BÀI GIẢNG TRUYỀN DẪN SỐ

TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG     BÀI GIẢNG TRUYỄN DẪN SỐ IT Chuyên ngành Điện tử truyền thông BÀI GIẢNG (Lưu hành nội ) TRUYỄN DẪN SỐ T Chuyên ngành Điện tử Truyền thông P (Lưu hành nội bộ) Biên soạn: T.S Lê Nhật Thăng Biên soạn: PGS TS Lê Nhật Thăng ThS Vũ Thị Thúy Hà ThS Vũ Thị Thúy Hà ThS Nguyễn Thị Thu Hiên ThS Nguyễn Thị Thu Hiên Hà Nội, 12/2013 Bài giảng Truyền dẫn số Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC I CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VI LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SỐ 1.1 Đặc điểm thông tin số .2 1.2 Các thành phần hệ thống truyền thông số 1.3 Các kênh truyền đặc tính IT 1.4 Các mô hình toán cho kênh truyền dẫn 1.5 Quá trình phát triển hệ thống truyền dẫn số 11 Câu hỏi tập chương 12 CHƯƠNG 2: MÃ HÓA NGUỒN .13 T 2.1 Mô hình toán học cho nguồn thông tin 13 2.2 Độ đo thông tin 14 2.2.1 Lượng tin tương hỗ trung bình Entropy 15 P 2.2.2 Đo thông tin cho biến ngẫu nhiên liên tục 15 2.3 Mã hóa cho nguồn rời rạc 16 2.3.1 Mã hóa nguồn rời rạc không nhớ 16 2.3.2 Entropy nguồn dừng rời rạc 19 2.3.3 Thuật toán Lempel-Ziv .19 2.4 Mã hóa cho nguồn tương tự - lượng tử hóa tối ưu 21 2.4.1 Hàm tốc độ - méo .21 2.4.2 Kỹ thuật lượng tử 22 2.5 Kỹ thuật mã hóa cho nguồn tương tự .24 2.5.1 Mã hóa dạng sóng thời gian: 25 2.5.1.1 Phương pháp điều chế xung mã PCM .25 i Bài giảng Truyền dẫn số Mục lục 2.5.1.2 Điều xung mã vi sai DPCM 29 2.5.1.3 Điều chế Delta (DM) .30 2.5.1.4 Điều chế xung mã vi sai thích ứng (ADPCM) 31 2.5.2 Bộ mã hóa dạng sóng miền tần số 31 2.5.3 Mã hóa nguồn dựa mô hình phát âm .32 Câu hỏi tập chương 34 CHƯƠNG 3: MÃ HÓA KÊNH 37 3.1 Phát lỗi sửa lỗi .37 3.1.1 Phát lỗi 38 3.1.2 Kiểm tra chẵn lẻ chiều 41 3.1.3 Các mã đa thức 42 IT 3.1.4 Sửa lỗi 46 3.1.5 Ghép xen 46 3.1.6 Các vector mã khoảng cách Hamming 47 3.1.7 Hệ thống FEC 48 T 3.1.8 Hệ thống ARQ .51 3.2 Các mã khối tuyến tính .55 P 3.2.1 Các mã khối tuyến tính hệ thống 58 3.2.2 Ma trận kiểm tra chẵn lẻ 59 3.2.3 Kiểm tra Syndrome 60 3.3 Các mã chập 62 3.3.1 Tạo mã chập 62 3.3.2 Biểu diễn mã chập .65 3.3.2.1 Sơ đồ hình 65 3.3.2.2 Sơ đồ trạng thái 66 3.3.2.3 Sơ đồ hình lưới .67 3.3.3 Giải mã mã chập thuật toán Viterbi 67 3.4 Các mã kết nối giải mã lặp 69 3.4.1 Bộ mã hóa Turbo 70 ii Bài giảng Truyền dẫn số Mục lục 3.4.1.1 Tổng quan .70 3.4.1.2 Ghép xen Turbo 72 3.4.2 Giải mã Turbo 75 3.4.2.1 Giới thiệu 75 3.4.2.2 Kiến trúc giải mã .75 3.4.2.3 Giải mã lặp giải mã SISO .76 3.5 Các mã nâng cao 78 3.5.1 Kiến trúc mã LDPC .79 3.5.2 Đồ hình Tanner 80 3.5.3 Mã hóa 82 3.5.3.1 Mã hóa sử dụng ma trận sinh G .82 IT 3.5.3.2 Mã hóa sử dụng ma trận chẵn lẻ H 84 3.5.4 Giải mã 87 3.5.4.1 Thuật toán giải mã tổng tích miền xác suất SPA 89 Câu hỏi tập chương 92 T CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH SỐ 94 4.1 Tổng quan kỹ thuật ghép kênh .94 4.1.1 Khái niệm ghép kênh 94 P 4.1.2 Các kỹ thuật ghép kênh .95 Ứng dụng kỹ thuật ghép kênh hệ thống truyền dẫn số 104 4.2.1 Kỹ thuật ghép kênh TDM-PCM 104 4.2.2 Kỹ thuật ghép kênh PDH 105 4.2.3 Kỹ thuật ghép kênh SDH 106 Câu hỏi tập chương 110 CHƯƠNG 5: MÃ ĐƯỜNG TRUYỀN .110 5.1 Tổng quan mã đường truyền 110 5.2 Các loại mã truyền đường truyền .115 5.2.1 Mã AMI 115 5.2.2 Mã CMI (Coded Mark Inversion) .116 iii Bài giảng Truyền dẫn số Mục lục 5.2.3 Mã HDBn 117 5.2.4 Mã BnZS (Binary N-Zero Substitution) 117 Câu hỏi tập chương 120 CHƯƠNG 6: ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ SỐ 121 6.1.Tổng quan điều chế số 121 6.2 Các phương thức điều chế - giải điều chế 122 6.2.1 Điều chế khóa dịch biên độ (ASK) 123 6.2.2 Điều chế khóa dịch pha (PSK) 125 6.2.2.1 Điều chế BPSK 125 6.2.2.2 Khóa dịch pha vi phân (DPSK) 128 6.2.2.3 Khóa dịch pha cầu phương Khóa dịch pha M-ary 128 IT 6.2.3 Điều chế khóa dịch tần (FSK) 129 6.2.4 Điều biên cầu phương (QAM) 130 6.3 Đánh giá hiệu kỹ thuật điều chế 132 6.3.1 Điều c lỗi 10-5 với tốc độ bit tương ứng là: 136 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VI: Điều chế giải điều chế số a 2400 bit/sec b 4800 bit/sec c 9600 bit/sec d 19200 bit/sec P T IT e Vẽ đồ thị biểu diễn quan hệ E b / N số bit symbol, nêu nhận xét? 137 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng CHƯƠNG 7: ĐỒNG BỘ 7.1 Đồng truyền dẫn số Trong hầu hết thảo luận máy thu hiệu giải điều chế, số mức độ đồng hóa tín hiệu giả định, giả định thường không phân tích rõ ràng Ví dụ, trường hợp giải điều chế pha kết hợp (PSK), máy thu giả định tạo tín hiệu mẫu chuẩn có pha giống với mẫu tín hiệu máy phát Những tín hiệu mẫu chuẩn so sánh với tín hiệu đến trình định đưa ký hiệu hợp lệ T IT Để để tạo tín hiệu mẫu chuẩn này, máy thu phải đồng với sóng mang nhận Điều có nghĩa phải có đồng pha sóng mang máy thu Điều biết đến khóa pha (phase lock) điều kiện phải thực chặt chẽ tín hiệu điều chế giải điều chế xác máy thu Khi khóa pha thực hiện, nghĩa là, dao động nội máy thu đồng với tín hiệu thu pha tần số Nếu tín hiệu mang thông tin không điều chế trực tiếp sóng mang, điều chế gián tiếp qua sóng mang phụ pha sóng mang sóng mang phụ phải xác định Nếu sóng mang sóng mang phụ không đồng pha máy phát (thường không), điều yêu cầu tạo sóng mang phụ máy thu, nơi mà pha sóng mang phụ điều khiển riêng biệt từ pha sóng mang Điều cho phép máy thu có khóa pha sóng mang sóng mang phụ P Cũng giả định máy thu biết xác ký hiệu bắt đầu kết thúc Sự nhận biết cần thiết để biết khoảng thời gian tích hợp ký hiệu khoảng thời gian mà lượng tích hợp trước đưa định ký hiệu Rõ ràng máy thu thực việc tích hợp khoảng thời gian có chiều dài không phù hợp, kéo dài qua hai ký hiệu, khả đưa định xác ký hiệu bị suy giảm Có thể thấy đồng ký hiệu đồng pha giống chỗ hai liên quan đến việc tạo phần tín hiệu phát Với đồng pha, xác sóng mang Đối với đồng ký hiệu, xung vuông có tốc độ chuyển tiếp ký hiệu Trong nhiều hệ thống truyền thông, mức độ đồng cao yêu cầu gọi đồng khung Đồng khung yêu cầu thông tin tổ chức dạng khối, tin số thống ký hiệu Ví dụ mã khối sử dụng để kiểm soát lỗi trước, kênh thông tin liên lạc chia sẻ thường xuyên số người sử dụng theo thời gian (TDMA) Trong trường hợp 138 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng mã hóa khối, giải mã cần phải biết vị trí ranh giới từ mã để giải mã tin cách xác Trong trường hợp kênh chia sẻ theo thời gian, đồng khung cần thiết để biết vị trí ranh giới người sử dụng kênh, để định tuyến đường thông tin cách thích hợp Tương tự đồng ký hiệu, đồng khung tạo xung vuông có tốc độ với tốc độ khung Hầu hết hệ thống truyền thông số sử dụng điều chế kết hợp yêu cầu chặt chẽ ba cấp độ đồng bộ: pha, ký hiệu, khung Các hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế không kết hợp thường yêu cầu đồng ký hiệu khung, khóa pha xác yêu cầu cần thiết Thay vào đó, hệ thống không kết hợp yêu cầu đồng tần số Đồng tần số khác với đồng pha chỗ sóng mang tạo máy thu cho phép có số lệch pha tùy ý so với sóng mang thu T IT Tất thảo luận hướng đầu cuối thu tuyến truyền thông Tuy nhiên, thực tế, có trường hợp, máy phát giả định có vai trò tích cực trình đồng qua thay đổi việc định thời gian tần số truyền để tương ứng với yêu cầu máy thu Một ví dụ trường hợp mạng lưới thông tin liên lạc vệ tinh, nơi có nhiều thiết bị đầu cuối mặt đất, hướng tín hiệu tới máy thu vệ tinh Trong hầu hết trường hợp này, máy phát dựa phản hồi từ máy thu để xác định xác việc đồng Như vậy, đồng phía phát thường ngụ ý truyền thông hai chiều mạng lưới để có đồng thành công Như vậy, đồng phía phát thường gọi đồng mạng Đồng phía phát đồng mạng thảo luận phần cuối chương P 7.2 Đồng phía thu Tất hệ thống truyền thông số yêu cầu vài mức độ đồng tín hiệu đến máy thu Trong phần này, nguyên tắc mức độ khác đồng phía thu giới thiệu Ban đầu mức đồng yêu cầu cho thu kết hợp - đồng pha tần số - nguyên tắc hoạt động vòng khóa pha (PLL) Tiếp đến đồng ký hiệu số mức đồng ký hiệu yêu cầu cho máy thu số kết hợp không kết hợp Cuối đồng khung kỹ thuật để đạt trì 7.2.1 Mạch vòng khóa pha Trung tâm hầu hết mạch đồng vòng khóa pha (PLL) Trong máy thu số đại, vòng khóa pha khó nhận biết, chức tương đương diện Sơ đồ khối vòng khóa pha minh họa hình 7.1 Các vòng khóa pha vòng cấu điều khiển phụ có tham số điều khiển pha tín hiệu sóng mang đến tạo Các vòng khóa pha 139 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng có ba thành phần bản: so pha, lọc vòng tạo dao động điều khiển điện áp (VCO) Bộ so pha thiết bị tạo khác biệt pha tín hiệu đến nội Khi tín hiệu đến nội thay đổi tương ứng với nhau, khác pha (hay lỗi pha) trở thành tín hiệu biến đổi theo thời gian đưa tới lọc vòng Bộ lọc vòng khống chế đáp ứng vòng khóa pha theo biến đổi tín hiệu sai lệch (lỗi) T IT Một vòng lặp thiết kế tốt theo dõi thay đổi pha tín hiệu không đáp ứng mức nhiễu máy thu VCO thiết bị tạo sóng mang VCO, tên nó, dao động hình sin có tần số điều khiển mức điện áp đầu vào thiết bị Trong hình 7.1, so pha hiển thị nhân, lọc vòng mô tả hàm đáp ứng xung f (t), với biến đổi Fourier F(), VCO P Hình 7.1: Sơ đồ khối mạch vòng khóa pha VCO dao dộng có tần số đầu hàm tuyến tính điện áp đầu vào Một điện áp đầu vào dương tạo tần số đầu VCO lớn giá trị không điều khiển nó, 0 , điện áp âm gây hiệu ứng ngược lại Khóa pha thực cách cung cấp cho lọc lệch pha (lỗi pha) tín hiệu đến r(t) tín hiệu đầu VCO, x(t), để tạo tín hiệu đầu vào cho VCO, y(t) Xem xét tín hiệu đầu vào chuẩn hóa có dạng: r (t )  cos[0t   (t )] (7.1) Trong 0 tần số sóng mang  (t ) pha biến đổi chậm Tương tự, có tín hiệu đầu VCO chuẩn hóa có dạng: 140 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng x(t )  2sin[0t  ˆ(t )] (7.2) Những tín hiệu tạo tín hiệu lỗi đầu tách pha có dạng: e(t )  x(t )r (t )  2sin[0t  ˆ(t )]cos[0t   (t )]  sin[ (t )  ˆ(t )]  sin[20t   (t )  ˆ(t )] (7.3) Giả sử lọc vòng lọc thông thấp, số hạng thứ hai phía bên phải biểu thức (7.3) lọc bị loại bỏ Một lọc thông thấp cung cấp tín hiệu lỗi, hàm khác biệt pha đầu vào [biểu thức (7.1)] đầu VCO [biểu thức (7.2) Tần số đầu VCO đạo hàm theo thời gian đối số hàm sin (7.2) Nếu giả định 0 tần số không điều khiển VCO (tần số đầu điện áp đầu vào 0), thể khác biệt tần số đầu VCO với 0 qua đạo hàm theo thời gian thành phần pha ˆ(t ) Tần số đầu IT VCO hàm tuyến tính điện áp đầu vào Vì vậy, kể từ điện áp đầu vào tạo tần số đầu 0 , khác biệt tần số đầu so với 0 , tỷ lệ thuận với giá trị điện áp đầu vào y (t), hoặc: d ˆ   (t )   K y (t ) dt   K 0e(t ) * f (t ) T  (t )  (7.4)  K  (t )  ˆ(t )  * f (t ) P Ở đây,  (t ) biểu thị khác biệt tần số, phương pháp xấp xỉ góc nhỏ (nghĩa là: e(t )  sin[ (t )  ˆ(t )]   (t )  ˆ(t ) sử dụng dòng cuối biểu thức (7.4) Xấp xỉ góc nhỏ trở nên xác lỗi pha đầu nhỏ (vòng lặp tiệm cận tới khóa pha) Đây tình trạng vòng lặp hoạt động bình thường K : hệ số tăng ích VCO, f (t) đáp ứng xung lọc vòng Phương trình vi phân tuyến tính ˆ(t ) (sử dụng xấp xỉ góc nhỏ) gọi phương trình vòng lặp tuyến tính Đó mối liên hệ hữu ích việc xác định cách xử lý vòng lặp trình hoạt động bình thường (khi lỗi pha nhỏ) Xem xét biến đổi Fourier biểu thức (7.4): ˆ ( )  K ( )   ˆ ( )  F ( ) j   (7.5) ˆ ()  ˆ(t ), ()   (t ), F ()  f (t ) cặp biến đổi Fourier tương ứng  Sắp xếp lại biểu thức (7.5) có: 141 ... bit symbol, nêu nhận xét? 137 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng CHƯƠNG 7: ĐỒNG BỘ 7.1 Đồng truyền dẫn số Trong hầu hết thảo luận máy thu hiệu giải điều chế, số mức độ đồng hóa tín hiệu giả... đầu truyền dẫn, d khoảng cách truyền, c P Tương tự, để xác định trước tần số truyền dẫn, máy phát tính chuyển dịch Doppler chuyển động tương đối máy phát máy thu Để nhận xác tần số góc truyền dẫn. .. pha PLL.Vai trò PLL đồng hệ thống truyền dẫn số? P Trình bày cấu trúc nguyên tắc hoạt động mạch vòng khóa pha số DPLL So sánh với PLL? 155 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng TÀI LIỆU THAM