Xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống thông tin thực hiện truyền dẫn số thông qua điều chế cầu phương QAM

Như chúng ta đã biết, xu thế chung của viễn thông toàn cầu là sự thay thế toàn bộ hệ thống thông tin tương tự bằng hệ thống thông tin số. Vì vậy, việc nghiên cứu các hệ thống thông tin số nói chung đã trở thành nội dung quan trọng trong chương trình đào tạo đối với sinh viên đang theo học ngành điện tử viễn thông. Và có rất nhiều tài liệu đề cập về những vấn đề liên quan, điều đó giúp chúng ta nắm bắt được từng phần kiến thức và hình thành nên một cái nhìn tổng quan, từ đó chúng ta có thể đi sâu vào nghiên cứu một vấn đề cụ thể, làm tăng tính chuyên môn của mình. Là não bộ của hệ thống, điều chế và giải điều chế được hầu hết các giáo trình thông tin số giành một thời lượng khá lớn, phản ánh mức độ ưu tiên cao của khối này trong toàn bộ hệ thống. Tuy nhiên, ở phần lớn các giáo trình, lý thuyết căn bản vẫn được chú trọng hơn. Dù rằng chuyển biến mới trong kế hoạch giáo dục đào tạo của nước ta trong những năm gần đây cho thấy những cố gắng cải thiện nhằm nâng cao sự tìm tòi, sáng tạo của sinh viên, lôi cuốn sinh viên học tập bằng chính niềm đam mê của mình, cập nhật với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ mới. Với xu hướng đó, em lựa chọn đề tài: “Xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống thông tin thực hiện truyền dẫn số thông qua điều chế cầu phương QAM với M = 4”. Mô phỏng MonteCarlo là một ứng dụng nằm trong chương trình phần mềm Matlab, ứng dụng này làm công cụ khai thác thay thế các hệ thống thực, cho phép người học có cái nhìn trực quan, sâu hơn về những vấn đề kỹ thuật phức tạp. Hy vọng tính chuyên biệt của tài liệu, kết hợp dùng hỗ trọ cảu máy tính trong việc nghiên cứu lý thuyết căn bản nói trên sẽ nâng cao hiệu quả tiếp thu cho bản thân em và sinh viên khóa sau lượng kiến thức quan trọng này. Đề tài gồm ba phần như sau: Phần 1: Tổng quan về hệ thống thông tin số Phần 2: Các phương pháp điều chế sử dụng trong truyền dẫn Phần 3: Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số thông qua mô phỏng MonteCarlo Phần 1. Tổng quan về hệ thống thông tin số 1.1 Tổng quan Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền đưa tin tức từ nơi này đến nơi khác. Tin tức được truyền đưa từ nguồn tin (là nơi sinh ra tin tức) tới bộ nhận tin (là đích mà tin tức cần truyền tới) dưới dạng các văn bản. Bản tin là dạng hình thức chứa đựng một lượng thông tin nào đó. Các bản tin được tạo ra từ nguồn có thể ở dạng liên tục hay rời rạc. Đối với nguồn tin liên tục, tập các bản tin là một tập vô hạn, còn đối với nguồn tin rời rạc tập các bản tin có thể có một tập hữu hạn. Biểu diễn vật lý của một bản tin gọi là tín hiệu. Có nhiều loại tín hiệu khác nhau tùy theo đại lượng vật lý được sử dụng để biểu diễn tín hiệu, như cường độ dòng điện, điện áp, cường độ ánh sáng … Tùy theo dạng cảu các tín hiệu tương tự (analog) hay tín hiệu số (digital) và tương ứng sẽ có các hệ thống thông tin tương tự hay hệ thống thông tin số. Hình vẽ sau đây trình bày sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin nói chung. Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin nói chung Thông tin vào được nhập vào hệ thống thông qua thiết bị vào, sau đó chúng được đưa tới thiết bị phát để tạo thành tín hiệu phát thích hợp với môi trường truyền. Như vậy trong sơ đồ hình 1.1, thông tin được hiểu là nội dung cần trao đổi, còn bản tin là phương tiện để biểu diễn, mô tả thông tin ở một dạng thích hợp cho việc trao đổi, xử lý, cảm nhận... bởi con người hay máy móc. Do ảnh hưởng của môi trường truyền như nhiễu tạp, suy hao... nên ở đầu thu ta nhận được tín hiệu thu có thể khác biệt so với với tín hiệu phát. Sau khi được giải điều chế ở thiết bị thu, dữ liệu hay tín hiệu ra sẽ được đưa tới thiết bị ra để lấy thông tin có ích.   1.1.1 Lịch sử phát triển của thông tin điện tử Trong suốt quá trình phát triển của loài người việc phát minh ra ngôn ngữ là cuộc cách mạng truyền thông lớn nhất. Sau đó ít lâu việc phát minh ra tín hiệu băng lửa có khả năng truyền đạt thông tin và nhanh chóng đến vùng xa. Cuộc phát minh lớn nhất nữa là con người biết được làm thế nào để ghi lại suy nghĩ và tư tưởng của mình bằng cách dùng chữ viết. Với khả năng này con người có thể truyền thông tin mà không bị giới hạn bởi không gian và thời gian. Đồng thời đã đưa ra các dịch vụ đưa thư và điện báo. Bảng 1.1 giới thiệu về các sự kiện quan trọng trong lịch sử phát triển của thông tin điện tử. Bảng 1.1 Các sự kiện quan trọng trong lịch sử của thông tin điện tử Năm Sự kiện Xuất xứ Kiều thông tin 1837 Hoàn thiện dạng điện báo bằng dây Morse Số 1875 Phát minh điện thoại Bell Tương tự 1897 Chuyển mạch trao đổi tự động theo từng nấc Stronger 1901 Điện báo không dây Marconi Số 1905 Giới thiệu về điện thoại không dây Fessenden Tương tự 1907 Truyền thanh vô tuyến dạng chuẩn đầu tiên USA Tương tự 1918 Phát minh ra máy thu vô tuyến đổi tần Amstrong Tương tự 1921 Xuất hiện di động cá nhẵn Detroit police Tương tự 1928 Giới thiệu các dạng truyền hĩnh điện tử Farnsworth Tương tự 1928 Lý thuyết truyền tin điện báo Nyquist Số 1928 Truyền dẫn thông tin Harley Số 1931 Điện báo Số 1933 Giới thiệu điều chế tần số Amstrong Tương tự 1934 Giới thiệu rađa (vô tuyến định vị) Kuhnold 1937 Đưa ra PCM Reeves Số 1939 Thương mại hóa dịch vụ truyền hình quảng bá BBC Tương tự 1943 Phát minh ra bộ lọc thích ứng North Số 1945 Phát minh vệ tinh địa tĩnh Clarke 1946 Phát triển các hệ thống ARQ Duuren Số Năm Sự kiện Xuất xứ Kiều thông tin 1948 Lý thuyết toán học cho thông tin Shannon 1955 Chuyển tiếp viba mặt đất RCA Tương tự 1960 Giới thiệu đầu tiên về laze Maim an 1962 Triển khai thông tin vệ tỉnh TELSTAR 1 Tương tự 1966 Phát minh cáp quang Kao Hockman 1966 Chuyển mạch gói Số 1970 Mạng truyền dữ liệu cỡ trung bĩnh ARPATYMNET Số 1970 LAN, MAN và WAN Số 1971 ISDN CCITT Số 1974 Internet Cerf Kahn Số 1978 Vô tuyến tế bào Tương tự 1978 Bắt đầu nghiên cứu về GPS Navstar Global Số 1980 Mô hĩnh tham chiếu 7 lớp OSI ISO Số 1981 Giới thiệu truyền hĩnh độ phân giải cao NHK, Nhật Bản Số 1985 Truy nhập tốc độ cơ sở ở UK BT Số 1986 Giới thiệu SONETSDH USA Số 1991 Hệ thống tế bào GSM Châu Âu Số 1993 Đưa ra khái niệm PCN Toàn cầu Số 1994 Phát minh CDMA IS95 Quanlcom Số   1.1.2 Thông tin tương tự và thông tin số Tín hiệu tương tự là tín hiệu có thể nhận vô số giá trị, có thời gian tồn tại không xác định cụ thể, phụ thuộc vào thời gian tồn tại của bản tin do nguồn tin sinh ra. Tín hiệu analog có thể là tín hiệu liên tục hay rời rạc tùy theo tín hiệu là một hàm liên tục hay rời rạc của biến thời gian. Thí dụ: tín hiệu điện thoại ở lối ra của micro là tín hiệu tương tự liên tục, tín hiệu điều chế xung PAM của chính tín hiệu lối ra micro nói trên là tín hiệu analog rời rạc. Tín hiệu số là tín hiệu được biểu diễn bằng các con số (các ký hiệu gọi là các symbol). Tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn (M) các giá trị và có thời gian tồn tại xác định, thường là một hằng số ký hiệu là Ts. So với các hệ thống thông tin tương tự, các hệ thống thông tin số có một số ưu điểm cơ bản sau: Do có khả năng tái sinh tín hiệu theo ngưỡng qua sau từng cự ly nhất định nên tạp âm tích lũy có thể loại trừ được, tức là các tín hiệu số khỏe hơn đối với tạp âm so với tín hiệu tương tự. Tái sinh là quá trình trong đó một tín hiệu bị méo và suy hao được tái tạo lại thành biên độ và dạng sóng như ban đầu.Quá trình được thể hiện qua bộ lặp số. Hình 1.2 Kênh thông tin số gồm nhiều trạm lặp Do sử dụng tín hiệu số, tương thích với các hệ thống điều khiển và xử lý hiện đại, nên có khả năng khai thác, quản trị và bảo trì một cách tự động cao độ. Tín số có thể sử dụng được để truyền đưa khá dễ dàng một loại bản tin, rời rạc hay liên tục, tạo tiền đề cho việc họp nhất các mạng thông tin truyền đưa các loại dịch vụ hay số liệu thành một mạng duy nhất. Nhược điểm căn bản của hệ thống thông tin số so với hệ thống thông tin tương tự trước là phổ chiếm của tín hiệu số khi truyền các bản tin liên tục tương đối lớn so với phổ của tín hiệu analog. Tuy nhiên trong tương lai khi các kỹ thuật số hóa tín hiệu liên tục tiên tiến hơn được áp dụng thì phổ của tin hiệu số có thể so sánh được với phổ của tin hiệu liên tục. 1.1.3 Truyền tin số Truyền tin số có nhiều ưu điểm hơn kỹ thuật tương tự, trong đó chỉ sử dung một số hữu hạn dạng sóng (ký hiệu truyền tách biệt nhau) để truyền tin. Mỗi dạng sóng truyền trong một khoảng thời gian xác định gọi là chu kỳ kỷ hiệu và là đại diện truyền của một dữ liệu tin (hay một tổ họp bit) còn gọi là báo hiệu (Signalings). Kỹ thuật này có ưu điểm nổi bật là: chống nhiễu ưên đường truyền tốt (vĩ nếu nhiễu không đủ mạnh sẽ không thể làm méo dạng sóng này thành dạng sóng kia, gây nên nhằm lẫn ở nơi thu), song đòi hỏi bản tin nguồn cũng phải được số hóa (biểu diễn chỉ bằng một số hữu hạn ký hiệu). Ví dụ vãn bản tiếng Việt dùng 24 chữ cái, bộ đếm dùng 10 số, bản nhạc dùng 7 nốt và vài ký hiệu bổ sung... Việc số hóa một bản tin tương tự phải trả giá bằng một sai số nào đó ( Gọi là sai số lượng tử, tuy nhiên sai số này lại có thể điều khiển được). So sánh với kỹ thuật truyền tin tương tự, ở đó bản tin không mắc sai số khi số hóa, song do dùng vô số dạng sóng (tín hiệu liên tục) trên đường truyền nên can nhiễu sẽ làm thay đổi dạng sóng, gây nên sai số khi quyết định tại nơi thu mà ở góc độ nào đó khó điều khiển được. Ngoài ra, việc số hóa kỹ thuật truyền tin còn tạo nên những tiêu chuẩn có thể thay đổi linh hoạt bằng chương trình phần mềm và tạo ra những dịch vụ chưa từng có trong truyền tin tương tự. Nói như vậy ta cũng không quên rằng, kỹ thuật truyền tin tương tự đã có những đỉnh cao vĩ đại như tạo ra truyền hĩnh màu hay điều khiển đưa người lên mặt trăng và hiện nay trong một số kỹ thuật điều khiển tốc độ cực nhanh vẫn dùng đến kỹ thuật tương tự. Khi vận dụng lý thuyết thông tin vào kỹ thuật truyền tin số thường có những vấn đề sau đây đặt ra: Bản tin phải được biểu diễn (mã nguồn) với một so it ký hiệu nhất, theo mã nhị phân thi tức là cần ít bit nhất. Lý thuyết thông tin cho một giới hạn dưới về sổ bít tối thiểu cần để biểu diễn. Tức là nếu ít hơn số bít tối thiểu không thể biểu diễn đầy đủ bản tin (làm méo bản tin). Khi truyền tin mã nguồn cần được bổ sung thêm các bit (dư thừa), mà điều này làm tăng tốc độ bit, để có thể giảm được lỗi truyền bản tin (gọi là kỹ thuật mã kênh điều khiển lỗi), song có một giới hạn trên về tốc độ truyền mà vượt qua nó không thể điều khiển lỗi được, đó là dung năng kênh qui định bởi độ rộng băng tần kênh truyền và tỷ số tín hiệu tạp âm. C = Blog2(l + %) (bits) (1.1) Trong đó: B là độ rông băng tần kênh truyền SNR là tỷ số công suất tín hiệu trên công suất ồn c là giới hạn trên đối với tốc độ truyền tin cậy tính bằng bs Công thức (1.1) cho thấy có sự chuyển đổi giữa B và SNR. Đồng thời cả 3 yếu tố: công suất, độ rộng băng tần và ồn kênh cùng tham gia qui định mức độ “nhanh” của truyền tin. Công suất phát tin càng lớn, thi càng truyền tin đi xa. Băng tần truyền dẫn càng rộng thi tốc độ thông tin càng nhanh và cuối cùng càng ít can nhiễu càng ít lỗi truyền tin xảy ra. Đây là công thức rất điển hĩnh (do Shannon tổng kết từ năm 1948) đặc trưng cho một hệ thống truyền tin số. 1.1.4. Kênh truyền tin Kênh truyền tin ta nói đến ở đây là môi trường vật lý để truyền sóng điện từ mang tin, là vấn đề trung tâm của một hệ truyền tin. Nó xác định dung lượng truyền thông tin của hệ cũng như chất lượng dịch vụ truyền tin. Có 6 loại kênh tiêu biểu trên thực tế: Đường điện thoại Cáp đồng trục Sợi quang Kênh viba Kênh vô tuyến di động Kênh vệ tinh. 1) Đường điện thoại: Là đường truyền tín hiệu điện, tuyến tính, băng giới hạn, thích hợp cho truyền tiếng nói băng cơ sở hoặc thông dải (độ rộng từ 3003100Hz) có tỷ số tín hiệu ồn cao ~30dB. Kênh truyền này có đáp ứng độ lớn theo tần số bằng phẳng, không chú ý đến đáp pha theo tần số (do tai người không nhạy với trễ pha), song khi truyền ảnh hay dữ liệu thi phải chú ý đến điều này và cần dùng bộ cân bằng thích nghi kết họp phương pháp điều chế có hiệu suất phổ cao. 2) Cáp đồng trục: Có sợi dẫn ở trung tâm cách điện với vỏ xung quanh; vỏ cũng là vật liệu dẫn điện. Cáp đồng trục có 2 ưu điểm lớn là độ rộng băng tần lớn và chống được can nhiễu từ bên ngoài. Song cáp đồng trục cần những bộ phát lặp gần nhau vĩ suy giảm nhanh (Ở tốc độ khoảng 274Mbs thì khoảng cách phát lặp là lkm). 3) Sợi quang: Gồm lõi là thủy tinh, lớp vỏ xung quanh cũng là thủy tinh đồng tâm có hệ số phản xạ nhỏ hơn 1 chút. Tính chất cơ bản của sợi quang là khi tia sáng đi từ môi trường có hệ số phản xạ cao sang môi trường có hệ số phản xạ thấp thì sẽ bị uốn về phía môi trường hệ số phản xạ cao, nên xung ánh sáng được “dẫn đi” trong sợi quang. Sợi quang là vật liệu cách điện, chỉ truyền dẫn ánh sáng. Dùng tần số mang ánh sáng cỡ 2x10 Hz sẽ cho độ rộng băng tần cỡ 10%=2xl0 Hz. Mất mát trong sợi quang nhỏ: 0.2dBkm và không chịu ảnh hưởng của giao thoa sóng điện từ ( vĩ có bản chất ống dẫn tĩnh điện). 4) Kênh vi ba: Hoạt động ở dải tần 130GHZ cho 2 anten nhìn thấy nhau. Anten phải đặt trên tháp đủ cao, điều kiện kênh có thể coi là tĩnh, kênh truyền này tin cậy. Tuy nhiên khi điều kiện khí tượng thay đổi có thể làm giảm cấp chất lượng đường truyền. 5) Kênh di động: Đây là kênh kết nối với người dùng di động. Kênh có tính chất tuyến tính thay đổi theo thời gian cùng hiệu ứng đa đường gây nên sự đồng pha, hoặc ngược pha của các tín hiệu thành phần làm tín hiệu tổng cộng thăng giáng {padỉng). Đây là loại kênh phức tạp nhất trong truyền thông vô tuyến. 6) Kênh vệ tinh: Đô cao vệ tinh địa tĩnh 22 300 dặm (30 nghìn Km). Tần số thường dùng cho phát lên là 6GHZ và cho phát xuống là 4 GHZ. Độ rộng băng tần của kênh truyền lớn cỡ 500MHz chia thành các dải do 12 bộ phát đáp trong vệ tinh đảm nhiệm, mỗi bộ phát đáp dùng 36MHz truyền được ít nhất một chương trình truyền hĩnh màu, 1200 mạch thoại, tốc độ dữ liệu it nhất 50Mbit. • Ngoài cách phân loại cụ thể trên có thể phân loại kênh truyền theo tính chất như sau: Kênh tuyến tính hay phi tuyến: Kênh điện thoại là tuyến tính trong khi kênh vệ tinh thường là phi tuyến (nhưng không phải luôn luôn như vậy). Kênh bất biến hay thay đổi theo thời gian: Sợi quang bất biến trong khi kênh di động là thay đổi theo thời gian Kênh băng tần giới hạn hay công suất giới hạn: Đường điện thoại là kênh băng tần giới hạn trong khi cáp quang và vệ tinh là công suất giới hạn. Chương trình mô phỏng: %xet truong hop 1: QAM qua kenh AWGN %xet truong hop 1: QAM qua kenh phadinh Rayleigh clear N=1000000; b_data = (randn(1,N) > .5); %du lieu nguon n_symbols=N2; b = (b_data); d=zeros(1,length(b)2); %tao mang voi cac phan tu bang 0 for n=1:length(b)2 p=b(2n); imp=b(2n1); if (imp==0)(p==0) d(n)=exp(jpi4); %45 degrees end if (imp==1)(p==0) d(n)=exp(j3pi4); %135 degrees end if (imp==1)(p==1) d(n)=exp(j5pi4); %225 degrees end if (imp==0)(p==1) d(n)=exp(j7pi4); %3115 degrees end end sk = d; SNR=0:1:15; %thay doi cac gia tri cua SNR SNR3=0:0.5:15; BER1=; SNR1=; BER2=; SNR2=; sigmal=; %vong lap tinh BER for SNR=0:length(SNR);

LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm tiểu luận chúng em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình Cơ Nguyễn Thị Diệu Linh Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Nguyễn Thị Diệu Linh, tận tình hướng dẫn, dạy, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi suốt trình để em thực tiểu luận Hà Nội, ngày 27 tháng 06 năm 2019 Học viên thực LỜI NÓI ĐẦU Như biết, xu chung viễn thơng tồn cầu thay tồn hệ thống thông tin tương tự hệ thống thông tin số Vì vậy, việc nghiên cứu hệ thống thơng tin số nói chung trở thành nội dung quan trọng chương trình đào tạo sinh viên theo học ngành điện tử viễn thơng Và có nhiều tài liệu đề cập vấn đề liên quan, điều giúp nắm bắt phần kiến thức hình thành nên nhìn tổng quan, từ sâu vào nghiên cứu vấn đề cụ thể, làm tăng tính chun mơn Là não hệ thống, điều chế giải điều chế hầu hết giáo trình thơng tin số giành thời lượng lớn, phản ánh mức độ ưu tiên cao khối toàn hệ thống Tuy nhiên, phần lớn giáo trình, lý thuyết trọng Dù chuyển biến kế hoạch giáo dục đào tạo nước ta năm gần cho thấy cố gắng cải thiện nhằm nâng cao tìm tịi, sáng tạo sinh viên, lôi sinh viên học tập niềm đam mê mình, cập nhật với phát triển nhanh chóng cơng nghệ Với xu hướng đó, em lựa chọn đề tài: “Xây dựng chương trình mơ đánh giá chất lượng hệ thống thơng tin thực truyền dẫn số thông qua điều chế cầu phương QAM với M = 4” Mô Monte-Carlo ứng dụng nằm chương trình phần mềm Matlab, ứng dụng làm công cụ khai thác thay hệ thống thực, cho phép người học có nhìn trực quan, sâu vấn đề kỹ thuật phức tạp Hy vọng tính chuyên biệt tài liệu, kết hợp dùng hỗ trọ cảu máy tính việc nghiên cứu lý thuyết nói nâng cao hiệu tiếp thu cho thân em sinh viên khóa sau lượng kiến thức quan trọng Đề tài gồm ba phần sau: Phần 1: Tổng quan hệ thống thông tin số Phần 2: Các phương pháp điều chế sử dụng truyền dẫn Phần 3: Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số thông qua mô Monte-Carlo Phần Tổng quan hệ thống thông tin số 1.1 Tổng quan Các hệ thống thông tin sử dụng để truyền đưa tin tức từ nơi đến nơi khác Tin tức truyền đưa từ nguồn tin (là nơi sinh tin tức) tới nhận tin (là đích mà tin tức cần truyền tới) dạng văn Bản tin dạng hình thức chứa đựng lượng thơng tin Các tin tạo từ nguồn dạng liên tục hay rời rạc Đối với nguồn tin liên tục, tập tin tập vơ hạn, cịn nguồn tin rời rạc tập tin có tập hữu hạn Biểu diễn vật lý tin gọi tín hiệu Có nhiều loại tín hiệu khác tùy theo đại lượng vật lý sử dụng để biểu diễn tín hiệu, cường độ dòng điện, điện áp, cường độ ánh sáng … Tùy theo dạng cảu tín hiệu tương tự (analog) hay tín hiệu số (digital) tương ứng có hệ thống thông tin tương tự hay hệ thống thơng tin số Hình vẽ sau trình bày sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin nói chung Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng qt hệ thống thơng tin nói chung Thơng tin vào nhập vào hệ thống thông qua thiết bị vào, sau chúng đưa tới thiết bị phát để tạo thành tín hiệu phát thích hợp với mơi trường truyền Như sơ đồ hình 1.1, thơng tin hiểu nội dung cần trao đổi, tin phương tiện để biểu diễn, mô tả thông tin dạng thích hợp cho việc trao đổi, xử lý, cảm nhận người hay máy móc Do ảnh hưởng mơi trường truyền nhiễu tạp, suy hao nên đầu thu ta nhận tín hiệu thu khác biệt so với với tín hiệu phát Sau giải điều chế thiết bị thu, liệu hay tín hiệu đưa tới thiết bị để lấy thông tin có ích 1.1.1 Lịch sử phát triển thơng tin điện tử Trong suốt q trình phát triển lồi người việc phát minh ngơn ngữ cách mạng truyền thơng lớn Sau lâu việc phát minh tín hiệu băng lửa có khả truyền đạt thơng tin nhanh chóng đến vùng xa Cuộc phát minh lớn người biết làm để ghi lại suy nghĩ tư tưởng cách dùng chữ viết Với khả người truyền thông tin mà không bị giới hạn không gian thời gian Đồng thời đưa dịch vụ đưa thư điện báo Bảng 1.1 giới thiệu kiện quan trọng lịch sử phát triển thông tin điện tử Bảng 1.1 Các kiện quan trọng lịch sử thông tin điện tử Xuất xứ Kiều 1837 Hoàn thiện dạng điện báo dây Morse tin Số 1875 Phát minh điện thoại Bell Năm Sự kiện thông Tương tự 1897 Chuyển mạch trao đổi tự động theo nấc Stronger 1901 Điện báo không dây Marconi 1905 Giới thiệu điện thoại không dây Fessenden Số Tương tự 1907 Truyền vô tuyến dạng chuẩn USA Tương tự 1918 Phát minh máy thu vô tuyến đổi tần Amstrong Tương tự 1921 Xuất di động cá nhẵn Detroit police Tương tự 1928 Giới thiệu dạng truyền hĩnh điện tử Farnsworth Tương tự 1928 Lý thuyết truyền tin điện báo Nyquist Số 1928 Truyền dẫn thông tin Harley Số 1931 Điện báo Số 1933 Giới thiệu điều chế tần số Amstrong 1934 Giới thiệu ra-đa (vô tuyến định vị) Kuhnold 1937 Đưa PCM Reeves 1939 Thương mại hóa dịch vụ truyền hình quảng bá BBC 1943 Phát minh lọc thích ứng North 1945 Phát minh vệ tinh địa tĩnh Clarke 1946 Phát triển hệ thống ARQ Duuren Tương tự Số Tương tự Số Số Năm Sự kiện Xuất xứ 1948 Lý thuyết toán học cho thông tin Shannon 1955 Chuyển tiếp viba mặt đất RCA 1960 Giới thiệu laze Maim an 1962 Triển khai thông tin vệ tỉnh TELSTAR 1966 Phát minh cáp quang Kao & Hockman 1966 Chuyển mạch gói 1970 Mạng truyền liệu cỡ trung bĩnh Kiều tin thông Tương tự Tương tự Số ARPA/TYMNET Số 1970 LAN, MAN WAN Số 1971 ISDN CCITT Số 1974 Internet Cerf & Kahn Số 1978 Vô tuyến tế bào Tương tự 1978 Bắt đầu nghiên cứu GPS Navstar Global Số 1980 Mô hĩnh tham chiếu lớp OSI ISO Số 1981 Giới thiệu truyền hĩnh độ phân giải cao NHK, Nhật Bản Số 1985 Truy nhập tốc độ sở UK BT Số 1986 Giới thiệu SONET/SDH USA Số 1991 Hệ thống tế bào GSM Châu Âu Số 1993 Đưa khái niệm PCN Toàn cầu Số 1994 Phát minh CDMA IS-95 Quanlcom Số 1.1.2 Thông tin tương tự thơng tin số Tín hiệu tương tự tín hiệu nhận vơ số giá trị, có thời gian tồn khơng xác định cụ thể, phụ thuộc vào thời gian tồn tin nguồn tin sinh Tín hiệu analog tín hiệu liên tục hay rời rạc tùy theo tín hiệu hàm liên tục hay rời rạc biến thời gian Thí dụ: tín hiệu điện thoại lối micro tín hiệu tương tự liên tục, tín hiệu điều chế xung PAM tín hiệu lối micro nói tín hiệu analog rời rạc Tín hiệu số tín hiệu biểu diễn số (các ký hiệu - gọi symbol) Tín hiệu số nhận số hữu hạn (M) giá trị có thời gian tồn xác định, thường số ký hiệu Ts So với hệ thống thông tin tương tự, hệ thống thông tin số có số ưu điểm sau: Do có khả tái sinh tín hiệu theo ngưỡng qua sau cự ly định nên tạp âm tích lũy loại trừ được, tức tín hiệu số khỏe tạp âm so với tín hiệu tương tự Tái sinh q trình tín hiệu bị méo suy hao tái tạo lại thành biên độ dạng sóng ban đầu.Quá trình thể qua lặp số Hình 1.2 Kênh thông tin số gồm nhiều trạm lặp Do sử dụng tín hiệu số, tương thích với hệ thống điều khiển xử lý đại, nên có khả khai thác, quản trị bảo trì cách tự động cao độ Tín số sử dụng để truyền đưa dễ dàng loại tin, rời rạc hay liên tục, tạo tiền đề cho việc họp mạng thông tin truyền đưa loại dịch vụ hay số liệu thành mạng Nhược điểm hệ thống thông tin số so với hệ thống thông tin tương tự trước phổ chiếm tín hiệu số truyền tin liên tục tương đối lớn so với phổ tín hiệu analog Tuy nhiên tương lai kỹ thuật số hóa tín hiệu liên tục tiên tiến áp dụng phổ tin hiệu số so sánh với phổ tin hiệu liên tục 1.1.3 Truyền tin số Truyền tin số có nhiều ưu điểm kỹ thuật tương tự, sử dung số hữu hạn dạng sóng (ký hiệu truyền tách biệt nhau) để truyền tin Mỗi dạng sóng truyền khoảng thời gian xác định gọi chu kỳ kỷ hiệu đại diện truyền liệu tin (hay tổ họp bit) gọi báo hiệu (Signalings) Kỹ thuật có ưu điểm bật là: chống nhiễu ưên đường truyền tốt (vĩ nhiễu không đủ mạnh khơng thể làm méo dạng sóng thành dạng sóng kia, gây nên nhằm lẫn nơi thu), song địi hỏi tin nguồn phải số hóa (biểu diễn số hữu hạn ký hiệu) Ví dụ vãn tiếng Việt dùng 24 chữ cái, đếm dùng 10 số, nhạc dùng nốt vài ký hiệu bổ sung Việc số hóa tin tương tự phải trả giá sai số ( Gọi sai số lượng tử, nhiên sai số lại điều khiển được) So sánh với kỹ thuật truyền tin tương tự, tin khơng mắc sai số số hóa, song dùng vơ số dạng sóng (tín hiệu liên tục) đường truyền nên can nhiễu làm thay đổi dạng sóng, gây nên sai số định nơi thu mà góc độ khó điều khiển Ngồi ra, việc số hóa kỹ thuật truyền tin tạo nên tiêu chuẩn thay đổi linh hoạt chương trình phần mềm tạo dịch vụ chưa có truyền tin tương tự Nói ta không quên rằng, kỹ thuật truyền tin tương tự có đỉnh cao vĩ đại tạo truyền hĩnh màu hay điều khiển đưa người lên mặt trăng số kỹ thuật điều khiển tốc độ cực nhanh dùng đến kỹ thuật tương tự Khi vận dụng lý thuyết thông tin vào kỹ thuật truyền tin số thường có vấn đề sau đặt ra: Bản tin phải biểu diễn (mã nguồn) với so it ký hiệu nhất, theo mã nhị phân thi tức cần bit Lý thuyết thông tin cho giới hạn sổ bít tối thiểu cần để biểu diễn Tức số bít tối thiểu khơng thể biểu diễn đầy đủ tin (làm méo tin) Khi truyền tin mã nguồn cần bổ sung thêm bit (dư thừa), mà điều làm tăng tốc độ bit, để giảm lỗi truyền tin (gọi kỹ thuật mã kênh điều khiển lỗi), song có giới hạn tốc độ truyền mà vượt qua khơng thể điều khiển lỗi được, dung kênh qui định độ rộng băng tần kênh truyền tỷ số tín hiệu /tạp âm C = Blog2(l + %) (bit/s) (1.1) Trong đó: B độ rông băng tần kênh truyền SNR tỷ số cơng suất tín hiệu cơng suất ồn c giới hạn tốc độ truyền tin cậy tính b/s Cơng thức (1.1) cho thấy có chuyển đổi B SNR Đồng thời yếu tố: công suất, độ rộng băng tần ồn kênh tham gia qui định mức độ “nhanh” truyền tin Công suất phát tin lớn, thi truyền tin xa Băng tần truyền dẫn rộng thi tốc độ thông tin nhanh cuối can nhiễu lỗi truyền tin xảy Đây công thức điển hĩnh (do Shannon tổng kết từ năm 1948) đặc trưng cho hệ thống truyền tin số 1.1.4 Kênh truyền tin Kênh truyền tin ta nói đến mơi trường vật lý để truyền sóng điện từ mang tin, vấn đề trung tâm hệ truyền tin Nó xác định dung lượng truyền thông tin hệ chất lượng dịch vụ truyền tin Có loại kênh tiêu biểu thực tế: Đường điện thoại - Cáp đồng trục - Sợi quang - Kênh viba - Kênh vô tuyến di động - Kênh vệ tinh 1) Đường điện thoại: Là đường truyền tín hiệu điện, tuyến tính, băng giới hạn, thích hợp cho truyền tiếng nói băng sở thơng dải (độ rộng từ 300-3100Hz) có tỷ số tín hiệu/ ồn cao ~30dB Kênh truyền có đáp ứng độ lớn theo tần số phẳng, không ý đến đáp pha theo tần số (do tai người không nhạy với trễ pha), song truyền ảnh hay liệu thi phải ý đến điều cần dùng cân thích nghi kết họp phương pháp điều chế có hiệu suất phổ cao 2) Cáp đồng trục: Có sợi dẫn trung tâm cách điện với vỏ xung quanh; vỏ vật liệu dẫn điện Cáp đồng trục có ưu điểm lớn độ rộng băng tần lớn chống can nhiễu từ bên Song cáp đồng trục cần phát lặp gần vĩ suy giảm nhanh (Ở tốc độ khoảng 274Mb/s khoảng cách phát lặp lkm) 3) Sợi quang: Gồm lõi thủy tinh, lớp vỏ xung quanh thủy tinh đồng tâm có hệ số phản xạ nhỏ chút Tính chất sợi quang tia sáng từ mơi trường có hệ số phản xạ cao sang mơi trường có hệ số phản xạ thấp bị uốn phía mơi trường hệ số phản xạ cao, nên xung ánh sáng “dẫn đi” sợi quang Sợi quang vật liệu cách điện, truyền dẫn ánh sáng Dùng tần số mang ánh sáng cỡ 2x10 Hz cho độ rộng băng tần cỡ 10%=2xl0 Hz Mất mát sợi quang nhỏ: 0.2dB/km khơng chịu ảnh hưởng giao thoa sóng điện từ ( vĩ có chất ống dẫn tĩnh điện) 4) Kênh vi ba: Hoạt động dải tần 1-30GHZ cho anten nhìn thấy Anten phải đặt tháp đủ cao, điều kiện kênh coi tĩnh, kênh truyền tin cậy Tuy nhiên điều kiện khí tượng thay đổi làm giảm cấp chất lượng đường truyền 5) Kênh di động: Đây kênh kết nối với người dùng di động Kênh có tính chất tuyến tính thay đổi theo thời gian hiệu ứng đa đường gây nên đồng pha, ngược pha tín hiệu thành phần làm tín hiệu tổng cộng thăng giáng {padỉng) Đây loại kênh phức tạp truyền thông vô tuyến 6) Kênh vệ tinh: Đô cao vệ tinh địa tĩnh 22 300 dặm (30 nghìn Km) Tần số thường dùng cho phát lên 6GHZ cho phát xuống GHZ Độ rộng băng tần kênh truyền lớn cỡ 500MHz chia thành dải 12 phát đáp vệ tinh đảm nhiệm, phát đáp dùng 36MHz truyền chương trình truyền hĩnh màu, 1200 mạch thoại, tốc độ liệu it 50Mbit  Ngoài cách phân loại cụ thể phân loại kênh truyền theo tính chất sau: - Kênh tuyến tính hay phi tuyến: Kênh điện thoại tuyến tính kênh vệ tinh thường phi tuyến (nhưng luôn vậy) - Kênh bất biến hay thay đổi theo thời gian: Sợi quang bất biến kênh di động thay đổi theo thời gian - Kênh băng tần giới hạn hay công suất giới hạn: Đường điện thoại kênh băng tần giới hạn cáp quang vệ tinh công suất giới hạn 1.2 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin số Trong thực tế có nhiều loại hệ thống thơng tin số khác nhau, phân biệt theo tần số công tác, môi trường truyền dẫn Tùy theo loại hệ thống thông tin số thực tế, hàng loạt chức xử lỷ tín hiệu số khác sử dụng nhằm truyền đưa tm hiệu số cách có hiệu Các chức xử lý tm hiệu mô tả khối sơ đồ khối hệ thống Mỗi khối mô tả thuật tốn xử lý tín hiệu Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống thông tin số mô tả hình 1.3, thể tất chức xử lý tín hiệu có hệ thống thơng tín số 10 Điều chế 16QAM: function Dieuche16QAM echo on SNR_theo_dB1=0:1:15; SNR_theo_dB2=0:0.1:15; M=16; k=log2(M); for i=1:length(SNR_theo_dB1), Ty_le_loi_bit(i)=Tinh_loi16QAM(SNR_theo_dB1(i)) echo off; end; echo on; for i=1:length(SNR_theo_dB2) SNR=exp(SNR_theo_dB2(i)*log(10)/10); Xac_suat_loi_ly_thuyet(i) = 2*erfc(sqrt(3*k*SNR/(2*(M-1)))); echo off; end echo on; semilogy(SNR_theo_dB1,ty_le_loi_bit,'*'); hold semilogy(SNR_theo_dB2,Xac_suat_loi_ly_thuyet,'k '); title('chat luong he thong 16QAM'); xlabel('Eb/No [dB]'); ylabel('BER'); legend('ty_le_loi_bit','Xac_suat_loi_ly_thuyet') title('chat luong hoat dong cua he thong 16QAM') 67 Tính lỗi 16QAM: function pb=Tinh_loi16QAM(SNR_theo_dB) N=10000; d=1; Es=10*d^2; SNR=10^(SNR_theo_dB/10) phuong_sai=sqrt(Es/(2*SNR)); M=16; for i=1:N p=rand; nguon_phat(i)=1+floor(M*p); end so_do_tin_hieu=[-3*d 3*d; -d 3*d; d 3*d; 3*d 3*d; -3*d d; -d d; d d; 3*d d; -3*d -d; -d -d; d -d; 3*d -d; -3*d -3*d; -d -3*d; d -3*d; 3*d -3*d]; for i=1:N tin_hieu_QAM(1,:)=so_do_tin_hieu(nguon_phat(i),:); end for i=1:N; n(1)=gngauss(phuong_sai); n(2)=gngauss(phuong_sai); r(i,:)=tin_hieu_QAM(i,:)+n; end so_loi_bit=0; for i=1:N, for j=1:M, tap_khoang_cach(j)=(r(i,1)-so_do_tin_hieu(j,1))^2+(r(i,2)so_do_tin_hieu(j,2)^2) end; [min_khoang_cach quyetdinh]=min(tap_khoang_cach); if(quyetdinh~=nguon_phat(i)), so_loi_bit=so_loi_bit+1; end end pb=So_loi_bit/N; 68 Hình 3.3 BER giá trị khác SNR hệ thống 16QAM Hình 3.4 Chất lượng hệ thống 16QAM 69 3.3.3 Mô Monte-Carlo hệ thống thông tin qua kênh pha-đinh a Kênh pha-đinh Pha-đinh tượng suy lạc tín hiệu thu cách bất thường xảy hệ thống vô tuyến tác động môi trường truyền dẫn Các yếu tố gây pha-đinh hệ thống vô tuyến mặt đất bao gồm: - Sự thăng giáng tầng điện ly hệ thống sóng ngắn - Sự hấp thụ gây phần tử khí, nước, mưa …, hấp thụ phụ thuộc vào tần số công tác, đặc biệt giải tần số cao (> 10GHz) - Sự khúc xạ gây không đồng mật độ khơng khí Trong trường hợp cực đoan, hiệu ứng làm lạc hẳn hướng tia sóng so với thiết kế, chẳng hạn trường hợp có hiệu ứng ống sóng xảy vùng có vĩ độ thấp, có bề mặt nước, nhiệt độ khơng khí thay đổi nhanh Hiện tượng gây pha-đinh nghiêm trọng hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số mặt đất tầm nhìn thẳng ( LOS: Line-Of-Sight) cơng tác giải sóng cực ngắn (microwave) - Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trường hợp có bề mặt nước phản xạ sóng từ bất đồng khí quyển, yếu tố dẫn tới truyền lan đa đường - Sự phản xạ, tán xạ nhiễu xạ từ chướng ngại đường truyền lan sóng điện từ, gây nên tượng trải trễ giao thoa sóng điểm thu tín hiệu nhận tổng nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng đặc biệt quan trọng thơng tin di động Hình vẽ 3.5 mô tả đường liên lạc anten trạm gốc (BS: Base Station) anten trạm di động (MS: Mobile Station) Xung quanh MS có nhiều vật phản xạ nhà, cối, đồi núi, …, xung quanh BS lại có khơng có vật phản xạ BS đặt cao Các vật phản xạ gọi chung vật tán xạ Liên lạc BS MS thông qua nhiều đường (path), đường chịu hay nhiều phản xạ, tín hiệu tới máy thu tín hiệu tổng hợp từ tất đường Do đường có biên độ, pha độ trễ khác nhau, nên tín hiệu truyền qua đường kết hợp với cách có lợi hay khơng có lợi, tạo nên sóng đứng ngẫu nhiên 70 Hiện tượng gọi truyền sóng pha-đinh đa đường Kênh truyền sóng kiểu gọi kênh pha-đinh đa đường Hình 3.5 Mơ hình truyền sóng đa đường Đối với hệ thống vô tuyến số dung lượng tương đối cao (> 70 Mb/s), băng tần tín hiệu rộng, phụ thuộc vào tần số suy hao pha-đinh đa đường suốt độ rộng băng tín hiệu trở nên rõ rệt gọi pha-đinh chọn lọc theo tần số Méo tuyến tính gây ISI làm giảm chất lượng hệ thống Chỉ riêng méo pha-đinh đa đường mạnh tạo ISI lớn dẫn đến gián đoạn liên lạc (BER > 10-3), chí điều kiện khơng tính đến tạp nhiễu Hơn nữa, pha-đinh đa đường tuyến vô tuyến chuyển tiếp số LOS xảy thường xuyên trở nên nguồn dẫn đến gián đoạn liên tục Trong trường hợp không tồn tia trực tiếp (LOS) BS MS, tín hiệu thu ( ), tổng hợp số lớn đường tín hiệu, ta coi ( ) = ( ) + ( ) ( ) hàm số thực với t Trong số trường tán xạ, ( ) ( ) biến ngẫu nhiên Gauss độc lập với nhau, có giá trị trung bình khơng phương sai thời điểm t nào, tức là: { ( )} = ( ) =0 (3.4) 71 Và { ( ) }= ( ) = (3.5) Sử dụng cơng thức phan bố Gauss ta có: ( )= = Do ( ) (3.6) (3.7) 2 ( ) trình độc lập nên ta phân bố: ( )= ( ) Với | ( )| = ( )= ( )+ | | ( ) (3.9) Chuyển g(t) sang hệ tọa độ cực ( ) = ( ) ( ) (3.8) , với ( ) = | ( )| biên độ g(t), có pdf kết hợp: ( , )= Do , (3.10) biến độc lập nên: ( , )= ( ) ( )= Hay ( )= (3.11) , ≥0 (3.12) Tức là, pdf biên độ α(t) phân bố Rayleigh, pha-đinh kiểu gọi phađinh Rayleigh 72 b Mô truyền dẫn QAM qua kênh pha-đinh Rayleigh Sơ đồ mô Monte-Carlo hệ thống truyền dẫn QAM qua kênh pha-đinh Rayleigh sau: Hình 3.6 Sơ đồ mơ Monte-Carlo truyền dẫn QAM qua kênh pha-đinh Rayleigh sử dụng tín hiệu đồng Chương trình mơ phỏng: %xet truong hop 1: QAM qua kenh AWGN %xet truong hop 1: QAM qua kenh pha-dinh Rayleigh clear N=1000000; b_data = (randn(1,N) > 5); %du lieu nguon n_symbols=N/2; b = (b_data); d=zeros(1,length(b)/2); %tao mang voi cac phan tu bang for n=1:length(b)/2 p=b(2*n); imp=b(2*n-1); if (imp==0)&&(p==0) d(n)=exp(j*pi/4); %45 degrees end if (imp==1)&&(p==0) d(n)=exp(j*3*pi/4); %135 degrees end if (imp==1)&&(p==1) d(n)=exp(j*5*pi/4); %225 degrees 73 end if (imp==0)&&(p==1) d(n)=exp(j*7*pi/4); end %3115 degrees end sk = d; SNR=0:1:15; %thay doi cac gia tri cua SNR SNR3=0:0.5:15; BER1=[]; SNR1=[]; BER2=[]; SNR2=[]; sigmal=[]; %vong lap tinh BER for SNR=0:length(SNR); %mat AWGN sigma=sqrt(10.0^(-SNR/10.0)); sigma=sigma/2; %tao pha-dinh rayleigh x=randn(1,n_symbols); y=randn(1,n_symbols); g=sqrt(0.5*(x.^2+y.^2)); %xac dinh tin hieu thu s1=sk; s2=sk.*g; %tap am AWGN n=sigma.*randn(1,n_symbols); %tin hieu thu yk=sk+n qam=(real(s2)+n)+i.*(imag(s2)+n); yk1=s1+n; % tin hieu thu truong hop yk2=qam; %tin hieu thu truong hop %tach tin hieu dong bo truong hop bhat=[real(yk1)