Baocao nhom10

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG - - Báo cáo: Các hệ thống truyền thơng Giảng viên: Trương Tấn Quang Thành viên nhóm :       Nguyễn Phi Long Nguyễn Anh Tiến Nguyễn Ngọc Anh Hào Nguyễn Văn Nhã Nguyễn Trọng Nhân Huỳnh Chánh Nguyên 18200164 18200259 18200095 18200187 18200189 18200182 Giới thiệu - HTTT siêu cao tần(microwave) với môi trường truyền dẫn vơ tuyến giải sóng cực ngắn, bao gồm loại hệ thống thông tin vệ tinh, thông tin vô tuyến tiếp sức(radio – relay) thông tin di động; - Các hệ thống thông tin vệ tinh có dung lượng trung bình song bù lại có cự ly liên lạc từ lớn đến lớn Các hệ thống sử dụng làm trục xuyên lục địa phục vụ cho tuyến khó triển khai loại hình liên lạc khác(như kiên lạc đất liền – hải đảo, đất liền – giàn khoan dầu,…) Ngồi ra, hệ thống vệ tinh địa tĩnh cịn sử dụng cho hệ thống truyền hình Các hệ thống thông tin di động phục vụ đầu cuối di động, nói chung có dung lượng thấp Các hệ thống vơ tuyến tiếp sức mặt đất có dung lượng từ thấp đến cao, có đường trục Hệ thống dễ triển khai, điều kiện địa hình gây nhiều trở ngại cho việc triển khai hệ thống dung lượng cao khác Truyền dẫn vi ba tầm nhìn thẳng cung cấp kết nối băng rộng tương đối qua tuyến đơn hay chuỗi tuyến nối đuôi Một tuyến kết nối thiết bị đầu cuối vô tuyến tới tuyến khác trạm lặp Khoảng cách tuyến phụ thuộc vào độ cao anten Nội dung chính: Băng tần vi ba Miền Fresnel Hệ thống thông tin vi ba Ứng dụng sóng vi ba Một số hệ thống triển khai thực Băng tần vi ba - Vi ba sóng điện từ có bước sóng dài tia hồng ngoại, ngắn sóng radio - Vi ba cịn gọi sóng tần số siêu cao(SHF), xác định lượng điện từ có tần số khoảng từ GHz đến 1000 GHz Ứng dụng vi ba phổ biến khoảng tần số từ GHz đến 40 GHz.Sự tồn sóng điện từ, có sóng vi ba phần phổ tần cao, James Clerk Maxwell dự đoán năm 1864 từ phương trình Maxwell tiếng - Bảng băng tần vi ba theo cách dùng Hội vô tuyến điện Anh (Radio Society of Great Britain, RSGB) 1.1 Cự ly truyền sóng - Sóng truyền thẳng có cự ly bị giới hạn độ cong Trái Đất, bán kính Trái Đất R = 6300 Km Gọi h1(m) h2(m) độ cao anten phát thu cự ly thơng tin tối đa cho tuyến vi ba d(Km) là: d = 3,57(√ h + √ h ) (Km) - Sự khúc xạ khơng khí bán kính giả tưởng Trái Đất  Trong khí chiết suất khúc xạ sóng cao tần giảm dần theo độ cao, nên tia sóng bị uốn cong phía mặt đất làm tăng cự ly truyền Để dễ dàng tính cự ly truyền, ta coi sóng cao tần truyền thẳng, bán kính Trái Đất tăng lên R’ = 4R/3 = 8500 Km, thì: d = 4,12(√ h + √ h ) (Km) Miền Fresnel - Trong lý thuyết anten, miền Fresnel công cụ hiệu giúp tính tốn lượng suy hao tín hiệu tượng phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ, mà tín hiệu gặp phải đường truyền Thực chất số nhiều khối elip(3 chiều) đồng tâm, với đỉnh elip đầu thu đầu phát tín hiệu Ngồi đường truyền thẳng, tín hiệu truyền từ đầu phát tới đầu thu phản xạ, tán xạ theo nhiều đường khác miền Fresnel Đó nguyên nhân gây lệch pha tín hiệu đầu thu Các vùng thường kí hiệu là: F1,F2,F3,….Nhưng thực tế có miền Fresnel có ảnh hưởng nhiều đến truyền đến lan truyền sóng vơ tuyến - Tín hiệu miền Fresnel lệch pha với tín hiệu gốc từ đến 90 Ở miền Fresnel từ 90 đến 270 Miền Fresnel từ 270 đến 450 Thực tế cho thấy, không nên 40% miền Fresnel bị che khuất bới vật cản Tuy nhiên khuyến nghị cho hiệu suất tối ưu khơng q 20% Để tính tốn miền Fresnel dùng cơng thức: 0 0 Fn F n: 0 1d2 = √ nλd d 1+d bán kính miền Fresnel thứ n d1,d2: khoảng cách từ điểm P( điểm tính bán kính) tới đầu phát đầu thu Nếu P nằm đầu phát đầu thu bán kính đạt giá trị cực đại Khi d1 = d2; D = d1 + d2; λ = c/f Ta có cơng thức đơn giản hơn: r = 8.657 √ D f - Nhờ việc tính tốn miền Fresnel, ta dễ dàng tính tốn chiều cao cần thiết cột anten để đảm bảo truyền tín hiệu khơng bị cản trở nhiều(< 40%) Vật chẵn anten không vượt 60% miền Fresnel thứ để không ảnh hưởng đến tầm nhìn truyền sóng vơ tuyến phải nâng cao anten Hệ thống vi ba - Là hệ thống thông tin điểm cố định sóng vơ tuyến có hướng tính cao nhờ anten định hướng Có dạng vi ba: vi ba số vi ba tương tự - Nếu đường truyền xa gặp chướng ngại vật, người ta sử dụng trạm chuyển tiếp(Repeater) thu nhận tín hiệu, khuếch đại phát lại 3.1 Vi ba số - Thông tin vi ba số phương tiện thông tin phổ biến nay( bên cạnh thông tin vệ tinh thông tin quang) Hệ thống vi ba số sử dụng sóng vơ tuyến biến đổi đặc tính sóng mang vơ tuyến biến đổi gián đoạn truyền khơng gian Sóng mang vơ tuyến truyền có tính định hướng cao nhờ anten định hướng Hệ thống vi ba số hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng đường truyền dẫn số phần tử khác mạng vô tuyến Hệ thống vi ba số sử dụng làm:  Các đường trung kế kết nối tổng đài số  Các đường truyền dẫn nối tổng đài đến tổng đài vệ tinh  Các đường truyền dẫn nối thuê bao với tổng đài tổng đài vệ tinh  Các tập trung thuê bao vô tuyến  Các đường truyền dẫn hệ thống thông tin di động để kết nối máy di động với mạng viễn thông 3.2 Mô hình hệ thống vi ba số - Một hệ thống vi ba số bao gồm khối xử lý tín hiệu Các khối phân loại theo mục sau đây:  Biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số  Tập hợp tín hiệu số từ nguồn khác thành tín hiệu băng gốc  Xử lý tín hiệu băng gốc để truyền kênh thơng tin  Truyền tín hiệu băng gốc kênh thơng tin  Thu tín hiệu băng gốc từ kênh thơng tin  Xử lý tín hiệu băng gốc thu để phân thành câc nguồn khác tương ứng - Biến đổi ADC DAC thực phương pháp sau đây: Điều giải điều xung mã(PCM); xung mã logarit(Log(PCM)); xung mã vi sai(DPCM); xung mã vi sai tự thích nghi(ADPCM); ĐiỀU giải điều delta(DM); Delta tự thích nghi(ADM) Tập hợp tín hiệu số từ nguồn khác thành tín hiệu băng gốc phân chia tín hiệu số từ tín hiệu băng gốc thực nhờ q trình ghép – tách Có hệ thống ghép – tách chủ yếu: theo thời gian TDM theo tần số FDM Trong FDM có tập hợp nhóm, siêu nhóm, chủ nhóm 16 siêu nhóm FDM kênh âm tần thường cần thiết giao tiếp với hệ thống truyền dẫn số(nhờ Codec) Việc xử lý tín hiệu băng gơc s thành dạng sóng vơ tuyến thích hợp để truyền kênh thơng tin phụ thuộc vào mơi trường truyền dẫn mơi trường truyền dẫn có đặc tính hạn chế riêng Việc xác đinh sơ đồ điều chế giải điều chế thích hợp yêu cầu độ nhạy thiết bị tương ứng với tỉ lệ lỗi bit BER cho trước tốc độ truyền dẫn định, phụ thuộc vào độ phức tạp giá thành thiết bị 3.3 Phân loại - Phụ thuộc vào tốc độ bit tín hiệu PCM cần truyền, thiết bị vơ tuyến phải thiết kế, cấu tạo phù hợp đề có khả truyền dẫn tín hiệu Có thể phân loại sau:  Vi ba số băng hẹp(tốc độ thấp): dùng để truyền tín hiệu có tốc độ Mbit/s, Mbit/s Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại 30 kênh, 60 kênh 120 kênh Tần số sóng vơ tuyến(0,4 – 1,5 GHz)  Vi ba số băng trung bình(tốc độ trung bình): dùng để truyền tín hiệu có tốc độ từ(8 - 34) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại 123 đến 480 kênh Tần số sóng vơ tuyến(2 – 6)GHz  Vi ba số băng rộng(tốc độ cao): dùng để truyền tín hiệu tốc độ từ(34 – 140)Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại từ 480 đến 1920 kênh Tần số sóng vơ tuyến 4, 6, 8, 12 GHz 3.4 Ưu điểm, khuyết điểm vi ba số - Ưu điểm: Vi ba số có băng tần Base Band dạng số  Nhờ sử dụng tía tạo luồng số liệu(repeater) đường truyền nên tránh nhiễu tích lũy hệ thống số, việc tái sinh tiến hành tốc độ bit cao băng tần gốc mà không cần đưa xuống tốc độ bit ban đầu  Nhờ có tính chống nhiễu tốt, hệ thống vi ba số hoạt động tốt với tỷ số C/N(sóng mang/nhiễu) vừa phải(C/N> 30 dB, theo khuyến mạng nội hạt khoảng cách 10 Km Trạm trung tâm phát tốc độ bit khoảng 8,2 Mb/s trạm sử dụng kĩ thuật TDMA 3.6 Điều chế giải điều chế số 3.6.1 Điều chế - Là phương hay nhiều thông số sóng mang thay đổi theo sóng điều chế Thơng qua trình điều chế số, tin tức vùng tần số thấp chuyển lên vùng tần số cao để truyền xa - Giả sử có sóng mang hình sin sau: f0 (t) = Acos(ω + ϕ)  A: biên độ sóng mang  ω = 2π f : tần số góc sóng mang  f : tần số sóng mang  ϕ (t): pha sóng mang 0 - Tùy theo tham số sử dụng để mang tin: biên độ A, tần số f , pha ϕ (t) hay tổ hợp chúng mà ta có kiểu điều chế khác nhau:  Điều chế khóa dịch biên độ ASK(Amplitude Shift Keying): Sóng điều biên tạo cách thay đổi biên độ sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc  Điều chế khóa dịch tần số FSK(Frequency Shift Keying): Sóng điều pha tạo cách thay đổi tần số sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc  Điều chế khóa dịch pha PSK(Phase Shift Keying): Sóng điều pha tạo cách thay đổi pha sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc  Điều chế biên độ pha kết hợp hay điều chế cầu phương QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 3.6.2 Giải điều chế - Là trình ngược lại với q trình điều chế, q trình thu có tham số: biên độ, tần số, pha tín hiệu sóng mang biến đổi theo tín hiệu điều chế tùy theo phương thức điều chế mà ta có phương thức giải điều chế thích hợp để lấy lại thông tin cộng thiết 3.6.3 Các phương thức điều chế giải điều chế - Hiện hầu hết thiết bị vi ba số sử dụng phương pháp điều chế pha(PSK) điều chế cầu phương(QAM) 3.6.3.1 Phương thức điều chế PSK - Là phương thức điều chế mà pha tín hiệu sóng mang cao tần biến đổi theo tín hiệu băng tần gốc - Giả sử tín hiệu sóng mang biểu diễn: f0 (t) = cos(ω + ϕ) - Biểu thức tín hiệu băng gốc: s(t) tín hiệu dạng nhị phân(0,1) dãy NRZ(Non – Return Zero) - Khi đó, tín hiệu điều pha PSK có dạng: P(t) = cos(ω t + ϕ + [s(t)∆Ф]/2) (1.2) - Trong đó: ∆Ф = 2π/n lệch pha pha lân cận tín hiệu Biểu diễn tín hiệu dạng cầu phương: P(t) = cos(ω t + ϕ + [s(t)∆Ф]/2) = cos([s(t)∆Ф]/2).cos(ω t + ϕ) – sin(s(t)∆Ф]/2).sin(ω t + ϕ) - Đặt a(t) = cos([s(t)∆Ф]/2) b(t) = sin(s(t)∆Ф]/2) - P(t) = a(t).cos(s(t)∆Ф]/2) + b(t) sin(s(t)∆Ф]/2) - Vậy tín hiệu điều pha tổng tín hiệu điều biên vng góc với 0 3.6.3.2Điều chế pha mức BPSK - Từ biểu thức (1.2) với n = 2, ∆Ф = π ta có kiểu điều chế – PSK hay cịn gọi PSK nhị phân Tín hiệu – PSK có dạng: π P(t) = cos(ω t + ϕ + s(t) ) - Điều chế:  Tín hiệu băng gốc s(t) xung NRZ lưỡng cực sơ đồ điều chế sử dụng pha lệch 180 gọi PSK nhị phân (BPSK) π  Với bit 1: P (t) = cos(ω t + ϕ + ) π  Với bit -1: P (t) = cos(ω t + ϕ + ) −1  Như vậy, biên độ tín hiệu BPSK khơng đổi q trình truyền dẫn bị chuyển đổi trạng thái - Giải điều chế: Tín hiệu – PSK tổng hợp với sóng mang chuẩn thơng qua lọc thơng thấp để loại bỏ thành phần hài bậc cao cho ta thu tín hiệu ban đầu - Pha tín hiệu sóng mang chuẩn với pha tín hiệu thu nhận được, nên tín hiệu thu là: π P(t) = √ 2cos(ω t + ϕ −¿+¿¿ ¿ ) - √ 2sin(ω t) 0 +¿ ¿ +¿ ¿ ω với s(t) = −¿ ¿ tín hiệu chuẩn −¿ ¿ √ 2sin( t) tín +¿ ¿ hiệu giải điều chế −¿ ¿ s(t) - Ngồi cịn có điều chế pha trạng thái – PSK, điều chế pha trạng thái – PSK(đọc phần tài liệu tham khảo 1) - Nhận xét:  Khi số pha tăng lên tốc độ bit giảm, điều làm giảm băng thông, tiết kiệm đường truyền dẫn, cho phép truyền nhiều kênh thông tin  Khi số pha tăng lên tổ hợp bit gần làm tăng khả mắc lỗi hệ thống - Do thông tin số tốc độ cao, để giảm khả mắc lỗi sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương QAM 3.6.3.3 Điều chế biên độ cầu phương QAM - Là phương pháp điều chế kết hợp điều chế biên độ ASK điều chế pha PSK Trong phương thức điều chế này, ta thực điều chế biên độ nhiều mức sóng mang mà sóng mang dịch pha góc 90 Tín hiệu tổng sóng mang có dạng vừa điều biên vừa điều pha: Q1 Q2 (t) = a(t).cos(ω t +φ ) (t) = b(t) sin(ω t +φ ) - Tín hiệu s(t) tổng thành phần s (t) s (t) biểu diễn sau: c s - Nhờ có biên độ thay đổi mà trạng thái pha sóng mang cách xa nhau, khả mắc lỗi giảm, ưu điểm QAM - Bộ chuyển đổi SPC chuyển đổi tín hiệu điều chế vào thành m chuỗi tín hiệu nhị phân Bộ biến đổi 2/L có chức chuyển đổi chuỗi nhị phân thành chuỗi tín hiệu có L = √ M mức Ta có quan hệ m L mức sau: m =log L 3.6.3.4 Giải điều chế biên độ cầu phương QAM - Tín hiệu M – QAM vào: Q(t) = a(t).cos(ω t +φ ) + b(t) sin(ω t +φ ) - Tín hiệu chuẩn: Q (t) = 2cos(ω t) Q (t) = 2sin(ω t) LPF1 LPF2 - Sau loại bỏ thành phần hài bậc cao lọc thông thấp ta có: Q LPF1 Q LPF2 (t) = a(t) (t) = b(t) - Biên độ tín hiệu giải điều chế có L = √ M mức, M số trạng thái tín hiệu Tín hiệu L mức biến đổi biến đổi ADC thành n/2 tín hiệu mức, L = M = L Với 16 – QAM n =4, L = với 64 – QAM n = 6, L = Từ n tín hiệu này, biến đổi PSC tạo nên tín hiệu giải điều chế n /2 3.6.3.5 Giảm độ rộng băng tần truyền phương pháp điều chế nhiều mức - Theo định lý Nyquist: Độ rộng băng tần kênh truyền (B) (kênh thông thấp) phải lớn tốc độ kí hiệu chia r ( ) để khơng có tượng giao thoa kí hiệu rs B ≥ (1.12) - Trong hệ thống PCM, r = f b (1.13) f ,b: tần số lấy mẫu, số bit từ mã - Thay (1.12) vào (1.13) ta biểu thức độ rộng băng tần cần thiết kênh truyền để tránh tín tượng giao thoa kí hiệu sau: r f b B ≥ - (1.14) - Giả sử ta sử dụng phương pháp điều chế pha M trạng thái Lúc tốc độ kí hiệu giảm log M lần Do đó, độ rộng băng tần cần thiết kênh truyền giảm log M lần so với điều chế nhị phân mức biểu thức: f b B ≥ log M (1.15) s s s s s 2 s 3.6.3.6 Các mã truyền dẫn - Nếu số liệu truyền liên tục, lỗi phát sinh nhận chúng Vì việc phục hồi tín hiệu khó khăn Do đó, tín hiệu nhị phân từ thiết bị ghép kênh biến đổi thành mã truyền dẫn để giảm lỗi tín hiệu q trình truyền - Để đạt điều đó, mã truyền dẫn phải thỏa mã yêu cầu sau đây: - Phải phối hợp đặc tính phổ tín hiệu với đặc tính kênh truyền - Đảm bảo dãy bit phải độc lập thống kê với để giảm lượng trượt, giảm phụ thuộc mẫu mẫu lặp gây - Dễ dàng tách xung clock tái sinh tín hiệu - Đảm bảo độ dư cần thiết để giám sát lỗi truyền dẫn phát cố thiết bị - Phải trì độ dư thừa thơng tin mức thấp giảm tốc độ bit giảm độ rộng băng tần tín hiệu - Giảm thành phần chiều tín hiệu đến mức - Giảm thành phần tần số thấp để giảm xuyên âm kích thước phận linh kiện mạch Tín hiệu nhị phân đơn cực có thành phần chiều, có chưa lượng lớn phổ tần số thấp khơng thích hợp cho việc truyền dẫn 3.6.3.7 Các mã đường truyền(đọc tài liệu tham khảo 1) - Mã HDBN(High Density Binary with maximum of consecutive Zeros) - Mã HDB3 - Mã CMI(Code Mark Inversion) Ứng dụng sóng vi ba