Khảo sát tính thời gian thực trong hệ thống thông tin vô tuyến sóng ngắn

Khảo sát tính thời gian thực trong hệ thống thông tin vô tuyến sóng ngắn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

-o0o -BÁO CÁO

HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC

Chủ đề: Khảo sát tính thời gian thực trong

hệ thống thông tin vô tuyến sóng ngắn

Giáo viên hướng dẫn PGS TS Đỗ Trọng Tuấn

Học viên thực hiện

Hà Nội - 2018

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

1 Tổng quan về Hệ thống thời gian thực 4

1.1 Khái niệm về Hệ thống thời gian thực 4

1.1.1 Định nghĩa về Hệ thống 4

1.1.2 Thời gian đáp ứng của một hệ thống 5

1.1.3 Hệ thống thời gian thực 5

1.2 Phân loại hệ thống thời gian thực 7

1.2.1 Hệ thống thời gian thực mềm 7

1.2.2 Hệ thống thời gian thực cứng 8

1.2.3 Hệ thống thời gian thực sụn 9

1.3 Ứng dụng của hệ thống thời gian thực 10

2 Khảo sát tính thời gian thực của Hệ thống thông tin vô tuyến sóng ngắn 10

2.1 Tổng quan về Hệ thống thông tin vô tuyến sóng ngắn 10

2.1.1 Thông tin vô truyến sóng ngắn là gì? 10

2.1.2 Các phương thức lan truyền sóng ngắn 10

2.1.3 Đặc điểm kênh thông tin vô tuyến sóng ngắn 13

2.1.4 Hệ thống thông tin vô tuyến sóng ngắn 14

2.2 Khảo sát tính thời gian thực của Hệ thống thông tin vô tuyến sóng ngắn 15

2.2.1 Tại bộ chuyển đổi tương tự - số ADC 16

2.2.2 Tại Vocoder 17

2.2.3 Tại Modem 18

2.2.4 Tại máy thông tin vô tuyến sóng ngắn và trên đường truyền 18

3 Kết luận 19

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Định nghĩa Hệ thống 5

Hình 2: Hệ thống thời gian thực mềm 8

Hình 3: Hệ thống thời gian thực cứng 8

Hình 4: Hệ thống thời gian thực sụn 9

Hình 5: Các phương thức lan truyền sóng 11

Hình 6: Sóng không gian và chân trời vô tuyến 12

Hình 7: Hiện tượng ống sóng 12

Hình 8: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến sóng ngắn 14

Hình 9: Mô hình tiến trình bên phát 16

Hình 10: Đồ thị thời gian ADC 16

DANH MỤC BẢNG BIỂ Bảng 1: Các bit nén sử dụng trong LPC10 17

LỜI MỞ ĐẦU

Lĩnh vực Hệ thống điều khiển theo thời gian thực đang là một xu hướng nghiêncứu trong khoa học ứng dụng Nhiều thành quả quan trọng trong vấn đề thời gianthực đang được kế thừa rộng rãi như dây chuyền sản xuất tự động, điều khiển tựđộng, truyền thông,… Trong đó truyền thông trong thông tin vô tuyến sóng ngắncũng được chú ý để xây dựng và phát triển các thiết bị phục vụ trong quân sự, tàu

cá hải đảo

Bài báo cáo xin trình bày một cách tổng quan về Hệ thống thời gian thực Kháiniệm và phân loại các hệ thông thời gian thực cùng những ứng dụng của nó Qua đókhảo sát tính thời gian thực được sử dụng trong Hệ thống thông tin vô tuyến sóngngắn

1 Tổng quan về Hệ thống thời gian thực

1.1 Khái niệm về Hệ thống thời gian thực

Phần cứng của máy tính giải quyết vấn đề bằng cách thực hiện lặp đi lặp lại cáccâu lệnh qua ngôn ngữ máy – đó là phần mềm Phần mềm thì thường phân loại là:chương trình hệ thống và chương trình ứng dụng

Các chương trình hệ thống bao gồm phần mềm giao tiếp với phần cứng máytính cơ bản, chẳng hạn như trình điều khiển thiết bị, bộ xử lý gián đoạn, trình lậplịch nhiệm vụ và các chương trình khác nhau hoạt động như một công cụ cho việcphát triển hoặc phân tích các chương trình ứng dụng Những công cụ phần mềmnày bao gồm trình biên dịch, dịch các chương trình ngôn ngữ bậc cao sang mãassembly; chương trình dịch mã sẽ chuyển đổi mã assembly thành một định dạngnhị phân đặc biệt gọi là mã máy Các chương trình ứng dụng là các chương trìnhviết để giải quyết các vấn đề cụ thể Có một điểm đáng được quan tâm trong thiết

kế hệ thống là tính thời gian thực của hệ thống

Hình 1: Định nghĩa Hệ thống

Vernon liệt kê ra 5 thuộc tính chung của bất kỳ “hệ thống” nào:

- Một hệ thống là một tập hợp các thành phần kết nối với nhau một cách có tổ

1.1.2 Thời gian đáp ứng của một hệ thống

Định nghĩa thời gian đáp ứng: là khoảng thời gian từ khi có tập hợp các đầu

vào đi vào hệ thống đến lúc tất cả các đầu ra đi ra khỏi hệ thống

Thời gian đáp ứng nhanh hay đúng thời điểm phụ thuộc vào đặc điểm và mụcđích cụ thể của hệ thống

Các định nghĩa trên miêu tả đầy đủ thế nào là một Hệ thống thời gian thực

1.1.3 Hệ thống thời gian thực

Định nghĩa Hệ thống thời gian thực (I): Một hệ thống thời gian thực là một hệ

thống máy tính phải đáp ứng được ràng buộc về thời gian đáp ứng, nếu không sẽgây ra hậu quả nghiêm trọng, bao gồm cả thất bại

Thất bại ở đây có thể hiểu là “không có khả năng thực hiện được chức năng cơbản của nó” Một hệ thống thất bại là một hệ thống không thể đáp ứng được mộthoặc các yêu cầu đã được đặt ra trong mô tả yêu cầu của nó

Do định nghĩa về thất bại như trên nên có những tiêu chuẩn nghiêm ngặt về cáctiêu chí hoạt động của hệ thống, trong đó những ràng buộc về thời gian bắt đầuđược chú trọng

Định nghĩa Hệ thống thời gian thực (II): Một hệ thống thời gian thực là hệ

thống mà tính đúng đắn của nó dựa trên sự chính xác của đầu ra và tính kịp thời củanó

Trong bất kỳ trường hợp nào, nếu không cần sự đảm bảo về mặt thời gian thìmọi hệ thống đều trở thành hệ thống thời gian thực

Hệ thống thời gian thực thường là các hệ thống phản ứng hoặc hệ thống nhúng

Hệ thống phản ứng là các hệ thống thực hiện một kế hoạch nhiệm vụ nào đó

qua sự tương tác với môi trường Ví dụ như hệ thống điều khiển khai hỏa tương tácvới các nút nhấn được sử dụng bởi phi công

Hệ thống nhúng là hệ thống gồm một hoặc nhiều máy tính (hoặc bộ xử lý) có

vai trò là trung tâm trong các chức năng của hệ thống Ví dụ một chiếc ô tô hiện đại

có chứa nhiều bộ xử lý nhúng điều khiển việc bung túi khí, phanh, điều hòa khôngkhí, phun nhiên liệu, … Ngày nay nhiều đồ gia dụng, như lò vi sóng, lò sưởi, ti vi,máy giặt đều chứa máy tính nhúng

Trong thực tế, có nhiều hệ thống phản ứng thời gian thực đòi hỏi nhiệm vụ trảlời kích thích trong một khoảng thời gian một giây, trong khi việc đo đạc và xác

định các kích thích đó chỉ diễn ra trong vài mili giây, có một khoảng cách rất lớngiữa một giây và một vài mili giây, nhưng hệ thống đó vẫn đảm bảo được chứcnăng nhiệm vụ của nó Điều đó chứng tỏ, một hệ thống không phải là xử lý côngviệc ngay lập tức, ngay tức thì mới được gọi là hệ thống thời gian thực, nó đơngiản là chỉ cần xử lý được công việc trong một khoảng thời gian thích hợp.

1.2 Phân loại hệ thống thời gian thực

Khi nào là một hệ thống thời gian thực? Có thể nói rằng, bất cứ một hệ thốngnào cũng có thể là hệ thống thời gian thực nếu yêu cầu về thời gian thực thi được

bỏ qua hoặc làm cho bớt quan trọng hơn Ví dụ như hệ thống trả lương nhân viên,nếu bỏ qua yêu cầu cần phải trả lương trong vòng 2 ngày, thì hệ thống này có thểđáp ứng trả lương trong vòng 1 tuần hoặc 1 tháng, tùy tình hình kinh tế của công ty,điều này gây ảnh hưởng đến nhân viên công ty, nhưng không đến mức độ công typhá sản do không thể trả lương, nên vẫn được chấp nhận… Hầu hết những hệ thốngnày được gọi là hệ thống thời gian thực mềm

1.2.1 Hệ thống thời gian thực mềm

Định nghĩa Hệ thống thời gian thực mềm (Soft real-time system): là một hệ

thống thời gian thực mà chất lượng của nó bị giảm do không đáp ứng được ràngbuộc về mặt thời gian thực thi, nhưng không đến mức nghiêm trọng Thường thìnhững thiệt hại khi hệ thống không đáp ứng được là nhỏ, không đáng kể Ví dụ như

hệ thống stream video/audio, hệ thống mạng, hệ thống kiểm soát đóng mở cửa trên

ô tô, hệ thống điều hòa nhiệt độ dân dụng,…

Hình 2: Hệ thống thời gian thực mềm

Đồ thị trên biểu diễn sự tương quan giữa chất lượng dịch vụ và thời gian thựcthi của một hệ thống thời gian thực mềm, với trục tung là chất lượng dịch vụ, trụchoành là thời gian thực thi của hệ thống Có thể thấy nếu thời gian thực thi vượtquá mốc Deadline, thì chất lượng dịch vụ chỉ giảm xuống đến mức nào đấy trongmột khoảng thời gian cho phép, chứ không thất bại ngay từ mốc deadline

1.2.2 Hệ thống thời gian thực cứng

Ngược lại với hệ thống thời gian thực mềm, Hệ thống thời gian thực cứng

(Hard real-time system): là các hệ thống nếu không đáp ứng được những ràng

buộc về mặt thời gian sẽ dẫn đến hậu quả nghiêm trọng, thất bại hoàn toàn

Hình 3: Hệ thống thời gian thực cứng

Trên đồ thị này, chất lượng dịch vụ giảm về 0 nếu như thời gian thực thi của hệthống không được đáp ứng trước Deadline Có thể nói hệ thống sẽ sụp đổ nếu nhưkhông đáp ứng được ràng buộc về mặt thời gian Ví dụ như Hệ thống làm mát cho

nhà máy điện hạt nhân, hệ thống túi khí an toàn trên oto, hệ thống xạ trị tự động, hệthống báo cháy tự động,…

1.2.3 Hệ thống thời gian thực sụn

Định nghĩa về Hệ thống thời gian thực sụn (Firm Real - Time System): là hệ

thống mà nếu xảy ra một đáp ứng về mặt thời gian không được đảm bảo thì hệthống chưa bị sụp đổ, nhưng nếu có thêm một vài ràng buộc thời gian nữa khôngđược đáp ứng sẽ dẫn đến kết quả hệ thống sẽ sụp đổ hoàn toàn Ví dụ như hệ thốngrút tiền tự động, nếu chỉ xảy ra một trường hợp thời gian rút tiền bị kéo dài, khôngđược đáp ứng thì sẽ hậu quả không đáng kể, nhưng nếu như xảy ra nhiều trườnghợp như vậy, hoặc là thời gian đáp ứng liên tục không được đáp ứng thì việc kinhdoanh sẽ bị khủng hoảng và ngân hàng có thể sụp đổ

Hình 4: Hệ thống thời gian thực sụn

Trên thực tế, mọi hệ thống thời gian thực nào cũng có thể được mô tả như một

hệ thống mềm, cứng, hoặc sụn bằng cách xây dựng một kịch bản nhẹ nhàng hoặckhủng hoảng Vì vậy sự xác định cẩn thận các yêu cầu của hệ thống là chìa khóa đểthiết lập, để đặt ra các khoảng thời gian kỳ vọng của đáp ứng Trong bất kỳ trườnghợp nào, mục tiêu chính của kỹ thuật hệ thống thời gian thực là tìm ra phương pháp

để chuyển đổi một deadline cứng thành mềm, hoặc sụn

1.3 Ứng dụng của hệ thống thời gian thực

Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển theo thời gian thực là mộttrong những lĩnh vực thu hút nhiều sự chú ý trong giới khoa học nghiên cứu vềkhoa học máy tính Trong đó, vấn đề điều hành thời gian thực và vấn đề lập lịch làđặc biệt quan trọng

Một số ứng dụng quan trọng của hệ thống thời gian thực đã và đang được ứngdụng rộng rãi hiện nay là các dây chuyền sản xuất tự động, robot, điều khiển khônglưu, điều khiển các thí nghiệm tự động, truyền thông, điều khiển trong quân sự

2 Khảo sát tính thời gian thực của Hệ thống thông tin vô tuyến sóng ngắn 2.1 Tổng quan về Hệ thống thông tin vô tuyến sóng ngắn

2.1.1 Thông tin vô truyến sóng ngắn là gì?

Thông tin vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn.Phương pháp thông tin là: phía phát bức xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng điện từ,phía thu nhận sóng điện từ phía phát qua không gian và tách lấy tín hiệu gốc

Vô tuyến sóng ngắn sử dụng dải tần số phía trên của MF (tần số trung bình) vàtoàn bộ dải tần HF (tần số cao) thuộc phổ vô tuyến, từ 1.800 đến 30.000 Hz Vàothuở ban đầu của thông tin vô tuyến, vô tuyến sóng ngắn thường bị coi là khônghữu dụng, tuy nhiên cơ chế truyền lan của sóng vô tuyến trong khí quyển Trái đấtgiúp tầm liên lạc đạt xa nhất có thể Vô tuyến sóng ngắn được sử dụng cho phátthanh, thông tin liên lạc tầm xa với tàu biển và máy bay; hay giúp những khu vựchiểm trở như vùng núi, hải đảo có thể tiếp cận các dịch vụ thông tin không dây hay

vô tuyến khác

2.1.2 Các phương thức lan truyền sóng ngắn

Các sóng bức xạ từ điểm phát có thể đến được các điểm thu theo những đườngkhác nhau Các sóng truyền lan dọc theo bề mặt quả đất gọi là sóng đất hay sóng bềmặt; các sóng đi tới các lớp riêng biệt của tầng ion và phản xạ lại gọi là sóng điện

ly hay sóng trời; và sóng không gian (gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặtđất)

Hình 5: Các phương thức lan truyền sóng

- Sự lan truyền sóng đất

Sóng đất là sóng truyền lan dọc theo bề mặt trái đất, do đó còn được gọi là sóng

bề mặt Sóng đất là sóng phân cực đứng bởi vì điện trường trong sóng phân cựcngang sẽ song song với bề mặt trái đất, và các sóng như thế sẽ bị ngắn mạch bởi sựdẫn điện của đất

Sóng đất lan truyền tốt nhất trên bề mặt là chất dẫn điện tốt như nước muối, vàtruyền kém trên vùng sa mạc khô cằn Tổn hao sóng đất tăng nhanh theo tần số, vìthế sóng đất nói chung hạn chế ở các tần số thấp hơn 2 MHz Sóng đất được dùngrộng rãi cho liên lạc tàu thủy - tàu thủy và tàu thủy - bờ Sóng đất được dùng tại cáctần số thấp đến 15 kHz

- Sự lan truyền sóng trong không gian

Gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất, truyền trong vài kilomet tầngdưới của khí quyển Sóng trực tiếp lan truyền theo đường thẳng giữa các anten phát

và thu, còn gọi sóng nhìn thẳng (LOS: Line-Of-Sight)

Hình 6: Sóng không gian và chân trời vô tuyến

Trường hợp đặc biệt gọi là truyền lan trong ống sóng xảy ra khi mật độ đạt mứcsao cho các sóng điện từ bị bẫy giữa tầng này và bề mặt trái đất Các lớp khí quyểnhoạt động như ống dẫn sóng và các sóng điện từ có thể lan truyền rất xa vòng theo

độ cong trái đất và trong ống

Hình 7: Hiện tượng ống sóng

- Sự lan truyền sóng trời

Các sóng điện từ có hướng bức xạ cao hơn đường chân trời (tạo thành góc khálớn so với mặt đất) được gọi là sóng trời Sóng trời được phản xạ hoặc khúc xạ vềtrái đất từ tầng điện ly, vì thế còn gọi là sóng điện ly Tầng điện ly là vùng khônggian nằm cách mặt đất chừng 50 km đến 400 km

2.1.3 Đặc điểm kênh thông tin vô tuyến sóng ngắn

- Cự ly liên lạc: Với sóng đất và công suất không lớn lắm, cự ly liên lạc không

vượt quá vài chục kilomet vì sóng đất bị hấp thụ mạnh trong đất (tăng theotần số) Sóng điện ly do phản xạ một hoặc nhiều lần từ tầng điện ly có thể lantruyền xa tuỳ ý Sóng này bị hấp thụ yếu bởi các lớp D và E, phản xạ tốt bởicác lớp trên (chủ yếu là F2 cao 300 ÷ 500 Km)

- Dung lượng tần số: Rất lớn do đó đảm bảo sự làm việc đồng thời của số

lượng lớn các máy thu phát vô tuyến

- Anten: Với kích thước nhỏ vẫn có hiệu quả khá cao và hoàn toàn áp dụng

được cho các đối tượng cơ động

- Thông tin vô tuyến bằng các sóng điện ly có thể thực hiện được nếu các tần

số sử dụng nằm thấp hơn các giá trị cực đại xác định bởi mức độ ion hoá củacác lớp phản xạ đối với mỗi cự ly liên lạc Ngoài ra thông tin chỉ có thể cónếu công suất máy phát với hệ số khuếch đại của các anten được sử dụng bảođảm cường độ trường cần thiết tại điểm thu với sự hấp thụ năng lượng đã cho

ở trong tầng ion Điều kiện đầu hạn chế giới hạn trên của tần số sử dụng,điều kiện sau - giới hạn dưới Vì vậy thông tin sóng ngắn bằng sóng điện lychỉ có trong một khoảng tần số nhất định Bề rộng của khoảng này phụ thuộcvào tầng điện ly, nghĩa là phụ thuộc vào thời gian của một ngày đêm, vàomùa, vào chu trình hoạt động của mặt trời Cho nên việc dự báo trạng tháicủa tầng điện ly là vô cùng quan trọng đối với thông tin liên lạc sử dụng sóngtrời

- Các bão từ và bão ion có thể ảnh hưởng đáng kể đến trạng thái thông tin sóng

ngắn Đây là các nhiễu loạn của tầng điện ly và của từ trường quả đất dướitác động của các dòng hạt điện tích do mặt trời phun ra Các dòng hạt nàythường phá huỷ lớp phản xạ cơ bản F2 Các nhiễu loạn tầng ion xảy ra cóchu kỳ và liên quan đến thời gian mặt trời quay quanh trục của mình (27ngày đêm)

- Các vụ nổ hạt nhân do con người thực hiện trong khí quyển có thể gây ra sự

ion hoá nhân tạo tầng khí quyển và kéo theo sự ảnh hưởng tình trạng thôngtin sóng ngắn

2.1.4 Hệ thống thông tin vô tuyến sóng ngắn

Hệ thống thông tin nói chung dùng để truyền tin Tin có thể là liên tục (tiếng nói,

âm nhạc) hoặc rời rạc (văn bản, dữ liệu số) Trong hệ thống thông tin, tin được biếnđổi thành tín hiệu phù hợp với kênh thông tin

Người ta quy ước gọi tập hợp các phương tiện kỹ thuật dùng để truyền tin từnguồn đến người nhận tin là đường thông tin Các phương tiện này bao gồm thiết bịphát, kênh thông tin và thiết bị thu Đường thông tin cùng với nguồn và người nhậntạo thành hệ thống thông tin

Ta xét một mô hình của hệ thống thông tin vô tuyến sóng ngắn với chức năngthoại số

Mô hình gồm hai bên, bên phát và bên thu có cấu tạo tương tự nhau Mỗi bêngồm Mic-Loa, Thiết bị thoại số và máy thông tin vô tuyến điện HF được mô tả nhưhình dưới đây:

Hình 8: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến sóng ngắn

Ở bên phát:

- Tín hiệu tiếng nói được Mic chuyển đổi thành tín hiệu âm tần đi vào Thiết bị

thoại số