nghiên cứu thiết bị vi ba số DM2G-1000 của Nhật

nghiên cứu thiết bị vi ba số DM2G-1000 của Nhật

Lời nói đầu

Chúng ta đang sống trong thời kỳ bùng nổ thông tin, với sự phát triển nh vũ bãocủa các ngành Điện tử, Tin học, Viễn thông Sự phát triển này đợc thể hiện qua hai xu h-ớng : hiện đại hoá và đa dạng hóa

Các dich vụ viễn thông ngày càng trở nên phong phú và đa dạng, nhằm đáp ứng tấtcả các nhu cầu : nghe, nhìn của một xã hội phát triển cao đó là phát thanh truyền hình,truyền số liệu, điện thoại và điện tín

Tất cả các dịch vụ này có thể phát triển riêng rẽ và độc lập, xong để có đợc nhữngthông tin tổng hợp mà một mạng số đa dịch vụ ra đời Mạng này đang phát triển nhằmhợp nhất tất cả các dịch vụ nói trên vào một kênh cơ sở để cung cấp các phơng tiện thôngtin một cách đa năng và tiện lợi

Kỹ thuật số ra đời, đã tạo ra một bớc ngoặt lớn trong việc hiện đại hoá mạng lớiviễn thông Việc số hoá các hệ thống chuyển mạch và truyền dẫn đang đợc tiến hànhnhằm nâng cao chất lợng đờng truyền và giảm giá thành của tuyến

Thông tin có thể đợc truyền qua nhiều môi trờng khác nhau nh vi ba, vệ tinh, cápquang Trong khi cáp quang đang đợc đa vào ứng dụng thì vi ba vẫn còn đang đợc dùngphổ biến và các hệ thống vi ba số này vẫn ngày càng đợc nâng cao về công nghệ, dung l-ợng cũng nh là giảm nhỏ giá thành

Trong khuôn khổ của bản đồ án tốt nghiệp này, việc nghiên cứu thiết bị vi ba sốDM2G-1000 của Nhật sẽ đợc trình bày

Bản đồ án này gồm:

1 - Vấn đề xử lý tín hiệu và sóng mang

2 - Điều chế và giải điều chế trong vi ba số

3 - Tổng quan thiết bị vi ba số DM2G-1000

4 - Phân tích chi tiết thiết bị phát của thiết bị DM2G-1000

5 - Một số bài đo kiểm tra thiết bị Vi ba số DM2G - 1000Vì thời gian có hạn nên đồ án tốt nghiệp có thể còn nhiều sai sót, Rất mong sự góp

ý chân tình của các thầy cô giáo và các bạn

Hà Nội, ngày tháng năm 2005

Lời cảm ơn

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 1

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hớng

dẫn cùng toàn thể các thầy cô giáo Khoa Các thầy cô giáo Khoa Điện tử Viễn thông Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng nh hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

Tôi xin cảm ơn Ban Lãnh Đạo Xí Nghiệp Khoa học Sản xuất Thiết

bị Thông tin I và các đồng nghiệp tại Trung tâm ứng dụng Công nghệ Viễn thông mới đã giúp tôi hoàn thành đề tài này.

Sinh viên

Mục lục

Trang

Chơng I - Xử lý tín hiệu băng gốc 7

1.1 Sự cần thiết phải xử lý băng gốc 7

1.2 Các mã đờng truyền 7

1.2.1 Mã đảo dấu luân phiên (AIM) 8

1.2.2 Mã tam phân lựa chọn cặp 9

1.2.3 Mã HDB-3 10

1.2.4 Mã CMI 11

1.2.5 Các mã khác 11

1.3 Truyền số liệu băng gốc 11

1.3.1 Dung lợng của kênh 11

1.3.2 Giao thoa giữa các ký hiệu 12

1.3.3 Lọc băng gốc 13

1.3.4 Xác suất lỗi Pe trong truyền dẫn số 15

1.3.5 Mã điều khiển lỗi 16

1.3.6 Tái sinh tín hiệu số 17

1.3.7 Khôi phục thời gian và tách sóng ngỡng 18

Chơng II - Điều chế và giải điều chế trong vi ba số 19

2.1 Điều chế trong vi ba số 19

2.2 Phơng pháp điều biên số (ASK) khóa dịch biên độ 20

2.2.1 ASK kết hợp 21

2.2.2 ASK không kết hợp 26

2.2.3 ASK M trạng thái (M-ary) 27

2.3 Điều pha số (PSK) khóa dịch pha 28

2.3.1 PSK kết hợp (CPSK) 29

2.3.2 PSK vi sai kết hợp (DPSK) 30

2.3.3 PSK M trạng thái (M-ary) 31

2.3.4 Các bộ giám sát chất lợng 42

2.3.5 Quan hệ giữa tạp âm song biên C/N và Eb/ 42

2.3.6 DPSK M trạng thái 43

2.3.7 Điều chế pha cầu phơng lệch (OK-QPSK hay OQPSK) 45

2.4 Điều chế khóa dịch tần số (FSK) 46

2.4.1 FSK kết hợp 48

2.4.2 FSK không kết hợp 49

2.4.3 Giải điều chế FSK kết hợp vi sai 49

2.4.4 So sánh FSK và ASK 50

2.4.5 FSK M trạng thái 50

2.4.6 MSK khóa di tần cực tiểu 52

2.5 Sơ đồ kết hợp điều chế pha và biên độ Digital (CAPK) 56

2.5.1 Bộ chuyển đổi 2 thành L mức 60

2.5.2 Bộ điều chế và bộ giải điều chế QAM M trạng thái 61

2.5.3 Mã hoá vi sai 63

2.5.4 Xác suất lỗi của hệ thống M QAM 64

2.6 OFF SET QAM (OKQAM hay OQAM) hoặc STAGERED QAM (SQAM) 66 Chơng III - Tổng quát về thiết bị vi ba số DM2G - 1000 68

3.1 Giới thiệu chung 68

3.1.1 Đặc điểm thiết bị 68

3.1.2 Kết cấu thiết bị 68

3.1.3 Cấu hình hệ thống 69

3.1.4 Các chỉ tiêu kỹ thuật 69

3.2 Chức năng các khối 70

3.2.1 Khối phát (Tx) 71

3.2.2 Khối thu (Rx) 74

3.2.3 Khối băng tần cơ sở B/U - U/B 77

3.2.4 Khối kênh nghiệp vụ số DSC 2 80

3.2.5 Khối hiển thị DSPL 81

3.2.6 Giám sát và điều khiển 81

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 3

-Chơng IV- Phân tích phần máy phát thiết bị DM2G - 1000 84

4.1 Khối dao động nội (OSC) 85

4.1.1 Sơ đồ nguyên lý khối dao động nội (OSC) 85

4.1.2 Tổng quát sơ đồ nguyên lý của khối 85

4.1.3 Phân tích mạch trên sơ đồ 86

4.1.4 Nguyên lý hoạt động 88

4.2 Khối MOD CONT 89

4.2.1 Sơ đồ nguyên lý cuả khối 89

4.2.2 Nguyên lý hoạt động của toàn mạch 91

4.3 Khối điều chế (MOD) 91

4.3.1 Sơ đồ nguyên lý khối điều chế 91

4.3.2 Tổng quan sơ đồ nguyên lý khối 91

4.3.3 Nguyên lý hoạt động của toàn mạch 93

4.4 Khối khuyếch đại công suất siêu cao tần 93

4.4.1 Tổng quan sơ đồ nguyên lý khối HPA 93

4.4.2 Nguyên lý hoạt động của toàn mạch 96

Một số bài đo cơ bản cho thiết bị DM2G - 1000 98

Bài 1 Đo công suất phát 98

Bài 2 Đo tần số 99

Bài 3 Đo bit lỗi 101

NhËn xÐt cña gi¸o viªn ph¶n biÖn

Khoa §TVT §HBK Hµ néi Trang 5

-Khi tốc độ truyền số trên hệ thống vô tuyến là bội nguyên của tốc độ bit phân cấp,thì lúc đó cần phải tiến hành ghép kênh ở những nơi cần có sự ghép kênh thì ở đó ta cóthể ghép thêm bit để giám sát BRZ trong cùng các khối Dãy các xung số ở đầu vào củamạch điều chế vô tuyến, sau điều chế, cần phải có tín hiệu định thời gian có thể lấy ra từtín hiệu đã phát đi và phổ của tín hiệu đã phát đi có thể không chứa những thành phầnphổ có biên độ lớn để có thể gây ra tạp âm (sự giao thoa) bất lợi cho các hệ thống khác,

đặc biệt cho các kênh có vùng phổ trùng nhau hoặc các kênh kế cận của các hệ thốngthông tin tơng tự Hầu hết các phơng pháp điều chế đều có tín hiệu định thời gian tin cậynếu nó đảm bảo đầy đủ sự chuyển tiếp trạng thái trong tín hiệu của đầu vào dẫn đến mạch

điều chế Một cách tơng tự, có thể tránh những thành phần phổ có cờng độ mạnh bằngcách gạt bỏ những dãy tuần hoàn không mong muốn ra khỏi điểm đó

1.2 Các mã đờng truyền.

Một số lý do để mã hóa số là: Đa vào độ d bằng cách mã hoá các từ số liệu nhịphân thành các từ dài hơn Các từ nhị phân dài hơn này sẽ có nhiều tổ hợp hơn do tăng sốbit Chúng ta có thể chọn những tổ hợp xác định có cấu trúc theo một qui luật từ mã hợpthành, cho phép tách thông tin định thời gian một cách dễ dàng hơn và giảm độ chênhlệch giữa những con số ‘ 1 ‘ và những số ‘ 0 ‘ xuất hiện trong một từ mã (đó là giảm sựchênh lệch) Việc giảm độ chênh lệch này dẫn đến giảm thành phần một chiều Nếu độchênh lệch này giảm đến không đối với tất cả tập hợp từ mã thì thành phần một chiều củachúng cũng giảm đến không Điều này là cần thiết vì không thể truyền thành phần mộtchiều của tín hiệu số đi đợc Có thể sử dụng việc xuất hiện các từ bổ xung do mã d đểtruyền số liệu số luồng phụ nh truyền bit chẵn lẻ trong mã phát hiện lỗi và truyền cáckênh phụ trợ Tuy vậy việc tăng độ dài của từ mã nhị phân sẽ làm tăng tốc độ bit và do đólàm tăng độ rộng băng tần Tốc độ bit tăng tỷ lệ với độ dài của từ mã ra trên độ dài của từmã vào ở mã 5B6B tốc độ bit ở đầu ra tăng 6,5 lần so với tốc độ bit ở đầu vào

Mã hóa tín hiệu nhị phân thành tín hiệu nhiều mức để giảm độ rộng băng tần Loạimã này quan trọng khi truyền số liệu có tốc độ cao trên đôi dây kim loại có dải tần hạnchế Cái giá của việc giảm độ rộng băng tần cần thiết của kênh hoặc tốc độ bit với một độrộng băng tần đã cho, là phải tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm để đạt đợc xác suất lỗi chotruớc

Để tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho những mục đích đặc biệt nh đồng bộ thành phần, giảm biên độ tần số không đến 0, hoặc giảm các thành phần tần số cao vàthấp trớc lúc lọc Có thể đa những số không đặc biệt về phía các luồng số đã mã lỡng cựcbậc cao bị chèn và các luồng số bị chèn

Trong quá trình mã hoá PCM tất cả các bit thông tin đợc ngầm giả thiết là nhị phân

đơn cực Giả thiết này là hợp lý miễn là các bit thông tin đã đợc xác định trong một công

đoạn nhất định nào đó của thiết bị xử lý và dây nối không đợc dài quá vài mét.Với những

đờng dây nối tơng đối dài, đờng cáp xoắn hai dây có màn bao che, hoặc cáp đồng trục thìkhông nên sử dụng bit nhị phân

Trong thiết bị sử lý có hai dạng tín hiệu nhị phân đơn cực Đó là RZ ‘trở về 0 ‘ vàNRZ ‘không trở về 0 ‘ Nếu sử dụng trực tiếp chúng để truyền dẫn thì sẽ gặp phải một sốkhó khăn nh nhau Chú ý rằng mức của tín hiệu RZ biểu thị giá trị bit 1, nó chỉ ở mức caotrong một nửa đầu tiên của khoảng thời gian bit, trong một nửa khoảng thời gian bit cònlại tín hiệu quay trở về 0

Ưu điểm của tín hiệu RZ là mật độ chuyển tiếp tín hiệu của nó lớn hơn so vớiNRZ Để khắc phục những vấn đề còn tồn tải trong tín hiệu nhị phân đơn cực, thì ngời ta

đã đề xuất ra mã đờng Các mã đờng không có thành phần một chiều đồng thời cũngkhông có hiện tợng năng lợng phổ của nó tập trung ở vùng tần số thấp Đôi khi có một sốmã đờng có thêm u điểm là trong cấu trúc của nó không có một dãy dài những số ‘0’hoặc những số ‘1‘, điều đó làm việc tách thông tin định thời gian sẽ dễ dàng hơn

1.2.1 Mã đảo dấu luân phiên (AMI)

Bằng cách mã hoá tín hiệu nhị phân đơn cực thành một mã có một số mức trứơckhi truyền dẫn có thể loại bỏ đợc thành phần một chiều và giảm đợc các thành phần tần sốthấp của tín hiệu đã mã hoá,do đó sẽ duy trì đợc một kích thớc hợp lý của các thành phầncấu kiện trong lúc thiết kế các bộ cân bằng của trạm lặp.Việc mã hoá này không mở rộngbăng tần truyền dẫn cần thiết, về nguyên lý có thể giảm băng tần truyền dẫn cần thiết khi

sử dụng biến đổi mã nhị phân thành n phân Mã 3 mức còn gọi là mã tam phân, trong đómức giữa của tín hiệu đợc ứng dụng rộng rãi là điện áp 0 Vì mức điện áp 0 không phải làmột mức lôgic thực nên mã đợc gọi là mã ‘giả-tam phân‘ Các bộ mã có thể dễ dàng tạo racác điện áp đầu ra cân bằng +A (để tiện ký hiệu là + ) và -A

(-) và mức điện áp 0, tơng ứng với mức đất của hệ thống Ngời ta gọi mã tam phân nàylàmã đảo dấu luân phiên -AMI, nói cách khác là mã lỡng cực Dẫy mã thu đợc bằng cách:khi không có xung thì mã là các số 0, còn khi xuất hiện ‘1‘ trong tìn hiệu nhị phân thì nólấy các xung dơng và âm một cách luân phiên Sự luân phiên này xuất hiện bất chấp sốcon số ‘0‘ giữa chúng.Tín hiệu AMI cũng có thể là loại NRZ (100%chu trình) có giá trịtrung bình bằng 0,nghiã là không có thành phần môt chiều (DC), và việc ghép AC vào đ-ờng truyền dẫn có ảnh hởng ít đến các digit đợc phát đi Một đặc điểm của mã này là: mật

độ phổ cực đại ở 1/2 tốc độ bit, và mật độ phổ rất nhỏ ở các tần số thấp Tuy nhiên sự biến

đổi mã không giảm độ chênh lệch giữa số số ‘1‘ và số số ‘0‘ trong một từ mã, hoặc giảmkhó khăn trong việc tách đồng hồ đối với tín hiệu AMI Thờng thờng độ chênh lệch là mộtvấn đề qnan trọng vì nó biểu thị thiên hớng của mã để giảm thanhf phần DC Nếu độchênh lệch lớn hơn hoặc nhỏ hơn 0,điều đó có nghĩa là ở một thời điểm có nhiều con số

‘1‘ hơn ‘0‘ hoặc ngợc lại Vì ‘0‘ trong mã giả tam phân có thể biểu hiện bằng mức điện áp

âm, do đó sẽ có một điện áp đủ dơng hoặc âm Đối vối mã AMI không sử dụng điều nàynếu ‘0’nhị phân đợc đặt tại điện thế đất Một vấn đề quan trọng là phải thiết kế đợc mộtloại mã đờng mà trong một dãy bit có tổng số con số ‘1‘ bằng tổng số con số ‘0‘ Khi đónếu có một lỗi sinh ra trong hệ thống đờng dây truyền dẫn do tạp âm xung hoặc xuyên âm

nó sẽ là nguyên nhân gây ra bỏ sót một xung hoặc thêm một xung sai vào Trong cả hai ờng hợp, nó sẽ xuất hiện hai xung cùng cực tính, với thiết bị đó thích hợp có thể dễ dàngphát hiện đợc lỗi Điều kiện này ngời ta thờng gọi là vi phạm luật lỡng cực và đó là một uviệt của mã AMI

-00 - + - +

-Bảng 1.1- Qui luật biến đổi của mã tam phân chọn cặp.

Đối với cả hai đầu ra ‘mode dơng‘ và ‘mode âm‘ các tổ hợp tam phân đợc tạo nên

từ các cặp nhị phân 00 và 01 không có mức DC, mặc dù các cặp nhị phân 01 và 10 tạo nênmức DC tơng đơng với +A/2 và -A/2 phụ thuộc vào mode của đầu ra Bộ mã hoạt động tạo

ra đầu ra mode dơng cho đến khi ở đầu vào xuất hiện trạng thái 01 hoặc 10 Sau đó tạonên một định thiên +A/2 ở đầu ra để thay đổi sang mode âm Sự xuất hiện tiếp theo của 10hoặc 01 tạo nên định thiên -A/2 xoá định thiên +A/2 và đổi mode trở lại dơng.Vì một dãydài liên tiếp các số ‘0‘ hoặc ‘1‘ không xuất hiện,nên nó cân bằng đợc dòng một chiều ở

đầu ra, dễ tách định thời ở các thiết bị lặp và thiết bị thu đầu cuối

1.2.3 Mã HDB-3.

Mã HDB-3 (viết tắt của High Density Binary with maximum of 3 consecutivezero) Mã nhị phân mật độ cao có cực đại ba số ‘0‘ liên tiếp Thuật toán để mã một tínhiệu nhị phân thành một tín hiệu HDB-3 phụ thuộc vào các qui tắc sau đây:

1 Một số 0 nhị phân đợc mã bằng một trạng thái trống trong tín hiệu HDB-3 Tuynhiên đối với một dãy bốn số 0 liên tiếp thì sử dụng các qui luật đặc biệt theoqui tắc 3 dơí đây

2 Một số ‘1‘ nhị phân đợc mã bằng ký hiệu dơng hoặc âm và có dấu ngợc vớixung trớc đó (đảo dấu luân phiên)

3 Các dãy 4 số 0 liên tiếp trong tín hiệu nhị phân đợc mã nh sau:

a) Số 0 đầu tiên của dãy đợc mã bằng trạng thái trống nếu dấu trớc đó của tínhiệu HDB-3 có cực ngợc với cực của vi phạm phía trớc và bản thân nókhông vi phạm

b) Số ‘0 ‘ đầu tiên của dãy đợc mã bằng dấu A mà không vi phạm (+ hoặc -),nếu dấu trớc đó của tín hiệu HDB-3 có cùng cực với dắu vi phạm trớc đóhoặc chính bản thân nó vi phạm

c) Các qui luật 3(a) và 3(b) đảm bảo các vi phạm liên tiếp có cực tính đảo nhausao cho thành phần một chiều gộp lại bằng không

d) Số 0 thứ 2 và 3 của dãy 4 số 0nhị phân liên tiếp luôn đợc mã bằng trạng tháitrống

e) Số 0 thứ t trong dãy của bốn số 0 nhị phân đợc mã bằng một dấu mà cựctính của nó vi phạm đan dấu Những vi phạm đan dấu nh vậy đợc ký hiệubằng V- hoặc V+ tơng ứng với cực tính của nó

Phân bố năng lợng phổ của tín hiệu đầu vào ngẫu nhiên đợc mã hoá thành mãHDB-3 giống phân bố năng lợng phổ của AMI, trong đó năng lợng phổ cực đại nằm ổkhoảng 0,5 tốc độ bit Dạng của nó giống nh miệng núi lửa, có một độ lõm ổ 0,5 lần tốc

độ bit và hai đỉnh nhỏ ở khoảng 0,45 và 0,55 lần tốc độ bit Mã này đợc sử dụng chủ

yếu cho các giao tiếp ghép kênh 2048, 8448 và 34.368 kb/s theo nh CCITT khuyến nghị(khuyến nghị G.703) Ngời ta sử dụng nó trong cấu hình mạng cục bộ Ethernel và đểtruyền đa số liệu

1.2.4 Mã CMI.

CMI là viết tắt của chữ Code Mark Inversion (đảo dấu mã) Mã là một mã NRZ haimức trong đó bit 0 nhị phân vẫn đợc mã hàng hai mức A1 và A2 tơng ứng, mỗi mứcchiếm một nửa khoảng thời gian đơn vị T/2 Bit 1 đợc mã hoá bằng các mức biên độ A1hoặc A2, mỗi mức chiếm toàn bộ thời gian đơn vị T, các mức này luân phiên thay đổi theocác bit 1 kế tiếp nhau Chú ý rằng đối với bit 0 luôn luôn có một điểm chuyển tiếp dơngtại điểm giữa của khoảng thời gian bit và đối với bit 1 có một chuyển tiếp dơng tại điểmkhởi đầu của khoảng thời gian đơn vị bit nếu mức trớc là A1 và một chuyển tiếp âm tạimột thời điểm khởi đầu của khoảng thời gian đơn vị bit, nếu bit 1 sau cùng đã đợc mã hoábằng mức A2 Lu ý rằng bit 0 đợc ký hiệu bằng 01 và bit 1 kí hiệu bằng 11 và 00 trongkhoảng thời gian của khe thời gian

1.2.5 Các mã khác.

Các mã đã đợc thảo luận là các mã nhị phân đợc sử dụng để truyền số liệu trongcác mạng nội hạt và tích trữ các số liệu trên băng từ hoặc đĩa Các mã này đã đợc tính đến,vì khả năng của chúng có thể sử dụng trong mạng ISDN để truyền các tín hiệu số trongmạng thuê bao hoặc trong mạng nội hạt

1.3 Truyền số liệu băng gốc.

1.3.1 Dung lợng của kênh.

Tốc độ số liệu cực đại, hoặc dung lợng C của kênh truyền dẫn có độ rộng băng tần

B vào tạp âm trắng Gauss băng hữu hạn đợc biểu thị:

C = Blog2 [ 1 + (S/N)0] bit/s (1)

ở đây S và N là công suất trung bình của tín hiệu và tạp âm tơng ứng ở đầu ra củakênh Công suất tạp âm đợc biểu thị bởi:

N =.B = /2 2B = /2 WNếu nh mật độ phổ công suất hai biên của tạp âm là /2 W/Hz và độ rộng songbiên là W

Dựa vào định lý Shannon - Hartley trong lý thuyết thông tin chúng ta rút ra 2 vấn

đề quan trọng liên quan đến thiết kế hệ thống thông tin:

1 Giới hạn trên có thể đạt đợc đối với tốc độ truyền số liệu trên kênh Gauss

2 Quan hệ của tỷ số tín hiệu trên tạp âm đối với độ rộng của băng tần

Từ định lý đó rút ra là có thể truyền một tín hiệu tơng tự có băng tần từ 0 đến tần sốcắt fm qua kênh có dải thông nhỏ hơn fm nếu sử dụng mã thích hợp Ví dụ giả sử tín hiệutơng tự đã đợc lợng tử hoá thành Q mức lợng tử sau mức lấy mẫu x lần với tần số lấy mẫuNyquist 2fm Sau đó số bit nhị phân đợc lấy mã là log2Q và tốc độ bit là 2xfm log2Q bit/s,

đó chính là dung lợng của kênh yêu cầu Từ phơng trình (1) dung lợng kênh lý thuyết Cn

có thể lớn hơn so với dung lợng yêu cầu đối với độ rộng băng tần hữu hạn của tín hiệu

t-ơng tự, ví dụ đến fm/2 bằng cách tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm, hoặc tăng mức năng suấtcủa tín hiệu

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 9

-1.3.2 Giao thoa giữa các ký hiệu.

Trong mục trớc ta đã nói về các dạng tín hiệu khác nhau và trong một số trờng hợp

đã mô tả phân bố năng lợng phổ đối với một dãy xung ngẫu nhiên để đa ra một khái niệm

về chiếm dụng băng tần của nó Trong mỗi một mã khác nhau đã mô tả giả thiết tín hiệu

đầu ra sau lúc mã hoá là xung vuông Nếu dạng xung này đã đợc cải biến thì phải thay đổidáng kênh băng gốc trong đó sử dụng dạng sóng số Thờng thờng sử dụng phơng pháp lọc

để cải biến dạng xung, sao cho có thể gạt đi những thành phần tín hiệu ngoài băng, nh vậygiảm đợc các thành phần xuyên âm tần số cao có thể xuyên vào các hệ thống băng cơ bảnkhác Sử dụng lọc trớc tách sóng, cũng nh lọc trớc pháp cũng tạo việc sửa dạng xung vàgiảm các thành phần tạp âm nằm ở ngoài giải tần của tín hiệu chủ yếu Vấn đề suy giảmchất lợng truyền dẫn có thể xuất hiện trong mạng số khi truyền tín hiệu qua một kênhthông tin Một trong vô số các nguyên nhân gây giảm sút chất lợng truyền dẫn trớc hếtphải kể đến môi trờng truyền dẫn và lọc tín hiệu số ở băng gốc trong một chừng mực nào

đó đã tạo ra giao thoa giữa các ký hiệu (ISI ) Nếu giả thiết rằng thời gian của mỗi digit là

T, hoặc từ mối quan hệ giữa độ rộng băng Nyquist/ tốc độ tín hiệu, rút ra độ rộng băng tầncủa tín hiệu hữu ích là 1/2T Tuy nhiên một tín hiệu ngẫu nhiên bất kỳ chiếm một băngtần vô hạn vì vậy cho nên hậu quả của việc giới hạn băng tần dẫn tới méo biên độ và gây

ra tiếng dội Năng lợng của tiếng dội trải từ xung này sang xung kế cận khác gây ra hiện ợng giao thoa giữa các kí hiệu Hiệu quả của việc trải xung còn gọi là tán xạ Mối quan hệgia băng tần Nyquist và tốc độ tín hiệu đợc miêu tả nh sau:

t-Có thể truyền các kí hiệu độc lập có tốc độ rs  2B kí hiệu/s qua một kênh thôngthấp có độ rộng băng tần B mà không có giao thoa giữa các kí hiệu Và ngợc lại, sẽ cóhiện tợng giao thoa giữa các kí hiệu nếu tốc độ của các kí hiệu độc lập rs  2B

Ngoài ra đối với tần số trên của tín hiệu giải thông lớn hơn nhiều so với độ rộngbăng tần B thì tốc độ kí hiệu tiến tới 2B Nh vậy, đa một tín hiệu số ngẫu nhiên vào mộtkênh có giới hạn băng tần Nyquist có độ rộng 1/2T, tức là độ rộng băng tần có ích thì tínhiệu đầu Nyquist bị sai lệch đi, trừ khi kênh không có tạp âm và cặp máy phát và máythu đồng bộ, khi đó giao thoa giữa các kí hiệu có thể bị ngăn lại sao cho không xuấthiện các lỗi digit Tuy vậy trong thực tế sự thăng gián của tạp âm, xuyên âm, méo biên

độ, méo pha thì IST là yếu tố có ảnh hởng lớn nhất đến hiệu quả truyền dẫn của kênhsố

13.3 Lọc băng gốc

Hình 1.3(a) bên trái chỉ ra một xung có độ rộng 2T/b, đối xứng qua trục biên độ tại

điểm t = 0, và biến đổi Fourier của xung này có dạng (1/f) Sin (fT/d), b = 2d, bắtnguồn từ hàm sinc ; sinc(x) = sin (x)/ x cũng đợc biểu thị trong hình 1.3 (a) (bên phải).Hàm sinc này có các điểm 0 cắt trục tần số tại các điểm  k.b/2T,ở đây k  1,2, ,n Phổtần của nó là vô hạn Nếu khi phổ này bị giới hạn do một bộ lọc thông cấp thấp lý t ởng thì

bộ biến đổi Fourier ngợc của nó cho ta một xung có dạng hàm sinc Tơng ứng với hình1.3(b) nếu tần số của bộ lọc thông cấp thấp lý tởng là 1/2T thì kết quả xung ra đợc trảirộng theo thời gian và không trở về không tại các thời điểm -T, +T mà kéo ra một khoảngthời gian lớn hơn T Xung ban đầu biểu thị bằng đờng gạch đứt quãng có độ rộng T/2 và

đối xứng qua trục tung Hiện tợng trải rộng của xung do bị giới hạn giải tần gây ra giaothoa giữa các kí hiệu tạo nên tạp âm cho các ký hiệu kế cận Hình 1.3 (c) chỉ ra tín hiệuvào là hàm sin Biến đổi Fourier của xung sinc này giống nh xung của bộ lọc thông thấp

lý tởng Nếu một bộ lọc có đặc tính tần số giữa Nyquist 0 và 1/2T ngợc với đặc tính tần sốtrong hình 1.3(b) thì phổ tần tạo ra sẽ là dạng bị cắt vuông ở phần trên, và nh trong hình1.3 (c) xung ra sẽ là xung sinc, cũng nh trong hình 1.3(b), và có các điểm không cắt trụchoành tại các điểm kT, với k= 1,2, ,n Xung ra này không biểu hiện giao thoa tại các

điểm không nói trên Việc ứng dụng bộ lọc có dạng sóng vơng vẫn không hoàn toàn thíchhợp vì sự tắt dần các đuôi xung diễn ra chậm và khi thiết kế bộ lọc có đặc tính hàm truyền

đạt thẳng đứng, ngời ta đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt và điều chỉnh chính xác trong tấtcả thời gian Điều đó dĩ nhiên là không thực tế Trong các hệ thống thực tế thờng sử dụng

bộ lọc ‘cosin tăng‘ băng tần của nó có thể truyền số liệu tốc độ rs bit/s giữa rs/2 >hình1.3(d) biểu diễn phổ và đờng cong giới hạn băng bằng đờng chấm biểu thị phổ của hàmsinc bị giới hạn băng

Hình 1.3(d) biểu thị biến đổi Fourier của các phổ này, giống nh một hàm sinc cảibiến trong miền thời gian cùng với xung lý tởng tơng ứng tạo nên từ hàm phổ sinc đầy đủ.Phổ cosin tăng bao gồm một phần biên độ không đổi và phần biến đổi có dạng hình sin(không chỉ ra trong hình)

1/rs  f   (rs/2) -

P(f) = (1/rs)[cos2(/4) ( f  - rs/2 + )], (rs/2) -    f (rs/2) + 

0  f  - rs/2 + Hình 1.4(a) và (b) biểu thị công thức (2) và tơng úng với  = rs /4 và 0 ( nó là sinc

rs t ) Từ đồ thị này, rõ ràng là các đuôi trớc và sau của s(t) tách nhanh hơn so với các đuôicủa sinc rs t Ngoài ra các đặc tính thích hợp khác của s(t) tồn tại khi = rs /2 là: độ rộngxung có biên độ trùng khít với khoảng cách từ xung này đến xung kia ( 1/rs ) và có các

điểm không tại

t =  (k+1)rs với k = 1,2, ,n

Nh vậy, một tín hiệu số có cực đợc tạo nên từ những xung nh thế có các điểm 0 cắtchính xác1/2 sóng giữa các tâm của xung, mỗi lần có một sự thay đổi cực tính Hình 1.4(c) miêu tả tình trạng này đối với tín hiệu nhị phân10100110 Các điểm 0 bổ xung này cóthể hỗ trợ khi tách tín hiệu định thời (đồng hồ) ra khỏi tín hiệu tin tức Để giảm giao thoagiữ các ký hiệu cần phải có sự dự tính khi sử dụng bộ lọc có đặc tính hàm biến đổi sinhoặc hàm cosin tăng là tăng yêu cầu độ rộng băng tần,hoặc đối với những xung Nyquist

có  =rs/2,giảm tốc độ tín hiệu với rs =B hơn là 2B

Khi truyền tín hiệu tốc độ rsbit/s dùng một thiết bị đặc biệt trong kênh băng gốc có

độ rộng BHz, khi sử dụng một băng tần khác cần phải biết tốc độ truyền dẫn này tốt hơnhay xấu hơn tốc độ truyền dẫn khác sinh ra bởi các loại thiết bị khác Nếu rs là tốc độ bittruyền dẫn đã đợc chuẩn hoá đối với độ rộng băng tần B của một Hz,lúc đó có thể xác

định hiệu quả của hệ thống bằng cách sử dụng đơn vị số bit truyền trên dây trên Hz hoặcbit/sHz Đơn vị này thờng đợc sử dụng để so sánh các loại hệ thống truyền dẫn số khácnhau sử dụng các mạch điều chế khác nhau

Dựa vào định lý Nyquist nói về độ rộng băng tần tối thiểu đã nói ở trên, ngời ta đãchứng minh rằng có thể truyền các ký hiệu độc lập có tốc độ rsqua một bộ lọc thông thấp

có băng tần B:

B = rs/2 (3)

Khi truyền nhị phân, thì một ký hiệu truyền đi chỉ chứa 1 bit thông tin, và nh vậytốc độ bit rb bằng tốc độ ký hiệu rs Do đó:

B = rs/2 = rb/2 đối với truyền nhị phân (4)

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 11

-Khi truyền M mức thì mỗi ký hiệu truyền đi gồm có m bit thông tin, với m=log2M.Tốc độ ký hiệu rs cho bởi rb/m và nh vậy độ rộng băng tần của tín hệu thực trở thành:

B = rb/2m = rb/(2.log2m) đối với truyền m mức (5)

Ba công thức này rất quan trọng vì nó là bớc đầu tiên trong việc xác định độ rộngbăng tần cần thiết để truyền luồng số liệu trong dạng đã đợc mã hoá hoặc không đợc mãhoávà cho phép xác định hiêụ suất phổ bằng bit/s/Hz Sử dụng bộ lọc cosin tăng sẽ tăng

độ rộng băng tần Nyquist lên B’:

B’= B +  =rs/2 +  = độ rộng băng tần thực tế (6)

Trong đó  là hệ số biến đổi, B băng tần Nyquist

1.3.4 Xác suất lỗi Pe trong truyền dẫn số.

Đánh giá ảnh hởng của tạp âm đến chất lợng của hệ thống thông tin ngời ta sửdụng tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu ra và xác suất lỗi.Tỷ số tín hiệu trên tạp âm là mộttrong những tham số chất lợng quan trọng nhất, nó yêu cầu đo lờng và điều khiển trong hệthống thông tin tơng tự, còn tơng ứng trong hệ thống thông tin số là Pe Xác suất lỗi có thểhiểu là:

Trong trờng hợp một hệ thống thông tin số đầu vào của nó có một dãy ký hiệu, do

ảnh hởng của tạp âm kênh (giả thiết là tạp âm Gauss) đầu ra của hệ thống sẽ có một dãydigit khác Trong một hệ thống lý tởng hoặc không tạp âm thì cả hai dãy vào và ra làgiống nhau, nhng trong hệ thống thực tế thỉnh thoảng chúng khác nhau Toàn bộ chỉ tiêucủa hệ thống thông tin số đợc đo bằng xác suất lỗi ký hiệu Pe, nó có đợc xác định là xácsuất dãy các ký hiệu vào khác với các ký hiệu ra Trong một hệ thống thông tin số thực

tế, giá trị Pe khoảng10-4 -10-7.Có một biểu thức thay thế cho xác suất lỗi, đó là:

Mức lỗi trung bình (BER) = Tỷ số lỗi trung bình (BER)

= Xác suất lỗi của Pe =Xác suất lỗi Pe

Chỉ tiêu chất lợng Pe là một độ đo chất lợng trung bình của một hệ thống, nhng nó

không chỉ ra tần suất xuất hiện lỗi Thông thờng nó là một đại lợng bắt nguồn từ lýthuyết, nó không chỉ ra bao nhiêu lỗi xuất hiện trong một giây Trong thực tế sử dụng tỷ

lệ bit lỗi (BER) cùng với các khoảng thời gian để tạo nên tính khách quan về chỉ tiêu chấtlợng đối với các hệ thống số Khuyến nghị G.821 của CCITT chỉ ra rằng tính khách quancủa chỉ tiêu chất lợng đợc biểu thị trong các từ: ’’Các tham số chỉ tiêu chất lợng lỗi’’,mỗi một từ trong đó đợc coi là phần trăm thời gian trung bình của mỗi một khoảng thờigian T0 trong đó BER vợt một giá trị ngỡng Định mức phần trăm trên một khoảng thờigian rất dài TL Khoảng thời gian TL, trong đó định mức phần trăm đã đợc xác định,không đợc định rõ,vì thời gian có thể phụ thuộc vào việc ứng dụng Ngời ta giả thiết thờigian chuẩn đó là một tháng bất kỳ Thời gian tổng TL đợc phân thành 2 phần mang tên làthời gian có khả năng nối đợc và khả năng không nối đợc Ngời ta sử dụng những BER

và những khoảng thời gian sau:

1 BER nhỏ hơn 1:10-6 trong khoảng thời gian T0 = 1 phút

2 BER nhỏ hơn 1:10-3 trong khoảng thời gian T0 = 1 giây

3 Không lỗi trong thời gian T0 =1 giây (điều này tơng đơng với khái niệm cácgiây không lỗi EFS)

Mục đích của chỉ tiêu chất lợng trongnhững phút suy giảm chất lợng là ít hơn 10%khoảng thời gian 1 phút có BER xấu nhất là 1:10-6 Điều này dựa trên một khoảng thời

gian trung bình của 1 phút Thời gian trung bình và trừ các lỗi xuất hiện trong các giây lỗitrầm trọng trong khoảng thời gian 1 phút này có thể cho phép qnan hệ với những lỗi xuấthiện đột ngột nhanh thoả mãn phần đặc biệt này của toàn bộ mục đích, nhng những trờnghợp nh vậy sẽ đợc điều khiển đến một phạm vi nhất định bằng mục đích của những giâylỗi trầm trọng Khoảng thời gian một phút đợc chia ra thời gian không thể khắc phục đợc

và các giây lỗi trầm trọng từ thời tổng và sau đó liên tục phân nhóm các giây còn lại thànhcác khối 60 Các khoảng thời gian một giây cơ bản đợc phân từ một mẫu thời gian cố

định Mục đích chỉ tiêu chất lợng trong các giây lỗi trầm trọng là bé hơn 0.2% của khoảngmột giây có BER xấu hơn1:10 -3 Mục tiêu chỉ tiêu chất lợng trong các giây lỗi có ít hơn8% của khoảng một giây có số lỗi bất kỳ Điều này tơng đơng với 92% các giây khônglỗi

1.3.5 Mã điều khiển lỗi.

Trong hệ thống thông tin số có thể xuất hiện 3 loại lỗi Đó là : lỗi thay thể, trong đó

có một digit gốc đợc thay bằng một số trạng thái khác, các lỗi bỏ sót, trong đó một kí hiệu

đã bị xoá đi khỏi luồng bit; và các lỗi trong đó một ký hiệu giả mạo đợc xen vào dòng bit,lỗi hay xuất hiện nhất là lỗi thay thế Tất cả các loại lỗi có thể xuất hiện trong các luồngbit nhị phân hoặc trong một ký hiệu nhiều mức Vì xác suất lỗi trong truyền dẫn là mộthàm trực tiếp của tỷ số tín hiệu trên tạp âm, một vấn đề xuất hiện là nếu vì một lý do nào

đó công suất tín hiệu bị giới hạn tại một số giá trị cực đại nào đó, điều đó dẫn tới xuấthiện lỗi với tần suất không chấp nhận đợc Trong truyền dẫn số liệu điện báo và facsimilengời ta quan tâm nhất việc sử dung mã bảo vệ lỗi, còn đối với tiếng nói thì không có tiêuchuẩn nh vậy Vì hiện nay đang hình thành một mạng số liệu tổng hợp làm cho chúng takhó mà xác định đợc phạm vi nào, vùng nào cần bảo vệ lỗi, phạm vi nào, vùng nào khôngcần Nhng điều không thể tránh đợc là phải đa ra mã điều khiển lỗi cho toàn bộ các hệthống để đảm bảo tính linh hoạt của chúng Dễ nhận thấy có hai điều kiện lỗi khác nhauxuất hiện trong truyền dẫn Loại đầu tiên là lỗi ngẫu nhiên, giữa các digit lỗi không tơngquan Loại thứ hai là các đột biến lỗi, ở đây phần lớn các digit kế tiếp nhau bị sai lệch Hailoại này có tính chất phổ biến vì thế ngời ta sử dụng chúng là yếu tố quyết định của loạimã điều khiển lỗi Các đột biến lỗi thờng xuất hiện từ những thiết bị nh các bộ trộn hoặccác thiết bị mã đờng dây, ở đó một lỗi duy nhất đợc mã thành một từ khác với từ gốc của

nó Điều này dẫn tới xuất hiện thêm các lỗi khác giống nh nhân hoặc mở rộng lỗi Trongthực tế tên thờng gọi của loại lỗi này là lỗi mở rộng Hiệu quả của lỗi mở rộng đợc đặctrng bằng khái niệm ‘tỷ lệ lỗi bit tơng đơng‘

(EBER) trong đó tỷ lệ lỗi bit đợc đo với điều kiện đã biết nguyên nhân do lỗi mở rộng đợcgiảm bằng một hệ số mở rộng lỗi tới hệ số về tỷ lệ lỗi bit tơng đơng Các đột biến lỗi cũng

là một đặc thù của truyền đẫ số qua mạng chuyển mạch điện thoại trong đó tạp âm xungchiếm u thế hơn so với tạp âm Gauss

Sử dụng rộng rãi các mã bảo vệ lỗi dể bảo vệ các mạch số liệu số và các mạch điệnbáo Ngời ta sử dụng các hệ thống Encription trang bị cho các hệ thốgn quân sự máy tínhcùng với thông tin điện thoại bảo mật để bảo vệ các thông tin bằng cách chọn các loại mãthích hợp Sử dụng các hệ thống này trong phạm vi mã cho thông tin cơ sở dữ liệu là khácvới mã để bảo vệ lỗi hoặc phát hiện lỗi Mã điều khiển lỗi thờng đợc tạo nên bằng cácmodem đấu nối của điện thoại hoặc một kênh thông tin của đờng dây hơn là trong hệ

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 13

-thống vô tuyến chuyển tiếp đờng dài, ngời ta cũng đánh giá và thử nghiệm một số mã sửasai khác nhau trên các hệ thống HF, đối lu và vệ tinh

1.3.6 Tái sinh tín hiệu số.

Quá trình cho phép truyền dẫn số tốt hơn truyền dẫn tơng tự, đó là quá trình tái sinhtín hiệu Tái sinh là một quá trình trong đó một tín hiệu số đã bị méo và bị tiêu hao đợctái tạo lại thành biên độ và dạng sóng đúng của nó Quá trình này có thể đa đến một địnhnghĩa khác của truyền dẫn số, vì tất cả truyền dẫn số đều cần đợc tái sinh tại một số điểmtrên đờng truyền dẫn Đối với một chuỗi tuyến truyền dẫn số, các bộ phận tái sinh có mặt

ở các mạch của bộ thu băng gốc để tiền khuyếch đại và sửa dạng tín hiệu vào đã bị tiêuhao, tán xạ và tạp âm xâm nhập vào trớc lúc tách sóng Bộ tách sóng thực chất là một bộtách sóng ngỡng, nó tạo nên ở đầu ra một xung xác định rõ ràng Mạch tách sóng cũng

có thể hoạt động dựa vào các dạng tín hiệu mà nó gần giống hình sin Mạch này bao hàmmột bộ khuyếch đại băng gốc, bộ lọc băng gốc mà độ rộng băng tần của chúng khôngcần phải lớnnh lúc yêu cầu để truyền dẫn một xung và nh vậy tạp âm đầu ra của băng gốcgiảm xuống Giảm độ rộng băng tần của bộ khuyếch đại băng gốc của máy thu làm nớirộng phổ xung, dẫn tới giảm liều lợng cho phép giao thoa giữa các ký hiệu và nh vậy tăngkhó khăn khi tạo nên ngỡng quyết định Kết quả tất yếu sẽ làm cho đồ thị hình mắt đónglại Thiết kế bộ tái sinh phải dung hoà giữa vấn đề giảm giao thoa khi nới rộng băng tần

và tăng tạp âm nhiệt, điều đó cũng sẽ tăng các ảnh hởng của trợt thời gian do ảnh hởngcủa tạp âm đến ngỡng quyết định

Trong vô tuyến số, bộ tái sinh thờng đợc bố trí trong các mạch tách bit, nó đa vàosau bộ giải điều chế và các tầng cân bằng ngang Phù hợp với hình 1.5 (b) các tín hiệu đ-ờng dây vào qua biến áp đờng dây và các mạch cân bằng đến một bộ khuyếch đại Từ bộkhuyếch đại này có hai đầu ra ngợc pha nhau đa vào bộ tách sóng ngỡng Đồng thời hai

đầu ra này cũng đợc mắc và đa đến mạch đồng hồ

1.3.7 Khôi phục thời gian và tách sóng ngỡng.

Mạch khôi phục thời gian hay còn gọi là mạch khôi phục đồng hồ đợc chỉ ra tronghình 1.5 (b), nó nhận các bit số liệu vào ở tốc độ bit đờng dây và nó làm hoạt động mộtmạch cộng hởng nối tiếp hoặc đa đến một vùng khoá pha Mạch đợc thiết kế sao cho ở

đầu ra không có các xung đờng dây Mạch đồng hồ trong trờng hợp này tạo ra hai sóngvuông ở đầu ra ngợc pha nhau để điều khiển các mạch tái tạo thời gian Khi đầu vào củamột bộ tách sóng ngỡng có tín hiệu 1 thì nó hoạt động Sau đó ‘1’ đợc truyền đến đầu racủa nó Vì tín hiệu đầu vào của các bộ tách sóng ngợc pha nhau, vì vậy tại thời điểm xác

định thì chỉ có một bộ tách sóng hoạt động Đầu ra của bộ tách sóng hoạt động sau đó đ ợc

đa đến một mạch flip- flop loại D bao gồm mạch tái tạo thời gian Khi đầu vào D ở mứccao (‘1‘) và hai trạng thái ổn định đợc chốt, ‘1‘ này đợc truyền đến đầu ra Q Trạng tháinày đợc duy trì cho đến lúc khi đầu vào xuất hiện một xung xoá đờng đi vào Vì các xung

đồng hồ và các xung xóa là ngợc pha nhau, nên các đầu ra Q từ các mạch tái tạo thời giantạo ra dạng tín hiệu thời gian đã đợc khôi phục của tín hiệu vào Sử dụng biến áp ra để tạonên tín hiệu song cực giống nh đã xuất hiện trên đầu vào của bộ tái sinh và để phối hợp trởkháng với đờng dây Hình 1.5 (c) chỉ ra sơ đồ khối của một bộ lặp IF vô tuyến số140Mbit/s, trong đó chúng ta có thể nhìn thấy các mạch tách bit chứa bộ tái sinh Hình 1.5

(d) chỉ ra một thiết bị đầu cuối thông thờng Các mạch tái sinh đợc thể hiện trong phầnthu.

Chơng II - Điều chế và giải điều chế trong vi ba số

Bộ điều chế số và giải điều số là một phần của máy thu và máy phát vi ba số Điềuchế là phơng pháp mà ngời ta đa tín hiệu của tin tức cần gửi đi vào khống chế dòng caotần của máy phát làm cho dòng của máy phát biến đổi theo qui luật của tin tức cần gửi đi Dòng cao tần tổng quát có dạng:

Tín hiệu là một dãy xung nhị phân cho nên việc điều chế trong vi ba gọi là điều chế

số Trong một máy phát số, bộ điều chế xắp xếp chuỗi digit nhị phân thành một bộ tơngứng M biên độ sóng mang gián đoạn, pha sóng mang hoặc di tần gián đoạn từ tần số sóngmang hình sin Những sự khác nhau theo sự xắp xếp này đã đa ra ba loại điều chế khácnhau

Các phơng thức điều chế đó là:

Điều biên số: (ASK) còn gọi là khoá dịch biên độ

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 15

Điều tần số: (FSK) gọi là khoá dịch tần số

Điều pha số: (PSK) còn gọi là khoá dịch pha

Ba phơng thức trên đây là các phơng thức cơ bản của điều chế số.Trong thực tế ứngvới từng phơng thức có thể thực hiện nhiều kiểu khác nhau

Các dạng điều chế khác thờng đợc dùng trong truyền dẫn vi ba số là tổ hợp PAM

và PSK,và gọi là: Khoá pha biên độ (APK)

2.2 Phơng pháp điều biên số: (ASK) Khoá dịch biên độ

Hình vẽ minh hoạ quá trình điều chế biên độ một sóng mang với tín hiệu nhị phân

10101101 Nếu nguồn số có M trạng thái hoặc mức và mỗi một mức đại diện cho một chu

kỳ T thì dạng sóng đã điều chế tơng ứng với trạng thái thứ i là Si(t) đối với điều biên xung(PAM) hoặc theo kiểu khoá dịch biên độ (ASK) sẽ là: Si(t) = Di(t) A0 Cos0t

Trong đó Di(t) là mức thứ i của dạng sóng nhiều mức có độ rộng T Giả sử số mứcgiới hạn là hai nh là đối với tín hiệu số nhị phân và nh vậy tần số sóng mang tơng quan

đến độ rộng T của dạng sóng vuông nhị phân nh sau: 0 =2n / T Dẫn tới mật độ phổcông suất (psd) có biểu thức:

psd ASK = (A2 /16) [ ( f-f0) + (f+f0) + sin2  T(f-f0)/ 2T(f-f0) +

+sin2 T (f+f0)/2T(f+f0)]

Chú ý rằng nếu sử dụng một bộ lọc tơng đơngtrong đó f0 = 0 thì nói chung phổ ra

sẽ không có bất kỳ một suy hao nào sẽ là:

psd ASK = (A2/16) [ (f+f0) + sin2  T (f+f0)/2 T(f+f0)Phổ đối với biểu thức trên có hai phần:

Phần một gồm các hàm denta Dirac bao hàm các thành phần phổ giánđoạn cáchnhau những khoảng tần số 1/T Những thành phần tần số gián đoạn này biến mất nếu nhchuỗi nhị phân có giá trị trung bình bằng 0 hoặc với một tín hiệu M mức khi mỗi mức Mgần nh bằng nhau Điều đó cho phép tín hiệu phổ của tín hiệu điều chế số đợc chọn trongkhi thiết kế hệ thống bằng cách chọn thích hợp chuỗi tin đợc truyền đi

Phần thứ hai là phổ liên tục mà dạng của nó chỉ phụ thuộc vào đặc tính phổ củaxung tín hiệu Đối với trờng hợp đơn giản digit nhị phân đợc biểu thị trong phơng trình,xung của thành phần phổ gián đoạn chỉ tồn tại ở tần số sóng mangdo có các điểm 0 củaphổ cách nhau những khoảng tần số 1/T

Phổ vẽ trên hình chứa 95% công suất của nó trong độ rộng băng 3/T hoặc 3x (tốc

độ bit) Độ rộng băng có thể giảm bằng cách dùng xung cosin tăng Kết quả là các điểm 0của phổ xuất hiện ở những khoảng f0  n/T, ở đây n =1,2 Do đó tất cả các thành phầnphổ gián đoạn biến mất trừ khi f = f0 và f = f0  1/T Phổ của xung cosin tăng có búpchính rộng hơn làm cho độ rộng băng ASK bằng xấp xỉ 2/T Việc thu tín hiệu ASK đãphát đi có thể đạt đợc bằng hai cách:

Cách 1 là giải điều chế kết hợp dùng các mạch phức hợp để duy trì kết hợp pha gi ãsóng mang phát và sóng mang nội

Cách 2 là quá trình giải điều chế hình bao không kết hợp

định nào Đối với những hệ thống tách sóng kết hợp thực tế pha sóng mang là một lợc ớctính ở những nơi các dạng sóng tín hiệu M khả năng có thể phát đi đợc thì bộ giải điều chếphải quyết định xem khả năng nào thực tế đã phát đi Vì tạp âm cộng vào với tín hiệu nên

có xác suất vô định, có thể trạng thái tín hiệu thứ i bị nhầm sang các trạng thái bên cạnhgần nhất Xác suất của lỗi xác định là cực tiểu nếu nh bộ giải điều chế lựa chọn tín hiệuthu đợc có xác suất lớn nhất của tín hiệu Si và xử lý nh là tín hiệu đã đợc phát đi Chiến l-

ợc quyết định này gọi là ‘tiêu chuẩn cực đại hoá hậu xác suất‘

(MAP) và đã chứng tỏ là tối u đối với tạp âm Gaussian ‘trung bình - không‘ Và các trạngthái có khả năng nh nhau Có hai loại giải điều chế tối u: loại thứ nhất là loại tơng quan -chéo và loại thứ hai là loại lọc phối hợp Hình vẽ minh họa hai loại điều chế này

Với một tín hiệu ASK nhị phân, máy thu trên sơ đồ có thể dùng tách sóng kết hợp.Mạch thiết thực là bộ giải điều chế lọc - phối hợp có tín hiệu đầu vào thu đợc Si(t) cùngvới tạp âm trắng n (t) đã thêm vào trong quá trình truyền dẫn Máy thu sau khi lọc bỏ tạp

âm và hạn chế giữ lại tín hiệu theo độ rộng băng yêu cầu (2/T3T) sau đó nhân (trộn) vớitín hiệu nội Accos0t Bộ dao động nội có thể đợc biểu thị bằng hiệu số của trạng tháidạng sóng tín hiệu S1(t) - S0(t) đợc đồng bộ một cách cẩn thận với tần số và pha của sóngmang thu đợc Tín hiệu sản phẩm này sau đó đợc tổ hợp nhờ mạch ‘ tổ hợp và gom lại ‘

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 17

-xung

p(t)

A216

Sử dụng mạch này nhờ một bộ tích phân hoàn hảo khó có thể xây dựng đợc Đầu ra củamạch tổ hợp đợc so với ngỡng đặt ở giữa trị số U1 và U0 là với trờng hợp khi S1(t) thu đợckhông có tạp âm, bộ tổ hợp tính toán và đa sang bộ tách sóng quyết định.

n(t)

S(t)

S1(t) – S0(t) = Accos0t

Ma trận quyết

ký hiệu thích ứng

Nếu U1 Uo tức là mức vào lớn hơn mức ngỡng thì bộ tách sóng sẽ xác định S1(t)

là tín hiệu đợc phát đi tơng tự nếu mức vào nhỏ hơn mức ngỡng quyết định So(t)đợc phát

đi

Hai dạng sóng tín hiệu nhị phân ASK có thể đợc biểu thị:

So(t) = Ao cos0tPhân biệt những sóng này ở đầu ra bộ tích phân xác định độ chênh lệch  về mứccũng giống nh xác định độ chênh lệch các mức lợng

Nh vậy:

 =  U1 –Uo  =  [ S1(t) - So(t) ]2 dtTrị số U1 vợt quá ngỡng /2 và Uo nằm dới ngỡng /2 thay biểu thức có thể tìm đ-

ợc trị số  đối với tín hiệu ASK

 = (A1 - Ao)2  cos20tdt = (A1- Ao)2(T/2) = Ac2.T/2

Trong trờng hợp không có tổn hao biên độ Nh vậy việc đặt ngỡng tách sóng tối u

sẽ là:

(ngỡng)opt = (U1-Uo)/2 = Ac2T/4 = /2Vì tín hiệu S1(t) có ở đầu vào máy thu trung bình chỉ một nửa thời gian công suấttín hiệu thu trung bình

SAV = Ac2/4

* Xác suất lỗi Pe

Khi tạp âm gaussian của phơng sai 2 đợc đa vào mạch quyết định một mức sai cóthể đợc tách ra

Phơng trình:

Pe = P(1).P(0/1) + P(0).P(1/0)Nên:

Pe = P(1)P(n -/2) + P(0).P( n/2)Trong đó n là công suất tạp âm

Giả sử các digit có xác suất nh sau, từ phơng trình trên ta có:

Pe = P (n/2) = (1/2)  exp ( -n2/22 ) dn = (1/2)erfc  /22

Trong đó 2 là phơng sai của phân bố công suất tạp âm

Điều này phải liên hệ với ngỡng tách sóng tối u để biểu thị xác suất lỗi dới dạng tỷ

số của sóng mang vào cha điều chế trên tạp âm C/N

Công suất tạp âm có mặt ở đầu vào máy thu càng biểu thị thích hợp hơn nh côngsuất trên tần số đơn vị sẽ bảo đảm dù cho các bộ lọc tồn tại Mật độ phổ tạp âm đi quachúng cũng không tác dụng

Theo cách xử lý này tạp âm sẽ đợc xem là nh nhau trong toàn dải phổ, mật độ xungsong biên  watt/Hz là giá trị không đổi trong toàn băng đợc xem xét Nh vậy công suấttạp âm đi qua một bộ lọc lý tởng với tăng ích bằng 1và độ rộng băng song biên (2B = W)

là B Watts Điều này cũng tơng đơng đối với độ rộng băng đơn biên B đợc nhân lên vớimật độ phổ tạp âm  Trong chơng này những ngiên cứu cho ta các phơng trình về nhữnggiá trị C/N dựa trên tạp âm song biên Các đồ thị cũng chỉ rõ độ rộng băng tạp âm songbiên, giả sử giải điều chế đối với IF độ rộng băng RF sẽ lấy trung điểm là tần số trung tâm

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 19

-của IF Trờng hợp xác suất lỗi ASK yêu cầu đề cập đặc biệt vì xác suất lỗi đã đợc tínhtoán trên cơ sở chỉ một nửa công suất đợc phát đi.

Để thực hiện việc so sánh với những sơ đồ điều chế khác, công suất này đã đợcnhân đôi đối với các đờng cong trên sơ đồvà phơng trình PeASK nhị phân Những phân tíchtrớc đây không đợc chặt chẽ và chỉ giới thiệu để biểu thị ngắn gọn là những phơng trình

Pe đã đợc rút ra

Tạp âm đi vào mạch quyết định trong sơ đồ lấy từ:

n0 (t) =  n(t)[S1(t) – S0(t)]dt Vì tạp âm này có bình quân không lấy từ phơng trình 2 = E(x2) - [E (x)]2, là phơngsai đợc lấy ra từ:

N0(t)= E[n0 (t)] = 2 = (1/2)(/2)  [S1(t) – S0(t)2dt = (/4).

Nh vậy ta có: 2 = (/4).

Pe = 1/2 erfc [(./2)1/2]Giả sử công suất sóng mang cha điều chế là Ac2/2 và nh phân tích ngẵn gọn ở trênsuy ra là tạp âm Gausian cộng thêm vào tín hiệu đã điều chế sẽ nằm trong một độ rộngbăng bằng độ rộng băng Nyquist song biên và với độ rộng băng bằng tốc độ bit rb Sau đó

sử dụng các phơng trình ta có tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/N) ở trong độ rộng băngNyquist song biên là:

Hình 2.5 - Sơ đồ khối bộ giải điều chế không kết hợp

Hình 2.6 - Rayleigh và rice pdfs đối với tạp âm giải điều chế ASK

S(t)

Ra

Rayleigh

Tách sóng hình bao thực hiện đơn giản hơn thực hiện tách sóng kết hợp vì sự kếthợp pha tín hiệu không yêu cầu trong quá trình tách sóng.

Bộ tách sóng hình bao đơn giản đợc thực hiện tiếp sau các bộ khuyếch đại IF hoặc

ở những chỗ không có tầng chuyển đổi sau bộ lọc băng vào RF

Ta sét sơ đồ khối một bộ điều chế không kết hợp ASK nh hình 2.7 Hệ thống táchsóng bao gồm một bộ lọc thông băng phối hợp với dạng sóng vào nhị phân I ASK nh sơ đồtrớc, theo sau là một bộ tách sóng hình bao và một bộ tách ngỡng (chuyển đổi A/D) Giả sử

bộ lọc có độ rộng băng hai lần, tốc độ bit là 2/T và tần số trung tâm 0 thì dạng sóng nhịphân vào I ASK sẽ không bị méo quá mức

Công suất tạp âm ở đầu ra bộ lọc tìm đợc ở phơng trình: N0 = 2 =B là:

n(t) = 2 =B = 2/T

Tính xác suất lỗi gồm hai pdfs Khi một zero ASK đợc phát đi, hình bao đạt đợc ở

đầu ra bộ tách sóng hình bao có pdf (fo) Rayleigh trong phơng trình:

-> fo = (x/2) exp(-x2/22) , x>0

pdf thứ hai là Rice pdf (f1) khi có một nhị phân ASK đợc phát đi và đợc biểu thịtrong:

f1 = [ (x/2)I0 (xAc/2) exp {-(x2 + Ac2)/ (22)} , x>0

Trong đó I0 =I0(u) là hàm Bessl biến cải của loại thứ nhất và cấp zero xác địnhbằng:

Cũng có thể tìm đợc giới hạn đờng biên thấp hơn do đó Pe đối với trờng hợp tạp âmsong biên cho trong biểu thức:

Exp[(-1/4)(w/rb)(C/N)]> Pe > (1/2) exp[(-1/4)(w/rb)(C/N)]

Nếu Ac >> 

Biểu thức này đợc biểu diễn trong sơ đồ, đối với độ rộng băng tạp âm dải điều chế

w bằng tốc độ bit rb Vì sóng mang mở và đóng theo dạng sóng nhị phân nên loại điều chếnày đợc hiểu là khoá tắt mở (0 0k) hoặc sóng mang đợc mở hoặc đóng hoàn toàn Nếu tínhiệu nhị phân hai cực sinh ra một sự đảo về biên độ sóng mang sao cho nhị phân 1 tạo ra đ-

ợc một sóng mang với biên độ +Ac và nhị phân không tạo đợc một sóng mang với biên độ

-Ac Kết quả sẽ có một loại điều chế khác quan trọng nh ta đã biết là khoá dịch pha (PSK)

Ta có thể thấy trên sơ đồ là cả hai phơng pháp tách sóng ASK kết hợp và không kếthợp hầu nh tạo ra các kết quả nh nhau Sự khác nhau giữa trị số C/N nhỏ hơn 1.5dB khi Pe

 10-3 và sẽ cải thiện khoảng 0,5 dB ở những giá trị nhỏ nhất của Pe

Phơng pháp tách sóng không kết hợp hay tách sóng hình bao yêu cầu một tỷ số C/

N cao hơn đối với cùng tỷ lệ lỗi bit nh loại ASK kết hợp, không phải là phơng pháp điều

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 21

-chế dùng rộng rãi vì phơng trình : Sav = Ac2/4 chỉ ra rằng công suất trung bình của tín hiệu

điều chế bị giảm Khi ASK kết hợp so sách với khoá dịch pha và tần số, vấn đề trở nên rõràng vì những kỹ thuật điều chế này sử dụng hoàn toàn đầy đủ sóng mang Xét thêm vềcông suất xác suất lỗi kém hơn khoảng 3 cấp so với một hệ thống băng gốc đ ợc thiết kếcẩn thận Sự lọc không hoàn hảo và những chi phí cộng thêm những khó khăn kết hợp cùngvới việc tạo nên những bộ lọc thông băng phối hợp Tất cả những cái đó dẫn đến sản phẩm

ra không tốt khi so sánh với những hệ thống điều chế khác

2.2.3 ASK M trạng thái (M-ary).

Các hệ thống ASK M trạng thái đều không thông dụng và ít khi tìm thấy trongdanh mục của các hãng chế tạo Xác suất lỗi P của các hệ này dựa trên các lỗi ký hiệu vàkhông phải lỗi bit Vì mỗi kí hiệu gồm có log2 Mbit, tỷ số lỗi bit nằm giữa Pe /log2 M và

Pe, mối tơng quan tuỳ thuộc vào loại mã đã sử dụng Cũng vậy do tốc độ bit cao hơn Mtrạng thái để nhằm mục đích so sánh độ rộng băng phải hạ tỷ lệ xuống và cả tỷ số sóngmang trên tạp âm và Pe cũng đều hạ tỷ lệ xuống cùng một lợng

Đối với trờng hợp kết hợp :

PeASK kết hợp = [(M-1)/M] erfc [(3/4).1/(M-1).1/(2M-1)(w/rs)(C/N)]1/2Trong đó M là hệ số méo của biên độ sóng mang mà tín hiệu số đã mã vào đó Vớitín hiệu nhị phân M=2 và phơng trình trên rút ngắn lại

C/N = antilog [C/N dB/10] để chuyển thành một tỷ số

Công suất tạp âm song biên đợc sử dụng vì kỳ vọng rằng sóng mang sẽ

nằm ở giữa băng có bộ lọc thông băng thu và có độ rộng băng bằng hai lần tín hiệu tintức, đó là: W = rs = rs/log2 M

Đối với trờng hợp không kết hợp:

exp[(-3/4)1/(2M-1)1/(M-1)(w/rb)(C/N)1/2]>PeASK không kếy hợp

PeASK không kết hợp >(1/M)exp [(-3/4)1/(M-1)1/(2M-1)(w/rs)(C/N)]1/2

Với Ac >> 

2.3 Điều pha số (PSK) - Khoá dịch pha.

Hình vẽ minh hoạ quá trình điều chế pha một sóng mang với tín hiệu nhị phân

10101101 Trong PSK nhị phân có hai loại sóng có thể biểu thị bằng:

S1(t) = A cos0tS0(t) = -A cos0t = A cos(0t + )S1(t) đại diện cho nhị phân 1 và S0(t) đại diện cho nhị phân 0 Nh đã nói trớc đâybiên độ sóng mang của một sóng mang ASK lúc tắt lúc mở Còn đối với PSK, biên độ giữnguyên không đổi trong quá trình truyền dẫn nhng bị chuyển giửatạng thái +A và -A, nhvậy hoàn toàn tơng phản trạng thái -A có thể tơng ứng khi có một pha thay đổi 1800 nh đãchỉ rõ trong phơng trình Tuy nhiên yêu cầu độ rộng băng đối với ASK và PSK là giốngnhau thể hiện rõ trong hàm mật độ phổcông suất Ta có biểu thức:

P(f)PSK = (A2/4).sin2  T (f-f0)/2T (f-f0)2 + sin2T (f+f0)/2T (f+f0)2

So sánh với phơng trình psd ASK ta thấy rằng chỉ có sự khác biệt giữa hàm mật độphổ công suất P(f)PSK và hàm mật độ phổ công suất đối với ASK là phổ PSK không chứadenta Dirac hay các hàm xung ở tần số mang và đó là dạng điều chế nén sóng mang

Hình vẽ biểu diễn mật độ phổ công suất của tín hiệu ASK nhị phân, đồ thị này cóthể đợc xem xét dới dạng phổ ASK nếuP(f) là A2/4 đối với fo và xung ở fo bị di chuyển

đi Nh với ASK việc thu tín hiệu PSK đã đợc phát đi có thể đạt đợc bằng hai cách

Cách1: Là giải điều chế kết hợp nói chng sử dụng mạch nh sơ đồ khối trong đó cácmạch phục hồi sóng mang bảo đảm tín hiệu nội(gốc) đồng bộ về pha đối với tín hiệu tới

Cách 2: là mã hoá vi sai PSK (D PSK) trong đó đối với D PSK nhị phân i đợc phát

đi bằng cách dịch pha sóng mang 180o tơng đối so với pha sóng mang trong khoảng tínhiệu trớc đó

Giải điều chế thực hiện đợc nhờ so sách pha của tín hiệu thuở hai khoảng thời gianliên tiếp

(ngỡng tối u) ppt = (U1 + U0)/2 = 0 là độc lập với cờng độ sóng mang ở đầu vào thu

Vì sóng mang có mặt tại mọi thời điểm nên công thu trung bình là:

Đồng bộ

S(t

Vào

Tạp âm đi vào mạch quyết định đợc định bởi N = .B

Trong đó 2B = W là độ rộng băng tạp âm song biên

Pe PSK = 1/2 erfc [(C/N) ( /rb0 cos2]1/2

2.3.2 PSK vi sai kết hợp (D PSK).

Sơ đồ khối của máy thu trong giải điều chế D PSK Trong hệ thống này máy phátdịch pha sóng mang đi 1800 so với pha trong khoảng tín hiệu trớc đó, một khi digit nhịphân 1 đã đợc phát đi Máy thu giải điều chế tin tức nhị phân bằng cách so sánh pha củatín hiệu thu với pha trớc đó trong khoảng trớc

Ưu điểm của hệ thống này là giải mã sóng mang đã điều chế mà không cần tínhiệu dao động nội kết họp Vì vậy sơ đồ điều chế PSK vi sai kết hợp có thể xem nh mộtloại không kết hợp của sơ đồ PSK kết hợp đã nói trên đây (Tạo các tín hiệu D PSK đ ợcminh họa trên hình vẽ)

Để ví dụ, tín hiệu nhị phân phát đi đợc chuỗi b’(t) một digit và lúc bắt đầu củachuỗi chọn tuỳ ý Những digit kế tiếp trong b’(t) đợc xác định theo biểu thức:

B’k = b’k-1 bk + b’k-1 b’kTrong đó A+B = AB + AB chính là biểu thức Bool ‘hoặc-loại trừ‘ Có thể xác định

đợc chuỗi mã hoá b(k) sử dụng mã nhị phân 10101101 nh ở trong bảng mã hoá vi sai b(t)

Trớc khi chuỗi vi sai b(t) xuất hiện ở đầu vào bộ dịch mức, mức vào giữ mức điện

áp cố định phù hợp với một trạng thái logic nhị phân

Trong ví dụ đã cho tuỳ mức tuỳ chon tơng ứng với mức nhị phân 1 chuỗi vi sai b(t)sau khi có mức logic của nó đổi từ giá trị điện áp dơng sang âm, bộ dịch khoá pha

sóng mang đi vào bộ điều chế cân bằng Đầu ra bộ điều chế sóng mang thay đổi pha khib(t) thay đổi

Lý do tại sao pha phát đi dịch 00 khi đợc phát đi thay vì dịch 1800 là để đề phòngmột sóng mang không chứa dịch pha và có phổ tơng đối hẹp sảy ra nên một chuỗi dài ‘0‘

đợc gửi đi

Xử lý logic

Đ.khiển

Trễ T

Số liệunhị phân b’(t)

s(t)

Khi 1 đợc phát đi truyền dẫn  +  radian với  chọn bằng  radian và truyền dẫn

 radian khi ‘0‘ đợcphát đi cho phép pha sóng mang bị dịch ở từng khoảng tín hiệu ngaycả khi một chuỗi dài ‘0‘ đợc gửi đi Kết quả này đợc thể hiện trong phổ tín hiệu với độrộng phổ xấp xỉ bằng 1/T Các thành phần phổ sóng mang đợc sử dụng trong một số tr-ờng hợp để duy trì đồng bộ thời gian ở máy thu

Phơng pháp khôi phục tín hiệu nhị phân cùng một sóng mang D PSK minh hoạtrong hình vẽ Tín hiệu vào S1(t) cộng với tạp âm n(t), trớc hết đợc lọc để hạn chế côngsuất tạp âm sau đó đi qua bộ nhân hoặc bộ hiệu chỉnh, ở đó nó đợc nhân số đảo bit tínhiệu trễ của tín hiệu vào Tín hiệu của bộ nhân đi qua bộ phân tích hay bộ lọc thông thấp

để tách ra hai tần số mang từ dạng sóng tín hiệu và tiếp đến đi vào mạch quyết định trong

đó nó so sánh với điện áp zero Việc quyết định thu đợc 1 hay 0 tuỳ thuộc vào điện áp ra

bộ nhân dơng hay âm Những u điểm của hệ thống DPSK với PSK là mạch điện khôngphức tạp để tạo nên sóng mang nội ở máy thu Tạp âm xảy ra trong so sánh pha (chuẩnpha ) trong quá trình truyền dẫn có xu hớng bị khử bỏ và sự suy yếu chất lợng không lớn

nh lúc xuất hiện nhng việc xác định bit trong mạch quyết định có thể dựa vào tín hiệu thu

đợc trong hai khoảng liên tiếp nhau, tạp âm trong khoảng 1 bit có thể gây ra lỗi đối vớicác yếu tố xác định 2 bit

Nh vậy có một yếu tố tăng lỗi trong đó các lỗi bit có khuynh hớng xuất hiện từng

đôi Tỷ số lỗi của DPSK do đó sẽ lớn hơn PSK 1 hoặc 2dB cùng một tỷ số sóng mang trêntạp âm

2.3.3 PSK M trạng thái (M.ary).

Loại sơ đồ điều chế này là một trong những sơ đồ thông dụng nhất trong truyềndẫn vi ba số Nhất là điều chế 4 PSK hay PSK cầu phơng (QPSK) Cũng nh trong các hệthống băng gốc PAM, sơ đồ tín hiệu trạng thái đợc sử dụng để truyền dẫn m tín hiệu sốriêng biệt qua mộtkênh hạn chée đơn biên bằng cách thay đổi pha sóng mang theo M (b -ớc) bậc gián đoạn Ưu việt của điều chế sóngmang máy phát với tín hiệu số khác biệt đến

từ M nguồn khác biệt có tốc độ bit thấp hơn và độ rộng băng vẫn giữ nguyên

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 25

-Chuyển nối tiếp song song

Điều chế cân bằng

Điều chế cân bằng

Dịch pha

90 0

Lọc băng 

2700

Ví dụ xét một luồng bit nhị phân có xác suất ‘1 ‘ và ‘ 0 ‘ nh nhau và tốc độ bit là rb/s Độ rộng băng chứa 99% công suất cân có để phát tin tức này bằng PSK và thu theoPSK kết hợp hay DPSK với các dạng sóng khác nhau, sẽ là:

Độ rộng băng 99% nhị phân PSK = 19,3 rb (vuông)

= 3,74 (sin)

= 2,96 (cosin - tăng) = 3,28 (tam giác)Bây giờ ta xét trờng hợp trong đó luồng bit nhị phân này đợc tạo mã trên sóngmang để cho M trạng thái pha khác nhau Số lợng bit mã hoá cần để làm điều này lấy từlog2M Do dố tốc độ ký hiệu rb của tín hiệu mã hoá dùng trong truyền dẫn cũng tính gần

đúng theo log2M:

rs = rb (log2M)Vì thế độ rộng băng PSK với M - ary giảm xuống gần hệ số log2 M mà vẫn truyền

= 3,651r2/2 = 1,83 rb (tam giác) Thông thờng độ rộng băng đợc xác định với một tốc độ bit đã cho phần nào hơn độrộng băng 99% thờng lấy là:

rb /0,8 với PSK nhị phân

rb /0,9 với 4 PSK

rb /2,6 với 8 PSK

rb /2,6 với 16 PSKVì hiệu dụng độ rộng băng bằng tốc độ bit rb chia cho độ rộng băng trung tần IFtức là rb/w nên phổ hiệu dụng thực tế với:

PSK là 0,8 bit/s/Hz,

Q PSK là 19,9 bit/s/Hz8PSK là 2,6 bit/s/Hz16PSK là 2,9 bit/s/Hz

Hồi phucsóng mang

Chia công suất

Việc giảm độ rộng băng của hệ PSK M trạng thái cho phép tốc độ bit nhị phân caohơn (qua hệ số log2 M) vào máy phát đợc dẫn vào hệ thống điều chế PSK nhị phân quamột độ rộng băng đủ thoả mãn đối với tốc độ bit tín hiệu nhị phân và duy nhất Giới hạnbăng của hệ thống vô tuyến là một vấn đề quan trọng vì phổ radio là một tài nguyên cóhạn cần phải đợc sử dụng có hiệu quả để thỏa mãn các nhu cầu tăng lên về dung lợngtruyền dẫn Việc giới hạn băng tần đã định và giảm đợc công suất tín hiệu ngoài băng.

Chức năng lọc hỗn hợp giữa máy phát và máy thu cũng đợc thiết kế để chặn tạp âmkênh lân cận ảnh hởng đến nhỏ nhất và để tách sóng tối u ở máy thu Trong hệ thống PSK

M trạng thái pha của sóng mang đợc phép có bất kỳ trạng thái pha nào:

k = 2k/MTrong đó k = 0,1,2 M-1, và mỗi trạng thái pha hay dạng sóng đều có năng l ợngbằng nhau Nh vậy M khả năng tín hiệu đợc truyền đi trong một khoảng ký hiệu Ts (Ts = 1/rb) đợc biểu diễn theo:

Sk (t) = A cos ( 0 t + 2k/M +  )

k =0,1,2 M-1, với 0<Ts

Mở rộng hàm cosin này dạng sóng tín hiệu k có thể biểu diễn nh sau:

Sk (t) = A1 cos0 t - Aq sin 0t Trong đó:

A1 = A cos (2k)/M + ) và Aq = A sin (2k)/M + )

k = 0,1 ,2 M-1Tín hiệu trong phơng trình có thể xem nh hai sóng mang trực giao với biên độ A1

và Aq tùy theo pha đợc phát đi 2k/M trong bất kỳ khoảng tín hiệu Ts Hình vẽ minh họahình sao tín hiệu đối với nhị phân ASK, 4 ASK, 2 PSK, 4PSK hay QPSK và SPSK 8 trạngthái pha Những pha của sóng mang PSK liên quan đến tín hiệu đã cho trong phơng trình

đợc biểu thị bằng những điểm trong mặt phẳng ở cách gốc một khoảng A và khác nhaumột góc 2k/M cho phép quyết định dấu nếu nh pha tín hiệu thu nằm trong pha ngỡng 

/M của pha phát đi Đối với trờng hợp  = 0 dạng sóng có 4 khả năng, mỗi dạng sóng

đ-ợc truyền đi trong khoảng Ts từ phơng trình chung đđ-ợc biểu diễn nh sau:

S0 (t) = A cos 0 tS1 (t) = -A sin0 tS2 (t) = -A cos 0 tS3 (t) = A sin0 t với 0<T<Ts

Nh ta có thể thấy dạng sóng này tơng ứng với các độ lệch pha sóng mang là 00,

900,1800, 2700 Nếu  = /4 thì S0(t), S 1(t), S2(t), S 3(t) sẽ bị dịchđi 45 0 ngợc chiều kim

đồng hồ quay quanh sơ đồ hình sao

Việc định các khối m bit tín hiệu vào đối với m trạng thái điều chế khác nhau haycác trạng thái pha thờng đợc thực hiện bằng một mã cho phép các trạng thái pha lân cậnkhác một digit nhị phân của từ mã M bit đã mã hoá Sự tạo mã mà nó cho phép việc này đ-

ợc điễn ra đợc gọi là mã Gray Sự thay đổi chỉ một bit ở thời điểm giữa các trạng thái pha

kề nhau trong quá trình giải điều chế ngăn các biến logic xảy ra và bảo đảm là hầu nh cáclỗi xảy ra (đó là việc lựa chọn lỗi của trạng thái pha lân cận) chỉ tạo ra một bit chứ khôngphải là lỗi bit nhân

Hình vẽ minh hoạ bộ điều chế gồm QPSK và bộ giải điều chế kết hợp Luồng bitnhị phân đi vào bộ chuyển đổi nối tiếp - song song Hai luồng bit nhị phân có tốc độ bit

đến bằng một nửa Một luồng bit đi vào bộ điều chế cân bằng, một luồng trực tiếp đii từ

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 27

-bộ dao động sóng mang và luồng kia đi qua -bộ dịch pha 900 Tín hiệu ra bộ điều chế gồm

có các tín hiệu ta gọi là I (cùng pha) và Q (trực pha ) và sóng mang song biên bị nén ( do

điều chế cân bằng ) Vì các tín hiệu nhị phân đi vào từng bộ điều chế đều làm cho sóngmang thay đổi pha 00 và 1800 nên trong đờng cầu phơng nén thay đổi pha 900 có nghĩa làcác độ dịch pha sóng mang nằm giữa 900 và 2700 Do đó tổng tuyến tính của những tínhiệu trực dao sẽ tạo ra những tín hiệu 4PSK hay QPSK sẵn sàng đi vào máy phát qua bộlọc băng để tạo dạng phổ Mã hoá các trạng thái phụ thuộc trực tiếp vào chuỗi nhị phân,vào các mạch điều chế máy phát Trong máy thu sự khác nhau chủ yếu là ngợc lại vớimạch máy phát, đó là mạch khôi phục sóng mang Mạch này yêu cầu phải nhận đ ợc mộtsóng mang cha điều chế có khoá pha với mạch sóng mang để sao cho việc giải quyết điềuchế và các quá trình tách sóngcó thể đạt đợc Điều cần thiết đối với chuẩn pha dựa trênsóng mang phát chứng tỏ là máy thu kết hợp

a- Mã hoá vi sai băng gốc (DE-PSK).

Luồng số liệu băng gốc có thể sử lý bằng một số phơng phápkhác nhau tuỳ theoloại điều chế máy phát hoặc số các mức điều chế, dễ dàng để giải quyết điều chế Để dễdàng giải thích và do tính thông dụng của nó nên ta sẽ lấyQPSK hay 4PSK làm ví dụ:Làm thế nào để chuyển đổi tín hiệu vào nhị phân thành các trạng thái pha khác nhau vàlàm thế nào để chuyển đổi ngợc lại số liệu nhị phân 

Hình vẽ là sơ đồ khối của bộ điều chế và giải điều chế của hệ thống QPSK Vì điềupha M trạng thái có ý nghiã là chuyển mạch sóng mang vào một trong số các trạng tháipha rời rạc với sự điều khiển của luồng số liệu, nó cần phải có pha chuẩn để truyền đi đểtách đợc những trạng thái pha này ở đầu thu

Điều đó có thể thực hiện bằng cách phát pha 00 ở một thời điểm xác định trớc khiphát số liệu, nhng do méo trong dạng sóng RF nên có thể xảy ra biến đổi pha và mấtchuẩn, tất nhiên kết quả số liệu bị sai lệch Để thoả mãn nhu cầu đối với pha chuẩn không

có phát 00, dibit phát đi (hoặc một khối gồm hai bit nhị phân) đợc cải biến bằng một lợnggiá trị tuỳ theo quan hệ của nó với dibit trớc nó Điều này thờng đạt đợc bằng cách sửdụng‘cộng modul 4‘ trong đó các dibit đến đợc cộng thêm tổng số các dibit trớc đó Sau

đó kết quả ra bộ cộng dùng để điều khiển bộ điều pha mã nhị phân (không phải mã Gray)

Đối với bộ điều chế này ta có:

bk : là số liệu vào bộ cộng Phép cộng là cộng nhị phân, ở đầu thu quá trình này đảo lại bằng ‘bộ trừ modul 4‘

đợc biểu diễn theo:

b’k = b’k - bk-1Phép trừ là phép trừ nhị phân

Để chứng minh nguyên lý, giả sử chuỗi nhị phân là: 0100 011100 10 1011 01chuỗi này nhóm lại thành một khối dibit sẽ là: 01 00 01 11 00 10 10 11 01 Khi chuỗi này

đa vào bộ cộng đầu ra sẽ có: 01 10 01 01 11 01 00 01

Khi đa chuỗi này đến bộ điều chế nhị phân qua bộ chuyển đổi nối tiếp- song songhai bit, chuỗi sẽ tạo ra những pha đầu ra tuân theo chuẩn pha nh sau:

900, 1800, 900, 900, 2700, 900, 00, 900, Về phía thu sóng mang bộ giải điều chế thu sẽ khôiphục từng bộ dịch pha này

Vì bộ giải điều chế không có thông tin về pha chuẩn nó sẽ tự chọn một trong 4trạng thái pha để làm pha chuẩn (00) Giả sử trạng thái pha thứ nhất thu đợc chọn làm phachuẩn thì các trạng thái pha thu đợc sẽ là:00, 900, 00, 00, 1800, 00, 2700 Những trạng tháipha này tơng ứng với mã nhị phân: 01 11 00 10 10 11 01 tơng ứng với dibit thứ 3 đến Đểbắt đầu cất chuỗi xung 2 dibit đầu bị loại khỏi chuỗi nhng không cần phải gửi trực tiếpmột tín hiệu chuẩn mà từ đó bộ giải điều chế có thể làm việc Hệ thống điều chế này gọi

là mã hoá vi sai PSK hay DE PSK Xác suất lỗi với các C/N khác nhau hầu nh nằm ở giãBPSK và DPSK

Sơ đồ điều chế digital thờng yêu cầu tách sóng kết hợp Một hệ thống PSK yêu cầumột chuẩn pha ở máy thu, trong hệ thống thông tin thực tế nó đợc phát đi cùng với tone(âm thanh) khoá (và với DPSK cũng là tone nh vậy đối với sóng mang tín hiệu )

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 29

-Lọc kênhtần số

Tổng hợptần số

Chuỗi số liệu

đã phát ra

Định thờigian bitKênh số liệu

Hình 2.10 (b) Máy thu có mạch vòng theo dõi TONE h ớng dẫn

Lọc kênhtần số

Lọc băng

Lọc thấp Trễ

một bit

Định thờigian bit

Lọc băng

Chuỗi số liệu

đã phát ra

Định thờigian bitKênh số liệu

Hình 2.10 (a) Máy thu mạch vòng theo dõi cầu ph ơng

Để giữ đồng bộ đúng, tín hiệu khoá pha và tín hiệu chuẩn phải gắn liền với nhau vềtần số và thời gian để sao cho những biến động dọc ddờng truyền tác động lên cả hai nhnhau Có bốn phơng thức PSK cơ bản, trong đó tất cả các phơng thức đều có thể đợc xéttrong hệ thống PSK M trạng thái Phơng thức thứ nhất gồm PSK nhị phân hay BPSK vàPSK cầu phơng QPSK trong đó pha của một thành phần cầu phơng khác vẫn không bịkhoá Tổ hợp trên một số khoảng thời gian bị khoá cung cấp ‘tone‘ hớng dẫn chuẩn khôngkhoá Phơng thức thứ hai là mã hoá vi sai PSK (DE PSK) đã mô tả Phơng thức thứ ba là visai PSK (DPSK) nh đã nói, trong đó cùng tone (âm thanh) nh vạy đáp ứng cho cả tín hiệu

và chuẩn Pha trong suốt khoảng thời gian khoá làm chuẩn cho khoảng thời gian khoá tiếpsau Phơng thức thứ t lấy một tên khác nhng có thể xếp hạng dới tiêu đề PSK tone -lân cận(AT-PSK) Đó là một hệ thống trong đó một tone chuẩn đợc đợc phát ở tần số kề bên

đồng thời với tone khoá

Bên phía thu, pha của chuẩn đợc hiệu chỉnh để bù vào sự lệch tần số giữa chuẩn vàtone khoá Chuẩn của tone lân cận có thể là sóng mang phụ hoặc tone hớng dẫn định rõloại PSK nh khoá dịch pha tone hớng dẫn (PT-PSK) Tần số tone hớng dẫn ở gần

tần số của tín hiệu số liệu để khắc phục những suy giảm tơng tự của kênh Chuẩn pha đểtách đồng bộ nhận đợc ở đầu ra một bộ lọc mức hay là mạch vòng theo dõi mức khoá pha

Có nhiều phơng pháp khác nhau đã đợc ngiên cứu, nhng tựu chung lại cũng là những biếnthể hoặc tổ hợp của 4 loại cơ bản kể trên Loại PSK đánh giá trực tiếp mức quyết định(DDM-PSK) là một hệ thống cấu trúc loại tone chuẩn bằng cách đồng bộ pha trong nhữngkhoảng khoá tiếp theo dựa trên mức quyết địng đã xác nhận Hệ DDM-PSK có thể xem

nh suy rộng từ DPSK trong đó dùng nhiều khoảng thòi gian hơn khoảng ngay trớc đó Một

hệ thống khác có tỷ lệ lỗi nhỏ hơn cả PT-ASK và DPSK là hệ thống ‘mạch vòng theo dõicầu phơng‘.Trong hệ thống này máy thu có hai kênh sử lý tín hiệu cung cấp và cho phầntách sóng của máy thu Kênh số liệu là bộ lọc không biến thiên theo thời gian băng hẹp có

độ rộng băng đủ rộng để tránh tạp âm giữa các ký hiệu Vì mục đích của kênh chuẩn là sosánh và đánh giá pha sóng mang, lấy trung bình nhiều (hơn một) khoảng ký hiệu, khoá

đảo pha phải đợc lấy ra từ số liệu nén sóng mang Điều này đạt đợc nhờ bộ qui luật-bìnhphơng lấy ra sự điều chế có pha liên tục gấp đôi tần số trung gian Một mạch vòng khoápha có thể dùng để theo dõi và làm mịn tín hiệu ra có tần số gấp đôi Khi chia đôi tần sốnày tần số mang chuẩn đợc khôi phục, hình vẽ minh hoạ sơ đồ khối của máy thu có mạchvòng theo dõi cầu phơng (a), máy thu có mạch vòng theo dõi tone-hớng dẫn (b), máythu DPSK(c)

Với DE-PSK, tin tức đợc chuyển tiếp trong pha sóng mang Vì một lỗi bit quyết

định trên một bit đợc tách ra sẽ gây ra lỗi khác trên bit tiếp theo nên chất lợng của PSK hơi kém hơn PSK kết hợp Với DPSK cũng nh DE-PSK tin tức đợc mã hoá vi sai, sựkhác nhau giữa hai hệ này là loại tách sóng sử dụng trong đó

DE-Bộ tách sóng DPSK không có ý định lấy ra một chuẩn pha kết hợp vì tín hiệu từkhoảng bit trớc đợc dùng nh là một chuẩn pha đối với khoảng bit hiện tại Vì tín hiệu

chuẩn pha không đồng đều (san bằng) qua nhiều khoảng bit nên chất lợng của DPSKkhông tốt bằng DE-PSK

b-Xác suất lỗi PE đối với các hệ thống PSK kết hợp M trạng thái.

Trong tách sóng kết hợp, điều tốt nhất có thể làm đợc khi có tạp âm Gausian- trungbình không - trắng - tĩnh - bổ xung, là tiến hành dự đoán ở thông tin đợc truyền đi Do đóviệc đánh giá (đo) chất lợng của bộ tách song sẽ là số lần dự đoán sai trong một chuỗi dài

điển hình của những thông tin Qui tắc hợp lý đã đợc chấp thuận là giả sử tín hiệu có điểmthông tin nằm sát nhất mức tín hiệu thu là thông tin thực sự đợc truyền đi Sau đó đối vớitách sóng kết hợp quy tắc quyết định chọn điểm thông tin gần điểm thu nhất sẽ cực tiểuhoá xác suất lỗi Một bộ tách sóng nh vậy đã biết là một bộ ‘tách sóng có nhiều khả năng

đúng cực đại‘ đối với QPSK có 4 điểm tín hiệu có thể đợc truyền đi nh trên sơ đồ hìnhsao Để thực hiện quy luật quyết định khoảng tín hiệu đợc phân chia thành 4 miền cókhoảng cách bằng nhau đối với 4 tín hiệu S0  S3, lúc này quy tắc quyết định trở nên đơngiản để đoán nhận S0(t) đợc truyền đi nếu nh điểm tín hiệu thu rơi vào điểm 0

Có thể có quyết định sai nếu nh ví dụ S3(t) đợc truyền đi và nhiễu nh vậy làm cho

điểm tín hiệu thu rơi ra ngoài miền 3 Xác suất lỗi với trờng hợp kết hợp và tạp âmGausian song biên (2 = nB) khi độ rộng băng tạp âm IF là:

W = 2B và tốc độ bit rs đã cho

Ta có:

1/2 erfc [C/N (w/rs) sin2 (/M)]1/2 < Pe PSK kết hợp M trạng thái

<erfc [C/N (w/rs) sin2 (/M)]1/2Hình biểu diễn Pe của các sơ đồ điều chế khác nhau minh hoạ phơng trình, đờngchấm đối với M=4 và M=8 dùng tạp âm song biên C/N trong đó:

w = rs = rb/log2 MVới trờng hợp đăc biệt M = 4, giá trị Pe có thể chính xác:

Pe QPSK kết hợp = erfc [(1/2)(C/N)(w/rs)]1/2 - (1/4)erfc2 [(1/2)(C/N)(w/rs)]1/2

Để giữ nguyên Pe khi tăng trị số M cần tăng sự chênh lệch của C/N để duy trì giátrị Pe Với Pe = 10-5, tăng M từ 4 lên 8 cần phải tăng C/N thêm 4 dB, tăng M từ 8 đến 16chỉ cần tăng C/N thêm 5dB cũng đủ để duy trì đợc Pe, với giá trị M lớn khi M gấp đôi yêucầu, C/N tăng thêm 6 dB để đạt chất lợng nh vậy Do xắp xếp (ánh xạ) các trạng thái pha

điều chế những lỗi ký hiệu k bit chỉ gồm có lỗi đơn nhất điều đó cho phép tỷ lệ lỗi bit t

-ơng đ-ơng(E BER) với PSK M trạng thái gần xấp xỉ Pe M PSK/log2M Với mật độ tạp âmcộng vào giữ nguyên ở C/N cao và với cùng tỷ lệ lỗi 3PSK yêu cầu năng lợng 0,75dB/bitnhỏ hơn 2PSK hay 4PSK (QPSK) Nhng với C/N thấp, 3PSK yêu cầu lớn hơn 0,74dB

Hoạt động của bộ giải điều chế cũng tơng tự nh Costas đã đa ra năm 1956 Hoạt

động của mạch nh sau:

Tín hiệu thu đợc đi vào bộ lọc thông băng dùng để hạn chế tạp âm ngoài băng vàcác tạp âm bất kỳ của kênh lân cận Bộ rẽ công suất, rẽ tín hiệu đã điều chế có giới hạnbăng theo đờng truyền I và Q Nh ta đã thấy có hai máy thu cơ bản có cấu trúc với cùngtín hiệu vào nhng dao động nội lại lệch pha nhau 900 (cầu phơng) Nh tên gọi đã bao hàm,mạch khôi phục sóng mang lấyn từ tín hiệu vào một tín hiệu định thời đã đợc khoá đối vớitín hiệu đến Sau đó sóng mang đã phục hồi rẽ ra hai đờng truyền Trong một đờng truyềnsóng mang nối trực tiếp vào một trong hai bộ trộn cân bằng để giải điều chế ra tín hiệu I

và trong đờng truyền kia sóng mang dịch pha 900 trớc khi đi vào bộ trộn thứ hai để giải

điều chế ra tín hiệu Q Tín hiệu đồng bộ lấy từ tín hiệu đến dùng để cung cấp những thời

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 31

-điểm mẫu đúng để tách các trạng thái logic trong tín hiệu băng gốc Do đ ờng truyền vànhững nhuyên nhân khác, sóng mang đã khôi phục này có thể có cả trợt ảnh hởng đếnnhững thời điểm mẫu tối u và do đó làm tăng tỷ số lỗi bit.

c - 8 PSK.

Phơng trình xác suất lỗi của một hệ thống 8 PSK là phơng trình(a) với M = 8 hìnhbiểu diễn Pe của các sơ đồ điều chế khác nhau chỉ rõ xác suất lỗi kỳ vọng lý thuyết đốivơí cả biên giới trên và dới Đối với C/N vào khác nhau trong độ rộng băng rs Chý ý là các

đồ thị biểu diễn cùng đờng cong có thể có Eb/ cũng nh năng lợng/ mật độ phổ bit/tạp âm.Nếu nh vậy thì với M = 8:

Eb/ = (C/N)/log2M = [(C/N)-4,77]dB Hình vẽ minh hoạ sơ đồ khối của máy phát và máy thu 8PSK điển hình Đồ thịhình sao minh họa mong muốn đối với  = 0 nh ta đã thấy ở hình trên, số liệu nhị phânvào rẽ ra làm ba luồng nhị phân song song mỗi luồng có tốc độ

SMB

Phân phốibit nhị phân

Chuyển đổi 2-4 Điều chế cân bằng

Chuyển đổi 2-4 Điều chế cân bằng

Bộ não

Dịchpha 450

fs = fb/3

001000

011010110111

101 100

Hình 2.11 (b) - Bộ giải điều chế 8-PSK

Bit rs =1/3 tốc độ bit của luồng bit vào Bộ logic điều chế hoặc bộ chuyển đổi 2thành 4 trạng thái, cho 4 trạng thái logic từ tín hiệu nhị phân vaò 2 mức Avà B hoặc B và

C Đó là +/+, +/-, -/+, -/- Nếu trạng thái logic ở đầu vào B là 1 thì ở đầu ra của bộ chuyển

đổi mức đỉnh sẽ có tín hiệu ra có mức lớn hơn mức ra của bộ chuyển đổi 2 mức thấp (đáy)thành 4 mức Các tín hiệu băng gốc 4 trạng thái sau đó dùng để đa vào bộ điều chế cânbằng Sóng mang của các bộ điều chế lấy từ một bộ dao động nội có đầu ra đối ngẫu Mỗi

đầu ra lệch pha nhau  450 cho phép hình sao ra nh ở đồ thị Các tín hiệu ra của bộ điềuchế nén sóng mang cùng pha I và cầu phơng pha Q đợc tổ hợp lại để chọn ra một IF làsóng mang đã điều chế với tín hiệu 8 PSK Phổ của 8 PSK sau đó đợc lọc để cho đầu racủa bộ lọc băng thông một phổ cosin tăng với hệ số uốn khoảng 0,6 Bộ giải điều chế th-ờng gồm các mạch sau:

- Một bộ cân bằng thích ứng IF dùng để bù lại sự tổn thất (tiêu tán) biên độ do hiệuứng pha đinh chọn lọc

- Khôi phục sóng mang IF qua việc sử lý băng gốc số

- Khôi phục đồng hồ nhịp qua tách sóng hình bao IF và lọc băng hẹp

- Giải mã vi sai (nếu có) và chuyển đổi song song - nối tiếp để cho ra băng gốcnguyên thuỷ có tốc độ rb

Các hệ 8 PSK xuất hiện đã đợc sử dụng trong vi ba có tốc độ đến 100 Mbit/s(70Mbit/GTE và 90 Mbit/s - rockwell collins)

đối với phần lớn các loại điều chế số thờng gặp (PSK, QPSK, FSK) kỹ thuật này bao hàmviệc ngoại suy tỷ số lỗi với giám sát chất lợng thông qua việc sử dụng hai hoặc nhiều hơn

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 33

-các ngỡng quyết định để cải biến với một máy thu số để tạo ra một tỷ lệ lỗi ngẫu nhiênlớn hơn máy thu thực và đo tỷ lệ lỗi ngẫu nhiên này Sau đó giám sát sẽ ngoại suy từ tỷ lệlỗi ngẫu nhiên để đợc một lợng mà từ đó có thể suy ra tỷ số sẽ đạt đợc với một tiêu chuẩnquyết định cha cải biến Kỹ thuật này đợc sử dụng trong PMU cho cả PSK kết hợp với sốlợng M trạng thái pha tùy chọn Khối này làm việc theo cách xem xét sự lệch pha giữaxung tín hiệu thu và chuẩn pha rồi so sánh với ngỡng quyết định để cải biến.

Từ so sánh một lỗi ngẫu nhiên đợc ghi lại nếu độ lệch pha có những giá trị nhất

định

2.3.5 Quan hệ giữa tạp âm song biên C/N và Eb/.

Năng lợng trung bình của Eb bit đợc xác định:

Eb = Sav = A2 T/2 ( trừ trờng hợp ASK > Eb = A2 cT/4 ) = Sav /rb

Trong đó: - T là thời điểm kéo dài của bit = 1/rb

- Sav là công suất sóng mang trung bình

Mật độ phổ công suất tạp âm songbiên /2 đợc đa ra dới dạng công suất tạp âmsong biên N hoặc sự biến thiên của phân bố Gaussian 2 là :

N = 2 = B - (/2) ( 2B ) = /2 w Trong đó N là độ rộng băng tạp âm của ký hiệu song biên đang đợc xem xét Mật

độ phổ công suất tạp âm /2 là đối với độ rộng băng tạp âm song biên 2B Phơng trìnhtrên chứng tỏ rằng mức sử dụng mật độ rộng băng tạp âm đơn biên, mật độ phổ tạp âm sẽ

là  hoặc gấp hai lần trong trờng hợp song biên Vì công suất sóng mang cha điều chế Cchỉ đợc xét trong các phơng trình Pe nhằm mục đích so sánh các cơ sở điều chế với nhau.Sav lại đợc xác định theo C

C = Sav =A2 /2 = Ebrb = Esrs Vì Es = Eblog2M và rb = rs log2M, wb = w log2 MTrong đó A là biên độ điện áp sóng mang hình sin Tỷ số Eb / đối với hệ thống Mtrạng thái có thể liên quan đến C/N

Eb / = (C/N) (w/rb) = (C/N) [w/ (rs log2M)] = 1/log2 M (Es/ )Trong đó s biểu thị cho ký hiệu, rs là ký hiệu ttốc độ Baud và w là độ rộng băngcủa tín hiệu

Để cho sóng mang thu không bị méo, độ rộng băng IF đợc tăng lên bởi hệ số uốn(đối với bộ lọc cosin - tăng) trùm lên độ rộng băng truyền Nyquist rs /2 Sự tăng này đợcthể hiện do tạp âm song biên nhận đợc vì độ rộng băng của bộ lọc IF thu có độ rộng của

bộ lọc IF thu Bộ lọc thu IF thu có độ rộng băng gấp đôi độ rộng băng truyền máy phát.Các phơng trình đối với Pe mong muốn đối với tín hiệu thu, vì một cách lý tởng độ rộngbăng gấp đôi của máu thu sẽ đa một méo nhỏ (ISI) và độ rộng băng đơn biên của tín hiệunguồn nguyên thuỷ IF, độ rộng băng tạp âm hoặc độ rộng băng ký hiệu w của máy thu đ-

ợc biểu thị theo rb và  nh sau:

ws = rs (1+  ) = [rb (1 +  )]/ log2 MThay vào phơng trình trên ta có:

C/N = (Eb/ )log2 M/1 + 

 là hệ số uốn của cosin-tăng

2.3.6 DPSK M trạng thái.

Sét sơ đồ PSK vi sai M trạng thái với M = 4 từ phơng trình:

Sk(t) = A1 cos0t - AQ sin0 tCác tín hiệu PSk có thể xem nh 2 tín hiệu nhị phân PSK dùng sóng mang cầu ph-

ơng Sự mã hoá vi sai 4 có thể quan niệm là mã hoá vi sai của 2 sóng mang PSK nhị phân

và máy thu, 4 DPSK gồm có hai bộ tách sóng hai pha đợc mịnh hoạ trên hình vẽ

Với M = 8 có thể áp dụng nguyên tắc nh thế trong cấu trúc và sẽ mở rộng ngaytrong trờng hợp 4 pha Đối với máy thu nh vậy, sử dụng việc đảo có trễ tín hiệu thu cũng

nh gốc pha của chúng Nét khác biệt của hệ thống DPSK là có miền tách sóng định trớctrong khoảng cách tín hiệu tơng ứng với một tín hiệu riêng biệt đợc phát đi

Hơn nữa sự quyết định dựa vào góc pha giữa các tín hiệu thu kế tiếp Với 4 DPSK

độ dịch pha tơng đối giữa các khoảng kế tiếp nhau là , +/2; + và +3 /2 Hai hìnhsao tín hiệu thờng dùng tơng ứng với  và +/4 đợc minh hoạ trên hình vẽ  = 0 hệ giả

điều chế sẽ có dịch pha 450 định vị trong mỗi đờng trễ và bộ nhân cân bằng

So sánh với PSK 2 pha khi C/N lớn Vì DPSK không cần đến một phơng pháp phứctạp để đánh giá sóng mang nên thờng đợc sử dụng trong hệ thống thông tin số NhngDPSK 4 pha về chất lợng kém hơn DPSK khoảng 2,3 dB yêu cầu đối với 4 DPSK phải đợcxét trong mối liên quan với việc giảm độ phức tạp của mạch Biểu thức của xác suất lỗi

đối với DPSK M trạng thái và với M=4 đợc minh họa trong hình vẽ khi w=rs

Pe M DPSK= erfc [(C/N) (w/rs) sin2 ()/M1/2)] 2

Với M4 Tính chất lỗ của hệ DPSK M trạng thái có tạp âm và nhiễu đã đợc Rosenbaum

đánh giá Phân tích nhị phân dẫn đến giới hạn trên và dới đối với xác suất lỗi ký hiệu

2.3.7 Điều chế pha cầu phơng lệch (OK- QPSK hay OQPSK) (điều chế hai trạng thái pha kép).

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 35

Địnhthời

Lọc băngthấp

So sánhmức

ng ỡng

Chuỗi số liệu đã tách

Chuỗi số liệu đã tách

Khôiphục

Lọc kênh

tần số

Lọc băngthông phối hợp

Lọc băngthông phối hợp

Trễ mộtbit

Lọc băngthấp

So sánhmức

ng ỡng

Dịchpha 900

Hình 2.12 (a) - Đồ thị hình sao , (b) - Máy thu 4-DPSK

(b)

Nh đã nói ở trên, thông tin số của tín hiệu QPSK đợc đa vào trong các sóng mangcầu phơng đồng thời qua các bộ điều chế cân bằng Trong điều chế pha cầu phơng lệch,tin tức số đợc đa vào các sóng mang ở những cố định của thời điểm khác nhau Điều đó đ-

ợc thực hiện nhờ có bộ trễ thời gian 1 bit của tín hiệu vào nhị phân trong đờng truyền bănggốc của điều chế cầu phơng máy phát và trong đờng truyền băng gốc của bộ điều chế

đồng pha (I) máy thu Mật độ công suất phổ cha lọc đợc biểu thị:

P(f) OQPSK = 2CT [ sin(2fT)/2fT ]2Trong đó: C là công suất sóng mang (A2/2)

T là thời gian bit của thông tin vào

Hình vẽ minh hoạ phổ của OQPSK hay OK- QPSK cùng với sơ đồ khối của bộ

điều chế phát và giải điều chế thu Sử dụng OK-QPSK qua QPSK có u việt là đặc tính phổhẹp dễ dàng lấy đồng bộ từ tín hiệu thu Phổ ra các bộ điều chế cân bằng có độ rộng gấp

đôi phổ băng gốc vì phổ song biênđợc tạo nên trong quá trình nhân Cần thiết phải lọc để

đạt đợc C/N thấp nhất Với một Pe đã cho cũng nh để duy trì điều kiện của tạp âm giữacác ký hiệu zero và dùng bộ lọc cosin - với hệ số uốn bằng một Hệ số sử dụng phổ là 2bit/s/Hz hoặc log2M Xác suất lỗi đối với tách sóng tin tức trong hệ thống OQPSK kết hợpdùng bộ lọc cosin - tăng với độ rộng băng 2rb hoặc hệ số uốn bằng một tốt hơn loại QPSKqnen thuộc là 1dB Nh vậy cần để có một tỷ lệ lỗi đã cho C/N cần phải nhỏ hơn 1dB

 Xác suất lỗi:

Trong tín hiệu OK QPSK những chuyển tiếp bit đối với một kênh nhị phân là ởgiữa các khoảng bit đối với kênh khác Do tính độc lập, bình đẳng nên hầu nh việc lựachọn cực dơng hay cực âm đối với mỗi bit đều có xác suất chuyển tiếp bằng một nửa Khi

có chuyển tiếp xảy ra, sự ghép - chéo (xuyên âm chéo) biến đổi giữa các bit của kênh nhịphân khác và sự xuyên âm giữa các kênh trong thời gian nửa đầu của khoảng bit sẽ bị xoá

do ảnh hởng của cực đối ngịch trong khoảng thời gian nửa sau của khoảng bit ( tạp âm )

do đó khi chuyển tiếp một bit, chất lợng tách sóng cũng giống nh đối với tín hiệu BPSK.Nếu không xảy ra chuyển tiếp tạp âm xuyên âm sẽ không đổi trong suốt khoảng bit đã đ-

ợc tách sóng Xuyên âm chéo này có xác suất thiết lập và huỷ bỏ bằng nhau t ơng ứng vớicác cực dơng âm xuất hiện bằng nhau đối với hệ số xuyên âm sin  Nh vậy khi không cóchuyển tiếp bitchất lợng tách sóng cũng giống nh tín hiệu QPSK Do đó chất lợng táchsóng của OQPSK đạt đợc vào khoảng giữa chất lợng của BPSK và QPSK

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 36

-3/2T 1/T 1/2T f

c 1/2T 1/T 3/2T

Mật độphổ côngsuất

OQPSKf

 

Bộ dịchpha 900



Lọc thu

Lọc thu

Ng ỡngq.định

Ng ỡngq.định

Trễ bù

Nối tiếps.song

Lọc phát 

Hình 2.13 (a) Bộ điều chế và giải điều chế OQPSK

nh sơ đồ PSK về mặt công suất và độ rộng băng sử dụng Nh tên gọi, tin tức đợc truyền đimột cách đơn giản bằng cách dịch tần số sóng mang một lợng nhất định tơng ứng với mứcnhị phân 1 và 0.

Hình vẽ là quá trình điều tầnmột sóng mang với tín hiệu nhị phân 10101101

Trong FSK hai trạng thái hai dạng tín hiệu có thể biểu thị bởi:

S1(t) = A cos(0+d)t ; S0(t) = A cos(0-d)tGiống nh dạng sóng PSK, biên độ sóng mang A không đổi còn tần số bị dịch đigiữa các giá trị (0+d) và (0-d) Trong khi xét đặc tính phổ của FSK phân biệt hai tr-ờng hợp xuất phát từ hành vi của góc pha  trong biểu thức của tín hiệu S1(t) vào máy thu:

S1(t) = A cos0 t + d  ak  g (t-kT) dt +

Trong đó ak là hệ số đối trọng số đối với khoảng thứ k và là các biến số ngẫunhiên giai đoạn Nếu giả sử  là ngẫu nhiên và phân bố đồng đều trong 2  thì không cóquan hệ với điều chế và có thể ở những chuyển tiếp tín hiệu lấy bất kỳ một giá trị ngẫunhiên nào đó Điều đó dẫn đến khả năng pha không liên tục nh hình (b) và điều chế đợchiểu là FSK pha không liên tục FSK pha liên tục có thể đạt đợc bằng cách bắt  phải cómột tơng quan nhất định với tín hiệu điều chế Truyền dẫn số liệu nhị phân có độ ổn địnhcao và nhiễu giữa các ký hiệu không đáng kể là một điều khó đạt đ ợc trong hệ thống FMhai trạng thái liên tục

Lý do là FSK hai trạng thái yêu cầu có hai tần số phải biểu thị hai trạng thái nhịphân và xây dựng một hệ thống pha - liên tục sử dụng hai bộ dao động riêng biệt, yêu cầu

về mạch rất phức tạp Phơng án chọn là FM khoá chỉ dùng một bộ dao động điều khiểnbằng điện áp, trong khi một hệ thống với pha liên tục ở những điểm chuyển tiếp bit, độchính xác tần số tơng đối thấap và tốc độ bit sẽ không bị khoá ở một trong hai tần số đạidiện cho các trạng thái logic 1 và 0

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 37

-Môi tr ờng truyền dẫn

Hình 2.14 Các hệ thống tách sóng kết hợp vi sai không kết hợp và kết hợp

Máy phát

đồng bộ

Bộ lọc thông băng Tách sónghình bao

Bộ lọc thông băng

Tách sónghình bao



Mạch q.định

AVG Đ ờng dây

trễ 2 bit Điều chế

Bộ lọc thấp Bộ chia cắt nhị phân

AVG Đ ờng dây

trễ 2 bit Điều chế

Bộ lọc thấp

Bộ chia cắt nhị phân

Đ ờng dâytrễ 2 bit

Điều chế Bộ lọc

thấp

Số liệura

Số liệura

Số liệuraVào số liệu

nhị phân

Một hệ thống FM hai trạng thái lý tởng đã đợc công nhận trong đó sự chênh lệchgiữa các tần số 1 và 0 tức là độ di tần (đỉnh - đỉnh) là 2f d bằng tốc độ bit rb Hơn nữa cáctần số 1 và 0 đã bị khoá theo tốc độ bit Một hệ thống đã đợc công nhận, trong đó chỉ cómột nguồn tần số điều khiển hệ thống và cung cấp cho ra các tín hiệu 1 và 0 theo tốc độbit Biểu thị phổ FSK gồm một chuỗi bằng dạng đồ thị tốt hơn là toán học.

2.4.1 FSK kết hợp (CFSK).

Tách sóng tơng quan FSK đạt đợc khoảng cách dùng bộ giải mã điều chế tối u cóhàm tơng quan - chéo Loại tchs sóng này ít dùng trong thực tế do khó khăn về liên kết vớicác tần số rẽ ở máy thu giống nh ở máy phát Khoảng cách biệt tần số tối thiểu hay độ ditần đỉnh - đỉnh cực tiểu: 2fd khi trực giao (tơng quan - chéo = 0) với tách sóng kết hợp là2fd = rb /2

*Xác suất lỗi của CFSK hai trạng thái

Biểu thức xác suất lỗi Pe :

Pe FSK = 1/2 erfc [(1/2)(w/rb) (C/N)]1/2

So sánh xác suất lỗi của FSK theo phơng trình trên với PSK trong phơng trình:

Pe PSK = 1/2 erfc [(w/rb) (C/N)]1/2

Ta thấy xác suất lỗi bằng nhau nếu nh công suất sóng mang của FSK tăng thêm 3

dB Với FSK kết hợp 99% độ rộng băng yêu cầu tuân theo qui luật ‘Carlson‘ tức là bằnghai lần độ di tần đỉnh - đỉnh cộng với hai lần tần số điều chế cao nhất Nếu tần số điều chếcao nhất tính từ 0 (từ DC) có thể xem bằng một nửa độ rộng băng trung tần W Độ di tần

đỉnh - đỉnh chia hết cho tần số điều chế cao nhất đợc định nghĩa là chỉ số điều chế m và cóthể xem là độ di tần đỉnh - đỉnh chia hết cho độ rộng băng w.99% độ rộng băng truyềndẫn là 2(1+m)w

Bảng bên nêu lên các chỉ số điều chế m ứng với các trị số 99% độ rộng băng truyềndẫn có tốc độ bit tiêu chuẩn hoá rb với các bộ lọc có đặc tuyến dốc

Ta có thể chọn đợc độ di tần càng nhỏ càng tốt nhng xác suất lỗi Pe cũng là mộthàm của độ di tần Giảm độ di tần, Pe sẽ tăng lên, gía trị tối u của độ di tần sẽ đợc xác

định  0,7 và giảm độ di tần xuống 0,5sẽ dẫn đến C/N chịu thiệt đi 1,6 dB khi Pe = 10-6

và w = rb Độ rộng băng w = rb cũng là tối u trong trờng hợp này

Hình vẽ sơ đồ khối của máy thu FSK kết hợp nh mô tả, trong đó đầu ra của bộ lọcbăng thông sẽ chứa mức âm có quan hệ kết hợp với các tần số sóng mang thông tin Mức

âm này sẽ xuất hiện chính xác ở các tần số 1 và 0 Hơn nữa chúng chiếm một nửa côngsuất tổng và độ chênh lệch của chúngcung cấp tần số nhịp bit với pha phù hợp.

2.4.2 FSK không kết hợp (NCFSK)

Phổ tần của FSK khi độ di tần đỉnh - đỉnh 2fb = k.rb,trong đó k là số nguyên xuấthiện nh hai lần phổ ASK có các tần số mang là (f0-fd) và (f0+fd) Điều đó nói lên rằng tínhiệu mang tin dới những điều kiện nh vậy sẽ có thể tách ra nhờ hai bộ lọc thông băng vớitần số trung tâm là (f0-fd) và (f0+fd) Mạch tách sóng điển hình minh hoạ trong hình vẽ, khigiữa tần số mang và tốc độ bit có quan hệ đơn trị nh f0 = nrb thì có nghiã là sóng mang cóquan hệ kết hợp (duy nhất) với tốc độ bit của tín hiệu mang tin Có thể có ba loại quá trìnhtách sóng:

2.4.3 Giải điều chế FSK kết hợp vi sai.

Quá trình tách sóng không kết hợp (NC-FSK) phải chịu những biến đổi về tần số vàdịch pha do môi trờng truyền dẫn gây ra Để khắc phục vấn đề này, nhất là khi C/N thấpquá trình kết hợp vi sai với đờng dây trễ có thể giải quyết đợc Quan trọng là thời gian trễcủa đờng dây trễ phải bằng một nửa thời gian bit

Với C/N rất thấp, hệ thống sẽ không chắc chắn vì tạp âm làm sai lạc chuẩn tầnmang tơng đối Khi C/N thấp tận dụng những thành phần tin gián đoạn là một phầnnguyên vẹn của dạng sóng thu và nó có thể cung cấp chuẩn kết hợp tuyệt đối, những thànhphần này mang một nửa tổng công suất và dễ dàng lọc ra Trong hệ thống thực tế, các bộlọc băng với độ rộng băng 3 dB, tốc độ bit rb dao động khoảng 5% sẽ thoả mãn Tần sốnhịp kết hợp thu đợc từ sự chênh lệch của hai tần số phát, tránh đợc phải lấy nhịp từ cácchuyển tiếp số liệu Quá trình tách sóng kết hợp vi sai đợc minh hoạ trên hình vẽ Nh vậykhi mà hai tần số đồng nhất chúng sẽ đồng pha hoặc lệch pha 1800 và cho ra sau bộ lọcthông băng tín hiệu cực đại hoặc cực tiểu Nếu chúng khác nhau trong suốt cả khoảng nửabit sẽ xẩy ra chuyển tiếp giữa 1 và 0 hoặc ngợc lại

2.4.4 So sánh FSK và ASK

Từ các đồ thị trên hình vẽ ta thấy FSK không tỷ lệ lỗi tốt hơn ASK, trừ khi với giátrị C/N nhỏ Độ rộng băng cần thiết với FSK cũng rộng hơn đối với ASK nếu dùng bộ táchsóng hạn chế

Khoa ĐTVT ĐHBK Hà nội Trang 39

-Những u điểm FSK đối với ASK là:

- Tính chất biên độ không đổi của tín hiệu sóng mang không gây lãng phícông suất và tạo khả năng miễn trừ đối với tạp âm

- Mức ngỡng tối u của bộ tách sóng độc lập đối với biên độ A của sóng mang

Eb/ = (C/N)(w/rb) = (C/N) [w/(rslog2M)] = 1/log2M(Es/)

C/N = (Eb/)[log2M/(1+ )]

(  là hệ số uốn cong cosin tăng )Chất lợng của các sơ đồ điều chế khác nhau có thể so sánh theo Eb/ hơn là C/N,cho phép ta có một đánh giá giữa các sơ đồ điều chế M trạng thái khác nhau dùng các giátrị của M

Nh đã nói ở trên đối với M trạng thái hoặc dạng sóng mỗi ký hiệu mã hoá cần cólog2 M bit mã nhị phân, do đó từ phơng trình đối với bộ lọc cosin tăng:

Eb/ =[(1+ )/log2M ](C/N)

Để chuyển đổi xác suất lỗi ký hiệu đã cho trong phơng trình thành xác suất tơng

đ-ơng của một lỗi bit nhị phân ta phải xét đến bằng cách các lỗi xuất hiện trong hệ thống lỗitrực giao Số lợng tổ hợp của log2M Cn là số khả năng n bit nhị phân ngoài log2M bit cóthể bị lỗi

Đối với các tín hiệu trực giao cùng khả năng tất cả các lỗi tín hiệu cùng đều cùngkhả năng:

Xác suất của lỗi ký hiệu xảy ra = Pe/(M-1)

Do đó lỗi bit trên log2M là:

n (log2M Cn).Pe/(M-1) = [Pe/(M-1)]n(log2M)/(log2M-n).n

= (Pe/bit)FSK = Pe FSK M/2(M-1) = BER