1 Vũ Sơn Tùng – BKTTT1 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ NHẢY TẦN: MỘT PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO TÍNH NĂNG TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN Vũ Sơn Tùng Mã số sinh viên CB110942 Lớp 11BKTTT1 Viện Điện tử Viễn thông Trường Đại học BKHN Abstrack Spread spectrum is a digital modulation technology and a technique based on principals of preading a signal among many frequecies to prevent interference and signal detections. As the name shows it is a technique to spead the transmitted spectrum over a wide range frequencies. It started to be employed by military applications because of its Low Probability of Intercept (LPI) or demodulation, interference and anti-jamming (AJ) from ememy side. The idea of Spreading Spectrum is to spread a signal over large frequency band to use greater bandwidth than the Data bandwidth while the power remains the same. And as far as the spread signal look like the noise signal in the same frequency band it will be difficult to recognize the signal which this feature of spreading provides security to the transmission. Compared to a narrowband signal, spead spectrum spreads the signal power over a wideband an the overall SNR is improved because only small part of spread spectrum signal will be affected by interference. In a communication system in sender and receiver side’s one spreading generator has located which base on the spreading technique they synchronize the received modulated spectrum. 2 Vũ Sơn Tùng – BKTTT1 1. Giới thiệu Để nâng cao hiệu quả truyền thông cự ly ngắn, phải nâng cao chất lượng kênh truyền bằng cách ngăn ngừa nhiều và fading đa đường, Trải phổ nhảy tần (FHSS) là một kỹ thuật truyền mà song mang thay đổi từ tần số này qua tần số khác. Để nhảy tần, một thiết bị phải thiết kế để data có có thể truyền trong một kênh trống, và ngăn ngừa việc đụng độ giữa các kênh. Trải phổ nhảy tần thích nghi là ( Adaptive frequency hopping) là hệ thống được sử dụng để tăng khả năng chống nhiễu bằng việc tránh sử dụng các kênh tần bận trong chuỗi nhảy tần. Mô hình thuật toán được sử dụng để mô phỏng và phân tích khả năng nâng cao tính năng bằng việc sử dụng trải phổ nhảy tần với các nguyên lý điều chế phổ biến. 2. Lý thuyết Trải phổ là một kỹ thuật điều chế số dựa trên các nguyên lý cơ bản của việc trải phổ một tín hiệu theo nhiều tần số để ngăn ngừa nhiễu và bảo mật. Giống như tên của kỹ thuật đã chỉ ra nó là một kỹ thuật trải phổ của tín hiệu truyền ra một khoảng rộng tần số. Bắt đầu từ việc được sử dụng trong lĩnh vực quân sự bằng các ưu điểm như chống nhiễu phá, chống phá sóng từ kẻ địch. Ý tưởng về trải phổ là trải tín hiệu ra một phổ rộng trong khi giữ nguyên công suất phát. Khi đó tín hiệu trải dài, nhìn giống tín hiệu nhiễu, khó bị phát hiện hơn. 3. Trải phổ nhảy tần Trải phổ nhảy tần là kỹ thuật truyền được sử dụng trong mạng không dây và kỹ thuật này trải phổ bằng cách thay đổi tần số sóng mang. FHSS sử dugnj băng tần tín hiệu hẹp ( nhỏ hơn 1MHz ), trong phương pháp này tín hiệu được điều chế với sóng mang băng hẹp và nó nhảy một cách giả ngẫu nhiên, có thể dự đoán trong khung thời gian và tần số để có thể đồng bộ được ở phía thu. Sử kỹ thuật FHSS năng tính bảo mật, nó là giải pháp hữu ích để ngăn ngừa nhiễu và fading đa đường (méo), nó giảm nhiễu băng hẹp, tăng dung lượng tín 3 Vũ Sơn Tùng – BKTTT1 hiệu, tăng SNR, hiệu suất của băng thông cao và khó bị phá sóng vì vậy phương pháp này có thể chia sẻ băng tần với nhiều loại ứng dụng khác có nhiễu nhỏ. Để có thể truyền được dữ liệu, thiết bị nhảy tần phải dự đoán sự thay đổi của tần số và bước nhảy tần số trên một băng tần với một số lượng kênh hữu hạn. Các kênh này được gọi là các kênh tức thời và phổ tần này được gọi là tổng băng thông nhảy tần. Nhảy tần được chia làm 2 loại là nhảy tần nhanh và nhảy tần chậm. Ở nhảy tần chậm thì có nhiều symbol dữ liệu truyền trên cùng một kênh hơn và nhảy tần nhanh thay đổi vài lần trong một symbol. Chuỗi nhảy tần được định nghĩa là kênh kế tiếp để nhảy. Có 2 loại chuỗi nhảy tần là: Chuỗi nhảy tần ngẫu nhiên và chuỗi nhảy tần được định trước. 4. Nhảy tần thích ứng. Nhảy tần thích ứng (Adaptive frequency hopping (AFH) là hệ thống mà thiết bị thay đổi tần số của nó để ngăn ngừa nhiễu từ các hệ thống khác. AFH phân loại các kênh thành 2 loại là “ kênh tốt” và “kênh xấu” và lựa chọn tương ứng từ các kênh này. Ý tưởng về AFH tức là lựa chọn kênh tần mà chúng có ít nhiễu nhất để truyền thông, để sử dụng AFH thiết bị phải có khả năng đánh giá được kênh là tốt hay xấu. Sử dụng AFH có các ưu điểm sau: - Thích ứng tránh nhiễu kênh - Tránh đụng độ tần số trong chuỗi nhảy tần. - Nâng cao BER. - Giảm công suất truyền - Thích ứng với kênh làm nâng cao phẩm chất hệ thống. RSSI (Chỉ số thu cường độ tín hiệu) cho phép đánh giá chất lượng kênh để phân loại kênh, kỹ thuật này có thể thực hiện bằng thuật toán đánh giá kênh truyền song công, thông tin phản hồi có chưa số lương kênh được sử dụng. Trong một hệ thống truyền thông song công như trong Hình 1. Ở đây A là máy phát và B là máy thu. Máy phát A gửi thông tin đã được ngầm định sẵn tới máy thu B qua một số lượng các tần số, máy thu B thu tín hiệu, đo tỉ số RSSI, SIR, phân tích và gửi lại máy A qua đường uplink. Nếu tín hiệu và dữ liệu thu được 4 Vũ Sơn Tùng – BKTTT1 nằm dưới ngưỡng chuẩn LQA thì đưa ra quyết định chuyển kênh. Máy thu A sử dụng những con số như là biến đối với thuật toán ngầm định để tính toán chuỗi tần số được sử dụng và gửi tín hiệu đồng bộ trên đường downlink bằng tần số đầu tiên trong chuỗi được tính toán để trả lời máy thu B rằng chuỗi số được tính toán chính xác. Cuối cùng, quá trình truyền thông bắt đầu giữa máy phát và máy thu. Cả 2 thay đổi tần số dựa trên các tính toán trước đó. Hình 1 Nguyên lý truyền tin Để minh họa cho hệ thống và nguyên tắc của thuật AFH đã đưa ra, giả sử quá trình truyền thông ở đây là song công như hình 2. Hệ thống sử dụng là nhảy tần xung quanh một tần số gốc bằng cash sử dụng những băng hẹp. Như trong hình 2 cho ta thấy một bộ tạo chuỗi nhảy, nó tạo ra các ký tự giả ngẫu nhiên theo bảng alpha, beta với kích thước Na. Chuỗi Na cho qua bảng Mapping và trở thành ký tự trong bảng có kích thước là N. và sau đó ký tự này được nhảy tần – giải nhảy tần. Kết quả là hệ thống sẽ chỉ sử dụng Na của N tần số hoạt động. Việc lựa chọn tần số này là do sử dụng LQA trên máy thu và hệ thống chỉ truyền trên những tần số đã được định trước. 5 Vũ Sơn Tùng – BKTTT1 Hình 2 Hệ thống truyền song công Để minh họa rõ ràng hơn cho hệ thống AFH, mời các bạn xem lưu đồ truyền tin ở hình 3 Hình 3 Sơ đồ truyền tin Qua hình 3, Máy phát truyền khung với L chips mỗi chíp chứa một ký tự kênh, sau khi truyền khối, máy thu thực hiện LQA và trả lời máy phát bằng cách truyền bảng tần số Lf. Điều quan trọng nhất ở đây là đưa ra được toàn bộ bảng tần số đã được truyền và được cập nhật tức thời vì vậy kênh hồi tiếp không phải là đều hoàn hảo. Thủ tục này có độ tin cậy khá cao. Để tạo ra chuỗi số nhảy tần ( đánh dấu kênh nhảy tần theo số) ở uplink, máy thu gửi những số này phản hồi theo đường downlink, máy thu có thể đưa ra phương trình tuyến tính và gải sử kích thước của khối truyền nhị phân như sau: C f = N a Log 2 N + C OH +R x N = tổng số kênh thực tế hoạt động N a = số kênh sử dụng C f = Số chip hồi tiếp C OH Tiếp đầu hồi tiếp R = Tốc độ chip 6 Vũ Sơn Tùng – BKTTT1 T = thời gian truyền + trễ LOA LOH là hồi tiếp bao gồm cả ký tự tìm lỗi sai. 5. Kênh truyền và nhiễu. So sánh với những loại truyền thông không dây khác, tần số truyền thông HF bị fading lựa chọn tần số bởi đa đường và có nhiều nhiễu từ các nguồn khác, Nhiễu luôn tồn tại trong bất kỳ hệ thống không dây nào. Cải thiện BER của hệ thống là rất quan trọng để cải thiện chất lượng của những hệ của hệ thống truyền thông. Mọi kênh tần chịu ảnh hưởng của nhiễu và fading khác nhau nên cho tỉ số SNR khác nhau, do đó sẽ có những kênh có tỉ số SNR cao hơn và thích hợp hơn để truyền. AFH là một giải pháp hữu hiệu và là kỹ thuật để đánh giá nhiễu, tạm âm nguồn và fading. 6. Đánh giá trải phổ nhảy tần. Để thiết kế mô hình trải phổ nhảy tần (FH) ta dùng mô phỏng MATLAB. Bổ trải phổ ở máy phát được điều chế M-FSK. Khâu này bao gồm một bộ tạo chỗi giả ngẫu nhiên, một khối dịch gói và một khối nhảy như trong hình 4 Hình 4 Mô hình mô phỏng nhảy tần Thiết kế bộ trải phổ nhảy tần như trong hình 5. Bộ trải phổ gồm bộ điều chế cơ sở M-FSK ( ở đây M=64). Bộ thông số của điều chế FSK là 64 trong M-FSK và điều này có nghĩa là có 64 vùng nhảy. Các băng con được lựa chọn bằng các điểm nhảy. Thiết kế của bộ giải trải phổ cũng tương tự như bộ trải phổ nhưng đầu ra của khối điều chế M-FSK là liên hợp phức như trong hình 6. 7 Vũ Sơn Tùng – BKTTT1 Hình 5 Thiết kế của khối trải phổ Hình 6 Khối giải trải phổ nhảy tần Qua hình 7 có thể thấy việc áp dụng kỹ thuật FH đối với điều chế QAM không làm tăng tính năng hay là giảm BER. Nhưng hình 8 có thấy rằng việc áp dụng FH với điều chế QPSK cho kết quả rất tốt và làm đáng kể BER nếu so với trường hợp không dùng FH với cùng mức SNR. Hình 9 cũng cho thấy việc áp dụng FH đối với điều chế GFSK làm giảm đáng kể BER 8 Vũ Sơn Tùng – BKTTT1 Hình 7 điều chế QAM Hình 8 điều chế QPSK 9 Vũ Sơn Tùng – BKTTT1 Hình 9 Điều chế GFSK 7. Kết Luận Kỹ thuật trải phổ nhảy tần là một kỹ thuật hữu ích để chống nhiễu và mô hình kênh Gilbert-Elliot là một kỹ thuật tốt để phân tích mô phỏng kênh bằng việc phân loại kênh dựa trên tình trạnh tốt, xấu và sau đó thay đổi tần số nhảy một cách phù hợp bằng việc phân tích tình trạng kênh trong trường hợp kênh có vấn đề về nhiễu, tạp âm nhằm cải thiện hiệu quả truyền thông. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần được mô hình hóa bằng MATLAB với 3 loại điều chế khác nhau như QAM, QPSK, GFSK là các kỹ thuật khá phù hợp để áp dụng với mô hình FHSS 8. Tham khảo Bates, R.J.&Gregory, D.W.(2001). Voice& Data Communications Handbook, McGram-Hill Osborne Media Elliott, E.O.(1963). Estimates of error rates for codes on burst-noise channels, Bell System Technical Journal, Vol.42, pp.1977-1997 10 Vũ Sơn Tùng – BKTTT1 Gilbert, E.N. (1960) Capacity of burst-noise channels, Bell System Technical Journal, Vol.39, pp.1253-1265 Lemmon, J.J. (2002). Wireless kink statistical bit error model, Instutude for Telecommunication Science Zander, J.& Malgren, G. (1995). Adaptive frequency hopping in HF communication, IEEE proceedings Communications, Vol.142, pp.99-105 Ziemer, R.;Peterson, E. R. L & Borth, D. E, (1995) Introduction to Spread Spectrum Communication, Prentice Hall . Tùng Mã số sinh viên CB110942 Lớp 11BKTTT1 Viện Điện tử Viễn thông Trường Đại học BKHN Abstrack Spread spectrum is a digital modulation technology and a technique based on principals. range frequencies. It started to be employed by military applications because of its Low Probability of Intercept (LPI) or demodulation, interference and anti-jamming (AJ) from ememy side 6. Đánh giá trải phổ nhảy tần. Để thiết kế mô hình trải phổ nhảy tần (FH) ta dùng mô phỏng MATLAB. Bổ trải phổ ở máy phát được điều chế M-FSK. Khâu này bao gồm một bộ tạo chỗi giả ngẫu nhiên,