BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN KỸ THUẬT HỆ THỐNG VIỄN THÔNG KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN KÊNH FDM

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN KỸ THUẬT HỆ THỐNG VIỄN THÔNG KỸ THUẬT GHÉP KÊNH/PHÂN KÊNH FDM Người hướng dẫn: ThS ĐẶNG NGỌC HẠNH Người thực hiện: Trương Hoàng Minh - 1914185 Đàm Tuấn Việt Vương - 1915996 Liêu Vinh Huy - 2011267 Nguyễn Thị Thủy Tiên - 2011267 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN STT Họ tên thành viên Trương Hoàng Minh Đàm Tuấn Việt Vương Liêu Vinh Huy Nguyễn Thị Thủy Tiên Nhiệm vụ thực Python Lý thuyết AM, lý thuyết DSB Python Lý thuyết FDM, lý thuyết SNR, tổng hợp báo cáo Kết (%) ĐÁNH GIÁ CHÉO Tổng điểm đánh giá 100% Người đánh giá TV1 TV2 TV3 TV4 TV5 TV1 TV2 TV3 TV4 TV5 70 10 5 10 0 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ IV DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU V DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VI CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN CHƯƠNG MƠ HÌNH/KỸ THUẬT [ĐỀ TÀI] 2.1 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG 2.2 THÔNG SỐ MÔ PHỎNG 2.3 THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 3.1 PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT CHƯƠNG KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ HÌNH 1-1: MỘT SỐ MƠ HÌNH MÁY BAY PHỔ BIẾN CÁNH CỐ ĐỊNH (BÊN TRÁI) VÀ MÁY BAY CÁNH QUAY (BÊN PHẢI) .1 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU BẢNG 1-1: SO SÁNH FDM VÀ TDM DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AM Amplitude modulation DSB Double sideband suppressed carrier modulation DSL Digital Subscriber Line FDM Frequency-division multiplexing SNR Signal to Noise Ratio SSB Single sideband modulation VDSL Very High Bit Rate Digital Subscriber Line VSB Vestigial sideband modulation BB Baseband Bài tập lớn KTHTVT Trang 1/26 CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI A ĐẶT VẤN ĐỀ Ghép kênh kỹ thuật quan trọng hệ thống thông tin đại Có nhiều phương pháp ghép kênh phát minh đưa vào ứng dụng Tùy dạng thông tin gốc, môi trường truyền, quy mô hệ thống thông tin người ta sử dụng nhiều phương pháp ghép kênh sử dụng phối hợp phương pháp ghép kênh để truyền thông tin từ nguồn đến đích Trước vào phần ghép kênh, ta cần nắm rõ lý thuyết sau: B LÝ THUYẾT TỔNG QUAN I KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ AM Điều chế q trình biến đổi thơng số sóng mang cao tần (biên độ tần số, pha) tỷ lệ với tín hiều điều chế băng gốc (BB - baseband) Mục đích việc điều chế:  Đối với anten, xạ lượng tín hiệu cao tần có hiệu bước sóng (tương ứng tần số) bậc với kích thước vật lý anten  Tín hiệu cao tần bị suy hao truyền khơng gian  Mỗi dịch vụ vơ tuyến có băng tần (kênh) riêng biệt Quá trình điều chế giúp chuyển phổ tín hiệu băng gốc lên băng tần thích hợp Điều kiện điều chế :  Tần số sóng mang cao tần fC  (810) fmax, fmax tần số cực đại tín hiệu điều chế BB  Thơng số sóng mang cao tần (hoặc biên độ, tần số, pha) biến đổi tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế BB mà khơng phụ thuộc vào tần số  Biên độ sóng mang cao tần V > Vm (bien độ tín hiệu điều chế BB) Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 2/26 Định nghĩa Điều chế biên độ kỹ thuật thay đổi biên độ tín hiệu sóng mang theo biên độ tín hiệu thơng tin cần gửi đi, hay nói cách khác điều chế sóng mang biên độ theo tín hiệu mang tin Ví dụ, thay đổi cường độ tín hiệu dùng để phản ánh âm tái tạo lại người nói, để xác định độ chói của điểm ảnh truyền hình Ví dụ: Ta có tín hiệu: Hình 1.1: Đường bao cao tần AM lặp lại dạng tín hiệu điều chế Biểu thức tốn học Tín hiệu điều chế: Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 3/26 Tín hiệu sóng mang: Trong đó: : biên độ tín hiệu điều chế tín hiệu sóng mang Khi đó, phương trình sóng điều biến biên độ là: Với Đề điều chế khơng méo Trong trường hợp tổng quát: Trong trường hợp m(t) tổng tín hiệu sin đơn tần: Băng thơng sóng AM Băng thông (BW) hiệu số tần số cao thấp tín hiệu Băng thơng cần thiết cho sóng điều chế gấp đơi tần số tín hiệu điều chế Cơng suất sóng AM Cơng suất sóng AM tính cơng thức: Trong đó: : cơng suất sóng mang Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 13/26  Q trình ghép kênh FDM Ban đầu, tín hiệu ngõ vào qua lọc thông thấp (LPF - lọc cho phép tần số thấp tần số cắt qua, tần số cao bị loại bỏ) để giới hạn băng thông tín hiệu Sau đó, tín hiệu điều chế với sóng mang có tần số khác Có thể dùng nhiều phương pháp điều chế AM, FM,… thường dúng điều chế SSB Trong miền thời gian, tín hiệu điều chế có tần số khác tổng hợp lại thành tín hiệu gửi kênh truyền Hình 1-4: Tổng hợp tín hiệu miền thời gian Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 14/26 Trong miền tần số, phổ tín hiệu tổng hợp bao gồm tất phổ tín hiệu trước cho phổ khơng chồng lên Hình 1-5: Tổng hợp tín hiệu miền tần số Giữa phổ tín hiệu dải bảo vệ (Guard band) để khắc phục vấn đề nhiễu xun kênh (Crosstalk) đặc tính khơng lí tưởng lọc gây Hình 1-6: Khoảng bảo vệ (Guard band) Băng thông hệ thống FDM: BWFDM= n.BWi +(n-1)BWbảo vệ BWFDM: Băng thông hệ thống FDM; BWi : Băng thông ngõ vào n: số ngõ vào  Quá trình phân kênh FDM Bộ phân kênh lọc nhằm tách tín hiệu ghép kênh thành kênh phân biệt Sau tín hiệu truyền đến thu, tín hiệu tổng hợp tách Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 15/26 thành tín hiệu riêng nhờ vào lọc thông dải (BPF - lọc cho phép tín hiệu phạm vi định qua đồng thời loại bỏ tín hiệu ngồi phạm vi này) Các tín hiệu tiếp tục giải điều chế đưa xuống thiết bị thu tương ứng Hình 1-7: Phân kênh tín hiệu FDM So sánh kỹ thuật ghép kênh, phân kênh FDM TDM Cơ sở so sánh TDM FDM Căn Quy mô thời gian chia sẻ Tần suất chia sẻ Được sử dụng với Tín hiệu số tín hiệu tương tự Tín hiệu tương tự Yêu cầu cần thiết Đồng hóa xung Băng bảo vệ Giao thoa Thấp không đáng kể Cao Mạch điện Đơn giản Phức tạp Sử dụng Sử dụng hiệu Không hiệu Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 16/26 Bảng 1-1: So sánh FDM TDM IV TỶ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU (SNR) Tỷ số tín hiệu nhiễu SNR Tỉ lệ tín hiệu nhiễu (Signal to Noise Ratio) định nghĩa là tỉ lệ mức lượng từ tín hiệu (mang thơng tin có nghĩa) mức lượng nhiễu (tín hiệu khơng mong muốn) với A biên độ bậc hai trung bình (RMS) (ví dụ bậc hai trung bình điện áp) Để tính tỷ số SNR xác cơng suất tín hiệu nhiễu (tiếng ồn) phải hệ quy chiếu Có nghĩa chúng tính theo Watt đơn vị SNR số lần, chúng tính theo đơn vị dB SNR tính theo đơn vị dB Cơng thức tính SNR: [12] [13] [14] Tỷ lệ tín hiệu nhiễu cao tốt, tín hiệu mong muốn thu lớn nhiều so với lượng tín hiệu khơng mong muốn.  Tỷ lệ thường ghi sản phẩm xử lý âm thanh, ví dụ tai nghe, điện thoại, loa, radio, máy thu,   Các tiêu chuẩn SNR đánh giá khả kết nối mạng không dây Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 17/26 Từ 5dB đến 10dB: mức tối thiểu thiết lập kết nối, khoảng khó mà nhận biết khác biệt tín hiệu (mong muốn) nhiễu (khơng mong muốn) Từ 10dB đến 15dB mức tối thiểu để thiết lập kết nối không tin cậy Từ 15dB đến 25dB mức tối thiểu để thiết lập kết nối Từ 25dB đến 40dB coi mức tốt để thiết lập kết nối Trên 41dB coi mức tốt để thiết lập kết nối Ngoài SNR sử dụng để đánh giá loại tín hiệu khác Ví dụ tín hiệu sinh hóa tế bào, âm cho khuếch đại xe thiết bị nguồn (DVD, CD, ) Các yếu tố ảnh hưởng đến SNR 3.1 Nguyên tắc khuếch đại đầu vào Âm bên thiết bị ghi âm gọi tầng nhiễu Hay nói rộng hơn, thiết bị chạy điện có tầng nhiễu Nếu tín hiệu âm đến thiết bị mạnh có nhiễu, âm không mong muốn nhỏ nhiều thu SNR chất lượng cao Nếu tín hiệu âm đến thiết bị yếu, tín hiệu âm nằm gần tầng nhiễu, tăng âm lượng (độ lợi) để tăng độ lớn tín hiệu nhiễu tăng Tầng nhiễu thường đánh giá dB, khác máy thu, ví dụ RØDE NT1 (sản phẩm cơng ty Microphone RØDE) có độ ồn đặc biệt thấp 4dB, thường người ta đệm 20dB để đảm bảo âm đến thiết bị nghe 3.2 Mơi trường xung quanh Vị trí nguồn phát đến nguồn thu có ảnh hưởng đến tỷ số SNR Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 18/26 Hình 1-8: Ảnh hưởng khoảng cách tới SNR Như ví dụ ta thấy rằng, người điều khiển di chuyển micro xa giọng nói SNR thay đổi (nhỏ hơn), tương đương với điều nhiễu (không mong muốn) lớn so với di chuyển micro lại gần Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 19/26 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH/PHÂN KÊNH FDM a Mơ hình mơ Hình 2-1: a) Bộ phát FDM; b) Bộ thu FDM Trong , tần số sóng mang lớn 50kHz Bộ phát FDM Cho tín hiệu ngõ vào qua lọc thông thấp (LPF) để giới hạn băng thơng tín hiệu Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 20/26 Hình 2-2: Giới hạn tín hiệu lọc thơng thấp Sau ta thu tín hiệu phổ ngõ vào có dạng bên dưới: Hình 2-3: Tín hiệu phổ ngõ vào Điều chế tín hiệu ngõ vào để đẩy tần số khác Như vậy, nhiều tín hiệu tần số khác ghép lại vùng băng thơng cho sẵn Hình 2-4: Các tín hiệu sau điều chế AM Hình 2-5: Băng thông kênh truyền ghép FDM Bộ thu FDM Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 21/26 Lọc thông dải để lấy lại kênh tín hiệu Hình 2-6: Lọc thơng dải để tách tín hiệu Sau ta tách tín hiệu bên dưới: Hình 2-7: Các tín hiệu sau lọc thơng dải Giải điều chế dùng lọc thơng thấp để đưa tín hiệu ban đầu: Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 22/26 Hình 2-8: Khơi phục tín hiệu ban đầu Đánh giá SNR: Khi tính tỷ số SNR ta cần quan tâm đến cơng suất tín hiệu cơng suất nhiễu Cơng suất tín hiệu Khi ghép kênh, cơng suất tín hiệu sau ghép tổng cơng suất tín hiệu thành phần sóng mang (nếu có) Nếu tín hiệu xung, có phổ liên tục ta có cơng thức sau: [15] [16] Nếu tín hiệu liên tục có chu kỳ theo miền thời gian, có phổ vạch ta dựa vào phổ tín hiệu để tính cơng suất, từ ta có cơng thức sau: [17] Cn gọi bậc hài tín hiệu, với C0 hài DC Từng thành phần tín hiệu trước ghép kênh điều chế AM/DSB, ta có cơng thức [4],[5],[10] Khi ta có, cơng suất tín hiệu tổng tổng cơng suất (sau điều chế) thành phần: Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 23/26 = [18] Khi hồn thành ghép kênh, lại có thêm điều chế nên cơng suất cuối ta cần quan tâm đến AM: [19] DSB: [20] Công suất nhiễu: Nhiễu Gauss nhiễu có phân bố biên độ theo hàm Gauss Nhiễu kênh truyền sử dụng q trình mơ có độ lệch chuẩn 0, phương sai (N0) Ta thấy nhiễu Gauss tín hiệu liên tục có chu kỳ theo thời gian Từ ta tính cơng suất nhiễu theo cơng thức [11] Ta có: SNR(dB)=10log(Sd/Nd) Nhận xét: SNR dương tín hiệu kênh truyền có công suất lớn so với công suất nhiễu ngược lại Như vậy, SNR lớn kênh truyền hiệu Vì đó, tín hiệu khơng mong muốn (nhiễu) gần nhỏ, không quan tâm, khơng ảnh hưởng đến tín hiệu mong muốn Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 24/26 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT Đi sâu vào hướng cụ thể để mơ a Phân tích lý thuyết … Hình 3-: Lược đồ ảnh xám Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 25/26 KẾT LUẬN Trong báo cáo đề tài Kỹ thuật ghép kênh phân kênh FDM nhóm giới thiệu Kỹ thuật ghép kênh sâu vào Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) thơng qua việc trình bày đặc điểm lý thuyết, trình diễn thực kỹ thuật FDM mô kỹ thuật ngơn ngữ lập trình Python, đồng thời đưa nhận xét tổng quan kỹ thuật với vài so sánh Kỹ thuật FDM với Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) Về vấn đề mô Kỹ thuật FDM, nhóm đưa mơ hình mơ phỏng, giải thích giải thuật dùng kèm theo hình ảnh kết q trình chạy mơ đưa đánh giá trình Bên cạnh đó, nhóm giới thiệu kỹ thuật điều chế nhóm sử dụng q trình mơ điều chế AM DSB ưu điểm hạn chế chúng Cuối cùng, nhóm đưa Tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) để so sánh mức cơng suất tín hiệu mức cơng suất nhiễu (tiếng ồn) q trình ghép kênh Thơng qua việc tìm hiểu mô Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số, nhóm nhận thấy hai vấn đề Kỹ thuật FDM Vần đề thứ hạn chế số lượng tín hiệu ghép giới hạn băng thông kênh truyền Từ nhận dùng kỹ thuật điều chế biên độ song biên AM hay DSB mà nhóm dùng chưa thích hợp để tối ưu hóa số lượng tín hiệu ghép Thay vào đó, việc sử dụng kỹ thuật điều chế đơn biên SSB hạn chế vấn đề Vấn đề thứ hai nhiễu xuyên kênh, vấn đề quan trọng định đến chất lượng tách kênh FDM thường gây đặc tính khơng lí tưởng lọc Để khắc phục vấn đề phổ tín hiệu cần có thêm băng tần bảo vệ, nhiên điều dẫn đến yêu cầu lớn băng thơng kênh truyền Ngồi q trình mơ phỏng, nhóm nhận thấy việc sử dụng tín hiệu Sin hay Cos làm tín hiệu Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 26/26 đầu vào với điều chế AM mang đến nhiều khó khăn q trình khơi phục tín hiệu ghép trước Như báo cáo qua vấn đề Kỹ thuật ghép kênh FDM Để hiểu Kỹ thuật này, tìm hiểu thêm ứng dụng kỹ thuật viễn thơng nay, điển hình Kỹ thuật Đường dây thuê bao số (DSL: Digital Subscriber Line) Trong DSL phân cơng nghệ khác kể đến ADSL hay VDSL Công nghệ ADSL cho phép sử dụng Kỹ thuật FDM để phân chia kênh truyền dùng cáp dơi xoắn thường có băng thơng 1MHz thành ba dải tần cho dịch vụ điện thoại, đường truyền liệu Downstream (từ tổng đài đến thuê bao) Upstream (từ thuê bao đến tổng đài) Công nghệ RADSL phát triển dựa ADSL dùng nhiều cấp tốc độ truy cập khác tùy theo liệu Hay Công nghệ VDSL cải tiến ADSL sử dụng đường truyền cáp quang, cáp đồng trục tốc độ truyền tải liệu nhanh cự ly ngắn Kết thúc trình tìm hiểu mô Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số, nhóm nhận thấy đề tài hữu ích mơn Kỹ thuật hệ thống viễn thơng Chúng ta thấy tầm quan trọng Kỹ thuật ghép kênh nói chung Kỹ thuật FDM nói riêng hệ thống truyền tải thơng tin Trong q trình thực đề tài nhóm em khơng thể tránh khỏi sai sót Kính mong q thầy bạn thơng cảm đóng góp ý kiến để chúng em rút kinh nghiệm Nhóm em xin chân thành cảm ơn! Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10 Bài tập lớn KTHTVT Trang 27/26 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Đỗ Đắc Thiểm Kỹ thuật ghép kênh số ứng dụng truyền thơng đại - Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một số 6, 2015 Tiếng Anh: [2] A Bruce Carlson, Paul B Crilly Communication systems The McGraw-Hill Companies, 2010 [3] Kỹ thuật ghép kênh/phân kênh FDM Nhóm 10