TeHsraflSirzSSirzttSip2liSiireisipetisiiztlsirelsipzttsirzitsipzttsirztlSirztfsiraflsirst: TRUONG DAIHOC VINH
KHOA DIEN TU VIEN THONG === {Q === ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TÓT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Lê Nhân Toàn Mã số sinh viên: 0851080311
Ngành: Điện tử - Viễn thơng Khố: 49 1 Ddu dé dé dn:
2 Các số liệu và dữ liệu ban déu:
Họ tên giảng viên hướng dẫn: Ths Phạm Mạnh Toàn
1 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: _ / /20
2 Ngày hoàn thành đồán: — / /20
Ngày tháng năm 2013
TRƯỞNG BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2013
Trang 3BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
BẢN NHẬN XÉT ĐÔ ÁN TÓT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Lê Nhân Toàn Mã số sinh viên: 0851080311
Ngành: Điện tử - Viễn thơng Khố: 49
Trang 4MUC LUC
Trang
LOI NOI DAU wi
TOM TAT DO AN vvscssescssessssessessssssssssessesssssssssssssssusstsisstessessaseies 1Ï DANH MỤC HÌNH WỂ 525 S+SE2E215525211211112112121121211211121111 212 ce iii CAC THUAT NGU VIET TAT voccscsssssssesssssssessessessssessessasesesssstesessatssssssesses v
CHUONG I TONG QUAN VE HE THONG THONG TIN VO TUYEN 1
1.1 Giới thiệu cChương, - eceeeeeceeseseseeecseeeeeeeeasaeststensaeessnesasesetsneeseeesenee ]
mi ha ơÚƠ 1
1.3 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin vô tuyến - +2 2 1.4 Khái niệm kênh truyền vô tuyến 2¿¿2VV2++++2CEEE2ersttrEkvrrrrrrrkxee 3 1.5 Các đặc tính của kênh vô tuyến -©222+++22EE+E++22EE11122127211122.2222 e2 4
1.6 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông - 6
1.7 Mộ số kỹ thuật xử lý tín hiệu 22::¿+222222222222++ttEE222E1112ecerrrrrrrrrks ó
R5 7 ẽố 4: 10
1.8.1 Khái niệm điều chế sỐ .-:- ¿252222 E22t2E2EEE2ErErzkrrrrrrsrrree 10 1.8.2 Tại sao phải dùng điều chế số ¿2+ Se22+E+EE2ESEcrcrzreree 11
1.8.3 Điều chế tín hiệu nhiều mức nhằm nâng cao hiệu quá phổ 11
1.8.4 Lua chon t6i wu tp tin HiGU oo cece ccecesscsesecsesesessesesescseseeeeseseees 13
1.9 Sự phân chia tài nguyên vô tuyến -:¿¿-©222222222ccrrtrtrEEEErvrrrrrrrrrrrre 14
1.10 Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến -¿¿-22cz++2cvvseesrrrvxee ló
1.11 Kết luận chương -¿-©22©22+2222E32222221112222221111222211112 221111 Le 18
CHUONG II TRUYEN DẪN TRÊN KÊNH VÔ TUYẾN SÓ 19
2.1 Giới thiệu Chương - - + xxx vn TH TT nh Hàn Hàn nh ng 19 2.2 Lý thuyết về kênh vơ tuyến -¿ 2-22 ©+¿++£+Ex++Ext2EEEEEezExrrrxsrkerree 19
2.2.1 Truyền dẫn phân tập đa đường + 2 St EEEErrrez 19
2.2.2 Kênh không phụ thuộc thời g1an - 55 S251 ++sssseeree 19 2.2.3 Hiệu ứng Doppler và kênh phụ thuộc thời gian -. 20
2.2.4 Bề rộng độ ống định về thời gian của kênh 2- - 2 s+s+s2 22
Trang 52.3.1 Tạp âm cộng trắng chuẩn - ¿+ + ¿S2 2E+ESE2E2EEE212 E22 cxe2 22
2.3.2 Nhiễu xuyên kênh ¿ ¿5:52 St 2222221232321 212121112121 21211 23
2.3.3 Nhiễu đồng kênh . - 2+ k+SSESE#EEEE2E2EE2E212151111212122 2121 c2e2 23
2.3.4 Nhiễu đa truy nhập - - - ¿55:52 S222 12121212111 1111 215121111 cxe 24
2.4 Méo tuyến tính . -©22222e+222211121211111212271111E222711112.201111 2.101 c erye 25
DAL Khai iG vOỒV 25 2.4.2 Các biện pháp khắc phục -. 5-2 SE 1S E1 Erxzee 26 2.5 Méo phi tuyến 28 2.5.1 Khái niệm 2.5.2 Các biện pháp khắc phục 2.6 Fading 2.6.1 Khái niệm 31
2.6.2 Phân loại fading 31
2.6.3 Mơ hình tốn học của fading 32
2.6.4 Sự ảnh hưởng của chuyên động MS 33
2.6.5 Hậu quả của truyền sóng fading đa đường se ceccsc2 35 2.6.6 Các loại kênh fading c6 c1 ngư 37 2.6.7 Các biện pháp khắc phục ảnh hưởng của fading . 40
2.7 Hiện tượng xuyên nhiễu giữa các kí hiệu (ISI: Inter Synbol Interference)44 2.7.1 Kai MiG eee an 44
2.7.2 Anh WUOng ieee csecesesesesesesesesesececesesecscscecscecssscssscesscisecscscseecees 44 2.7.3 Điều kiện truyén khong C6 IS] voces csessssesessesesseesesesecsesesesees 44 2.7.4 Giảm nhiễu ISI sử dụng phương pháp lọc - 555s5s+s 45 2.8 Kết luận chương . -222+++22E2122+12221152227111112271111112211111 2.1011 52
CHUONG III MO PHONG VA DANH GIA CHAT LUONG HE THONG THONG TIN VO TUYEN BẰNG PHẦN MÈM MATLAB 53
3.1 Giới thiệu ChưƠng - óc 111911 TH nu TH nhu Hà nhu HH nh 53 3.2 So luge phan mOm Matlab cccccccseccssessesssseccsecsescsesecsecersecsesecseersucsesneeee 53 3.3 Vai trò của mô phỏng, - c1 911919 11911 1111 HH ng nh HH nh 34 3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến bằng mô phỏng 35
Trang 63.5.1 BPSK qua kênh truyền AWGN 2-55 5 c2 2t 222tr rrrvee 57
3.5.2 QPSK qua kênh AWGN - Ăn Hư 60
E1 c0 7n no naaảỪỤ 65 3.6.1 M-PSK qua kênh fading Rayleigh ác se 66 3.6.2 QAM qua kênh fading Rayleigh . - c5 + + kssssseeeeeree 71 3.6.3 Mô phỏng so sánh giữa AWGN với Fading Rayleigh cua cac ky "nhì NT 74 3.7 Kết luận chương KÉT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 7LỜI NÓI ĐẦU
So với các lĩnh vực truyền thông khác, thông tin vô tuyến có sự tăng trưởng nhanh chóng trong những năm gần đây Kênh truyền vô tuyến chịu nhiều tác động phức tạp như: AWGN, fading, hiện tượng Doppler, ISI, méo Nên việc phân tích, tính toán, đánh giá chất lượng hệ thống trở nên khó khăn hơn so với
kênh truyền hữu tuyến Đề tài “Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vô
tuyén stv dung phan mém Matlab” \a phương tiện biểu đạt mới, sử dụng mô phóng thay thế hệ thống thực, cho phép người học có cái nhìn trực quan sâu sắc hơn về những vấn đề kỹ thuật phức tạp Nội dung đồ án được chia thành 3 chương:
Chương 1: Tống quan về hệ thống thông tin vô tuyến
Chương 2: Truyền dẫn trên kênh vô tuyến số
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến sứ dụng phần mềm matlab
Xin trân trọng cảm ơn ThS Phạm Mạnh Toàn đã giới thiệu, cung cấp tài liệu, tận tình hướng dẫn về nội đung và phương pháp, giúp tơi hồn thành đồ án này
Xin chân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử Viễn thông - trường Đại học Vinh đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và hoàn thành
chương trình đào tạo
Sinh viên
Trang 8TOM TAT DO ÁN
Đồ án tìm hiểu, lich sử phát triển, cấu trúc, đặc tính kênh truyền của hệ
thống thông tin vô tuyến Phân tích các tác động của kênh truyền vô tuyến đối
với chất lượng hệ thống Để đơn giản quá trình tính toán thiết kế hệ thống Các
giả định lý tưởng được đặt ra: Băng tần truyền dẫn là vô hạn, kênh truyền là tuyến tính và chiệu tác động của tạp âm cộng trắng chuẩn và các tác động phức tạp khác như fading, ISI, hiệu ứng Doppler, méo tín hiệu được phân tích xem xét, từ đó bố xung các thiết bị, phương pháp khắc phục ảnh hưởng của các hiện tượng đó Đồ án sử dụng phần mềm Matlab mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống trong trường hợp kênh chỉ chiệu tác động của AWGN và kênh chiệu tác động của fading Rayleigh
ABSTRACT
The project explores the history of development, structure, channel characteristics of wireless communication system Analysis of the impact of radio channels for system quality To simplify the calculation process of system design Ideal assumptions set out: Transmission band is infinite, channel is linear and is affected by parasitic noise plus standard white and other complex effects
such as fading, ISI, Doppler effect, distortion is analyzed to consider, from there additional devices, methods to overcome the effects of the phenomenon that The
Trang 9Hinh 1.1 Hinh 1.2 Hinh 2.1 Hinh 2.2 Hinh 2.3 Hinh 2.4 Hinh 2.5 Hinh 2.6 Hinh 2.7 Hinh 2.8 Hinh 2.9 Hinh 2.10 Hinh 2.11 Hinh 3.1 Hinh 3.2 Hinh 3.3 Hinh 3.4 Hinh 3.5 Hinh 3.6 Hinh 3.7 Hinh 3.8 Hinh 3.9 Hinh 3.10 Hinh 3.11 Hinh 3.12 Hinh 3.13 Hinh 3.14 DANH MUC HINH VE Trang Sơ đô khôi đơn giản hệ thông thông tin vô tuyÊn - 5s <++ 1
Sơ đồ khối hệ thống thông tin vơ tuyến sỐ .2- 2 5+ ©cz+cxeccsz 6
Hàm truyền đạt của kênh - 5+ 2 55222x 2222k 2EE2EEerkrzrkerkesrke 21 Sự lan truyền của đường l tới một trạm MS crcee 33
Đáp ứng xung của một bộ lọc xung có chiều đài hữu hạn 36
Hàm phân bố Rayleigh với ø? =l -2-©22©c+c+c<ccxzerxecrerres 38 Ham phan bé Rice cho các giá trị khác nhau của K với Ap = I 39
Phân tập không gian sử dụng 4 anten ¿55+ 5< + £sc+xrer+ 42 Phân tập không gian và tần số sử đụng 3 anten -cecs2 43 Chuyển mạch bảo vệ bằng kênh dự phòng . 2-2-5 + 43 Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung đơn vị - 46
Dạng xung khi qua bộ lọc lý tưởng 5 55+ + ++sekeseeseersse 47 Hàm truyền bộ lọc tổng cộng 2-22 2£ 2222 2EE2EtEE2Excrrrrrke 48 Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn trên kênh AWGN -¿- 5+ 57 Giao điện bắt đầu vào mô phỏng các kỹ thuật điều chế 59
Giao diện chương trình “chuongtrinh” .- -c- +5 «se £+++exeeeesee 59 Mô phỏng BER của điều chế BPSK qua kênh AWGN 60
Mô phỏng BER của điều chế QPSK qua kênh AWGN 62
Mô phỏng BER của điều chế 4-QAM qua kênh AWGN 64
Mô phóng BER của điều chế 16-QAM qua kênh AWGN 65
Mô hình truyền sóng đa đường - ¿22 s22x++xevzxzrxezxesrxe 66 Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn MPSK qua kênh fading sử dụng tách tín hiệu đồng bộ (coherent detection) ¿ -¿ssz+zsz>xezcxe 66 Sơ đồ phân bố tín hiệu (signai constellation) của tín hiệu 67
Mô phỏng BER của điều chế BPSK qua kênh Fading 69
Mô phỏng BER của điều chế QPSK_ qua kênh Fading 70
Trang 10Hình 3.15 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 3.22
Mô phỏng BER của điều chế 16-QAM qua kênh Fading 74
Mô phỏng BER của điều chế BPSK .2- 5222 ©52+£xc2zsscxz 75 Mơ phóng BER của điều chế QPSK 2-5225 55z2cxcxcccxe 76 Mô phóng BER của điều chế 4-QAM -25-552©2Sc2zcvcxccrsrres 76 Mô phóng BER của điều chế 16-QAM 552 25c 55zccxccccccxe 77 Mô phỏng BER điều chế của các kỹ thuật điều chế qua kênh AWGN
Mô phỏng BER điều chế của các kỹ thuật điều chế qua kênh
Fading
Trang 11AM ASK ATDE AWGN BER BO BPSK BS BTS CCIR CDM CDMA DMS DS DS CDMA EHF ELF FDM FDMA FH FIR FSK FSK GSM HF HSB ISI ITU CAC THUAT NGU VIET TAT Amplitude Modulation Amplitude Shift Keying
Adaptive Time Domain Equalizer Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate
Back Off
Binary Phase Shift Keying Base Station
Base Transceiver Station
Committee Consultative International de Radio
Code Division Multiplexing
Code Division Multiplexing Access Discrete Memoryless Source Direct Sequence
Direct Sequence Code Division Multiplexing Access
Extremely High Frequencies
Extremely Low Frequencies Frequency Division Multiplexing Frequence Division Multiplexing Access
Frequency Hopped Finite Impulse Response Frequency Shift Keying Frequency Shift Keying Global System for Mobile Cpommunication High Frequencies Hot Standby Inter Symbol Interference International Telecommunication Union
Điều điều chế biên độ
Điều chế khóa chuyển
biên
Thích nghi miền thời gian Tạp âm Gauss trắng cộng
Tỷ số bit lỗi Độ lùi công suất
Khóa dịch pha nhị phân Tram co so Trạm thu phát gốc Uỷ ban tư vấn vô tuyến điện quốc tế Ghép kênh theo mã Đa truy nhập phân chia theo mã Gián đoạn không không nhớ
Trải phố chuối trực tiếp Đa truy nhập phân chia
Trang 12LF LOS MAI MF MLD MODEM MS MSK OFDM PAM PAPR PCM PM PSK QAM QPSK RR SER SHF SNR SNRD TDM TDMA TWT UHF VF VHF VLF Low Frequencies Line Of Sight Multiple Access Interference Medium Frequencies Maximum Likelihood Detection Modulation Demodulation Mobile Station
Minimum Shift Keying
Orthogonal Frequency Division Multiplex
Pulse Amplitude Modulation Peak to Average Power Ratio Pluse Code Mudulation Phase Modulation Phase-Shift Keying
Quadrature Amplitude Modualtion Quadrature Phase-Shift Keying Radio Regulations
Symbol Error Rate SuperHigh Frequencies Signal to Noise Ratio
Signal to Noise Ratio Degradation Time Division Multiplexing
Time Division Multiplexing Access Traveling Wave Tube
Ultra High Frequencies Voice Frequencies Very High Frequencies
Very Low Frequencies Tần số thấp Tia trực tiếp Giao diện đa truy nhập Tần số trung bình Tách sóng hợp lẽ tối ưu Điều chế - Giải điều chế Trạm di động
Khóa dịc tối thiểu
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
Điều chế biên xung
Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình Điều chế xung mã Điều chế pha Khóa dịch pha Điều chế biên độ cầu phương Khóa dịch biên độ cầu phương Qui định thông tin vô tuyến Lỗi ký tự Tần số siêu cao
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
Suy thoái tỷ số tín hiệu
trên tạp âm
Trang 13CHƯƠNG I TÔNG QUAN VỀ HỆ THÓNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu chương
Chương | tim hiéu lich str phat triển, cấu trúc hệ thống, đặc tính kênh truyền và sự phân chia phô tài nguyên vô tuyến
1.2 Khái niệm
Thông tin vô tuyến là hệ thống thông tin sử dụng khoảng không gian tự do làm môi trường truyền dẫn Phương pháp thông tin là phía phát bức xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng điện từ, phía thu nhận sóng điện từ và tách lấy tín hiệu gốc
Mặc dù không gian tự do hàm ý là chân không, nhưng sự truyền sóng qua khí quyển trái đất vẫn thường được coi là truyền sóng trong không gian
tự do Sự khác nhau chủ yếu là ở chỗ khí quyền trái đất gây nên các tốn thất đối
với tín hiệu, còn trong chân không thì không có tốn thất Không thể lý giải đầy
đủ sóng vô tuyến theo lý thuyết, bởi vì nó không chỉ bị ảnh hưởng bởi tầng đối lưu và tầng điện ly mà còn bởi các thiên thé, ké cả mặt trời Do vậy việc dự báo
đường truyền sóng vô tuyến cũng như khả năng liên lạc dựa trên nhiều dữ liệu trong quá khứ là hết sức quan trọng [3] Nguồn tin »| Ma nguồn „| _ Mã kênh 3|_ Điều chế tin Kênh vô tuyên
Đích nhận Giải mã Pi Giảimã | Giải điề
tin nguôn tin kênh chê
Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống thông tin vô tuyến
Nguồn tin trước hết được mã hóa nguồn để giảm bớt các thông tin dư thừa, sau đó mã kênh để chống lại các lỗi do kênh truyền gây ra Tiếp tục, để truyền đi
xa tín hiệu phải được điều chế, các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của
Trang 14Chất lượng tín hiệu thu được phụ thuộc phương pháp mã kênh, điều kiện
kênh truyền và băng thông tín hiệu
1.3 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin vô tuyến
Về lịch sử của thông tin vô tuyến, vào đầu thế kỷ 19 Marconi thành công
trong việc liên lạc vô tuyến qua Đại Tây dương, Kenelly và Heaviside phát hiện
một yếu tố là tầng điện ly hiện diện ở tầng phía trên của khí quyên có thể dùng
làm vật phản xạ sóng điện từ Những yếu tố đó đã mở ra một kỷ nguyên thông tinvô tuyến cao tần đại qui mô Gần 40 năm sau Marconi, thông tin vô tuyến cao tần là phương thức thông tin vô tuyến duy nhất sử dụng phản xạ của tầng đối lưu, nhưng nó hầu như không đáp ứng nổi nhu cầu thông tin ngày càng gia tăng [3]
Chiến tranh thế giới lần thứ hai là một bước ngoặt trong thông tin vô
tuyến Thông tin tầm nhìn thăng - lĩnh vực thông tin sử đụng băng tần số cực cao (VHE: Very High Frequences) và đã được nghiên cứu liên tục sau chiến tranh thé giới - đã trở thành hiện thực nhờ sự phát triển các linh kiện điện tử dùng cho (HF: High Frequences) va (UHF: Ultra High Frequences), chi yéu 1a dé phat triển nganh rada Với sự gia tăng không ngừng của lưu lượng truyền thông, tần số của thông tin vô tuyến đã vươn tới các băng tần siêu cao (SHF: Super High Frequences) va cuc ky cao (EHF: Extremely High Frequences) Vào những năm 1960, phuong phap chuyén tiép qua vệ tỉnh đã được thực hiện và phương pháp chuyển tiếp bằng tán xạ qua tầng đối lưu của khí quyến đã xuất hiện Do những đặc tính ưu việt của mình, chang hạn như dung lượng lớn, phạm vi thu rộng, hiệu quả kinh tế cao, thông tin vô tuyến được sử dụng rất rộng rãi trong phát thanh truyền hình quảng bá, vô tuyến hàng hải, hàng không, quân sự, quan sát khí tượng, liên lạc sóng ngắn nghiệp đư, thông tin vệ tỉnh - vũ trụ v.v [3]
Trang 15phân bồ lại dai tần số sóng ngắn để sử dụng vào năm 1967, Hội nghị về bổ sung qui chế tần số vô tuyến cho thông tin vũ trụ vào năm 1971, và Hội nghị về phân bố lại tần số vô tuyến của thông tin di động hàng hải cho mục đích kinh doanh vào năm
1974 Tại Hội nghị của ITU nim 1979, dai tần số vô tuyến phân bố đã được mở rộng từ 9 kHz đến 400 GHz và đã xem xét lại và bổ sung cho Qui chế thông tin vô
tuyến điện (RR) Để giảm bớt can nhiễu của thông tin vô tuyến, ITU tiếp tục nghiên cứu những vấn đề sau đây để bổ sung vào sự sắp xếp chính xác khoảng cách giữa các sóng mang trong
Qui chế thông tin vô tuyến:
- Dùng cách che chắn thích hợp trong khi lựa chọn trạm
- Cải thiện hướng tính của anten; nhận dạng bằng sóng phân cực chéo - Tăng cường độ ghép kênh
- Chấp nhận sử dụng phương pháp điều chế chống lại can nhiễu
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 tiếp tục 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
1.4 Khái niệm kênh truyền vô tuyến
Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền lan sóng vô tuyến Nó là phần tử cơ bán nhất quyết định đến chất lượng hệ thống viễn thông Không giống như kênh
truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn
toàn ngẫu nhiên và không hề dễ đàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối ., bị phản xạ,
tán xạ, nhiễu xạ [3]
- Phản xạ xây ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu của tần số vô tuyến
- Nhiễu xạ xây ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị can trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng
Trang 16- Kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến
Do vậy, trước khi thiết kế hệ thống việc nghiên cứu các đặc tính kênh truyền là
nhiệm vụ quan trọng Dựa trên kết quả đó người ta mới lựa chọn các kỹ thuật mã
hóa kênh, kỹ thuật điều chế tín hiệu cũng như các phương pháp cân bằng kênh, lọc
nhiễu và các kỹ thuật khác
1.5 Các đặc tính của kênh vô tuyến
a Kênh thông tin vô tuyến có độ suy hao rất lớn, thường đạt tới 140 đến
160 dB
Công suất tín hiệu ở lối vào phần thu của kênh thường có giá trị nằm trong
khoảng 10-10 đến 10-14 W trong khi đó lại cần công suất hàng W hoặc lớn hơn ở lối ra đề thiết bị cuối làm việc tin cậy Nghĩa là thiết bị thu của kênh phải có hệ số khuếch đại theo công suất ít nhất là 1010 đến 1014 hay 105 đến 107 lần theo điện
ap Vấn để khuếch đại tín hiệu không chỉ khó ở chỗ hệ số khuếch đại phải cao mà
còn khó ở chỗ mức tín hiệu ở lối vào thiết bị thu so sánh được với tạp âm
thăng giáng Tạp âm thăng giáng lẫn vào tín hiệu và không thẻ tách riêng được [3] b Độ suy hao của kênh vô tuyến thay đổi trong phạm vỉ rộng
Cường độ trường điện từ tại điểm thu tỉ lệ nghịch với bình phương của quãng
đường mà sóng đi qua, vì vậy sự thay đổi mức tín hiệu ở lối vào phần thu của kênh trong dai cự ly thông tin cần thiết đạt tới 100 - 120 đB Có nghĩa là việc bảo dam mức tín hiệu ra không đổi (để thiết bị cuối hoạt động bình thường) gặp nhiều khó
khăn [3]
Độ suy hao thay đổi của kênh còn gây khó khăn cho việc thành lập các hệ thống thông tin đuplex (song công), tương tự như hệ thống thông tin dây dẫn với lối ra hai dây, nếu tham số mang tin của tín hiệu cao tần là biên độ vì khó tránh khỏi sự
mắt ôn định tức là tăng khả năng tự kích) Độ suy hao kênh thay đổi lớn khi tiến
Trang 17c Độ suy giảm của kênh thông tỉn vô tuyến biến đối còn do sự thay đỗi của các tham số khí quyển quá đất
Sự thay đổi này thấy rõ hơn ở đải sóng ngắn, khi tiến hành thông tin bằng các sóng phản xạ từ tầng ion Trước hết do những thay đổi chậm theo ngày đêm của mức độ ion hoá các miền khác nhau của tầng khí quyền mà xuất hiện các dao động theo ngày đêm của mức tín hiệu Ngoài ra việc thu các sóng phản xạ từ tầng ion kèm theo những fading thường xuyên và khá nhanh của tín hiệu do sự giao thoa của các tia đến được điểm thu bằng những con đường khác nhau [3]
d Kênh thông tin, nếu hạn chế chỉ là môi trường truyền sóng, thì về mặt vật lý là chung cho tắt cả các phương tiện thông tin vô tuyén dang ton tai, các
đài phát thanh, dẫn đường vô tuyến
Khả năng phát đồng thời một số lượng lớn các tin trên vô tuyến dựa trên cơ sở phân tách tín hiệu theo tần số Tuy nhiên, vì việc sử dụng một cách có tổ chức dai tần mà cự ly truyền sóng không bị giới hạn như song ngắn, là cực kỳ khó khăn, trong khi nhu cầu ở một số đoạn tần lại vượt quá dung lượng vật lý của chúng thì dễ dàng rút ra kết luận về khả năng và sự không tránh khỏi của việc gây nhiễu lẫn nhau khi phát tin, dẫn tới sự mật mát nào đó của tin tức [3]
Tình hình lại càng tồi tệ hơn do sự khơng hồn thiện về mặt kỹ thuật của thiết bị, thể hiện ở chỗ việc phát tín hiệu thường kèm theo các bức xạ phụ, còn việc thu thì lại tiếp nhận cả các nhiễu từ miền tần số lớn hơn nhiều dai tần chiếm bởi tín hiệu cần nhận, nhất là khi nguồn nhiễu ở gần ngay nơi thu [3]
Ngoài ra các nguồn nhiễu còn là các quá trình tự nhiên, như sự phóng điện cơn giông trong khí quyển, bức xạ vô tuyến của mặt trời và thiên hà Nguồn nhiễu còn là các thiết bị điện trong công nghiệp và sinh hoạt Đa số các nhiễu có nguồn gốc tự nhiên và công nghiệp là các nhiễu dai rong, bao trùm hầu hết toàn bộ
dai tan [3]
Trang 18Tóm lại: Khác với kênh hữu tuyến, kênh vô tuyến được đặc trưng bởi đải rộng
của những thay đổi nhanh và chậm của độ suy hao và bởi sự tác động số lượng lớn
các nhiễu từ nguồn ngoài
1.6 Truyền dẫn ở băng tân cơ sở và truyền dẫn ở băng thông
Tín hiệu băng cơ sở là tín hiệu mà phổ tần của nó với năng lượng tập trung ở vùng tần số thấp quanh gốc tọa độ, coi gần đúng là tín hiệu có tần số từ 0 đến Fmax nào đó Ví dụ tín hiệu băng tần thoại tập trung năng lượng trong dải tần từ
0.3+ 3.4 Khz
Tín hiệu băng cơ sở hay băng gốc được tạo ra bởi các nguồn thông tin khác nhau, không phù hợp kênh truyền và không thể truyền đi xa được Để dễ dàng truyền đi tín hiệu cần phái trải qua quá trình điều chế Trong quá trình này tín hiệu băng gốc đùng để làm biến đổi một vài thông số của tín hiệu sóng mang cao tần Kết quả tín hiệu băng cơ sở thành tín hiệu băng thông mà phô tần của nó với năng lượng tập trung quanh tần số sóng mang fc [3]
1.7 Một số kỹ thuật xử lý tín hiệu
Các chức năng xử lý tín hiệu như thế được mô tá bởi các khối trong sơ đồ khối của hệ thống Mỗi một khối mơ tả một thuật tốn xử lý tín hiệu Sơ đồ khối tiêu biểu của một hệ thống thông tin số được mô tả trên hình 1.2, trong đó thể hiện tất cả các chức năng xử lý tín hiệu chính nhất có thể có của các hệ thống thông tin số hiện Từ các nguồn khác nay [3]
Định Mã Mã Mã | | Ghép | ‡ | Điều || Trải Đa | | Máy
dạng lại hóa |ạ| hóa |ạ| hóa ly} kénh Lig} chế lạ| phố |ạ| truy lạ| phát
nguồn mật | | kênh i nhập
ket ket series mm - ¥
*: Chuỗi bít Đồng bộ Kênh truyền
A: Chuỗi dang song Vô tuyến
KH He kg thu HH ren Am: Ÿ
Giải Giải Giải Giải Phân | ï | Giải Giải Đa Máy
định || mã || mã [gl ma |@| kênh |«i | điều |a| trải |e| truy |g] thu
Trang 19Trong sơ đồ khối hình 1.2 thực chất là sơ đồ mô tả lưu đồ xử lý tín hiệu, các
thuật toán cơ bản xử lý tín hiệu (song không phải trong hệ thống thông tin số nào
cũng nhất thiết phải thực hiện đầy đủ các thuật toán cơ bản này) bao gồm [3]:
- Định dạng hấu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số (tiếng nói, hình
ảnh, âm thanh ) là tín hiệu tương tự nên ta cần có khối định dạng dé chuyên đổi
tín hiệu từ tương tự sang dãy từ mã số Các từ mã này được biểu diễn bằng các bit nhị phân, rồi tùy ứng dụng cụ thể mà biễu điễn các bit hay nhóm bit ở dạng thức thích hợp
- Giải định dạng có nhiệm vụ là chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự Việc
số hóa tín hiệu tương tự làm tăng băng thông truyền dẫn của tín hiệu nhưng cho
phép bộ thu hoạt động ở tý số tín hiệu trên nhiễu thấp hơn
- Mã hoá nguồn và giải mã nguồn tín hiệu, thực hiện nén và giải nén tin nhằm
giảm tốc độ bít để giảm phổ chiếm của tín hiệu số cụ thể là trong một đơn vị thời
gian khối mã hóa nén bớt một số bít mà không làm mất thông tin
- Mã và giải mã mật, thực hiện mã và giải mã chuỗi bít theo một khoá xác
định nhằm bảo mật tin tức Tuy nhiên yêu cầu đi kèm với bảo mật là bảo toàn tốc độ
bít Vì vậy người ta thường dung phương pháp xáo trộn vị trí ký hiệu trong bản tin theo nguyên tắc thống nhất giữa phần phát và phần thu
- Mã và giải mã kênh có hai loại là mã khối và mã chập, nhiệm vụ là kiểm
soát lỗi và các tác động xấu khác trên đường truyền, sửa lỗi để đảm bảo truyền dẫn
thông tin sé tin cậy ở trên kênh thực tế cụ thể người ta chèn thêm vào chuỗi tin ở
phía phát một lượng bít dư thường để kiểm soát lỗi nhờ vậy phía thu có thể thực
hiện hai nhiệm vụ là phát hiện lỗi và sửa lỗi
- Ghép-phân kênh, nhằm thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khác nhau tới các đích nhận tin khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn trong kĩ thuật truyền dẫn tín hiệu, có ba phương pháp ghép kênh cơ bản là ghép kênh theo tần số (FDM: Frequency Division Multiplexing) va ghép kênh theo thời gian (TDM: TimeDivision Multiplexing) va ghép kénh theo ma (CDM: Code Division
Multiplexing) Cac tín hiệu tương tự có phố tương đối hạn ché, việc hạn phổ không
gây ảnh hưởng đáng kế đến chat lượng liên lạc Mặt khác việc chuyển phổ của tín
Trang 20tần được thực hiện khá dễ dàng Vì vậy trong các hệ thông truyền dẫn tương tự việc ghép kênh thường được thực hiện theo phương pháp ghép kênh theo tần số đù về nguyên tắc phương pháp ghép kênh theo thời gian cũng có thể áp dụng được với các tín hiệu tương tự Đối với tín hiệu số vì các xung tín hiệu có thời gian tồn tại hữu hạn, thời gian tồn tại phụ thuộc vào độ rộng xung có thể tạo ra và xử lý được Khoảng cách giữa các phần tử kế tiếp nhau của cùng một nguồn tin là một đại lượng cố định gọi là độ dài của khung tín hiệu Khi độ rộng xung tín hiệu khá nhỏ hơn độ dài khung tín hiệu vào cùng một khung tín hiệu tín hiệu từ mỗi nguồn tin như vậy
được truyền đi trên khe thời gian riêng biệt Với hệ thống truyền dẫn số, thực hiện ghép kênh khá thuận lợi Khi cần phát một luồn số trên kênh vô tuyến, cần phải điều
chế luồng số này ở một song mang có độ rộng băng tần hữu hạn dành cho một kênh Ludng sé nay co thé 1a tin hiệu ban đầu của máy tính hay luồng số (PCM: Pluse Code Mudulafion) được tạo ra từ tiếng nói hay hình ảnh đã số hóa
- Điều chế và giải điều chế số, thường gọi tắt là (MODEM: Modulation
Denodulation) Là khối giao diện thực hiện hai chức năng:
e Ghép k bít thành một symbol để nâng cao hiệu quả sử đụng đường truyền © Ánh xạ tập symbol thành tập dạng sóng dé truyền tín hiệu đi xa
- Trải và giải trải phổ, nhằm chống nhiễu (thường do kẻ địch cô ý gây ra để
phá liên lạc) và bảo mật tin tức Thực hiện bằng cách mở rộng phổ chiếm của tín
hiệu lên giấp nhiều lần ở khối trải phổ và nén lại ở khối giải trải phổ Các hệ thống
thông tin thì trải phổ và giải trải phổ được phát triển ứng dung trong thông tin quân sự để cung cấp khả năng chống lại việc gây nhiễu của địch, che đấu tín hiệu bằng
cách phát ở công suất thấp nhằm giảm khả năng bị phát hiện Dùng cho tín hiệu
truyền tin có hai loại trải phố cơ bản là trải phổ chuỗi trực tiếp (DS: Direct Sequence) va trai phổ nháy tần (FH: Frequence hopped) Có hai loại điều chế liên
quan đến trải phô đó là khóa dịch pha (PSK: Phase Shift Keying) và khóa dich tần
số (FSK: Frequeney Shift Keying) sẽ được làm rõ ở chương hai
- Đa truy nhập, cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập mạng thông tin để
sử dụng hệ thống truyền dẫn theo nhu cầu Nhằm khôi phục chính xác tín hiệu thu
Trang 21của tín hiệu sóng mang sử dụng trong điều chế số Để làm được điều này thì bên phát phải thông báo cho bên thu biết các thong tin đó và hệ thống thực hiện chức năng này gọi là hệ thống đồng bộ
- Đồng bộ, bao gồm đồng bộ nhịp đồng hồ, đồng bộ bít, đồng bộ symbol, đồng bộ khung, đồng bộ mạng và đồng bộ pha sóng mang đối với các hệ thống thông tin liên kết
- Máy phát thực hiện trộn tần, khuếch đại tần số và lọc tần số Cụ thể là trộn tần tín hiệu từ tần số trung tâm lên tần số vô tuyến
- Kênh truyền vô tuyến là môi trường giữa điểm phát và điểm thu Kênh
truyền là môi trường vô tuyến Mọi kênh truyền đều gây ra độ suy hao hay là độ tổn thất truyền dẫn Vì thế cường độ tín hiệu bị suy giảm dẫn theo khoảng cách truyền Có rất nhiều ảnh hưởng không mong muốn xuất hiện trong quá trình truyền dẫn tín hiệu Suy hao là một ánh hưởng không mong muốn do nó gây ra suy giảm cường độ tín hiệu tại máy thu Các hiệu ứng khác như méo nhiễu tap 4m lam cho dang tin
hiệu bị thay đổi đo đó có ảnh hưởng nghiêm trọng hơn Méo là là hiện tượng ảnh
hưởng đến dạng sóng tín hiệu gây ra bởi đáp ứng không lý tưởng của hệ thống như mong muốn Không giống như nhiễu và can nhiễu, khi không có tín hiệu thì không có méo Nếu kênh truyền là tuyến tính nhưng đáp ứng có méo thì méo này có thể được sửa, hoặc có thể giảm thiểu bằng bộ lọc đặc biệt gọi là bộ cân bằng Can nhiễu
là những tín hiệu tác động từ những nguồn tín hiệu khác vào tín hiệu cần truyền như
các máy phát khác, đường dây điện Can nhiễu thường xuất hiện trong các hệ thống vô tuyến do những anten thường thu nhiều loại tín hiệu đồng thời các bộ lọc thường
được sử dụng để loại bỏ can nhiễu có tẫn số ngoài dai tan của tín hiệu truyền dẫn
mong muốn Nhiễu hay là các tín hiệu điện ngẫu nhiên sinh ra bởi các quá tình vật lý trong hệ thống và cả từ bên ngoài Khi nhiễu tác động vào tín hiệu truyền có thể làm giảm chất lượng của tín hiệu hay có thể làm hỏng đường truyền Bộ lọc dùng
để giảm nhiễu một phẫn nhưng nhiễu không thể loại bỏ hoàn toàn Nhiễu là một
thành phẫn cơ bản tạo ra những giới hạn trong hệ thống truyền thông
- Lọc (được thực hiện tại máy thu phát đầu cuối), bao gồm lọc cố định nhằm
hạn chế phổ tần, chống tạp nhiễu và lọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gây bởi
Trang 22Trên sơ đồ hình 1.2 các khối nhánh bên dưới (phần thu) thực hiện các thuật
toán xử lý ngược với các khối tương ứng ở nhánh trên (phần phát)
Trong số các chức năng nói trên thì các chức năng tạo khuôn tín hiệu số, điều
chế và giải điều chế số là không thể thiếu đối với mọi loại hệ thống thông tin số, Về
mặt thuật toán mà nói, khối điều chế số là một khối giao diện, thực hiện biến đi tín
hiệu số thành các tín hiệu liên tục phù hợp với việc truyền đưa tín hiệu đi xa Máy phát đầu cuối chỉ thực hiện các thuật toán trộn tần nhằm đưa tín hiệu lên tới tần số thích hợp, khuếch đại, lọc và phát xạ tín hiệu vào môi trường truyền dẫn (bằng hệ thống ăng-ten và phi-đơ trong các hệ thống vô tuyến chăng hạn) Đối với một hệ
thống thông tin số thì MODEM đóng vai trò như bộ não còn máy thu phát thì chỉ như cơ bắp mà thôi Các khối chức năng còn lại không phải là bắt buộc đối với tất
cả mọi hệ thống thông tin số mà chỉ có mặt trong từng loại hệ thống cụ thể và đo
vậy trên hình 1.2 chúng được diễn tá bằng các khối đứt nét
Các thuật toán xử lý tín hiệu trong sơ đồ khối hình 1.2 có thé phân thành hai nhóm chính:
- Các thuật toán xử lý tín hiệu băng gốc bao gồm các thuật tốn từ tạo khn tới điều chế số (và các khối có chức năng ngược lại ở phần thu)
- Các thuật toán xứ lý tín hiệu tần số cao hay tín hiệu thông giải bao gồm các thuật toán liên quan tới đa truy nhập, trải phơ và thuật tốn trộn tân nhắm
đưa tín hiệu lên tần số cao
Trong phân tích, đánh giá và thiết kế hệ thống, các hệ thống hoàn toàn có thể
xem xét được ở dạng băng gốc tương đương, trong đó:
- Mọi tín hiệu đều là tín hiệu băng gốc hoặc tín hiệu băng gốc tương đương nhờ sử dụng tín hiệu đường bao phức hay còn gọi là tín hiệu thông thấp tương đương của tín hiệu cao tần
- Mọi khối đều là các mạch thông thấp hay thông thấp tương đương 1.8 Điều chế
1.8.1 Khái niệm điều chế số
Điều chế là quá trình gửi thông tin vào các tham số của sóng mang vô tuyến
với độ rộng băng tần cần thiết để truyền kênh vô tuyến Hay nói cách khác, điều chế
Trang 23thay đổi theo một sóng điều chế [4]
Ngoài ra để tăng dung lượng đường truyền dẫn số khi băng tần của kênh vô tuyến có hạn người ta sử dụng điều chế khóa pha và khóa biên kết hợp và phương
pháp này được gọi là điều chế cầu phương vuông góc (QAM: Quadrature Ampliud
Modulation) [4]
1.8.2 Tại sao phải dùng điều chế số
Vì năng lượng của tín hiệu phát ra ở máy phát không đủ để có thể truyền tín hiệu ở khoảng cách xa, do đó cần phải sử dụng điều chế để nhờ năng lượng của sóng điều chế mang tín hiệu truyền đi trên đường truyền
Điều chế số đã dan dan thay thế điều chế tương tự bởi một số lợi thế riêng của nó như: khi chuyển sang điều chế số thì đung lượng thông tin mang đi sẽ nhiều hơn,
tương thích với các dịch vụ đữ liệu số, bảo mật cao hơn, chất lượng kết nối hệ thống
tốt hơn, và tính sẵn sàng của hệ thống nhanh hơn
Phổ vô tuyến được chia sẽ, và hằng ngày có thêm nhiều người dùng mới sử
dụng phổ này để dùng các dịch vụ, đo đó quy hoạch về tài nguyên vô tuyến là điều hết sức cần thiết Khi sử dụng điều chế số thì dung lượng mang tin sẽ lớn hơn là sử dụng điều chế tương tự, nên sẽ giải quyết một phần nào đó vấn đề này [4]
1.8.3 Điều chế tín hiệu nhiều mức nhằm nâng cao hiệu quá phổ
Trong thực tế, hầu hết các nguồn tin số đều tạo ra tín hiệu nhị phân Để đạt được hiệu quả phố cao, các tín hiệu số nhị phân thường được mã thành các tín hiệu nhiều mức (chức năng thứ nhất của bộ điều chế nhiều mức) Tức là chấp nhận tăng công suất của tín hiệu nhằm giảm bề rộng phổ mà tín hiệu chiếm
Bề rộng phổ tín hiệu số phụ thuộc vào số chiều của tín hiệu Trước tiên chúng ta sẽ xem xét độ rộng phổ đối với một tín hiệu đơn lẻ của tập tín hiệu Về lý thuyết,
phổ của một tín hiệu số trải từ —œ tới +œ, điều này nhận được thông qua biến đổi
Fourrier Tuy nhiên trong thực tế bề rộng phổ chiếm của một tín hiệu số là giải được xét như sau Độ rộng băng tạp âm của bộ lọc phối hợp, theo lý thuyết thông tin, bằng 1/TS (TS là độ dài của một symbol) Như vậy, độ rộng băng tần của một tín
hiệu số tối thiểu sẽ là 1/TS Trong thực tế độ rộng băng tín hiệu số thường lớn hơn
giá trị này một vài chục phần trăm [3]
Trang 24số, đây là trường hợp đối với các tín hiệu một hay hai chiều (thí dụ BPSK: Binary
Phase Shift Keying, M-PSK, M-QAM ), thì các tín hiệu số được tạo thành là các tổ
hợp tuyến tính của các tín hiệu cơ sở cũng sẽ có chung tần số và do vậy cho phép việc thu chúng sử dụng chung một loại mạch lọc Kết quả là tập tín hiệu tổng cộng cũng chiếm giải tần như của một tín hiệu đơn (là 1/TS chưa kế vài chục phần trăm mở rộng đã nói ở trên đây) [3]
Đối với trường hợp các tín hiệu cơ sở trực giao của không gian tín hiệu có các tần số khác nhau (trường hợp điều chế tần số số FSK, MSK ) thì khoảng cách tần số giữa các tần số đó phải không nhỏ hơn 1/TS Phổ của cả tập tín hiệu sẽ chiếm tới M/TS và vì số chiều của tín hiệu trong trường hợp này D = M nên có thể thấy được ngay rằng khi số chiều tín hiệu tăng thì bề rộng phổ chiếm của cả tập tín hiệu cũng sẽ tăng một cách tỷ lệ [3]
Hiệu quả phổ của tín hiệu được đánh giá bằng tốc độ truyền tin cho phép trên
một đơn vị bề rộng phô tần số (có đơn vị là b/s⁄Hz) Việc điều chế M mức sẽ làm tăng TS lên log2M lần so với độ rộng một bít, cho phép giảm mạnh phô chiếm của tín hiệu, do vậy tăng được hiệu quả phô so với trường hợp nhị phân [3]
Các loại điều chế tần số, mặc dù việc thực hiện là rất đơn giản và có những ưu điểm nhất định do là tín hiệu có đường bao không đổi nên ít nhạy cảm với các méo phi tuyến trên kênh, song không cho hiệu quả phổ tốt (không nâng được hiệu quả sử dụng phổ so với trường hợp nhị phân) Vì thế, trong thực tế chúng chỉ được sử dụng với M khá nhỏ (thường không quá 4) và thường chỉ áp dụng trong những trường
hợp khi hiệu quả phổ không phải là yêu cầu tối thượng trong khi đó các yêu cầu về khả năng chịu méo phi tuyến, mức độ đơn giản thiết bị lại là những yêu cầu hàng đầu Đối với các hệ thống đòi hỏi hiệu quả phổ lớn như các hệ thống dung lượng
lớn và vừa chang han, cac loai điều chế thường được sử dụng là M-PSK hay M-
QAM vì đối với các loại tín hiệu này hiệu quả phô tăng log2M lần so với tín hiệu
nhị phân [3]
Trả giá đối với việc nâng cao được hiệu quả phô là phải tăng công suất tín hiệu Chúng ta sẽ xét làm thí dụ đối với tín hiệu M-PSK Với cùng một công suất tín hiệu như nhau (các véc-tơ tín hiệu có độ dài như nhau), thì khoảng cách từ điểm tín
Trang 25hợp điều chế pha nhị phân (BPSK), do đó xác suất thu lỗi đối với M-PSK sẽ lớn
hơn đối với BPSK Để báo đảm duy trì xác suất thu lỗi như của trường hợp BPSK, cần phải tăng khoảng cách từ điểm tín hiệu tới biên quyết định cho trường hợp M-
PSK Điều này dẫn đến phải tăng công suất của tín hiệu Tỷ lệ tăng công suất đối
với điều chế pha số M-PSK dễ dàng xác định được là [3]:
1 - 22n
Py / Py 2 (1.1)
_ msin°(/2°) ` nz
trong đó PM và PB lần lượt là công suất cần thiết đối với M-PSK và BPSK để
có được cùng một xác suất thu lỗi như nhau, n = log2M [3]
1.8.4 Lwa chon toi ưu tập tín hiệu
Việc lựa chọn tập tín hiệu (lựa chọn phương pháp điều chế) nhằm đạt được một hiệu quả sử dụng phổ theo yêu cầu với công suất tín hiệu nhỏ nhất mà vẫn bảo
đâm được xác suất thu lỗi đã cho Chang han chúng ta có bài toán: Hệ thống truyền
dẫn cần có dung lượng B [b/s], hãy xác định loại tín hiệu (loại điều chế) cần sử
dụng để truyền với một xác suất lỗi xác định nào đó trên một kênh có bề rộng băng
tần W [Hz], W<B Cách giải quyết như sau Do W<B, điều chế nhị phân không thể sử đụng được nên chúng ta nhất thiết phải sử dụng điều chế nhiều mức Do điều chế FSK không tăng được hiệu quả sử dụng phổ so với trường hợp nhị phân nên chúng ta sẽ không xét tới Các loại điều chế thông thường có hiệu quả sử dụng phổ cao là PSK và QAM do đó ở đây ta sẽ thực hiện so sánh hai loại điều chế này Với cùng một giá trị M, hiệu quả sử dụng phổ của cả hai cách điều chế này đều tăng như nhau
là log2M lần so với của trường hợp nhị phân Vấn đề là loại điều chế nào đòi hỏi
công suất tín hiệu nhỏ hơn Như đã trình bày ở phần trước, xác suất thu lỗi của hệ thống truyền dẫn số không phụ thuộc vào dạng sóng cụ thé của tín hiệu mà chỉ phụ thuộc vào constellation của tín hiệu, cụ thể là phụ thuộc vào khoảng cách từ điểm tín hiệu tới biên quyết định Do đó ta sẽ so sánh M-PSK và M-QAM bằng constellation của chúng Để có được xác suất thu lỗi như nhau, ta phải có dP=dQ,
trong đó đP, dQ lần lượt là khoảng cách từ điểm tín hiệu tới biên quyết định đối với
M-PSK và M-QAM [3]
Trang 26và
1
đọ =42ÍEo-—=—=——— 1.2b
9 8 J2 M-D (1.26)
trong dd EP, EQ lần lượt là năng lượng của tín hiệu PSK và QAM Cho dP=dQ, ta thu được:
Eạ /E, = 2(/M ~1)* sin? (1.3)
Như vậy, với M>8, EQ sẽ nhỏ hơn EP cần thiết để đạt được cùng một BER đã
cho (với M = 16, điều chế QAM sẽ lợi 1.64 đB về công suất hơn so với PSK, với M=64 độ lợi này sẽ đạt tới 6,27 đB) Cần phải nói thêm rằng, EQ được sử dụng
trong các biểu thức (1.2a, b) và (1.3) là năng lượng của tín hiệu QAM có năng lượng lớn nhất Năng lượng trung bình của tín hiệu M-QAM còn nhỏ hơn nữa, tức là giá trị độ lợi về công suất trên đây sẽ còn lớn hơn nữa nếu tính theo công suất
trung bình) Có nghĩa là nếu M>8, sơ đồ điều chế M-QAM sẽ lợi hơn M-PSK về công suất Khi 4<M<8, điều chế M-PSK lợi hơn M-QAM Với M = 4, về phải của
(1.3) bang 1, tức là 44QAM tương đương với 4-PSK [3]
Như vậy, với các hệ thống dung lượng lớn (có tốc độ bít lớn), đề tiết kiệm phổ
tần người ta thường sử dụng các sơ đồ điều chế với M cao và do hệ thống M-QAM là hệ thống lợi hơn về công suất nên thường được sử dụng trong thực tế Khi dung lượng hệ thống vừa hoặc nhỏ, số mức điều chế M không cần lớn thì người ta thường sử dụng điều chế PSK vừa lợi về công suất, vừa ít nhạy cám với méo phi
tuyến gây bởi bộ khuếch đại công suất phát [3]
Trong thực tế, M-PSK thường có số mức điều chế M = 2, 4, 8, còn các hệ
thống M-QAM truyền thống thì M = 4, 16, 64 Điều chế 4-QAM hoàn toàn tương
đương với 4-PSK đo constellation của chúng hoàn toàn giống nhau [3] 1.9 Sự phân chia tài nguyên vô tuyến
Ta biết rằng thông tin vô tuyến dam bảo việc phát thông tin đi xa nhờ các sóng
điện từ Môi trường truyền sóng (khí quyền 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
Trang 27Các tần số cực kì thấp (ELF: Extremely Low Frequencies) Có giá trị năm
trong phạm vi 30 + 300Hz, chứa cả tần số điện mạng AC và các tín hiệu đo lường từ xa tần thấp
Các tần số tiếng nói (VF: Voice Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi
300 Hz z3kHz, chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn
Các tần số rất thấp (VLF: Very Low Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm
vi 3z30kHz, chứa phần trên của đải nghe được của tiếng nói Dùng cho các hệ
thống an ninh, quân sự và chuyên đụng của chính phủ như là thông tin đưới nước (giữa các tàu ngầm)
Các tần số thấp (LF: Low Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 30 + 300kHz (thường gọi là sóng đài), chủ yếu đùng cho dan đường hàng hải và hàng không
Các tần số trung bình (MF: Medium Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 300kHz + 3MHz (thường gọi là sóng trung), chủ yếu dùng cho phát thanh thương mại sóng trung (535 đến 1605 kHz) Ngoài ra cũng sử dụng cho dẫn đường hàng hải và hàng không
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 rat cao (VHF: Very High Frequencies) Co gia tri nam trong phạm
vi 30 + 300MHz (còn gọi là sóng mét), thường đùng cho vô tuyến di động, 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 từ 54MHz đến 216MHz)
Cac tin sé cue cao (UHF: Ultra High Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 300MHz + 3GHz (con goi la séng đề xi mét), dùng cho các kênh truyền hình thương mại, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các hệ thống điện thoại tế
bào, một số hệ thống rada và dẫn đường, các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh
Các tần số siêu cao (SHF: SuperHigh Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 3+30GHz (còn gọi là sóng cen tỉ mét), chủ yếu dùng cho vi ba và thông tin vệ tinh
Các tần số cực kì cao (EHF: Extremely High Frequencies) Có giá trị nằm trong
Trang 28Các tần số hồng ngoại Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3THz + 300THz, nói
chung không gọi là sóng vô tuyến Sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìm nhiệt, chụp ảnh điện tử và thiên văn học
Các ánh sáng nhìn thấy Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3PHz+3PHz, ding trong hệ thống sợi quang
Các tia cực tím, tia X, tia gamma và tia vũ trụ Rất ít sử dụng cho thơng tin Ngồi ra người ta còn đùng các chữ cái để đánh số các băng tần như trình bày trong bảng 1.1 Bang 1.1 Các băng sóng sử dụng trong thông tin vô tuyến Băng sóng Dải tần số quy định (GHz) L 1-2 S 2-4 Cc 4-8 X 8-12 Ku 12-18 K 18 - 26.5 Ka 26.5 - 40 Q 33-50 U 40 - 60 V 50 - 75 E 60 - 90 W 75 - 110 F 90 - 140 D 110 - 170 G 140 - 220
1.10 Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến
Một cách tương đối, đái tần vô tuyến có thể phân chia thành thông tin cao tan
và thông tin siêu cao tần a Thông tin cao tần
Trang 29- Sóng điện từ bị khúc xạ, nhiễu xạ, chịu ảnh hưởng của tạp âm công nghiệp và tạp âm khí quyền
- Tuy băng tần hẹp nhưng dải sóng này có khá nhiều thiết bị làm việc
- Do dai tan chung hep, mỗi thiết bị chỉ được phân một dải tan nho Vi vay, yêu cầu thiết bị có tần số làm việc ồn định nhưng khả năng làm việc trong toàn bộ dai tần đề ở điều kiện nào cũng tìm được tần số làm việc tốt nhất
- Thích hợp truyền tín hiệu thoại đơn kênh, tổ chức thông tin đơn công, truyền
số liệu tốc độ thấp mà không tổ chức tách ghép kênh
b Thông tin siêu cao tần
Dai 30MHz đến 30GHz gọi chung là thông tin siêu cao tần Do dải rộng, nên nó có khá nhiều ưu điểm:
- Khả năng truyền tín hiệu có dải rộng như thoại nhiều kênh, tín hiệu truyền
hình, truyền số liệu tốc độ cao - Tổ chức thông tin song công
- Sử dụng được điều chế tần số, điều pha khắc phục được ảnh hưởng của điều biên kí sinh
- Anten kích thước nhỏ, thuận lợi cho việc lắp đặt, tiết kiệm công suất và tăng độ bảo mật
- Ít chịu ảnh hưởng của tạp âm công nghiệp và tạp âm khí quyền
Nhược điểm của đải sóng siêu cao tần là sóng bị suy giảm nhanh trong quá trình truyền Tín hiệu đến anten thu rất nhỏ, yêu cầu máy thu phải có độ nhạy cao
Trang 30Tóm lại, thông tin viba bao gồm:
- Thông tin vệ tỉnh là hệ thống thông tin vô tuyến chuyến tiếp, các trạm chuyên tiếp được đặt trên vệ tinh ngồi Trái đất
- Thơng tin di động là hệ thống thông tin vô tuyến chuyến tiếp sé, trong giao
diện vô tuyến giữa máy di động MS và trạm thu phát gốc BTS
- Thông tin viba mặt đất là hệ thống thông tin vô tuyến chuyến tiếp, trạm chuyền tiếp đặt trên mặt đất
1.1L Kết luận chương
Hệ thống thông tin đã và đang phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây
Việc nghiên cứu sâu về cấu trúc hệ thống, các kỹ thuật Xử lý số tín hiệu, sự phân
Trang 31CHUONG II TRUYEN DAN TREN KENH VO TUYEN SO
2.1 Giới thiệu chương
So với kênh truyền hữu tuyến thì kênh truyền vô tuyến chịu khá nhiều những
tác động phức tạp như tạp âm cộng trắng chuẩn AWGN, fading, Doppler, méo tín hiệu dẫn tới sự phụ thuộc vào thời gian và tần số của kênh, suy giảm cường độ tín hiệu nhận được của máy thu so với phía phát Chương 2 đi sâu vào phân tích các tác động nói trên cũng như các biện pháp khắc phục ảnh hưởng nhằm nâng cao chất lượng hệ thống
2.2 Lý thuyết về kênh vô tuyến
2.2.1 Truyền dẫn phân tập da đường
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xấy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường
Kênh truyền dẫn phân tập đa đường gây nên hiệu ứng fading ở miền tần số gọi
là kênh phụ thuộc tần số Thực chất của hiện tượng kênh phụ thuộc tần số là hàm
truyền đạt của kênh phụ thuộc vào giá trị của tần số tín hiệu phát Bản chất của hiện tượng này sẽ được giải thích ở các mục tiếp theo [3]
2.2.2 Kênh không phụ thuộc thời gian a Khái niệm
Kênh không phụ thuộc thời gian là kênh truyền dẫn trong trường hợp không có
sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát
Bán chất của hiện tượng này là cá đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian
b Đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian Đáp ứng xung là dãy xung thu được ở máy thu khi máy phát phát đi một dãy xung cực ngắn gọi là xung Dirac
öŒ) {3 (2.1)
Trang 32và j O(r)dt =1 (2.2) Đáp ứng của kênh không phụ thuộc thời gian được định nghĩa: Mơ) = Ÿ a,ðt= n) (2.3) trong dé: K=1 dén Np 1a chỉ số của tuyến truyền dẫn Np là số tuyến truyền dẫn h(z) là đáp ứng xung của kênh z là trễ truyền dẫn
ak là hệ số suy hao tương ứng với tuyến k
Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian:
H(jo) = [hŒx '“ar (2.4)
Như vậy, cả đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh trong trường hợp này đều không phụ thuộc thời gian
Dựa vào hàm truyền đạt của kênh ta có thể biết được miền tần số nảo tín hiệu
bị suy hao lớn, miền tần số nào tín hiệu bị suy hao bé c Bề rộng và độ ỗn định về tần số của kênh
Bề rộng độ én định về tần số được xác định theo công thức:
(at), = (2.5)
với z„ là trễ truyền din lớn nhất của kênh
Goi Bk là băng tần của kênh Nếu Afc lớn hơn rất nhiều so với Bk thì kênh
được gọi là không phụ thuộc tần số Ngược lại (Afe<< Bk) thì kênh được gọi là phụ
thuộc tần số
2.2.3 Hiệu ứng Doppler và kênh phụ thuộc thời gian
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy
thu như trình bày ở hình 2.1 Bản chất của hiện tượng này là phố của tín hiệu thu
Trang 33Trạm phát ae — ý Tuyến 2 tứ) ral 5 đ Ơ Vat phan xa
Hình 2.1 Hàm truyền đạt của kênh
Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng Độ dịch Doppler có thé được tính theo công thức:
Af = He 0 tÚ (2.6)
c
Trong đó: Af là khoảng thay đổi tần số của tan số tín hiệu tại máy thu
v là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát f, là tần số tín hiệu, e là tốc độ ánh sáng
Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống, ví dụ hệ théng (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplex) và gây sự phụ thuộc vào thời gian của kênh
Đáp ứng xung
h(f,7) = % a,el222 8( — ry(Đ) (2.7) k=l
Trong trường hợp này hàm truyền đạt của kênh thực chấp là quá trình xác suất phụ thuộc cá về thời gian và tan số Hay fading có cả ở miền thời gian và miền tần số Cụ thể hơn tín hiệu thu được ở tần số này cao nhưng có thể ở tần số khác lại
thấp Tương tự như vậy có những thời điểm tín hiệu lại cao, còn những thời điểm khác lại thấp
Phương trình trên có thêm thành phần biến thời gian tuyệt đối t và thành phần tần số Doppler fDk Cần phân biệt rõ ràng khái niệm thời gian tuyệt đối và trễ
truyền dẫn của kênh Thời gian trễ truyền dẫn liên quan đến độ dài tuyến truyền dẫn
và vận tốc ánh sáng, là hiệu số giữa thời điểm nhận được tín hiệu và thời điểm phát
Trang 34hợp kênh truyền dẫn là quá trình dừng thì thời điểm quan sát kênh không đóng vai trò quan trọng [3]
2.2.4 Bê rộng độ ống định về thời gian của kênh
Để đánh giá sự phụ thuộc vào thời gian của kênh, Proakis đã đưa ra định nghĩa
về bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh Đại lượng này được định nghĩa như sau:
(a9, =—
2f D max (2.8)
Tùy thuộc vào sự so sánh giữa bề rộng độ én dinh vé thoi gian của kênh với
độ dài mẫu tín hiệu sẽ cho ra kết quả liệu kênh vô tuyến được gọi là kênh phụ thuộc vào thời gian hay không
Nếu bề rộng sự 6n định về thời gian của kênh lớn hơn nhiều so với độ dài của một mẫu tín hiệu của hệ thống hay (At) >> Ts thì kênh truyền dẫn của hệ thống đó
được coi là không phụ thuộc thời gian Ngược lại, nghĩa là (At) << Ts thì kênh truyền dẫn của hệ thống được coi là phụ thuộc thời gian [3]
2.2.5 Các mô hình kênh cơ bản
a Kênh theo phân bố Rayleigh
Hàm truyền của kênh thực chất là quá trình xác suất phụ thuộc cả thời gian và tần số Biên độ của hàm truyền đạt của kênh tại tần số nhất định sẽ tuân theo phân bố Rayleigh nếu các điều kiện đưới đây của môi trường truyền dẫn được thõa mãn:
- Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thắng, nghĩa là không có tuyến có công suất vượt trội,
- Tín hiệu ở máy thu nhận được từ vô số các hướng phán xạ và nhiễu xạ khác nhau
b Kênh theo phân bỗ Rice
Trong trường hợp môi trường truyền dẫn có tuyến truyền dẫn trong tầm nhìn thang thì công suất tín hiệu từ tuyến này vượt trội so với tuyến khác Xác suất của biên độ hàm truyền đạt của kênh sẽ tuân theo phan bé Rice
2.3 Nhiễu trong thông tin vô tuyến số 2.3.1 Tạp âm cộng trắng chuẩn
Nhiễu trắng là một tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phân bố công suất phẳng
Trang 35hiệu này có tên là nhiễu trắng vì nó có tính chất tương tự với ánh sáng trắng Chúng ta không thé tao ra nhiễu trắng theo đúng lý thuyết vì theo định nghĩa của nó nhiễu trắng có mật độ phổ công suất phân bó trong khoảng tần vô hạn và do vậy nó cũng phải có công suất vô hạn Tuy nhiên, trong thực tế do không có hệ thống nào có băng tần vô hạn, do vậy chúng ta chỉ cần tạo ra nhiễu trắng trong khoảng băng tần của hệ thống chúng ta đang xem xét
Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra như do thời tiết, do bộ khuếch đại ở máy thu, do nhiệt độ
Sự can thiệp của nhiễu trắng đến kênh truyền dẫn, cụ thể hơn là tỷ số công
suất tín hiệu trên tạp âm, ảnh hưởng trực tiếp đến thông lượng kênh và chất lượng
tín hiệu thu [3]
2.3.2 Nhiễu xuyên kênh
Nhiễu xuyên kênh gây ra đo các thiết bị phát trên các kênh liền nhau Nhiễu xuyên kênh thường xảy ra đo tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bị dịch tần gây can nhiễu sang các kênh kề nó Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người ta phải có khoảng
bảo vệ giữa các dải tần [3] 2.3.3 Nhiễu đồng kênh
Nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát phát trên cùng một tần số hoặc trên cùng một kênh Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai tín hiệu với cường độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát Nhiễu đồng kênh thường gặp trong hệ thống thông tin số cellular, trong đó để tăng hiệu suất sử dụng phố người ta sử dụng lại tần số Như vậy có thé coi nhiễu đồng kênh trong hệ thống
cellular là nhiễu gây nên do các cell sử dụng cùng 1 kênh tần số Nhiễu đồng kênh
liên quan tới việc sử dụng tần số Có thể ví dụ trong mạng (GSM: Global System for Mobile Communication) thì mỗi trạm BTS được cấp phát một nhóm tần số vô tuyến Các trạm thu phát gốc (BTS: Base Transceiver Sfafion) lân cận được cấp
phát các nhóm kênh vô tuyến không trùng với các kênh của BTS liền kề Đặc trưng
cho loại nhiễu này là tỉ số sóng mang trên nhiễu Tỉ số này được định nghĩa là
cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu sau lọc cao tần và nó thể
hiện mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu mong muốn so với nhiễu đồng kênh từ các
Trang 36Một số giải pháp để hạn chế loại nhiễu đồng kênh trong các hệ thống cellular như sau: - Không thể dùng bộ lọc để loại bỏ giao thoa này do các máy phát sử dụng cùng một tần số - Chỉ có thể tối thiêu hóa nhiễu đồng kênh bằng cách thiết kế mang cellular phù hợp
- Thiết kế khoảng cách đủ lớn để các cell trong mạng có sử dụng cùng nhóm tần số không ảnh hưởng tới nhau
2.3.4 Nhiễu đa truy nhập
Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các user giao thoa với nhau, là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ thống [3]
a Da truy nhép phan chia theo thoi gian (TDMA: Time Division Multiplexing Access): Trong TDMA là sự giao thoa của các tín hiệu ở khe thời gian này với khe thời gian khác do sự không hoàn toàn đồng bộ gây ra Người ta phải có khoảng bảo vệ để giảm xác suất người dùng bị giao thoa nhưng cũng đồng thời làm giảm hiệu suất sử dụng phô
b Da truy nhép phan chia theo tan sé (FDMA: Frequence Division Multiplexing
Access): Các hiệu ứng Doppler làm dịch phổ tần số dẫn đến có sự giao thoa giữa
các dải tần con Sử dụng khoáng bảo vệ về băng tần để giảm xác xuất giao thoa giữa các kênh kề nhau đồng nghĩa với việc giảm hiệu suất sử dụng phô
c Da truy nhép phan chia theo mé (CDMA: Code Division Multiplexing Access): Trong CDMA người ta sử dụng tính trực giao của mã nên hầu như không
có nhiễu giữa các user
d Da truy nhép phan chia theo mã chuỗi trực tiép (DS CDMA: Direct Sequence Code Division Multiplexing Access): Theo nhiing nghién cttu gần đây, phương thức
da truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp DS-CDMA đựa vào việc trai phd
dòng đữ liệu bằng cách sử dụng một mã trải phố được ấn định cho mỗi người sử dụng trong miễn thời gian Khả năng giảm thiểu nhiễu đa truy nhập MAI dựa vào tính tương quan chéo của mã trải phd Trong trường hợp truyền đa đường, khả năng
phân biệt một tín hiệu thành phần từ nhiều thành phần khác trong tín hiệu thu tổng
Trang 37nhiều bộ tương quan, mỗi bộ tương quan được nối với một dường dẫn có khả năng phân giải khác nhau Vì vậy hoạt động của hệ thống DS-CDMA sẽ phụ thuộc nhiều vào số lượng người sử dụng thực tế, đặc trưng của kênh và số lượng các nhánh được
dùng trong máy thu RAKE Cũng vì lý do này mà dung lượng của hệ thống sẽ bị
hạn chế do nhiễu nội và (MAI: Mulfiple Access Interference) ma nguyén nhân là sự chưa hoàn chỉnh của tính tự tương quan cũng như tính tương quan chéo của mã trải phô Điều này gây ra khó khăn cho hệ thống DS-CDMA trong việc sử đụng đầy đủ năng lượng tín hiệu thu bị phân tán trong miền thời gian
2.4 Méo tuyén tinh
2.4.1 Khái niệm
Méo tuyén tính có đặc tính không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu được truyền và được đánh giá qua thông số sai lệch giữa đặc tính biên độ- tần số và/ hoặc đặc tính tần pha (hay đặc tính giữ chậm) của hàm truyền tổng cộng của hệ thống so với đặc tính được thiết kế nhằm triệt tiêu ISI trong qua trình truyền dẫn tín hiệu số
Nguyên nhân gây ra méo tuyến tính: - Chế tạo các mạch lọc khơng hồn hảo
- Đặc tính tần số của môi trường truyền không bằng phẳng trên suốt độ rộng băng tín hiệu do các hiện tượng như:
e Fading đường chọn lọc theo tần số trong các hệ thống vô tuyến số băng rộng
e Tiêu hao phụ thuộc tần số khí quyển do sự hấp thu của không khí và hơi nước đối với các hệ thống vô tuyến
e Tiêu hao phụ thuộc tần số của đường dây
Hàm truyền tổng cộng của hệ thống có méo tuyến tính có đạng:
H@) = C@.M()
trong đó:
- C( là tích của các hàm truyền của các bộ lọc phát và thu được thiết kế
nhằm thỏa mãn điều kiện tiêu chuan Nyquist
- M( tổng quát là một hàm truyền có đặc tính biên độ-tần số không bằng
Trang 38Đặc trưng của méo tuyến tính:
- Khi phát một điểm tín hiệu thì ở đầu thu thu được một cụm điểm tín hiệu - Khi thay đối biên độ tín hiệu thì diện tích cụm điểm không đổi
2.4.2 Các biện pháp khắc phục
a Mạch san bằng
Như đã thấy trong các mục trước, một trong những ảnh hưởng cơ bản của
kênh liên tục tới chất lượng truyền dẫn số là việc gây ra (ISI: Inter Symbol
Interference) do dic tính tổng cộng của hệ thống, bao gồm cả môi trường truyền,
không thoả mãn tiêu chuẩn truyền dẫn không có ISI Các kênh tiêu biểu như vậy là
các kênh vô tuyến, bao gồm cả kênh vô tuyến chuyển tiếp lẫn các kênh thông tin di
động Một trong những đặc điểm hết sức quan trọng của các kênh vô tuyến là sự biến đổi theo thời gian một cách ngẫu nhiên Điều này dẫn đến máy thu được thiết
kế nhằm chống các tác động của tạp âm và ISI phải có đặc tính tự thích nghi, tức là
phải có các tham số được tự động điều chỉnh một cách tối ưu bám theo các biến
động của kênh truyền Một trong các giải pháp nhằm hạn chế đến mức rất thấp các
méo tuyến tính gây bởi đường truyền không lý tưởng biến đổi ngẫu nhiên theo thời
gian là sử dụng các mạch san bằng [3]
Hàm truyền tổng cộng của hệ thống không có san bằng có thể viết được dưới dạng
T(@,t)}=C(@).H(@,t) (2.9)
trong đó C(@) là hàm truyền thoả mãn tính chất truyền không có ISI còn H(œ,t) thể hiện các tác động không mong muốn của kênh liên tục Một cách tổng quát thì đó là một hàm phụ thuộc cả biến thời gian
Trang 39TE(@)=C(@).H().E(@)=C(@), (2.10)
bảo đảm truyền dẫn tín hiệu số không cé ISI
Trong các hệ thống truyền đẫn đùng dây trần, cáp xoắn hay cáp đồng trục các bộ san bằng cũng thường được áp dụng và được thực hiện trên miền tần số dưới dạng các mạch điều chỉnh cosine hay các mạng cân bằng cáp Do đường dây thông tin có đặc tính truyền dẫn biến đổi rất chậm theo thời gian nên các bộ san bằng này được thiết kế hầu như cố định, việc điều chỉnh chúng thường được thực hiện bằng tay dựa trên các phép đo định kỳ đường dây Cần phải nói thêm ở đây rằng, thực tế các mạch san bằng như vậy chỉ cho phép sửa được những sai lệch tương đối lớn và do vậy tốc độ số liệu truyền trên các kênh thoại có san bằng cố định như vậy rất hạn chế (vào khoảng 1200 + 2400 b/s) Với các tốc độ số liệu lớn hơn nữa thì các mach san bằng có định nói trên trở nên không thích hợp [3]
Trong các hệ thống vô tuyến số tốc độ lớn, do các kênh vô tuyến có đặc tính
biến đổi khá rõ rệt theo thời gian nên tại các thời điểm khác nhau H(@,t) có thé có
dạng khác nhau, do vậy các mạch san bằng còn cần phải hoạt động theo một thuật
toán cho phép điều chỉnh E(œ,t) bám theo được các thay đôi của H(œ,t) Tức là các
mạch san bằng phải có đặc tính thích nghi Máy thu với các bộ san bằng thích nghỉ được gọi là máy thu thích nghi Như vậy, mạch san bằng thích nghi là một mạch
tuyến tính biến đổi theo thời gian và có thể mô tả đầy đủ được bởi hàm truyền
E(,t) hay phan ứng xung e(t,t) Do là một mạch biến đổi theo thời gian nên việc biểu diễn, phân tích và thiết kế mạch san bằng sẽ thuận lợi hơn trên miễn thời gian Các mạch san bằng thích nghi đối với các hệ thống truyền dẫn số như thế có tên gọi
chung là mạch san bằng thích nghi miền thời gian(ATDE)
b Thu phân tập
Các biện pháp phân tập có thể được áp dụng trong các hệ thống vô tuyến số nhằm hạn chế méo tuyến tính gây ra bởi fading đa đường bao gồm phân tập theo không gian, phân tập theo tần số và phân tập theo góc [3]
c Truyén da séng mang
Đối với các hệ thống có phổ tín hiệu quá rộng dẫn đến rất khó bảo đảm độ
Trang 40song và mỗi một luồng con được điều chế bằng một sóng mang riêng biệt Nhờ vậy,
băng tín hiệu rất rộng được tách thành nhiều băng con, trong đó đặc tính tần số của hệ thống đễ bảo đảm bằng phẳng hơn Trả giá của phương pháp này là tính kinh tế
do phải sử dụng mỗi một hệ thống con cho mỗi một luồng con Thêm vào đó, phố
chiếm của tín hiệu tổng cộng trong trường hợp này lớn hơn một chút so với trường hợp truyền dẫn một sóng mang do các mạch lọc phân cách các băng con không thể chế tạo với các biên hàm truyền hoàn toàn dốc đứng được Chính vì vậy, biện pháp này chỉ áp dụng trong những trường hợp nhất định, chẳng hạn trong những trường hợp băng tín hiệu quá rộng hay trong một số hệ thống mà tuyến truyền dẫn đi qua khu vực có bề mặt nước (rất hay xảy ra pha-đing đa đường mạnh) [3]
d Mã chống nhiễu
Các lỗi bít gây nên do san bằng và phân tập không triệt tiêu được hoàn toàn ISI còn có thể được sửa tiếp bằng các mã chống nhiễu Về bản chất, mã hoá chống
nhiễu là việc biến đổi tập các từ mã cần truyền thành một tập các từ mã chống nhiễu với các phần tử dư dùng để phát hiện và sửa các bít lỗi Trả giá của phương pháp
này là việc tăng tốc độ bít truyền dẫn và do đó mở rộng phổ chiếm của tín hiệu Nhìn chung, mã hoá chống nhiễu được sử dụng tương đối hoạ hoằn như một biện
pháp khắc phục tác động của fading đa đường trong các hệ thống vô tuyến số dung
lượng cao do các khó khăn về công nghệ: các bộ mã hoá và giải mã tốc độ rất cao thực hiện khá khó khăn ngay cả với các linh kiện và thiết bị hiện đại Trong những trường hợp cần thiết, một số mã chập với độ dư không lớn lắm có thể áp dụng được trong điều kiện công nghệ hiện tại [3]
2.5 Móéo phi tuyến
2.5.1 Khái niệm
Tính phi tuyến của kênh truyền có thể gây bởi nhiều loại mạch điện trong hệ thống như các bộ khuếch đại, các bộ trộn tần và nhiều loại mạch khác [3]
Tính phi tuyến của các mạch điện trong hệ thống truyền dẫn gây ra hai tác động cơ bản:
- Làm thay đối tỉ lệ lỗi
- Thay đổi (mở rộng) phổ tín hiệu