các giải pháp ghép kênh theo tần số và điều chế tín hiệu đơn biên trong thông tin vô tuyến

Nội dung đồ án đề cập đến vấn đề ghép kênh theo tần số kết hợp với việc sử dụng tín hiệu đơn biên SSB và báo dịch tần FSK để đem lại hiệu quả truyền cao nhất trong thông tin vô tuyến nói chung và trong thông tin sóng ngắn nói riêng. Nội dung đồ án bao gồm 3 chương: Chương 1: Điều chế trong thông tin vô tuyến Chương 2: Tín hiệu đơn biên và FSK Chương 3: Các giải pháp ghép kênh trong thông tin vô tuyến.

LỜI NÓI ĐẦU Chúng ta đang sống trong thế kỉ XXI, thời đại của khoa học kỹ thuật và công nghệ. Trong cuộc sống cũng như trong công việc, con người luôn có nhu cầu trao đổi thông tin với nhau, nghĩa là có nhu cầu truyền tin. Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, hệ thống viễn thông không ngừng phát triển theo xu hướng phục vụ con người những thông tin đầy đủ, kịp thời nhất. Bên cạnh đó, các tiến bộ khoa học đạt được trong các lĩnh vực: tin học, điện tử, quang học, công nghệ vật liệu… là đòn bẩy thúc đẩy công nghệ viễn thông phát triển. Các ứng dụng viễn thông đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu được trong đời sống xã hội bởi những lợi ích và hiệu quả mà nó mang lại. Ở nước ta hiện nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành kinh tế xã hội, việc đẩy mạnh phát triển các mạng thông tin cũng đang được tiến hành một cách khá đồng bộ nhằm đáp ứng sự phát triển đó. Do nhu cầu trao đổi thông tin trong một vùng hẹp, công nghệ tăng dung lượng kênh thông tin vô tuyến là thật sự cần thiết, và có những bước phát triển vô cùng nhanh chóng. Có 3 phương pháp cơ bản để tăng thông lượng (tốc độ dữ liệu tổng cộng) của một tài nguyên thông tin nào đó. Cách thứ nhất là hoặc tăng công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng của máy phát hoặc giảm tổn thất trong hệ thống sao cho tỉ số S/N thu được tăng lên. Cách thứ hai là cung cấp thêm băng thông cho kênh. Cách thứ 3 là phân bố tài nguyên thông tin một cách có hiệu quả hơn. Trong giới hạn của đồ án, chỉ đề cập đến việc tăng dung lượng bằng cách phân bố lại tài nguyên thông tin trong thông tin vô tuyến nói chung và thông tin sóng ngắn nói riêng. Chúng ta đã biết, dải tần sóng ngắn từ 1 3-30MHz là một băng tần khá hẹp so với dải VHF,UHF… ngoài ra, do ảnh hưởng bởi tầng điện ly, pha đinh, nên thông tin sóng ngắn chỉ sử dụng tốt trong dải tần 5-10MHz. Vì thế, việc tăng dung lượng trong thông tin sóng ngắn là vấn đề vô cùng cần thiết, nhất là khi thông tin sóng ngắn được ứng dụng rất rộng rãi trong thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá…v.v. Nội dung đồ án đề cập đến vấn đề ghép kênh theo tần số kết hợp với việc sử dụng tín hiệu đơn biên SSB và báo dịch tần FSK để đem lại hiệu quả truyền cao nhất trong thông tin vô tuyến nói chung và trong thông tin sóng ngắn nói riêng. Nội dung đồ án bao gồm 3 chương: Chương 1: Điều chế trong thông tin vô tuyến Chương 2: Tín hiệu đơn biên và FSK Chương 3: Các giải pháp ghép kênh trong thông tin vô tuyến. Do thời gian có hạn, trình độ kiến thức và kỹ năng phân tích tổng hợp còn hạn chế nên nội dung đồ án khó tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Rất mong được các thầy giáo và các bạn quan tâm đóng góp ý kiến để đồ án hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! 2 Chương 1 ĐIỀU CHẾ TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin khác như thông tin di động, vi ba số, cáp quang, thông tin vệ tinh…v.v, thông tin vô tuyến vẫn đóng vai trò quan trọng và được phát triển ngày càng hoàn thiện với những công nghệ cao đáp ứng được những đòi hỏi không những về mặt kết cấu mà cả về mặt truyền dẫn, xử lý tín hiệu, bảo mật thông tin…Ở chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu một cách khái quát về các kỹ thuật điều chế trong thông tin vô tuyến. 1.1 Phân chia dải tần vô tuyến Ta biết rằng thông tin vô tuyến đảm bảo việc phát thông tin đi xa nhờ các sóng điện từ. Môi trường truyền sóng (khí quyển trên mặt đất, vũ trụ, nước, đôi khi là các lớp địa chất của mặt đất) là chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến. Việc phân kênh chủ yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số. Phổ tần tổng cộng và miền áp dụng của chúng chỉ ra trên hình 1.1. Hình 1.1 Phổ tần số vô tuyến và ứng dụng 3 Phổ này kéo dài từ các tần số dưới âm thanh đến các tia vũ trụ và được chia tiếp thành các đoạn nhỏ gọi là các băng tần. Toàn bộ dải tần số vô tuyến (RF) lại được chia thành các băng nhỏ hơn, có tên và kí hiệu như bảng 1.1 (Theo Uỷ ban tư vấn về Thông tin vô tuyến quốc tế CCIR): Bảng 1.1 Phân chia dải tần số vô tuyến STT Phạm vi tần số Tên gọi 1 30Hz ÷ 300Hz Tần số cực kì thấp (ELF) 2 0.3kHz ÷ 3kHz Tần số thoại (VF) 3 3kHz ÷ 30kHz Tần số rất thấp (VLF) 4 30kHz ÷ 300kHz Tần số thấp (LF) 5 0.3MHz ÷ 3MHz Tần số trung bình (MF) 6 3MHz ÷ 30MHz Tần số cao (HF) 7 30MHz ÷ 300MHz Tần só rất cao (VHF) 8 300MHz ÷ 3GHz Tần số cực cao (UHF) 9 3GHz ÷ 30GHz Tần số siêu cao (SHF) 10 30GHz ÷ 300GHz Tần số cực kì cao (EHF) 11 0.3THz ÷ 3THz Hồng ngoại 12 3THz ÷ 30THz Hồng ngoại 13 30THz ÷ 300THz Hồng ngoại 14 0.3PHz ÷ 3PHz Tia nhìn thấy 15 3PHz ÷ 30PHz Tia cực tím 16 30PHz ÷ 300PHz Tia X 17 0.3EHz ÷ 3EHz Tia Gamma 18 3EHz ÷ 30EHz Tia vũ trụ Trong các băng sóng này thì các băng HF, VHF và UHF là rất quen thuộc đối với chúng ta.  Các tần số cao (HF-High Frequencies) có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30MHz (thường gọi là sóng ngắn). Phần lớn các thông tin vô tuyến 2 chiều sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá…v.v  Các tần số rất cao (VHF-Very High Frequencies) có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300MHz (gọi là sóng mét) thường dùng cho vô tuyến di động, 4 thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến 108MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 với tần số 54MHz đến 216MHz).  Các tần số cực cao (UHF-UltraHigh Frequencies) có giá trị nằm trong phạm vi 300MHz ÷ 3GHz (sóng dm), dùng cho các kênh truyền hình thương mại 14 ÷ 83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các hệ thống điện thoại tế bào, một số hệ thống rađa và dẫn đường, các hệ thống viba và thông tin vệ tinh. 1.2 Đặc điểm truyền sóng 1.2.1 Tính chất quang học của sóng vô tuyến Các tính chất quang học của sóng vô tuyến bao gồm: khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và giao thoa. 1. Khúc xạ sóng Khúc xạ điện từ là sự thay đổi hướng của tia sóng khi nó đi chếch từ một môi trường sang môi trường khác với tốc độ truyền khác nhau. Tốc độ truyền tỉ lệ nghịch với mật độ của môi trường truyền. Vì vậy, khúc xạ xảy ra bất cứ khi nào sóng đi từ một môi trường sang môi trường khác có mật độ khác nhau. Hiện tượng khúc xạ được biễu diễn trên hình 1.2. 5 Hình 1.2 Hiện tượng khúc xạ tại mặt phân cách 2 môi trường Tia A đi vào môi trường 2 trước tia B, do đó tia B lan nhanh hơn tia A. Vì thế, mặt sóng A’B’ bị nghiêng xuống dưới (về phía pháp tuyến). Góc 1 θ là góc tới, góc 2 θ là góc khúc xạ. Độ nghiêng của tia phụ thuộc vào chiết suất n= υ c , với υ và tốc độ ánh sáng trong chất đã cho. Định luật Snell giải thích phản ứng của sóng điện từ khi gặp đường biên hai chất khác nhau như sau: n 1 sin 1 θ = n 2 sin 2 θ (1.1) hay 2 1 sin sin θ θ = 1 2 n n = 1 2 r r ε ε (1.2) ở đây: 21 , rr εε là hằng số điện môi của môi trường 1 và 2. 2. Phản xạ sóng Phản xạ điện từ xảy ra khi sóng tới va đập vào biên của 2 môi trường và 1phần hoặc toàn bộ công suất tới không đi vào môi trường 2 mà phản xạ lại. Vì sóng phản xạ vẫn ở trong môi trường 1 nên tốc độ của sóng tới và sóng phản xạ bằng nhau. Do đó, góc phản xạ bằng góc tới ( ri θθ = ). Hệ số phản xạ được tính như sau: i r j i j r eE eE θ θ =Γ = i r E E e )( ir j θθ − (1.3) Γ : là hệ số phản xạ (không thứ nguyên), E i : cường độ điện áp tới, E r : cường độ điện áp phản xạ (vôn), ri θθ , = pha tới và pha phản xạ (độ) 6 Hình 1.3 Phản xạ sóng tại biên giới phẳng của 2 môi trường 3. Nhiễu xạ sóng Hình 1.4 Nhiễu xạ sóng điện từ Nhiễu xạ sóng là sự phân bố lại năng lượng trong mặt sóng khi nó đi qua gần mép của vật thể không trong suốt với kích thước so sánh được với bước sóng. Nhiễu xạ là hiện tượng cho phép sóng vô tuyến đi vòng qua góc. 4. Sự giao thoa sóng Xảy ra khi 2 hoặc hơn các sóng điện từ kết hợp với nhau sao cho chất lượng hệ thống bị giảm đi. Sự giao thoa sóng tuân theo nguyên lý xếp chồng tuyến tính của các sóng điện từ và xảy ra bất cứ khi nào 2 hoặc nhiều hơn các sóng đồng thời chiếm cùng 1 điểm trong không gian. 7 Hình 1.5 Sự cộng tuyến tính 2 sóng có pha khác nhau và sự giao thoa sóng 1.2.2 Phương thức truyền lan sóng điện từ Các sóng bức xạ từ điểm phát có thể đến được các điểm thu theo những đường khác nhau. Các sóng truyền lan dọc theo bề mặt quả đất gọi là sóng đất hay sóng bề mặt; các sóng đi tới các lớp riêng biệt của tầng ion và phản xạ lại gọi là sóng điện ly hay sóng trời; và sóng không gian (gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất). Hình 1.6 Các phương thức truyền sóng 1. Sự truyền lan sóng đất Sóng đất là sóng truyền lan dọc theo bề mặt trái đất, do đó còn được gọi là sóng bề mặt. Sóng đất là sóng phân cực đứng bởi vì điện trường 8 trong sóng phân cực ngang sẽ song song với bề mặt trái đất, và các sóng như thế sẽ bị ngắn mạch bởi sự dẫn điện của đất. Thành phần điện trường biến đổi của sóng đất sẽ cảm ứng điện áp trong bề mặt trái đất, tạo ra dòng điện chảy. Bề mặt trái đất cũng có điện trở và các tổn hao điện môi, gây nên sự suy hao sóng đất khi lan truyền. Sóng đất lan truyền tốt nhất trên bề mặt là chất dẫn điện tốt như nước muối, và truyền kém trên vùng sa mạc khô cằn. Tổn hao sóng đất tăng nhanh theo tần số, vì thế sóng đất nói chung hạn chế ở các tần số thấp hơn 2MHz. Sóng đất được dùng rộng rãi cho liên lạc tàu thuỷ - tàu thuỷ và tàu thuỷ - bờ. Sóng đất được dùng tại các tần số thấp đến 15kHz. Các nhược điểm của truyền lan sóng đất:  Sóng đất yêu cầu công suất phát khá cao.  Sóng đất yêu cầu ănten kích thước lớn.  Tổn hao thay đổi đáng kể theo loại đất. Các ưu điểm:  Với công suất phát đủ lớn, sóng đất có thể dùng để liên lạc giữa 2 điểm bất kỳ trên thế giới.  Sóng đất ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điều kiện khí quyển. 2. Sự truyền lan sóng không gian Gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất, truyền trong vài km tầng dưới của khí quyển. Sóng trực tiếp lan truyền theo đường thẳng giữa các ănten phát và thu, còn gọi là sóng nhìn thẳng (LOS). Vì thế, sóng không gian bị hạn chế bởi độ cong của trái đất. Sóng phản xạ từ đất là sóng phản xạ từ bề mặt trái đất khi lan truyền giữa ănten phát và thu. Độ cong của trái đất tạo nên chân trời đối với sự truyền lan sóng không gian, thường gọi là chân trời vô tuyến. Do khúc xạ khí quyển, chân trời vô tuyến dài hơn chân trời quang học đối với khí quyển tiêu chuẩn thông thường. Chân trời vô tuyến xấp xỉ bằng 4/3 chân trời quang học. Có thể kéo dài chân trời vô 9 tuyến bằng cách nâng cao ănten phát hoặc ănten thu (hay cả hai) bằng tháp hoặc đặt trên đỉnh núi (toà nhà). Chân trời vô tuyến thẳng đối với một ănten bằng: D= h2 (1.4) trong đó: d = khoảng cách đến chân trời vô tuyến (dặm), h = độ cao ănten so với mực nước biển. Do đó, khoảng cách giữa ănten phát và thu là: d=d t + d r = t h2 + r h2 (1.5) trong đó: d là tổng khoảng cách; d t , d r là chân trời vô tuyến đối với ănten phát và ănten thu; h t ,h r độ cao ănten phát và ănten thu. Khoảng cách cực đại giữa máy phát và máy thu trên đất trung bình có thể tính gần đúng theo công thức sau: d(max)=17h t +17h r (1.6) Như vậy, khoảng cách truyền sóng không gian có thể tăng bằng cách tăng độ cao ănten phát, ănten thu hoặc cả hai. Hình 1.7 Sóng không gian và chân trời vô tuyến Do các điều kiện ở tầng dưới khí quyển hay thay đổi nên mức độ khúc xạ thay đổi theo thời gian. Trường hợp đặc biệt gọi là truyền lan trong ống sóng xảy ra khi mật độ đạt mức sao cho các sóng điện từ bị bẫy giữa tầng 10 [...]... điều chế và các mạch điều chế tín hiệu SSB và FSK 33 34 Chương 2 TÍN HIỆU ĐƠN BIÊN VÀ BÁO DỊCH TẦN FSK 2.1 Tín hiệu đơn biên Trong các hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay, điều thiết yếu là phương pháp điều chế áp dụng cần phải có hiệu quả phổ cao Ta có thể thấy rằng các kỹ thuật điều chế AM đều lãng phí về phổ tần số áp dụng, vì độ rộng dải tần của tín hiệu truyền lớn gấp đôi so với tín hiệu tin tức... là trong thông tin sóng ngắn - Tín hiệu FSK có sóng mang thay đổi theo tín hiệu điều chế sẽ làm thay đổi tần số của tín hiệu đầu ra Tín hiệu sóng mang nằm trong băng thông của kênh và nó không bị suy giảm Để có thể tìm hiểu một cách chi tiết về tín hiệu đơn biên và báo dịch tần FSK phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đồ án, chương 2 chúng ta sẽ nghiên cứu về các phương pháp điều chế, giải điều chế và. .. lượng nhỏ • Giải điều chế FSK Có hai phương pháp giải điều chế FSK: giải điều chế đồng bộ và giải điều chế không đồng bộ Để giải điều chế tín hiệu điều tần nhị phân, người ta thường dùng phương pháp giải điều chế không đồng bộ Người ta dùng các bộ lọc để tách các dao động điện áp có tần số f1, f2 Sau đó sử dụng các bộ tách sóng đường bao như hình 1.26 Hình 1.26 Giải điều chế FSK 26 Với tín hiệu M–FSK... xác suất lỗi trong một kênh khác Sử dụng tín hiệu trực giao trên các kênh sẽ tránh được can 15 nhiễu giữa các người sử dụng Sau đây chúng ta chỉ tìm hiểu về 3 phương pháp ghép kênh cơ bản nhất trong thông tin vô tuyến hiện nay: ghép kênh phân chia theo tần số, ghép kênh phân chia theo thời gian và ghép kênh phân chia theo mã 1.3.1 Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) Việc gán cho tín hiệu hay người... chỉ có các biên tần mang tin tức Vì hai dải biên tần mang tin tức như nhau (về biên độ và tần số) , nên chỉ cần truyền đi một biên tần là đủ thông tin về tin tức Tải tần chỉ cần dùng để tách sóng, do đó có thể nén toàn bộ hoặc một phần tải tần trước khi truyền đi Quá trình điều chế nhằm tạo ra một dải biên tần gọi là điều chế đơn biên Điều chế đơn biên mang ý nghĩa thực tế lớn Điều chế đơn biên tuy tốn... lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được Hình 1.15 Ghép kênh phân chia theo mã 19 1.4 Các phương pháp điều chế và giải điều chế tín hiệu số Có 3 phương thức điều chế cơ bản: + Phương pháp ASK + Phương pháp FK + Phương pháp PSK Ngoài ra còn có các phương pháp cải biên và điều chế hỗn hợp 1.4.1 Phương pháp ASK Tín hiệu khoá biên độ nhị phân (BASK) được xác định bởi công... tin sóng ngắn (HF) nói 32 riêng: cách phân chia dải tần, đặc điểm truyền sóng, các phương pháp ghép kênh, các phương pháp điều chế và giải điều chế số Từ đó có thể rút ra một số kết luận sau: - Về việc phân chia dải tần số vô tuyến theo Ủy ban tư vấn về Thông tin vô tuyến quốc tế CCIR dải tần số sóng ngắn từ 3 ÷ 30MHz khá hẹp so với dải tần VHF (30 ÷ 300MHz) và tần số cực cao UHF (300MHz ÷ 3GHz) -... nữa, các kỹ thuật AM còn lãng phí về mặt công suất truyền và tỷ số tín/ tạp kém khi so với các kỹ thuật DSB-SC (doudble sideband suppressed carier) Một phương pháp đơn giản, hiệu quả và đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin hiện nay là phương pháp điều chế đơn biên 2.1.1 Khái niệm tín hiệu đơn biên (SSB) Phổ của dao động đã điều biên gồm tải tần và hai dải biên tần, trong đó chỉ có các. .. i = 1, 2…m: Thứ tự trạng thái M = 2 n : Số lượng các trạng thái pha cho phép N: Số các bít số liệu cần để định rõ trạng thái pha:M Trong thông tin số, tín hiệu cần truyền là các bít 0 và 1 Do vậy, số trạng thái ít nhất cần có khi điều chế phải là 2 • Điều chế pha hai trạng thái (2PSK–BPSK) : Các tín hiệu cần truyền trong thông tin số là các bít 0 và 1 Ở điều chế pha 2 trạng thái, mỗi bít tương ứng... t (2.2) ˆ Us trong đó: m = ˆ là hệ số điều chế U t Hệ số điều chế m phải thỏa mãn điều điện: m ≤ 1 Khi m>1 thì mạch có hiện tượng quá điều chế và tín hiệu bị méo trầm trọng Ngoài thành phần tải tin, tín hiệu điều biên còn có hai biên tần: biên tần trên có tần số từ ( ωt + ω s min ) đến ( ω t + ω s max ) và biên tần dưới từ ( ω t - ω s max ) đến ( ω t - ω s min ) 2.1.2 Năng lượng điều biên Qua nghiên . con trong suốt thời gian sử dụng. 2. Phân chia theo thời gian: chia khung thời gian thành các khe thời gian. Mỗi người sử dụng được gán cho quyền sử dụng 1 khe thời gian lặp đi lặp lại trong. tạo nên chân trời đối với sự truyền lan sóng không gian, thường gọi là chân trời vô tuyến. Do khúc xạ khí quyển, chân trời vô tuyến dài hơn chân trời quang học đối với khí quyển tiêu chuẩn. hạt điện tích do mặt trời phun ra. Các dòng hạt này thường phá huỷ lớp phản xạ cơ bản F 2 . Các nhiễu loạn tầng ion xảy ra 14 có chu kỳ và liên quan đến thời gian mặt trời quay quanh trục của