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

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

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)

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)

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 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

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

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

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

i
i
SSJJ
S
U

=






,
var


=
=
n
k
kik
SJ
1
2
,
215

== (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.

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:

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:


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


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

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


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

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