Các kĩ thuật điều biến trong wlan

I,CÁC KĨ THUẬT ĐIỀU BIẾN TRONG WLAN I.1.Điều biến là gì? Điều biến có thể được định nghĩa là đặt tín hiệu có chứa các thông tin trên một sóng mang có tần số cao. Giả sử như chúng ta phải truyền giọng nói có chứa các thành phần tần số lên đến 4kHz, chúng ta sẽ đặt các tín hiệu thoại này lên trên một sóng mang, lấy ví dụ có tần số 140MHz. Tín hiệu tiếng nói đầu vào được gọi là tín hiệu điều chỉnh. Sự biến đổi khi ta chồng tín hiệu lên trên sóng mang được gọi là điều biến. Các phần cứng thực hiện việc chuyển đổi này được gọi là các bộ điều biến. Đầu ra của bộ điều biến được gọi là tín hiệu đã điều biến. Sóng mang đã điều biến được gửi thông qua môi trường truyền dẫn, tiếp tục thực hiện các hoạt động được yêu cầu trên tín hiệu điều biến, ví dụ như lọc chẳng hạn.Tại đầu thu, các tín hiệu đã được điều biến được truyền thông qua một bộ giải điều biến, bộ giải điều biến sẽ thực hiện những công việc ngược lại bộ điều biến và đưa ra tín hiệu điều chỉnh ban đầu, trong đó có chứa các thông tin gốc. Quá trình này được mô tả như trong hình 1. Các tín hiệu điều chỉnh còn được gọi là tín hiệu dải gốc. Trong một hệ thống truyền thông, cả hai đầu nên có khả năng vừa truyền vừa nhận, do đó bộ điều biến và bộ giải điều biến này nên có mặt ở cả hai đầu của hệ thống. Các bộ điều biến và bộ giải điều biến kết hợp lại với nhau được gọi là bộ điều giải (modem). Hình 1: Điều biến và giải điều biến. Điều biến là đặt tín hiệu có chứa các thông tin lên trên một sóng mang có tần số cao. Các tín hiệu mang thông tin được gọi là tín hiệu điều chỉnh, đầu ra thu được tại bộ điều biến được gọi là tín hiệu điều chế. I.2 Tại sao phải điều biến Giả sử chúng ta muốn truyền hai kênh thoại từ nơi này đến một nơi khác. Nếu chúng ta kết hợp hai tín hiệu thoại lại và chuyển chúng vào môi trường truyền cùng nhau, sau đó chúng ta không thể tách riêng các giọng nói của cuộc hội thoại ở đầu nhận. Điều này là do cả hai kênh thoại đã chiếm chung một dải tần số, từ 300Hz đến khoảng 4kH. Ta có một cách tốt hơn để truyền hai kênh thoại này đi là đặt chúng vào trong những dải tần số khác nhau và sau đó gửi chúng đi. Những tín hiệu có tần số thấp thì khả năng bức xạ lại kém, do đó các tín hiệu có tần số thấp chẳng hạn như các tín hiệu thoại sẽ được chuyển lên những tần số cao hơn. Chúng ta sẽ chồng các tín hiệu thoại này vào một tín hiệu có tần số cao để có thể truyền tải trên một khoảng cách lớn. Tín hiệu có tần số cao ấy được gọi là sóng mang, và sự điều chỉnh này được gọi là điều biến sóng mang. Khi các tín hiệu thoại khác nhau được điều biến thành các tần số khác nhau, chúng ta đã có thể truyền tải tất cả các tín hiệu đã được điều chế này với nhau. Sẽ không xảy ra bất kỳ sự nhiễu nào cả. Điều biến cho phép: +  Truyền tín hiệu trên một khoảng cách lớn, do các tín hiệu tần số thấp có đặc tính bức xạ kém. +   Nó có thể kết hợp một số tín hiệu dải gốc lại với nhau và gửi thông tin qua phương tiện truyền thông, cung cấp nhiều tần số sóng mang khác nhau được sử dụng cho các tín hiệu dải gốc khác nhau. +      Kích thước của các ăng-ten sẽ được thu nhỏ lại nếu ta sử dụng phương tiện truyền dẫn là đài phát thanh. Điều biến cho phép truyền tín hiệu qua một khoảng cách lớn, đó là vì các tín hiệu tần số thấp thì có đặc tính bức xạ rất kém, khó có thể truyền đi xa được. Nó cũng có thể kết hợp nhiều tín hiệu dải gốc lại và gửi chúng thông qua phương tiện truyền thông.Trong các hệ thống truyền dẫn sử dụng đài phát thanh như môi trường truyền, các tần số hoạt động trong nó càng cao, kích thước ăng ten càng nhỏ lại. Vì vậy, sử dụng sóng mang tần số cao sẽ làm giảm đáng kể kích thước của ăng-ten. I.3.Các loại điều biến Nhiều kỹ thuật điều biến sóng mang đã được đưa ra, chúng ta sẽ nghiên cứu các kỹ thuật điều biến sóng mang cơ bản nhất được sử dụng một cách rộng rãi trong cả hai hệ thống truyền thông tương tự và truyền thông số. Điều biến sóng mang có thể được chia thành hai loại: +  Điều biến tương tự +    Điều biến số Các kỹ thuật điều biến tương tự khác nhau là: +  Điều biến biên độ (AM) +  Điều biến tần số (FM) +   Điều biến pha (PM) Các kỹ thuật điều biến tương tự có thể được chia ra thành điều biến biên độ (AM), điều biến tần số (FM), và điều biến pha (PM). FM và PM kết hợp với nhau được gọi là kỹ thuật điều biến góc. FM và PM kết hợp với nhau gọi là kỹ thuật điều biến góc. Các kỹ thuật điều biến số khác nhau là: +  Điều biên (ASK) +  Điều tần (FSK) +  Điều pha (PSK) I.4 Kĩ thuật điều biến tương tự Điều biến tương tự được sử dụng rộng rãi trong các chương trình phát thanh và truyền hình, nhiều hệ thống viễn thông cũ cũng dựa trên kỹ thuật điều biến tương tự. Tất cả các hệ thống mới được phát triển gần đây đều sử dụng kỹ thuật điều chế số. Đối với phát thanh truyền hình, kỹ thuật điều biến tương tự vẫn tiếp tục đóng một vai trò quan trọng. I.4.1 Điều biến biên độ Trong điều biến biên độ, biên độ của sóng mang tỷ lệ thuận với biên độ tức thời của tín hiệu điều chỉnh. Tần số của sóng mang không thay đổi. Trong hình 2 a, tín hiệu điều chỉnh (một sóng sin) được hiển thị. Hình 2b cho thấy tín hiệu được điều biến biên độ. Một điều hiển nhiên mà ta có thể thấy từ hình ảnh này là biên độ của sóng mang chứa đựng các thông tin của tín hiệu điều chỉnh. Cũng có thể thấy rằng cả hai phần trên và phần dưới biên độ của sóng mang có các thông tin của tín hiệu điều chỉnh.           Hình 2a tín hiệu điều chỉnh. Hình 2b tín hiệu được điều biến biên độ. Nếu fc là tần số của sóng mang, sóng mang đó có thể được biểu diễn toán học như sau: Asin(2πfct) Nếu fm là tần số của tín hiệu điều chỉnh, các tín hiệu điều chỉnh được biểu diễn bởi công thức: Bcos (2πfmt) Các sóng đã được điều biến biên độ được biểu diễn bởi công thức: (A + Bcos2πfmt)sin(2πfct) hoặc A{1 + (B / A)cos(2πfmt)}sin(2πfct) Giá trị của B / A ký hiệu là m được gọi là chỉ số điều biến. Giá trị của (m × 100) là chỉ số điều biến, đại diện là tỷ lệ phần trăm.Trong lúc mở rộng phương trình trên, chúng ta nhận được ba điều kiện: điều kiện thứ nhất với fc, điều kiện thứ hai với (fm + fc), và điều kiện thứ ba với (fc – fm).Các điều kiện với (fm + fc) và (fc – fm) đại diện cho dải biên. Cả hai dải biên có các thông tin của tín hiệu điều chỉnh. Thành phần tần số (fc + fm) được gọi là biên cao, và thành phần tần số (fc + fm) được gọi là biên thấp hơn. Chỉ có dải biên cao hoặc dải biên thấp mới có thể được truyền đi và sau đó giải điều biến ở đầu nhận. Các băng thông cần thiết cho điều biến biên độ là gấp hai lần tần số điều biến cao nhất. Nếu tần số điều biến có băng thông 15kHz (băng thông sử dụng trong việc truyền thanh), tín hiệu được điều biến biên độ đòi hỏi phải 30kHz. Rất dễ dàng để thực thi điều biến và giải điều biến cho kỹ thuật điều biến biên độ. Tuy nhiên, khi tín hiệu được điều biến biên độ đi vào môi trường, âm thanh nhiễu được thêm vào dẫn đến thay đổi biên độ, vì lí do đó, tín hiệu giải điều biến không phải là một bản sao hoàn toàn chính xác của các tín hiệu điều chỉnh, nghĩa là, kỹ thuật điều biến biên độ không loại trừ được tạp âm. Một vấn đề khác với kỹ thuật điều biến biên độ là khi sóng AM được truyền đi, sóng mang sẽ hấp thụ hầu hết năng lượng truyền tải, mặc dù sóng mang không chứa bất kỳ thông tin nào cả, các thông tin chỉ hiện diện trong các dải biên. Điều biến biên độ được sử dụng trong truyền thanh. Các chương trình truyền thanh khác nhau được điều biến biên độ, ghép kênh chia theo tần số, và được truyền trên các phương tiện vô tuyến điện. Còn trong phát sóng truyền hình, chỉ một dải biên đơn được truyền đi.Băng thông cần thiết cho kỹ thuật điều biến biên độ bằng hai lần tần số điều chỉnh cao nhất. Trong phát thanh sử dụng điều biến biên độ, tín hiệu điều chỉnh có băng thông 15kHz, suy ra băng thông của một tín hiệu điều biến biên độ là 30kHz. I.5.2 Điều biến tần số Hình 2c Trong điều biến tần số (FM), tần số của sóng mang được thay đổi theo biên độ của tín hiệu điều chỉnh. Độ lệch của tần số thì tỉ lệ với biên độ của tín hiệu điều chỉnh. Biên độ của sóng mang được giữ không đổi.Hình 2c cho thấy tín hiệu điều biến tần số khi tín hiệu điều chỉnh là một sóng sin như trong hình 2a. Hình 2c tín hiệu điều biến theo tần số.Nếu sóng mang được biểu diễn bởi công thức:                                      Asin(2πfct)Và các tín hiệu điều chỉnh được biểu diễn bởi công thức:                                       Bcos(2πfmt)Thì tần số tức thời của sóng mang điều biến tần số được cho bởi công thức:                                       f = fc + kBcos (2πfmt) Với k là một hằng số có tỷ lệ tương ứng. Trong điều biến tần số ,độ lệch tần số của sóng mang thì tỷ lệ thuận với biên độ của tín hiệu điều chỉnh. Theo quy tắc của Carlson, băng thông của một tín hiệu điều chế tần số bằng hai lần tổng các tần số của tín hiệu điều chỉnh và độ lệch tần số. Nếu độ lệch tần số là 75kHz và tần số của tín hiệu điều chỉnh là 15kHz, băng thông yêu cầu là 180 kHz.So với kỹ thuật điều biến biên độ, kỹ thuật điều biến tần số thực thi phức tạp và chiếm nhiều băng thông hơn. Do biên độ của sóng được giữ không đổi, nên kỹ thuật điều biến tần số miễn nhiễm với nhiễu. Nhiều trạm phát thanh bây giờ sử dụng kỹ thuật điều biến tần số. Trong sóng phát thanh FM, độ lệch tần số cao nhất là 75kHz, và tần số điều chỉnh cao nhất là 15kHz. Do đó yêu cầu băng thông của kỹ thuật điều biến tần số là 180 kHz. Các kênh trong dải FM được phân chia từ 200KHz. Nếu chúng ta so sánh chất lượng của âm thanh trong phát thanh sóng AM và sóng FM, chúng ta có thể dễ dàng nhận ra rằng phát thanh FM cho chất lượng tốt hơn nhiều. Điều này là bởi vì sóng FM là miễn nhiễm với nhiễu nhiều hơn so với sóng AM. Kỹ thuật điều biến tần số cũng được sử dụng để điều biến các tín hiệu âm thanh trong phát sóng truyền hình. Băng thông của tín hiệu điều biến tần số bằng hai lần tổng các tần số của tín hiệu điều chỉnh và độ lệch tần số. Trong phát thanh FM, độ lệch tần số cao nhất là 75kHz và tần số cao nhất đạt được của tín hiệu điều chỉnh là 15kHz,do đó yêu cầu băng thông là 180kHz I.4.3 Điều biến pha Trong điều biến pha, độ lệch pha của sóng mang tỷ lệ thuận với biên độ tức thời của tín hiệu điều chỉnh. Có thể thu được điều biến tần số từ điều biến pha. Tín hiệu điều biến pha cho các tín hiệu điều chỉnh thể hiện trong hình2 d trông giống hệt như hình 2c Hình 2d Tín hiệu điều biến pha Trong kỹ thuật điều biến pha, độ lệch pha của sóng mang tỷ lệ thuận với biên độ tức thời của tín hiệu điều chỉnh. Không có hệ thống thực tế sử dụng điều chế pha.Trên thực tế không có hệ thống nào sử dụng kỹ thuật điều biến pha I.6 Kĩ thuật điều biên số Ba kỹ thuật điều biến số quan trọng là: + Điều biên (ASK) +      Điều tần (FSK) +     Điều pha (PSK) Đối với một dãy bit những số một và số không, tín hiệu điều chỉnh được thể hiện trong hình 3a. Hình 3b, 3c, và 3d cho chúng ta thấy các tín hiệu đã được điều biến bằng cách sử dụng điều biên (ASK), điều tần (FSK), và điều pha nhị phân (BPSK), theo thứ tự. Hình 3a: Tín hiệu điều chỉnh.  Hình 3b: ASK.  Hình 3c: FSK. Hình3(d): BPSK. I.6.1 Điều biên (ASK) Điều biên (ASK) còn được gọi là khóa đóng-mở (OOK). Trong ASK, hai biên độ của sóng mang tượng trưng cho các giá trị nhị phân (1 và 0). Nói chung, một trong các biên độ được gán như bằng không. Cho nên, tín hiệu ASK có thể được biểu diễn toán học bởi công thức:                                            S(t) = Asin(2πfct) ; cho giá trị nhị phân 1                                                   =0 ; cho giá trị nhị phân 0 Trong khóa dịch biên độ (ASK), 1 và 0 được biểu diễn bởi hai biên độ khác nhau của sóng mang. ASK rất nhạy cảm với nhiễu. ASK được sử dụng trong thông tin bằng cáp quang bởi vì nhiễu ít hơn.Yêu cầu về băng thông của tín hiệu ASK được cho bởi công thức:                                            B = (1+r)R Trong đó R là tốc độ truyền bit và r là hằng số 0 hoặc 1, hằng số này có liên quan đến việc thực thi của phần cứng. ASK rất nhạy cảm với nhiễu và không được sử dụng trên cáp thông thường. Nó được sử dụng trong thông tin bằng cáp quang. I.6.2 Điều tần (FSK) Trong kỹ thuật khóa dịch tần số, các giá trị nhị phân được đại diện bởi hai tần số khác nhau thương tự với tần số của sóng mang. Một tín hiệu FSK được biểu diễn toán học bởi công thức: S(t) = Asin(2πf1t)   cho giá trị nhị phân 1      = Asin(2πf2t)   cho giá trị nhị phân 0 f1 có thể bằng fc + fm và f2 có thể bằng fc – fm, trong đó fc là tần số của sóng mang và 2fm là độ lệch tần số. Các yêu cầu băng thông của FSK tín hiệu được cho bởi công thức: B = 2fm + (1+r)R trong đó R là tốc độ truyền dữ liệu, r là hằng số 0 hoặc 1.FSK được sử dụng rộng rãi trong truyền hình cáp cũng như trong truyền thanh. Trong điều tần (FSK),1 và 0 được biểu diễn bởi hai tần số khác nhau của sóng mang. I.6.3 Điều pha (PSK) Hai kỹ thuật điều pha được sử dụng phổ biến là khóa dịch pha nhị phân (BPSK) và khóa dịch pha vuông góc (QPSK).Trong kỹ thuật pha, pha của sóng mang đại diện cho một bit nhị phân 1 hoặc 0. Trong khóa dịch pha nhị phân, hai pha được sử dụng để đại diện cho 1 và 0. Nói một cách toán học, một tín hiệu PSK được đại diện bởi công thức: S(t) = Asin(2πfct + p) cho giá trị nhị phân 1                                            = Asin(2πfct)         cho giá trị nhị phân 0 Trong kỹ thuật khóa dịch pha nhị phân, số nhị phân 1 và 0 được biểu diễn bởi hai pha của sóng mang. Giới hạn của góc pha có liên quan đến khoảng cách với một bit trước đó. Băng thông được sử dụng trong kỹ thuật điều pha nhị phân thì giống như trong kỹ thuật điều biên.Trong kỹ thuật điều pha vuông góc (QPSK), hai bit trong dãy các bit được lấy ra, và bốn góc pha của các tần số sóng mang được sử dụng để đại diện cho bốn tập hợp của hai bit. S(t) = Asin(2πfct + 45o)          cho giá trị nhị phân 11        = Asin(2πfct + 135o)         cho giá trị nhị phân 10        = Asin(2πfct + 225o)         cho giá trị nhị phân 00        = Asin(2πfct + 315o)         cho giá trị nhị phân 01 Trong kỹ thuật điều pha vuông góc(QPSK),các góc pha khác nhau của sóng mang được sử dụng để đại diện cho bốn tổ hợp có thể có của hai bít :00,01,10, và 11.Điều pha vuông góc được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến Băng thông cần thiết cho một tín hiệu điều biến bởi khóa dịch pha vuông góc (QPSK) bằng một nửa của tín hiệu điều biến bởi khóa dịch pha nhị phân (BPSK). Kỹ thuật khóa dịch pha (BPSK và QPSK) được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến. Trong các hệ thống thông tin di động cũng vậy, các kỹ thuật điều biến khóa dịch pha khác nhau cũng được sử dụng. II,KĨ THUẬT ĐIỀU BIẾN TRONG MẠNG DI DỘNG II.1 ,Điều chế GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) Công nghệ điều chế được sử dụng trên kênh vô tuyến trong mạng GSM là khoá dịch pha cực tiểu GMSK. Đây là phương pháp băng hẹp dựa trên kỹ thuật điều chế dịch pha với tiêu chuẩn băng thông được sử dụng là BT =0,3 (B là độ rộng băng tần, T khoảng thời gian kéo dài của bit). GMSK là loại điều chế FM số đặc biệt. Nền tang của GMSK chính là MSK. Mức logic 1 là nguyên nhân của sự dịch pha sóng mang tăng 90o, còn mức logic 0 sẻ là nguyên nhân của sự pha giảm 90o. Hay nói cách khác bit 1 và 0 được biểu diễn bằng dịch tần sóng mang RF một lượng 67,708kHz. Sự dịch pha là do chuyển dịch tức thòi của tần số sóng mang giữa 2 giá trị khác nhau, f1và f2, do đó MSK là một trường hợp đặc biệt của FSK. Tần số f1 và f2 được cho bởi:  Trong đó Rb là tốc độ ký hiệu điều chế ~ 271kbps, fc là tần số sóng mang. (tôc độ kênh) chính bằng 4 lần sự dịch tần của sóng mang. Để thu được phổ tần số của tín hiệu điều chế luồng bít đưa lên điều chế được đưa qua bộ lọc Gauss. Vì thế gọi là điều chế GMSK. Các bit dữ liệu thứ i di, được mã hoá vi phân bỡi sự biễu diễn cộng modul 2 của bit hiện tại và bit trước đó: Trong đó là mã hoá vi phân của bit thứ i, di có thể mang giá trị 0 hoặc 1. Dữ liệu điều chế tại đầu vào αi tới bộ điều chế GMSK, được cho bởi: Dữ liệu điều chế αi sau đó được cho qua bộ lọc liner (tuyến) với đáp ứng xung h(t) cho bởi: T là chu kỳ bit và B là băng thông của bộ lọc 3dB. BT trong GSM là 0,3 ý là mỗi bit được trải dài 3 bit điều chế. Kết quả là ISI phải được tách ra tại nơi nhận khi sử dụng môt bộ cân bằng (ví dụ bộ cân bằng Viterbi). Đáp ứng xung h(t) và đáp ứng tần số H(f) của bộ lọc được thể hiện ở hình 4a. Hình 4a và 4b Hình 5a: Đáp ứng xung h(t) và đáp ứng tần số H(z) của bộ lọc Gauss được sử dụng trong GMSK. Đáp ứng xung của bộ lọc g(t) (hình 5b), tín hiệu ở đầu ra của bộ lọc khi một xung có độ rộng T được đưa vào: Đáp ứng xung g(t) thể hiện trong hình 5b ta nhận thấy nó kéo dài xấp xỉ 3 chu kỳ bit T và biên độ của g(t) là 1 Hình 5a: Đáp ứng xung của bộ lọc GMSK Hình 5b: Đầu ra của bộ lọc băng cơ sở  Tín hiệu tại đầu ra của bộ lọc là tổng của đáp ứng xung cho mỗi bit dữ liệu vào. Tín hiệu này được sử dụng để điều chế tần số của sóng mang.