ phổ của sóng mang đã trải phổ cũng đợc tính tơng tự
ở đây T
c
là thời gian chip mã trải phổ.
Từ biểu thức tính mật độ phổ và đồ thị biểu diễn phổ công suất của tín hiệu

trải phổ ta có nhận xét là: Phổ công suất của tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp gồm
hai biên đối xứng, biên độ của hai biên bằng nhau và bằng PT
C
/2 bề rộng phổ
mỗi bên bằng 2/T
C
.
Nh vậy tín hiệu sau trải phổ có độ rộng phổ tăng lên T
b
/T
c
lần và biên độ phổ
giảm đi T
b
/T
c
lần. Mã trải phổ có tốc độ chip lớn hơn nhiều tốc độ dữ liệu nên T
c
T
b
vì vậy sau trải phổ tín hiệu có mật độ phổ giảm đi nhiều.
Quá trình trải phổ DS/BPSK đợc minh hoạ trong hình 2.5 sau:
( ) ( )
[ ]
( )
[ ]
{ }
ccct
TffSinTffSinPTfS
0

2
0
2
2
1
++=
=
Cos
0
tt
Cos[
0
t+
d
(t)](
Sin[
0
t+
d
(t)]
đồ án tốt nghiệp Chơng 2 kỹ thuật trải phổ
Trang 24
d (t)
c (t)
d(t). c(t)

d
(t)
+
c

(t)

C
(t)

d
(t)
d(t)
0
1

0

1
0
0


0
1

0

1
0
0


0
1

0

1
0
1

0

1
0
1

0

1
0
0


1
0
0


0
1

0

1
0
0


0
1

0

1
1


0
1
1


0
1
1


0
0
0
0
0
0

0
0
0
0
0
1
1


0
1
1


0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0

0
0
0
0
0
0
0
1
1


0
Hình 2.5: Trải phổ trực tiếp BPSK
d(t): Tín hiệu nhị phân phát


c
(t): Dịch pha do mã giải trải phổ thu
c(t): Mã trải phổ phát


d
(t): Pha sóng mang sau nén phổ
d(t).c(t): tín hiệu phát

d
(t): Dữ liệu sau giải điều chế BPSK

d
(t)+

c
(t): Pha của sóng mang phát
Độ tăng ích của hệ thống:
Độ tăng ích của hệ thống đợc định nghĩa là tỷ số giữa độ rộng băng tần trải
phổ và tốc độ dữ liệu vào
G
P
= W
SS
/ R
b
W
ss
: độ rộng băng trải phổ có giá trị xấp xỉ tốc độ chip của mã trải phổ
Cos
0
tt
Cos[
0
t+
d
(t)](
Sin[
0
t+
d
(t)]
đồ án tốt nghiệp Chơng 2 kỹ thuật trải phổ
Trang 25
W

ss
R
c
=1/T
c
R
b
: Tốc độ dữ liệu R
b
=1/T
b
G
P
=
R
W
b
SS
=
R
R
b
C
=
T
T
C
b
T
b

càng lớn hơn T
c
thì tức là độ tăng ích đợc xử lý càng tốt và chất lợng hệ thống
trải phổ càng tốt.
2.2.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng phơng pháp điều chế QPSK
Điều chế pha 4 mức (QPSK) sử dụng nguyên lý tổ hợp 2 bit thành một ký hiệu
điều chế và đợc mô tả cùng một trạng thái pha sóng mang. Do vậy cùng độ rộng
băng truyền dẫn, sử dụng phơng pháp điều chế pha QPSK sẽ có tốc độ bit truyền
dẫn đạt gấp đôi nếu dùng phơng pháp BPSK. 4 tổ hợp của 2 bit nhị phân sẽ tơng
ứng với 4 trạng thái của sóng mang nh sau:
Tổ hợp bit Trạng thái pha
00
01
10
11
0
/2

3/2
Với cơ sở kỹ thuật điều chế tín hiệu số QPSK quen thuộc, ta xây dựng bộ điều
chế trải phổ dãy trực tiếp QPSK nh sau:
Dữ liệu vào
d(t)
S
d
(t)
C
1
(t)
C

2
(t)
S
T
(t)
I
QQ
Cos
0
tt
Cos[
0
t+
d
(t)](
Sin[
0
t+
d
(t)]
Bộ điều
chế pha
Bộ lai cầu
phương

đồ án tốt nghiệp Chơng 2 kỹ thuật trải phổ
Trang 26
Hình 2.6: Sơ đồ khối bộ điều chế trải phổ DS/QPSK
Hoạt động của bộ điều chế nh sau: đầu tiên dòng bit dữ liệu d(t) điều chế
sóng mang s(t) =

P2
Cos
0
t .
Đầu ra của bộ điều chế pha là tín hiệu điều pha 4 trạng thái
S
d
(t) =
P2
Cos[
0
t +
d
(t)] 0 t T
s

trong đó
d
(t) là góc pha của sóng mang bị điều chế nhận các giá trị là 0, /2,
, 3/2 tuỳ theo cặp bit tơng ứng.
Các vectơ tín hiệu đợc biểu diễn trong không gian tín hiệu nh sau:

Dữ liệu sau khi qua bộ điều chế pha đợc đa qua bộ chuyển đổi nối tiếp song
song tạo ra 2 tín hiệu sóng mang đợc điều chế bởi dữ liệu trực giao với nhau trên
2 đờng đợc gọi là kênh I ( kênh đồng pha ) và kênh Q ( kênh cầu phơng )
Sóng mang trên kênh I là: S
dI
(t) =
P
Cos[

0
t +
d
(t)]
Sóng mang trên kênh Q là: S
dQ
(t) =
P
Sin[
0
t +
d
(t)]
ở đây tốc độ dữ liệu không thay đổi, chỉ có sóng mang đợc chia ra làm hai
thành phần lệch pha nhau và có công suất bằng một nửa S
d
(t).
cos
0
t
sin
0
t
01
10
00
11
đồ án tốt nghiệp Chơng 2 kỹ thuật trải phổ
Trang 27
Sóng mang trên hai kênh đồng pha I và cầu phơng Q sau đó đợc điều chế trải

phổ với hai mã trải phổ là C
1
(t) và C
2
(t) tơng tự nh quá trình điều chế trải phổ
BPSK
Kết quả ta có hai tín hiệu trải phổ trên các kênh I và Q là :
S
TI
(t) =
P
Cos[
0
t +
d
(t) +
C1
(t)]
S
TQ
(t) =
P
Sin[
0
t +
d
(t) +
C2
(t)]
Hai mã trải phổ C

1
(t) và C
2
(t) là các dòng xung lỡng cực, chỉ nhận các giá trị mức
1 đợc đồng bộ chip và độc lập hoàn toàn nhau nên 2 tín hiệu đa vào bộ cộng ()
là tơng quan và tín hiệu đi ra bộ điều chế QPSK đợc viết nh sau:
S
T
(t) = S
TI
(t) + S
TQ
(t)
=
P
Cos[
0
t +
d
(t) +
C1
(t)] +
P
Sin[
0
t +
d
(t) +
C2
(t)]

hay S
T
(t) =
P
C
1
(t). Cos[
0
t +
d
(t)] +
P
C
2
(t). Sin[
0
t +
d
(t) ]
Ta thấy hai thành phần của biểu thức tính S
T
(t) là nh nhau chỉ khác về biên độ
và góc dịch pha và cũng từ biểu thức tính S
T
(t) ta có thể tính đợc phổ công suất
sóng mang điều chế QPSK thông qua việc tính phổ công suất của hai sóng mang
điều chế BPSK thành phần. Bởi vì 2 thành phần S
TI
(t) và S
TQ

(t) là trực giao nhau
nên phổ công suất của S
T
(t) bằng tổng đại số phổ công suất của S
TI
(t) và S
TQ
(t).
Bộ giải điều chế trải phổ DS/QPSK có sơ đồ nh sau:
2Cos[(
0
+
IF
)t + ]
2Sin[(
0
+
IF
)t + ]
Tín hiệu thu
S
T
(t-T
d
)
C
2
(t-
d
)

C
1
(t-
d
)
X(t)
Y(t)
d(t)
Bộ chia
công suất
Lọc
thông
dải
Giải điều
chế pha
QPSK

Cos
0
t