Cơ sở viễn thông - Chương 1

Cơ sở viễn thông - Chương 1 - Tin tức và hệ tống thông tin

Cơ sở viễn thông Phạm Văn Tấn Chương I TIN TỨC VÀ HỆ THỐNG THƠNG TIN • • • • • • • • • LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ VIỄN THÔNG ĐIỆN TỬ PHÂN LOẠI CÁC NGUỒN TIN TỨC VÀ CÁC HỆ THỐNG THƠNG TIN SĨ NG XÁC ĐỊNH VÀ SÓNG NGẪU NHIÊN SƠ ĐỒ KHỐI MỘT HỆ VIỄN THÔNG SỰ PHÂN CHIA CÁC VÙNG TẦN SỐ (FREQUENCY ALLOCATIONS) SỰ TRUYỀN SÓNG ĐIỆN TỪ SỰ ĐO TIN TỨC CÁC HỆ THƠNG TIN LÝ TƯỞNG MÃ HĨA (CODING) Trang I.1 Cơ sở viễn thông Phạm Văn Tấn LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ VIỄN THÔNG ĐIỆN TỬ - Từ cuối kỹ 18 đầu kỹ 19, công nghệ phát truyền thông điện phát triển - Năm 1820, George Ohm đưa công thức phương trình tốn học để giải thích tín hiệu điện chạy qua dây dẫn thành công - Năm 1830 Michall Faraday tìm định luật dẫn điện từ trường - Có thể coi lịch sử thông tin liệu bắt đầu vào năm 1937 với phát minh điện tín Samuel F B.Morse Đó hệ thống truyền xung điện biểu diễn cho dấu chấm vạch (tương đương với số nhị phân 1, 0) đường dây đồng nhờ máy điện Các tổ hợp khác mã thay cho chữ, số, dấu, gọi mã Morse - Năm 1840, Morse đăng ký sáng kiến điện tín Mỹ - Năm 1844 đường điện tín thiết lập Baltimore Washington DC - Năm 1849, tin in với vận tốc chậm đến năm 1860 vận tốc in đạt 15 bps - Năm 1850, đại số Boole George Boole tạo móng cho logic học phát triển rờ le điện Trong khoảng thời gian gian này, đường cáp xuyên qua đại tây dương để lắp đặt hệ thống điện tín - James Clerk Maxwell đưa học thuyết điện từ trường công thức toán học vào năm 1980 Căn vào học thuyết Henrich Hertz truyền nhận sóng vơ tuyến thành cơng cách dùng điện trường lần lịch sử - Tổng đài điện thoại thiết lập vào năm 1876 (ngay sau Alexander Grâhm Bell phát minh điện thoại) Năm năm sau Bell bắt đầu dịch vụ gọi đường dài New York Chocago Cùng khoảng thời gian đó, Guglieno Marconi Italia lắp đặt trạm phát sóng vơ tuyến để phát tín hiệu điện tín - Năm 1900, Einstein, nhà vật lý tiếng học thuyết tương đối viết nhiều tài liệu quan trọng vật lý chất rắn, thống kê học, điện từ trường học lượng tử Vào khoảng thờigian này, phịng thí nghiệm Bell Mỹ phát minh sáng chế ống phóng điện cực cho kính thiên văn xoay Tiếp theo đó, Le De Forest trở thành nguươì khởi xướng lĩnh vực vi mạch điện tử thông qua phát minh ông ống chân không ba cực Lúc này, hệ thống tổng đài tương tự tự động có khả hoạt động khơng cần bảng chuyển mạch - Năm 1910, Erwin Schrodinger thiết lập tảng cho học lượng tử thông qua công bố ơng cân sóng đẻ giải thích cấu tạo nguyên tử đặc điểm chúng Vào khảng thời gian này, phát công cộng bắt dầu cách phát sóng - Năm 1920, Harold S Black phịng thí nghiệm Bell phát minh máy khuếch đại phản hồi âm mà ngày cịn dùng lĩnh vực viễn thơng công ngệ máy điện đàm - V.K.Zworykin (Mỹ) phát minh đèn hình cho vơ tuyến truyền hình cáp đồng trục (phương tiện truyền dẫn hiệu dây đồng bình thường) - Cuối năm 1940, phịng thí nghiệm Bell đặt móng cho cho chất bán dẫn có độ tích hợp cao Howard Aiken đại học Harward cộng tác với IBM thành công việc lắp đặt máy điện tốn có kích thước 50 feets feets Và sau đó, J.Presper Ecker với Jonh Mauchly đại chọc Pénnylvania phát triển máy điện toán lên bậc gọi máy điện toán ENIAC Von Neuman dựa vào để phát triển máy điện tốn có lưu giữ chương trình - Vào năm 1960, loại LSI (Large Scale Interated), máy điện toán mini, cáp quang máy phân chia thời gian phát triển thương mại hố thành cơng - Vào năm 1970, truyền hình ảnh qua vệ tinh, hệ thống tổng đài điện tử đời Trang I.2 Cơ sở viễn thông Phạm Văn Tấn Phân loẠi nguỒn tin tỨc hỆ thỐng thông tin - Một nguồn tin digital ( digital information sourse ) tạo tập hợp hữu hạn tin ( Message ) Ví dụ : Máy đánh chữ ; có số hữu hạn ký tự ( tin ) phát từ nguồn - Một nguồn tin tức analog tạo tin xác định liên tục Ví dụ micro: Điện diễn tả tin tức âm phân bố dãy liên tục nhiều trị giá - Hệ thống thông tin digital chuyển tin tức từ nguồn digital đến thiết bị thu ( Sink ) - Hệ thống thông tin analog chuyển tin tức từ nguồn analog đến Sink Nói cách chặt chẽ, sóng digital định nghĩa hàm theo thời gian có tập hợp trị giá rời rạc Nếu dạng sóng digital dạng sóng nhị phân, có hai trị giá Dạng sóng analog hàm theo thời gian có khoảng trị giá liên tục Một hệ thống thơng tin digital điện tử thường có điện dịng điện với dạng sóng digital Tuy nhiên, có dạng sóng analog Thí dụ, tin tức từ nguồn nhị phân phát đến sink cách dùng sóng sin 1000Hz để diễn tả bit sóng sin 500Hz để diễn tả bit Ở nguồn tin tức digital phát đến sink cách dùng sóng analog, gọi hệ thống viễn thông digital Xa nữa, sóng analog gọi tín hiệu digital mơ tả nguồn tin digital Tương tự, tín hiệu analog mơ tả nguồn tin analog Từ quan điểm ta thấy kỹ sư Viễn thông digital cần hiểu để phân tích mạch analog mạch digital Viễn thơng digital có lợi điểm: - Các mạch digital tương đối rẻ dùng - Khoảng tác động lớn ( Khoảng trị lớn nhỏ ) - Dữ liệu từ tiếng nói, hình nguồn liệu khác trộn lẫn truyền hệ truyền digital - Trong hệ truyền với khoảng cách xa, nhiễu không chồng chất từ repeater đến repeater ( Trạm phát lại ) - Sai số liệu phân tích nhỏ, dù có lượng nhiễu lớn tín hiệu thu - Nhiễu sửa chữa ( corrected ) cách dùng mã hóa Nhưng có bất lợi: - Thơng thường, cần hệ rộng dãy tần ( Band width ) lớn hệ analog - Cần đến đồng hóa Với nhiều ưu điểm, hệ digital trở nên ngày phổ biến Sóng xác đỊnh sóng ngẪu nhiên Trong hệ Viễn thơng, ta phân dạng sóng làm hai loại lớn: Xác định Ngẫu nhiên - Định nghĩa: Một dạng sóng xác định mơ hình hóa hàm hồn tồn riêng biệt thời gian Thí dụ: Nếu w(t) = A cos ( ω0t + ϕo ) Diễn tả dạng sóng , với A, ω0 , ϕo biết Thì dạng sóng w(t) nói xác định - Định nghĩa: Một dạng sóng ngẫu nhiên khơng thể chun biệt hóa hồn tồn nột hàm theo thời gian phải mơ hình hóa cách xác xuất Các dạng sóng biểu diễn nguồn khơng thể xác định Thí dụ, hệ viễn thơng digital, ta gửi tin tức ứng với mẫu tự - Mỗi mẫu tự biểu diễn dạng sóng xác định Nhưng ta xét dạng sóng phát từ nguồn ta thấy dạng sóng ngẫu nhiên, ta khơng biết xác ký tự phát Trang I.3 Cơ sở viễn thơng Phạm Văn Tấn Do đó, ta thực cần thiết kế hệ viễn thơng dùng dạng sóng ngẫu nhiên tất nhiên nhiễu đưa vào mơ tả dạng sóng ngẫu nhiên Kỹ thuật cần đến khái niệm vể xác suất thống kê ( Sẽ làm việc phân tích thiết kế phức tạp ) Nhưnng may thay , ta trình bày tín hiệu dạng sóng “ tiêu biểu “ xác định, ta hầu hết, khơng tất kết Sơ ĐỒ KHỐI MỘT HỆ THỐNG VIỄN THƠNG Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống viễn thơng Chủ đích hệ Viễn thơng truyền tin tức từ nguồn, ký hiệu s(t), đến Sink Tin tức s lấy từ Sink ký hiệu ~ (t); tin tức digital hay analog, tùy vào hệ dùng Nó tin tức Video, audio hay vài loại khác Trong hệ multiplex ( đa hợp ), có nhiều nguồn vào nhiều Sink Phổ s(t) ~ (t) tập trung quanh f = Chúng gọi tín hiệu băng gốc ( base s band ) Khối xử lý tín hiệu: Ở máy phát tùy điều kiện nguồn cho truyền có hiệu Thí dụ: Trong hệ digital, vi xử lý Trong hệ analog, khơng lọc hạ thơng Trong hệ lai, mạch lấy mẫu tin tức vào ( analog ) digital - hóa để có biến điệu mã xung ( Pulse code modulation ) PCM Tín hiệu khối XLTH máy phát tín hiệu băng gốc tần số tập trung gần f = Khối sóng mang: Ở máy phát đổi tín hiệu băng gốc xử lý thành băng tần để truyền đưa vào kênh truyền Thí dụ: Nếu kênh gồm cặp dây xoắn ( twisted - pair ) telephone, phổ sm(t) nằm dãy âm tần ( audio ), từ 300 -> 3.700Hz Nhưng kênh gồm cáp quang, phổ sm(t) tần số ánh sáng - Nếu kênh truyền tín hiệu băng gốc, khơng cần dùng khối sóng mang sm(t) tín hiệu khối XLTH - Khối sóng mang cần kênh truyền tần số thuộc băng xung quanh fc , với fc >> Trong trường hợp sm(t) gọi tín hiệu dãy thơng ( Band pass Signal ) Vì thiết kế để có tần số thuộc băng quanh fc Thí dụ, đài phát biến điệu AM với tần số kết hợp 850 KHz có sóng mang fc = 850 KHz Sự áp tín hiệu băng gốc dạng sóng s(t) thành tín hiệu dãy thơng sm(t) gọi biến điệu ( modulation ) ( s(t) tín hiệu audio đài phát AM ) Tín hiệu dãy thơng có dạng: sm(t0 = s (t) cos [ ωc(t) + θ(t) ] Với ωc = 2πfc, fc tần số sóng mang Nếu s(t) = θ(t) = sm(t) tín hiệu hình sin túy với f = fc băng tần Trang I.4 Cơ sở viễn thông Phạm Văn Tấn Trong biến điệu mạch sóng mang, sóng vào s(t) làm cho R (t) và/hoặc θ(t) thay đổi hàm s(t) Sự thay đổi R (t) θ(t) làm cho sm(t) có khổ băng phụ thuộc vào tính chất s(t0 vào hàm áp dùng để phát R (t) θ(t) Các kênh truyền: Có thể phân chia làm loại: dây mềm ( softwire ) dây cứng (hardwire) Vài loại kênh dây mềm tiêu biểu như: Khơng khí, chân không nước biển Vài loại kênh truyền dây cứng: Cặp dây xoắn telephone, cáp đồng trục, ống dẫn sóng cáp quang Một cách tổng quát, kênh truyền làm giảm tín hiệu, nhiễu kênh truyền / nhiễu máy thu khiến cho ~ (t) bị xấu so với nguồn Nhiễu kênh có gia tăng từ nguồn điện, s dây cao thế, đánh lửa nhiễu đóng ngắt computer Kênh chứa phận khuếch đại tác động, thí dụ: Hệ thống repeater telephone vệ tinh tiếp chuyển hệ thống viễn thông không gian Dĩ nhiên, phận cần thiết để giữ cho tín hiệu lớn nhiễu Kênh có nhiều đường ( multiple paths ) input output chúng có thời gian trễ ( time delay ), tính chất giảm biên ( attenuation ) khác Những tính chất thay đổi theo thời gian Sự thay đổi làm thay đổi bất thường ( fading ) tín hiệu ngõ kênh ( Ta quan sát fading nghe nghe đài sóng ngắn xa ) Máy thu nhận tín hiệu ngỏ kênh đổi thành tín hiệu băng gốc SỰ phân chia vùng tẦN sỐ (Frequency Allocations) Trong hệ thơng tin dùng khơng khí làm kênh truyền, điều kiện giao thoa truyền sóng phụ thuộc chặt chẽ vào tần số truyền Về mặt lý thuyết, kiểu biến điệu (Am, Fm, băng cạnh - single sideband, phase shift keying, frequency shift keying ) dùng cho tần số truyền Tuy nhiên, theo qui ước quốc tế, kiểu biến điệu độ rộng băng, loại tin truyền cần xếp đặt cho băng tần Bảng sau cho danh sách băng tần, ký hiệu, điều kiện truyền công dụng tiêu biểu chúng Băng tần - 30KHz 30- 300KHz 3003000KHz - 30MHz 30- 300MHz 0.3 - GHz 1.0 - 2.0 GHz 2.0 - 4.0 GHz - 30 GHz Ký hiệu VLF very low frequency LF low frequency MF Medium frequency Đặt tính truyền Sóng đất Suy giảm ngày đêm Nhiểu không khí cao Tương tự VLF Ít tin cậy Bị hấp thu vào ban ngày Sóng đất sóng trời ban đêm Suy giảm vào ban nhiểu vào ban ngày Nhiểu khơng khí HF Sự phản xạ tần ion cần Hight frequency thay đổi theo thời gian ngày, theo mùa theo tần số Nhiểu khơng khí 30Mhz Gần với LOS Sự tán xạ gây VHF thay đổi nhiệt độ Very high Nhiễu không gian frequency Truyền LOS Nhiễu không UHF Ultra high gian frequency L S SHF Truyền LOS Suy giảm Trang I.5 Những ứng dụng tiêu biểu Thông tin nước Hướng dẫn radio cho hải hành Radio hàng hải Tần số cấp cứu phát sống Am radio nghiệp dư Phát quốc tế Viễn thông quân Thông tin đường dài cho không hành hải hành Điện thoại, điện tín, fax Truyền hình VHF Radio FM stereo Trợ giúp khơng hành Truyền hình VHF Radio FM Stereo Trợ giúp khơng hành Viễn thông vệ tinh Radar Cơ sở viễn thông Băng tần - 4.0 4.0 - 8.0 8.0 - 12.0 12.0 - 18.0 18.0 - 27.0 27.0-40.0 30 - 300 GHz 26.5 - 40 33.0 - 50.0 40.0 - 75.0 75.0 - 110.0 110 - 300 103 - 107 Phạm Văn Tấn Ký hiệu Đặt tính truyền Những ứng dụng tiêu biểu Supper high Oxi nước không microwave links frequency khí Sự hấp thụ nước cao S 22.2 GHz C X KU K Ka Tương tự Hơi nước hấp Radar, vệ tinh, thí nghiệm EHF Extremely high thụ mạnh 183GHz Oxy hấp thu 60 119 frequency GHz R Q V W Mm Viễn thông quang IR (Hồng ngoại Truyền LOS ) ánh sáng khả kiến UV ( Tử ngoại ) SỰ truyỀn sóng điỆn tỪ Các đặc tính truyền sóng điện từ truyền kênh truyền dây mềm phụ thc nhiều vào tần số Điều thấy từ bảng kê Phổ điện từ chia làm băng lớn: Sóng mặt đất ( Ground ware ), sóng trời ( Sky ware ) sóng truyền theo đường tầm mắt ( light of sight ) LOS Sự truyền tín hiệu (signal propagation) Anten phát (Transmit antenna) Anten thu (Recieve antenna) The Earth a Truyền sóng đất ` Sự truyền tín hiệu (signal propagation) Ion cầu Anten phát (Transmit antenna) The Earth b Truyền sóng trời Trang I.6 Anten thu (Recieve antenna) Cơ sở viễn thông Phạm Văn Tấn Sự truyền tín hiệu (signal propagation) Anten phát (Transmit antenna) Anten thu (Recieve antenna) The Earth c Truyền theo đường tầm mắt Hình 1.2: truyền sóng điện từ Tần số sóng đất nhỏ MHz Ở sóng điện từ có khuynh hướng truyền theo chu vi trái đất Kiểu truyền dùng đài AM Ở phủ sóng địa phương theo đường cong mặt đất tín hiệu truyền đường chân trời thấy Câu hỏi thường đặt ra: “ Tần số thấp sóng dùng ? Câu trả lời tần số tùy thuộc vào chiều dài anhten phát Để xạ có hiệu quả, antenna cần dài 1/10 bước sóng Ví dụ: Với sóng mang fC = 10KHz, bước sóng là: C λ= fC λ = ( 3.108m/s )/104Hz = 3.104 m Như vậy, anten dài 3.000m để xạ có hiệu sóng điện từ 10KHz! Khoảng tần số sóng trời đến 30 Mhz Sự truyền sóng dựa vào phản xạ tầng ion ( ion sphere - tầng điện ly ) mặt đất Nhờ đó, truyền khoảng xa Tầng ion có biểu đồ phân bố sau: Hình 1.3: Biểu đồ phân bố tầng ion Sự ion hóa xãy kích thích phân tử khí xạ vũ trụ từ mặt trời Tầng ion gồm lớp E, F1, F2, D Lớp D hình thành vào ban ngày lớp chủ yếu hấp thụ sóng trời Lớp F lớp chính, làm phản xạ sóng trời trái đất Thực tế, khúc xạ bậc qua lớp tầng ion khiến tầng tác dụng vật phản xạ làm sóng trời bị phản xạ trở lại trái đất Trang I.7 Cơ sở viễn thơng Phạm Văn Tấn Hình 1.4: Sự phản xạ sóng trời bở tầng ion Chỉ số khúc xạ n thay đổi theo độ cao tầng ion, mật độ electron tự thay đổi 81n n = 1− f Trong đó: N: Mật độ electron tự ( số e-/m3 ) f: tần số sóng (Hz) - Dưới vùng ion hóa, n = - Trong vùng ion hóa, n < ( Vì N > ) Sóng bị khúc xạ theo định luật Snell: nsinϕr = sinϕi Trong đó: ϕI : Góc đến ϕr: Góc khúc xạ a Với sóng có tần số f < 2MHz : 81N > f2 nên n trở nên ảo Tầng ion làm giảm sóng đến b Với sóng có tần số từ - 30 MHz ( Sóng trời ), truyền sóng, góc phản xạ hao hụt tín hiệu điểm phản xạ tầng ion tùy thuộc vào f, vào thời gian ngày, theo mùa tác động vết đen mặt trời Ban ngày, N lớn làm n ảo Sóng bị hấp thu, có sóng trở lại trái đất Ban đêm, N nhỏ nên n < Khi đó, sóng truyền từ trái đất lên tầng ion ϕr > ϕI Sẽ xãy tượng khúc xạ bậc Do phản xạ nhiều lần tầng ion mặt đất, sóng trời truyền xa Vì thế, có sóng trời phát từ đài xa bên trái đất thu băng sóng ngắn Sự truyền LOS phương thức truyền cho tần số 30 MHz Ở đó, sóng điện từ truyền theo đường thẳng Trong trường hợp f2 >> 81N làm cho n ≈ có sóng bị khúc xạ tầng ion Sóng truyền ngang qua tầng Tính chất dùng cho thông tin vệ tinh Cách truyền LOS bất lợi cho việc truyền thông tin trạm mặt đất, mà đường tín hiệu phải đường chân trời Độ cong mặt đất chặn đường truyền LOS Trang I.8 Cơ sở viễn thông Phạm Văn Tấn Hình 1.5 Anten phát cần phải đặt cao, cho anten thu phải “ thấy “ d2 + r2 = ( r + h )2 d2 = 2rh + h2 h2