Tổng quan về hệ thống thông tin

Chương 1: Tổng quan hệ thống thơng tin CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN 1.1 TỔNG QUAN Hình 1.1 mơ tả phần tử hệ thống thơng tin Có ba phần hệ thống phải có máy phát, máy thu kênh truyền Mỗi phần có vai trò định việc truyền dẫn tín hiệu Input signal Source Transmitted signal Transmitter Received signal Transmission channel Output signal Receiver Destination Noise, inteference, and distortion Hình 1.1: Các phần tử hệ thống thông tin Máy phát xử lý tín hiệu đầu vào tạo tín hiệu có đặc tính thích hợp với kênh truyền dẫn Q trình xử lý tín hiệu để truyền dẫn chủ yếu điều chế mã hố (modulation and coding) Kênh truyền mơi trường điểm phát điểm thu Kênh truyền là cáp song hành, cáp đồng trục, cáp quan, hay mơi trường vơ tuyến Mọi kênh truyền gây độ suy hao độ tổn thất truyền dẫn Vì cường độ tín hiệu bị suy giảm dần theo khoảng truyền Máy thu lấy tín hiệu đầu từ kênh truyền để xử lý tái tạo ngược lại tín hiệu đầu phát Các hoạt động máy thu bao gồm khuếch bù vào tổn hao truyền dẫn, giải điều chế giải mã tín hiệu điều chế mã hố máy phát Bộ lọc phần quan trọng máy thu dùng để chọn lọc tín hiệu mong muốn từ kênh truyền Có nhiều ảnh hưởng khơng mong muốn xuất q trình truyền dẫn tín hiệu Suy hao ảnh hưởng khơng mong muốn gây suy giảm cường độ tín hiệu máy thu Các hiệu ứng khác méo (distortion) nhiễu (noise) tạp âm (interference) làm cho dạng tín hiệu bị thay đổi có ảnh hưởng nghiêm trọng Méo là tượng ảnh hưởng đến dạng sóng tín hiệu gây đáp ứng khơng lý tưởng hệ thống mong muốn Khơng giống nhiễu can nhiễu, khơng có tín hiệu khơng có méo Nếu kênh truyền tuyến tính đáp ứng có méo méo sửa, giảm thiểu lọc đặc biệt gọi cân Can nhiễu tín hiệu tác động từ nguồn tín hiệu khác vào tín hiệu cần truyền máy phát khác, đường dây điện Can nhiễu thường xuất hệ thống vơ tuyến anten thường thu nhiều loại tín hiệu đồng thời Các lọc thường sử dụng để loại bỏ can nhiễu có tần số ngồi dải tần tín hiệu truyền dẫn mong muốn Chương 1: Tổng quan hệ thống thơng tin Nhiễu (noise) tín hiệu điện ngẫu nhiên sinh qúa trình vật lý hệ thống từ bên ngồi Khi nhiễu tác động vào tín hiệu truyền làm giảm chất lượng tín hiệu hay làm hỏng đường truyền Bộ lọc dùng để giảm nhiễu phần nhiễu khơng thể loại bỏ hồn tồn Nhiễu thành phần tạo giới hạn hệ thống truyền thơng 1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ THỐNG VI BA SỐ Sơ đồ khối chung một kênh truyền dẫn vi ba số cho hình 1.2 Vai trò khối chức sơ đồ hình 1.2 sau: Source Tx Baseband Modulator and Upmixer Power amplifier Channel Output Tx Baseband Modulator and Upmixer Power amplifier Hình 1.2 : Sơ đồ khối hệ thống vi ba số 1.2.1 MÁY PHÁT • Khối xử lý băng tần gốc: o Phối hợp trở kháng với đường số o Biến đổi mã đường truyền o Khơi phục xung đồng hồ o Ghép kênh nghiệp vụ giám sát o Mã hố kênh chống lỗi o Ngẫu nhiên hố tín hiệu • Khối điều chế biến đổi tần o Điều chế số để chuyển đổi tín hiệu số vào vùng tần số cao thuận tiện cho việc truyền dẫn o Đối với máy phát đổi tần với điều chế thực trung tần, khối nâng tần cho phép chuyển tín hiệu trung tần phát vào tần số vơ tuyến trước phát • Khối khuếch đại cơng suất o Khuếch đại cơng suất phát đến mức cần thiết trước phát 1.2.2 MÁY THU • Khối khuếch đại nhiễu thấp o Khuếch đại tín hiệu thu có cường độ nhỏ khuyếch đại phải có hệ số nhiễu để làm giảm hệ số nhiễu tồn hệ thống Chương 1: Tổng quan hệ thống thơng tin • Khối biến đổi hạ tần giải điều chế số o Giải điều chế số tín hiệu thu để khơi phục tín hiệu số o Đối với máy thu đổi tần, trước giải điều chế tín hiệu thu biến đổi vào trung tần máy thu nhờ biến đổi hạ tần Trong q trình biến đổi hạ tần suất tần số ảnh nên khối biến đổi hạ tần thường phải triệt tần số ảnh o Cũng máy thu đổi tần, sau hạ tần khuếch đại trung tần Nhiệm vụ khuếch đại trung tần khuếch đại, lọc nhiễu kênh lân cận cân thích ứng vùng tần số cân trễ nhóm phần tử kênh truyền dẫn • Khối xử lý băng tần gốc thu o Tách kênh nghiệp vụ giám sát o Giải mã ngẫu nhiên o Sửa lỗi kênh o Giải mã đường truyền o Phối hợp đường truyền số  Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin CHƯƠNG CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ 2.1 GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ Điều chế q trình mà đặc tính sóng mang thay đổi théo tín hiệu điều chế Thường sóng mang hàm sin biểu thị theo cơng thức 2.1 Các thơng số sóng mang thay đổi biên độ , tần số, pha S(t)=Acos(ωct+θ) (2.1) Trong đó: ωc =2πfc tần số góc sóng mang, f c tần số sóng mang, θ pha Nếu sử dụng tín hiệu thơng tin để thay đổi biên độ A, tần số sóng mạng f c pha θ(t) ta kiểu điều chế biên độ , điều chế tần số điều chế pha tương ứng Nếu tín hiệu thơng tin tín hiệu liên tục ta kiểu điều chế tương tự, tín hiệu thơng tin tín hiệu số ta có kiểu điều chế số tương ứng Ở dạng điều chế số, tín hiệu thơng tin thường dạng mức nhiều mức Trong trường hợp điều chế số tín hiệu thơng tin làm thay đổi biên độ, tần số , hay pha sóng mang các tên gọi tương ứng điều chế khố chuyển biên (ASK), điều chế khố chuyển tần (FSK), điều chế khố chuyển pha (PSK) Hình mơ ta dạng sóng kiểu điều chế số 1 a) b) c) Hình 2.1: Các dạng sóng điều chế a)ASK; b)PSK; c)FSK Như hình 2.1 ta thấy dạng sóng PSK FSK có đường bao biên độ khơng đổi Đặc điểm cho phép chúng khơng bị ảnh hưởng tính phi tuyến thường gặp đường truyền vi ba số vệ tinh Vì FSK PSK hay sử dụng ASK Tuy nhiên để tăng dụng lượng đường truyền dấn số băng thơng kênh truyền có hạn, người ta sử dụng điều chế PSK ASK kết hợp, phương pháp điều chế Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin gọi điều chế biên độ vng góc (QAM Quandrature Amplitude Modulation) Trong trường hợp điều chế M trạng thái tổng qt , điều chế tạo tập hợp M=2m tuỳ theo tổ hợp m bit luồng số liệu vào Điều chế trạng thái trường hợp đặc biệt với M=2 Trong thơng tin số, thuật ngữ tách sóng giải điều chế thường sử dụng hốn đổi cho nhau, thuật ngữ giải điều chế nhấn mạng việc tách tín hiệu điều chế khỏi sóng mang tách sóng bao hàm q trình định chọn ký hiệu thu Giải điều chế máy thu thực theo dạng: giải điều chế kết hợp khơng kết hợp Ở dạng giải điều chế kết hợp, máy thu phải biết xác pha sóng mang, hay máy thu phải khố pha tín hiệu phát Tách sóng kết hợp thực cách thực tương quan chéo tín hiệu thu với sóng mang Ở phương pháp giải điều chế khơng kết hợp máy thu khơng cần biết pha sóng mang, độ phức tạp máy thu giảm bớt khả chống lỗi lại thấp so với giải điều chế kết hợp Có nhiều phương pháp điều chế giải điều chế khác dụng hệ thống thơng tin Mỗi phương pháp cocs ưu nhược điểm riêng Việc lựa chọn phụ thuộc vào tỷ lệ lỗi, cơng suất phát độ rộng kênh truyền 2.2 ĐIỀU CHẾ PSK TRẠNG THÁI (2-PSK, BPSK) 2.2.1 XÁC SUẤT LỖI Ở hệ thống BPSK tương quan, ký hiệu có tín hiệu điều chế s 1(t), s2(t) Nếu sóng mang điều hồ có biên độ A c lượng bit Eb = Ac Tb , theo phương pháp điều chế BPSK tín hiệu lệch pha 180 nên ta biểu diễn: si ( t ) = Eb cos[ 2πf c t + θ ( t ) + θ c ],θ ( t ) = ( i − 1)π , ≤ t ≤ Tb , i = 1,2 (2.10) Tb hay: s1 ( t ) = Eb cos[ 2πf c t + θ c ], ≤ t ≤ Tb Tb s2 ( t ) = − Eb cos[ 2πf c t + θ c ], ≤ t ≤ Tb Tb (2.11) (2.12) Từ phương trình (2.11), (2.12) ta thấy có hàm sở là: φ1 ( t ) = cos( 2πf ct + θ c ) , ≤ t ≤ Tb Tb Khi ta biểu diễn s1(t), s2(t) theo φ1 ( t ) sau: s1 ( t ) = E b φ1 , ≤ t ≤ Tb s ( t ) = − E b φ1 , ≤ t ≤ Tb (2.13) Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin Vùng Z1 Vùng Z2 − E E s1 s2 Hình 2.3: Không gian tín hiệu BPSK Vậy điều chế BPSK đặc trưng khơng gian tín hiệu một(N=1) chiều với điểm tin(M=2) hình 2.3 toạ độ tính: Tb s11 = ∫ s1 ( t )φ1 ( t ) dt = E b Tb s 21 = ∫ s ( t )φ1 ( t ) dt = − E b Để định tín hiệu thu hay ta chia khơng gian tín hiệu thành vùng: • Vùng Z1: điểm gần tin + Eb (ứng với 0) • Vùng Z2: điểm gần tin − Eb (ứng với 1) Quy tắc định dự đốn tính hiệu s1(t) jau “0” phát tín hiệu thu rơi vào vùng Z1 s2(t) hay “1” rơi vào Z Tuy nhiên xảy hai định sai Tín hiệu s2(t) phát, nhiên tác dụng nhiễu, tín hiệu thu rơi vào vùng Z1 ngược lại T/h vào T/h BPSK Đơn cực/ lưỡng cực Sóng mang φ1 (t ) T/h BPSK Tb So sánh ∫dt T/h Sóng mang φ1 (t ) Hình 2.4: Sơ đồ khối máy phát máy thu BPSK Để tính tốn xác suất gây lỗi phát điểm 1, giá trị quan sát phát điểm “1” là: y1 = Tb ∫ y( t )φ ( t ) dt Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin với y(t) tín hiệu thu Ta rút hàm phân bố xác suất ký hiệu hay tín hiệu s2(t) phát: f Y ( y1 1) = (  exp − y1 Eb πN  N )   Xác suất lỗi mà phát ký hiệu mà máy thu định bằng: ∞ P ( 1) = ∫ f e Y1 ( y1 1)dy1 = ( ∞ ) 2  exp − y + E b ∫  N dy1 πN 0 Từ ta tính được:  Eb   Eb   = Q  erfc   N  N 0     Do tính đối xứng nên Pe ( 1) = Pe (1 ) xác suất lỗi trung bình điều Pe ( 1) = chế BPSK là:  Eb Pe = Q  N0     (2.14) Ta có sơ đồ điều chế giải điều chế BPSK tương quan hình 2.4 2.3 ĐIỀU CHẾ PSK VI SAI (DPSK) Input data {mk} Logic Circuit {dk} {dk-1} Delay Tb DPSK signal Bandpass filter Logic Circuit BPSK Modulator DPSK signal cos(2πfc) Intergrate and Dump Threshold device output Delay Tb Hình 2.6 Sơ đồ khối máy phát máy thu DPSK Điều chế DPSK dạng điều chế mà phương pháp giải điều chế khơng cần phải dạng kết hợp với mục đích để giảm độ phức tạp máy thu Máy thu khơng kết hợp rẻ dễ chế tạo sử dụng rộng rãi hệ thống thơng tin vơ tuyến Trong hệ thống DPSK, chuỗi tín hiệu nhị phân đầu vào trước hết mã hố vi sai điều chế BPSK Chuỗi tín hiệu mã hố vi sai {d k} tạo Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin từ chuỗi nhị phân đầu vào {m k} cách cọng mk dk-1 Mục đích để ký hiệu dk khơng đổi so với ký hiệu trước ký hiệu đầu vào mk 1, dk đổi mk Bảng minh hoạ cách tạo tín hiệu DPSK từ chuỗi mk theo cơng thức d k = mk ⊕ d k −1 {mk} 0 1 {dk} 1 1 0 1 0 {dk-1} Bảng 2.1 Minh hoạ q trình mã hố vi sai Hình 2.6(a) sơ đồ khối máy phát DPSK Trong hình có phần tử trễ với thời gian bit Tb mạch logic để tạo chuỗi mã hố vi sai từ tín hiệu nhị phân đầu vào Tín hiệu đầu đưa vào điều chế BPSK để thu tín hiệu DPSK Ở máy thu, chuỗi tín hiệu gốc khơi phục từ tín hiệu DPSK mạch bổ sung hình 2.6(b) 2.4 ĐIỀU CHẾ PHA VNG GĨC (QPSK) 2.4.1 XÁC SUẤT LỖI Cũng BPSK điều chế pha kiểu đặc trưng viêc thơng tin luồng số truyền pha sóng mang Ta viết cơng thức cho sóng mang điều chế 4-PSK sau:  2E  0≤t ≤T s i (t ) =  T cos[ 2πf c + θ (t ) + θ ],  0, t < 0; t < T Trong đó: I = 1,2,3,4 tương ứng với phát ký hiệu hai bit: 00, 10, 11 10 E lượng tín hiệu phát moat ký hiệu T = 2Tb thời gian mơt ký hiệu fc tần số sóng mang θ (t ) góc pha điều chế θ góc pha ban đầu Mỗi giá trị pha tương ứng với hai bit tín hiệu gọi cặp bit, chẳng hạn ta lập giá trị pha để biểu diễn tập cặp bit mã hố Grey sau: 10, 00, 01 11 Góc pha ban đầu θ số nhận giá trị khoảng đến π , góc pha khơng ảnh hưởng đến q trình phân tích nên ta đặt khơng Sử dụng biến đổi lượng giác, ta viết lại phương trình lại dạng tương đượng sau:  2E π 2E π   − sin (2i − 1)  sin( 2πf c t ) + cos (2i − 1)  cos(2πf c t ) s (t ) = , 0≤t ≤T i  T  0,  Trong đó: i = 1,2,3,4 4 T  4 t < 0, t > T Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin Dựa cơng thức ta đưa nhận xét sau: • Chỉ có hai hàm sở trực giao chuẩn, φ1 (t ) φ (t ) biểu thức si(t) Dạng tương ứng các, φ1 (t ) φ (t ) định nghĩa sau: sin [ 2πf c ], T φ (t ) = cos[ 2πf c ], T φ1 (t ) = 0≤t ≤T 0≤t ≤T • Tồn bốn điểm tin bới vectơ tương ứng xác định sau:  π    E sin (2i − 1)     si =  π   E cos (2i − 1)        i = 1,2,3,4 Các phần tử vectơ tín hiệu: s i1 si2 có giá trị đươc tổng kết bảng Hai cột đầu bảng cho ta cặp bit pha tương ứng tín hiệu QPSK, bit tương ứng với điện áp + Cặp bit vào t T E E , bit tương ứng với điện áp − 2 Pha tín hiệu Toạ độ điểm tin Si1 Si2 + E + E π /4 π /4 π /4 π /4 00 01 11 10 + E - E - E - E - E + E Bảng 2.2 Các vectơ khơng gian tín hiệu QPSK Từ khảo sát ta thấy tín hiệu QPSK đặc trưng khơng gian chiều (N=2) bốn điểu tin (M=4) hình vẽ: Vùng Z2 Vùng Z3 01 00 11 10 Vùng Z1 Vùng Z4 Hình 2.8 : Không gian tín hiệu điều chế QPSK Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin Thí dụ: Hình 2.9 cho thấy luồng số đưa lên điều chế QPSK Chuỗi số hai đầu vào 11000001 cho hình 2.9a Chuỗi lại chia thành hai chuỗi bao gồm bit lẻ bit chẳn Hai chuỗi biểu thị dòng hình 2.9b 2.9c Các dạng sóng thể thành phần đồng pha lệch pha vng góc QPSK cho hình 2.9b 2.9c Có thể nhận xét riêng hai dạng sóng dạng tín hiệu 2-PSK Cộng dạng sóng QPSK hình 2.9d Đầu vào 1 0 0 1 0 0 Nhánh lẻ Nhánh chẳn QPSK Hình 2.9: Quá trình hình thành sóng QPSK Để hiểu ngun tắc định tách sóng chuỗi số liệu phát, ta phân chia khơng gian tín hiệu thành phần sau: • Tập hợp điểm gần điểm tin liên quan với vectơ tín hiệu s • Tập hợp điểm gần điểm tin liên quan với vectơ tín hiệu s • Tập hợp điểm gần điểm tin liên quan với vectơ tín hiệu s • Tập hợp điểm gần điểm tin liên quan với vectơ tín hiệu s Để thực việc phân chia nói ta kẻ hai đường vng góc chia hình vng nối điểm tin sau đánh dấu vùng tương ứng Ta vùng định góc phần tư có đỉnh trùng với gốc toạ độ Ở hình 2.10 vùng đánh số Z1, Z2, Z3, Z4 Ta biểu diễn tín hiệu thu sau: y (t ) = si (t ) + x(t ) 0≤t ≤T Trong đó: i =1,2,3,4 x(t) hàm mẫu q trình ngẫu nhiên nhiễu Gauss có giá trị trung bình mật độ phổ cơng suất N0/2 Vectơ quan trắc y máy thu QPSK qn có hai thành phần y y2 xác định sau: Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin T y1 = ∫ y (t )φ1 (t )dt π  = E sin (2i − 1)  + x1 4  T y2 = ∫ y (t )φ2 (t )dt π  = E cos (2i − 1)  + x2 4  Trong i=1,2,3,4 Vậy y1 y2 giá trị mẫu biến ngẫy nhiên Gauss độc lập có giá π π   trị trung bình E cos (2i − 1)  E cos (2i − 1)  tương ứng có phương  4  4 sai N0/2 Bây quy tắc định chung đơn giản đốn si(t) phát điểm tín hiệu thu liên quan đến vectơ y quan trắc rơi vào vùng Z i Sẽ xảy định sai chẳng hạn tín hiệu s 1(t) phát tạp âm x(t) lớn đến mức mà điểm tín hiệu thu rơi ngồi vùng Z1 Ta nhận thấy nhờ tính đối xứng vùng định, xác xuất diễn giải điểm tín hiệu thu khơng phụ thuộc vào tín hiệu phát Giả sử ta biết tín hiệu s1(t) phát Máy thu đưa định điểm tín hiệu thu trình bày vectơ quan trắc y nằm vùng Z biểu đồ khơng gian tín hiệu hình 2.8 Vậy định tín hiệu s 1(t) phát, thành phần vectơ quan trắc y: y1 y2 phải dương (hình 2.10) y2 Vùng đònh y1 Vùng đònh sai Hình 2.10: Vùng đònh sai Điều có nghĩa xác suất định xác suất có điều kiện kiện liên hợp y1>1 y2>0, s1(t) phát Vì biến ngẫu nhiên y y2 độc lập với nhau, nên xác suất định P c tích xác suất có điều kiện kiện y1>0 y2>0, s1(t) phát Ngồi hai y y2 biến ngẫu nhiên có giá trị trung bình E phương sai N0/2 nên ta viết sau: ∞ Pc = ∫ ∞  ( y − E 2)2   ( y2 − E )  exp − dy exp  ∫ −  dy N0 N πN π N     0  Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin Trong tích phân thứ vế phải xác suất có điểu kiện kiên y 1>0 tích phân thứ hai xác xuất có điều kiện y2>0, s1(t) phát Đặt: y− E z= N0 Khi thay biến y1 y2 x ta viết lại: 1 Pc =  π   exp( − z ) dz ∫  E N0 ∞ Từ định nghĩa hàm bù lỗi ta : 1  π   E  = − erfc exp( − z ) dz ∫  2N  E N0  ∞     Vậy ta có:   E Pc = 1 − erfc   2N       E  E   = − erfc + erfc   2N    2N   Vây xác suất trung bình lỗi ký hiệu cho trường hợp QPSK kết hợp xác định sau: Pe = − Pc  E = erfc  2N    − erfc  E   2N       Ở vùng (E/2N0) >> ta bỏ qua thành phần thứ hai vế phải biểu thức Vậy ta có cơng thức tính xác suất trung bình lỗi ký hiệu QPSK kết hợp:  E Pe = erfc  2N     = 2Q E    N     Ở hệ thống QPSK ta thấy có hai bit ký hiệu Điều có nghĩa lượng phát ký hiệu gấp hai lần lượng bit, nghĩa là: E = 2Eb Vậy biểu diễn xácc suất trung bình lỗi ký hiệu theo tỷ số Eb/N0:  Eb   Eb  = 2Q Pe = erfc   N  N0       Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin 2.4.2 PHỔ VÀ BĂNG THƠNG CỦA TÍN HIỆU QPSK Normalized PSD -10 -20 -30 -40 -50 -60 fc- 3Rb fc- 2Rb fc- Rb fc fc- Rb fc- 2Rb fc- 3Rb Hình 2.11: Mật độ phổ công suất tín hiệu QPSK Mật độ phổ cơng suất tín hiệu QPSK tìm theo giống tín hiệu BPSK với chu kỳ bit Tb thay chu kỳ ký hiệu Ts Mật độ phổ cơng suất tín hiệu QPSK tính theo cơng thức  sin π ( f − f )T   sin π ( f + f )T   c s c s  +     ( ) ( ) π f − f T π f + f T  c s c s      sin π ( f − f )T   sin π ( f + f )T   c s c s  +    = Eb   π ( f − f c )Ts   π ( f + f c )Ts   E PQPSK (t ) = s Băng thơng tín hiệu QPSK BW=Rb/2 giảm ½ so với băng thơng tín hiệu BPSK 2.4.3 MÁY THU PHÁT QPSK Bây ta xét q trình điều chế giải điều chế QPSK Hình 2.12 cho thấy sơ đồ khối điều chế QPSK điển hình Luồng số hai đầu vào b(t) qua phân luồng chia thành hai luồng độc lập chứa bit chẳn bit lẻ (hai luồng I Q) Bộ chuyển đổi mức chuyển đổi ký hiệu thành lưỡng cực tương ứng với + E - E Ta thấy khoảng thời gian, luồng tín hiệu nhân với hai tín hiệu sóng mang trực giao tương ứng φ1 (t ) φ (t ) Kết nhận cặp sóng 2-PSK Sau sóng cọng với tạo tín hiệu QPSK Do tính trực giao sóng mang nên tách lng tín hiệu Lưu ý độ rộng bit T tín hiệu QPSK gấp hai lần độ rộng dòng tín hiệu Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin Rb/2 Input Data LPF Serial to Parralel Converter Rb QPSK Output Local Oscilltor Σ 900 Rb/2 LPF Hình 2.12 Máy phát QPSK LPF Received Signal BPF Carrier Recovery Decision circuit Symbol Timing Recovery 900 LPF MUX Recovered Signal Decision circuit Hình 2.13 Máy thu QPSK 2.5 ĐIỀU CHẾ OQPSK (OFFSET QPSK) Chuyển mức Luồng vào Phân luồng Trễ Tb φ1 (t ) = sin[ 2πf c ] T Tín hiệu QPSK Chuyển mức φ2 (t ) = cos[ 2πf c ] T Hình 2.14: Sơ đồ điều chế OQPSK Biên độ tín hiệu điều chế QPSK số, nhiên qua lọc tạo dạng, tín hiệu QPSK khơng giữ tính chất Trong trường hợp dịch pha π radian biên độ tín hiệu QPSK chuyển đổi qua điểm khơng khoảng thời Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin gian định Nếu lọc khơng tuyến tín hiệu qua điểm khơng (zero crossing) gây tượng tròn miền dốc phổ làm rộng phổ độ trung thực tín hiệu bị ảnh hưởng mức điện áp nhỏ bị ảnh hưởng nhiều q trình truyền dẫn Để tránh tượng việc dụng lọc tuyến tính cho tín hiệu QPSK khơng hiệu Một dạng khác điều chế QPSK gọi điều chế OQPSK Dạng bị ảnh hưởng lọc khơng tuyến tính Sơ đồ khối điều chế OQPSK hình 2.14 Ta thấy phương pháp điều chế OQPSK khác phương pháp QPSK nhánh Q làm trễ thời gian T b độ rộng bit Do hai dòng tín hiệu I, Q có độ rộng bit 2T b nên làm trễ nhánh Q thời gian Tb bit đưa vào điều chế khơng có trường hợp chuyển từ 00 sang 11 ngược lại Dòng tín hiệu điều chế OQPSK nhờ vây khơng chuyển qua điểm khơng (xem biểu đồ khơng gian tín hiệu điều chế QPSK) Nhờ tín hiệu OQPSK cố định biên độ tín hiệu QPSK bị ảnh hưởng sái dạng AM sang AM AM sang PM sinh mạch khuếch đại cơng suất Xác suất lỗi phương pháp điều chế OQPSK tính phương pháp QPSK, là:  Eb   Eb  = 2Q Pe = erfc   N  N0       Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin CHƯƠNG  BĂNG THƠNG CỦA HỆ THỐNG 3.1 BĂNG THƠNG VÀ PHỔ CỦA TÍN HIỆU SỐ Mật độ phổ cơng suất tín hiệu ngẫu nhiên w(t) định nghĩa: W (f)2   T  Pw (t ) = lim   T T − >∞    Ở dấu gạch ngang đầu ký hiệu trung bình hàm Và WT(f) biến đổi Fourier wT(t), với w(t ) − T / < t < T / wT (t ) =  elsewhere 0 Mật độ phổ cơng suất tín hiệu điều chế (tín hiệu băng thơng) có quan hệ với mật độ phổ cơng suất của tín hiệu đường bao phức Nếu tín hiệu băng thơng biểu diễn dạng s (t ) = Re{ g (t ) exp( j 2πf c t )} g(t) tín hiệu đường bao phức tín hiệu băng thơng, mật độ phổ cơng suất tín hiệu băng thơng tính Ps ( f ) = [ Pg ( f − f c ) + Pg ( f + f c ) ] Pg(f) mật độ phổ cơng suất g(t) Băng thơng tín hiệu có nhiều cách định nghĩa khác tuỳ theo trường hợp, khơng có định nghĩa thống chung cho trường hợp Tất trường hợp dựa định nghĩa mật độ phổ cơng suất tín hiệu Băng thơng tuyệt đối tín hiệu định nghĩa khoảng tần số mật độ phổ cơng suất khơng băng khơng Tín hiệu xung vng băng tần gốc có mật độ phổ cơng suất hàm (sinf)2/f2, hàm trải rộng vơ băng thơng tín hiệu xung vng vơ Một định nghĩa băng thơng đơn giản sử dụng nhiều đo băng thơng dựa vào khoảng cách điểm (null-to-null bandwidth) Băng thơng thơng lúc độ rộng phổ búp tín hiệu Định nghĩa băng thơng thường sử dụng băng thơng nửa cơng suất (half-power bandwidth) Băng thơng nửa cơng suất định nghĩa khoảng cách điểm mà mật độ phổ cơng suất giảm ½ hay 3dB so với giá trị đỉnh Băng thơng nửa cơng suất gọi băng thơng 3dB FCC (federal Communication Commission) định nghĩa băng thơng chiếm giữ tín hiệu khoảng tần số chừa lại xác 0.5% vùng băng tần 0.5% vùng băng tần cơng suất tín hiệu Hay nói cách khác 99% lượng tín hiệu nằm vùng băng thơng Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin Một cách định nghĩa khác dựa vào mức đưa bên mức đỉnh Ví dụ băng thơng suy hao 45dB, hay 60dB Mã hố đường truyền (Line Coding) Tín hiệu số thường sử dụng dạng mã hố đường truyền khác để có dạng phổ khác phù hợp với đường truyền Các mã đường truyền khác thường dùng thơng tin vơ tuyến mã RZ(return-to-zero), NRZ(nonreturn-to-zero), mã Manchester Các loại mã đơn cực lưỡng cực Mã RZ trở chu kỳ bit Điều làm phổ tín hiệu rộng ra, bù lại kiểu mã hố cung cấp thêm thơng tin định thời Mã NRZ khơng trở chu kỳ bit-nó giữ ngun giá trị chu kỳ bit Mã NRZ hiệu mã RZ mặt phổ, nhiên mặt định thời Hơn nữa, có thành phần dc lớn nên loại mã khơng thích hợp cho mạch chặn dc mạch khuyếch đại âm tần hay chuyển mạch thoại Mã Manchester dạng đặc biệt mã NRZ, mã thích hợp cho tín hiệu phải qua mạch chặn dc hay chuyển mạch thoại khơng có thành phần dc cung cấp phương thức định thời đơn giản Mã Manchester sử dụng xung cho bit, dễ dàng khơi phục xung clock V 1 V -V V -V Hình3.1 Dạng sóng mã hoá đường (a) NRZ đơn cực (b) RZ lưỡng cực (c) Manchester RZ Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin 0.5Tb Rb 2Rb 3Rb 2Rb 3Rb Tb Tb Rb Rb 2Rb 3Rb Hình 3.2 Mật độ phổ công suất (a)NRZ đơn cực; (b)RZ lưỡng cực ; (c)Manchester RZ 3.2 KỸ THUẬT TẠO DẠNG XUNG Như ta biết, dãy xung với độ rộng T đơn cực lưỡng cực có vơ hạn thành phần tần số Tuy nhiên đường truyền dẫn thực tế có băng tần bị hạn chế, xung thu bị mở rộng đáy Phần mở rộng chồng lấn lên xung phía trước phía sau gây ảnh hưởng cho việc phân biệt xung Ảnh Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin hưởng gọi nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI Interymbol Interference) Để giảm ảnh hưởng ISI, kênh truyền dẫn cần phải có dải thơng đủ rộng, nhiên tạp âm tăng lên nhiệt, giao thoa RF Do dải thơng thiết bị cần phải thiết kế tốt độ rộng, độ dốc để chống can nhiễu, nhiên phải đạt giá trị tối ưu để khơng tạo ISI giới hạn dải làm xung dao động kéo dài độ dốc tăng tạo độ trễ nhóm lớn Có thể trình bày hạn chế băng tần hàm truyền đạt lọc thơng thấp lý tưởng hình 3.3a Nếu ta đưa xung kim δ(t) vào lọc phổ tín hiệu nhận đầu có dạng hàm chữ nhật sau:  f H ( f ) = ∏  f0    Trong f0 tần số cắt Biến đổi fourier ngược cho biểu thức ta đáp ứng đầu ra: h(t) = 2f0Sinc(2f0t) Hình 3.3b cho ta thấy dạng đáp ứng Ngoại trừ giá trị đỉnh trung tâm, điểm khơng xuất thời điểm kT0 = k , k số f0 ngun dương khác khơng Khoảng cách T0 gọi khoảng cách Nyquist Nếu ta phát dãy xung kim δT(t) gơm xung kim cách khoảng Nyquist, tránh nhiễu giao thoa ký hiệu (nếu tiến hành pha biệt xung thời điểm kT xung thu (hình 3.3c) Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin  f H ( f ) = ∏   f0 f0 Xung δ (t) f0    Dãy xung δ T(t) T h(t) h(t-T) h(t) 2f0 2f0 -3T0 -2T0-T0 T0 2T 3T0 -3T -2T -T T 2T 3T Hình 3.3: Hàm truyề0n đạt lọc thông thấp lý tưởng đáp ứng đầu Nếu khoảng cách xung kim T nhỏ khoảng Nyquist T 0, chồng lấn xung làm ta khơng thể phân biệt chúng Nói khác độ rộng băng tần cần thiết để phân biệt xung (các ký hiệu) có tốc độ ký hiệu Rs= 1/T f = f0 = , nghĩa là: T R = s 2T Đây định lý giới hạn băng thơng Nyquist Định lý Nyquist: Trong thực tế khó thực tế khó thực lọc thơng thấp lý tưởng đề cập Vì để đạt điều kiện cần thiết lọc đường truyền dẫn thực tế, ta áp dụng định lý Nyquist sau Ngay xếp chồng đặc tính đối xứng kiểu hàm lẻ ứng với tần số cắt f với đặc tính lọc thơng thấp lý tưởng điểm cắt (điểm 0) với trục đáp ứng xung kim khơng thay đổi Các đặc tính lọc thoả mãn định lý thứ Nyquist thường sử dụng có dạng hình 3.4 gọi hàm độ dốc (Roll off) biểu thị hàm truyền đạt Roll(f) sau đau: Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin  1, f ≤ f (1 − α )     π 1 ( f − f ) , f (1 − α ) ≤ f ≤ f (1 + α ) Roll ( f ) =  1 − sin   2αf  2   0, f ≥ f (1 − α ) Trong α gọi hệ số độ dốc (Roll-off factor) Phần nghiêng roll(f) chuyển thành đặc tính Cosin bình phương sau:  π π Roll ( f ) = cos  ( f − f0 ) +  4  4αf Do Roll(f) gọi đặc tính dốc cosin Ngồi ta trình bày phần nghiêng nói dạng hàm cosin tăng sau đây:  1, f ≤ f (1 − α )     π 1 ( f − f ) , f (1 − α ) ≤ f ≤ f (1 + α ) Roll ( f ) =  1 + cos  2αf  2   0, f ≥ f (1 − α ) Roll(f) gọi đặc tính dốc cosin tăng Đáp ứng xung kim h(t) lọc có đặc tính dốc cosin biểu diễn biến đổi Fourier ngược sau cos(2παf t ) h(t ) = f Sinc (2 f t ) − ( 4αf ) Trong α sử dụng thơng số, gọi hệ số roll-off (hệ số trượt) Khi độ tộng băng tần cần thiếtt để phân biệt xung hay độ rơng băng tần Nyquist xác định theo cơng thức sau: B N = f (1 + α ) = Rs (1 + α ) / Trong Rs tốc độ truyền dẫn ký hiệu Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin h(t) 2f0 f0 f -3T0 -2T0-T0 T0 2T 3T f0(1-α) f0(1-α) f0 f0(1+α) f0(1+α) Hình 3.4 Các đặc tính đáp ứng xung kim lọc thoả mãng đònh lý Nyquist [...]... = 2Q E    N  0    Ở hệ thống QPSK ta thấy rằng có hai bit trên một ký hiệu Điều này có nghĩa rằng năng lượng được phát trên một ký hiệu gấp hai lần năng lượng trên một bit, nghĩa là: E = 2Eb Vậy có thể biểu diễn xácc suất trung bình của lỗi ký hiệu theo tỷ số Eb/N0:  Eb   2 Eb  = 2Q Pe = erfc   N 0  N0       Chương 2 : Tổng quan về hệ thống thơng tin 2.4.2 PHỔ VÀ BĂNG THƠNG... đại cơng suất Xác suất lỗi của phương pháp điều chế OQPSK cũng được tính như ở phương pháp QPSK, là:  Eb   2 Eb  = 2Q Pe = erfc   N 0  N0       Chương 2 : Tổng quan về hệ thống thơng tin CHƯƠNG 3  BĂNG THƠNG CỦA HỆ THỐNG 3.1 BĂNG THƠNG VÀ PHỔ CỦA TÍN HIỆU SỐ Mật độ phổ cơng suất của tín hiệu ngẫu nhiên w(t) được định nghĩa: W (f)2   T  Pw (t ) = lim   T T − >∞    Ở đây dấu... − ( 4αf 0 ) Trong đó α được sử dụng như là một thơng số, gọi là hệ số roll-off (hệ số trượt) Khi này độ tộng băng tần cần thiếtt để phân biệt các xung hay độ rơng băng tần Nyquist được xác định theo cơng thức sau: B N = f 0 (1 + α ) = Rs (1 + α ) / 2 Trong đó Rs là tốc độ truyền dẫn các ký hiệu Chương 2 : Tổng quan về hệ thống thơng tin h(t) 2f0 f0 f -3T0 -2T0-T0 0 T0 2T 3T 0 f0(1-α) f0(1-α) f0 0... hưởng cho việc phân biệt các xung Ảnh Chương 2 : Tổng quan về hệ thống thơng tin hưởng này được gọi là nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI Interymbol Interference) Để giảm ảnh hưởng của ISI, kênh truyền dẫn cần phải có dải thơng đủ rộng, tuy nhiên khi đó tạp âm sẽ tăng lên do nhiệt, giao thoa RF Do đó dải thơng của thiết bị cần phải được thiết kế tốt về độ rộng, độ dốc để chống các can nhiễu, tuy nhiên... hành pha biệt các xung này tại các thời điểm kT 0 của các xung thu được (hình 3.3c) Chương 2 : Tổng quan về hệ thống thơng tin  f H ( f ) = ∏   2 f0 f0 Xung δ (t) 0 f0    Dãy xung δ T(t) 0 T h(t) h(t-T) h(t) 2f0 2f0 -3T0 -2T0-T0 0 T0 2T 3T0 -3T -2T -T 0 T 2T 3T Hình 3.3: Hàm truyề0n đạt của bộ lọc thông thấp lý tưởng và các đáp ứng đầu ra Nếu khoảng cách giữa các xung kim T nhỏ hơn khoảng các... là hàm độ dốc (Roll off) và có thể được biểu thị bằng hàm truyền đạt Roll(f) sau đau: Chương 2 : Tổng quan về hệ thống thơng tin  1, f ≤ f 0 (1 − α )     π 1 ( f − f 0 ) , f 0 (1 − α ) ≤ f ≤ f 0 (1 + α ) Roll ( f ) =  1 − sin   2αf 0  2   0, f ≥ f 0 (1 − α ) Trong đó α được gọi là hệ số độ dốc (Roll-off factor) Phần nghiêng của roll(f) có thể chuyển thành các đặc tính Cosin bình... vùng băng thơng Chương 2 : Tổng quan về hệ thống thơng tin Một cách định nghĩa khác dựa vào mức được đưa ra bên dưới mức đỉnh Ví dụ băng thơng suy hao 45dB, hay 60dB Mã hố đường truyền (Line Coding) Tín hiệu số thường sử dụng các dạng mã hố đường truyền khác nhau để có các dạng phổ khác nhau phù hợp với đường truyền Các mã đường truyền khác thường được dùng trong thơng tin vơ tuyến là mã RZ(return-to-zero),... sử dụng 2 xung cho một bit, do đó dễ dàng khơi phục xung clock V 1 0 1 0 1 0 V 0 -V V 0 -V Hình3.1 Dạng sóng của mã hoá đường (a) NRZ đơn cực (b) RZ lưỡng cực (c) Manchester RZ Chương 2 : Tổng quan về hệ thống thơng tin 0.5Tb Rb 2Rb 3Rb 2Rb 3Rb Tb Tb Rb Rb 2Rb 3Rb Hình 3.2 Mật độ phổ công suất (a)NRZ đơn cực; (b)RZ lưỡng cực ; (c)Manchester RZ 3.2 KỸ THUẬT TẠO DẠNG XUNG Như ta đã biết, một dãy xung với... tạo ra tín hiệu QPSK Do tính trực giao của 2 sóng mang nên có thể tách 2 lng tín hiệu này được Lưu ý rằng độ rộng bit T của tín hiệu QPSK gấp hai lần độ rộng của dòng tín hiệu Chương 2 : Tổng quan về hệ thống thơng tin Rb/2 Input Data LPF Serial to Parralel Converter Rb QPSK Output Local Oscilltor Σ 900 Rb/2 LPF Hình 2.12 Máy phát QPSK LPF Received Signal BPF Carrier Recovery Decision circuit Symbol... bộ lọc tạo dạng, tín hiệu QPSK khơng còn giữ được tính chất này Trong các trường hợp dịch pha π radian biên độ của tín hiệu QPSK chuyển đổi qua điểm khơng trong một khoảng thời Chương 2 : Tổng quan về hệ thống thơng tin gian nhất định Nếu các bộ lọc khơng tuyến khi tín hiệu qua điểm khơng (zero crossing) thì sẽ gây ra hiện tượng tròn ở miền dốc của phổ và làm rộng phổ do độ trung thực của tín hiệu bị ... hệ thống thơng tin vơ tuyến Trong hệ thống DPSK, chuỗi tín hiệu nhị phân đầu vào trước hết mã hố vi sai điều chế BPSK Chuỗi tín hiệu mã hố vi sai {d k} tạo Chương : Tổng quan hệ thống thơng tin. .. đại tín hiệu thu có cường độ nhỏ khuyếch đại phải có hệ số nhiễu để làm giảm hệ số nhiễu tồn hệ thống Chương 1: Tổng quan hệ thống thơng tin • Khối biến đổi hạ tần giải điều chế số o Giải điều... điểm tin liên quan với vectơ tín hiệu s • Tập hợp điểm gần điểm tin liên quan với vectơ tín hiệu s • Tập hợp điểm gần điểm tin liên quan với vectơ tín hiệu s • Tập hợp điểm gần điểm tin liên quan