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: Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin số Chương 2: Các phương pháp điều chế sử dụng trong truyền dẫn Chương 3: Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số thông qua mô phỏng MonteCarlo Chương 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. Chương trình Matlab điều chế PSK: function DieuchePSK echo on SNR_theo_dB1=0:1:10; SNR_theo_dB2=0:0.1:10; for i=1:length(SNR_theo_dB1), pb=Tinh_loiPSK(SNR_theo_dB1(i)) Ty_le_loi_bit(i)=pb 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) = 0.5erfc(sqrt(SNR)); echo off; end; echo on; semilogy(SNR_theo_dB1,ty_le_loi_bit,); hold semilogy(SNR_theo_dB2,Xac_suat_loi_ly_thuyet,r); xlabel(EbNo dB); ylabel(BER); legend(ty_le_loi_bit,Xac_suat_loi_ly_thuyet) title(chat luong hoat dong cua he thong PSK)
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hà Nội, ngày 06 tháng 06 năm 2019 GVHD TS Nguyễn Thị Diệu Linh 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 tháng năm 2019 Học viên thực Nguyễn Thị Huyên 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 thông 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 thông 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: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin số Chương 2: Các phương pháp điều chế sử dụng truyền dẫn Chương 3: Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số thông qua mô Monte-Carlo Chương 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 thơng 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 thơng 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 thơng 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 Thơng 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 thơng 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 đòi 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 cịn 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 thơng 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 không 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 10 Hình 2.18 Giải điều chế kết hợp pha tín hiệu FSK M mức Khi ≠ = 0,1,2, … , ( ước lượng pha khơng hồn hảo), phân cách tần số cần thiết để có tính trực giao tín hiệu giải điều chế là: =1 trường hợp ≠ , gấp đơi phân cách tối thiểu để có tính trực giao với Địi hỏi lượng M pha sóng mang làm cho việc điều chế tín hiệu FSK trở nên phức tạp khơng thực tế, đặc biệt số tín hiệu lớn Vì vậy, khơng xét đến việc tách cách kết hợp tín hiệu FSK Thay vào đó, xem xét phương pháp giải điều chế tách tín hiệu mà khơng địi hỏi phải biết góc pha sóng mang Việc giải điều chế hồn thành thể hình 2.19 Trong trường hợp có hai tương dạng sóng tín hiệu, hay nói chung có tổng cộng 2M tương quan Tín hiệu thu được tính tương quan với cá hàm sở (các sóng mang trực giao) là: 0,1,2, … , (2 +2 ) (2 +2 ), với = Khi đó, 2M lối tương quan lấy mẫu cuối khoảng tín hiệu đưa tối tách tín hiệu Như vậy, tín hiệu thứ m truyền 2M giá trị lấy mẫu tới tách tín hiệu biểu diễn theo: 59 = = ( ( ) ( ( ) ( ( ) ) + ) ) ( ( ) + + ) (2.6.12) Trong đó, ký hiệu cho thành phần tạp âm Gauss tín hiệu lối lấy mẫu Khi k = m, giá trị lấy mẫu đưa tới tách tín hiệu là: = + = + (2.6.13) Khi k ≠ m, thành phần tín hiệu mẫu giá trị lượng dịch pha sễ triệt tiêu, cá nào, miễn phân cách tần số tần số cạnh = 1/ Trong trường hợp 2(m-1) đầu tương quan khác gồm có tạp âm, nghĩa là: = , = , ≠ (2.6.14) 60 Hình 2.19 Giải điều chế FSK M mức tách tín hiệu khơng kết hợp = 1/ cho tín hiệu trực giao Khi 2M mẫu tạp âm { Giả sử { } } biến ngẫu nhiên Gauss kỳ vọng khơng tương quan với có = phương sai 2, nên hàm mật độ xác suất có giá trị Giả sử vector tín hiệu m có xác suất xuất ( ), gọi xác suất tiên nghiệm tín hiệu Các xác suất tiên nghiệm biết trước máy thu Máy thu nhận vector r phải định xem vector tín hiệu phát Lúc khơng gian tín hiệu chia thành M miền, miền gắn cho tín hiệu Xác suất thu lỗi cực tiểu việc chia khơng gian tín hiệu thành miền thỏa mãn điều kiện r rơi vào miền thứ k thì: ( | ) > ( | ), ∀ = 0,1,2, … , Trong đó: r vector 2M chiều với phần tử { , ≠ (2.6.15) } 61 Khi tín hiệu đồng khả năng, tách tín hiệu tối ưu chọn tín hiệu tương ứng với xác suất hậu nghiệm cực đại, nghĩa là: ( đượ ề đ| )≡ ( | ), = 0,1,2, … , (2.6.16) Khi đó, đường bao tín hiệu xác định theo: = + = 0,1,2, … , (2.6.17) Và chọn tín hiệu ứng với đường bao lớn tập { } Trong trường hợp này, tách tín hiệu gọi tách đường bao Một tách tín hiệu tương đương thực tính đường bao trung bình: = + = 0,1,2, … , (2.6.18) Và chọn tín hiệu tương ứng với giá trị lớn tập { } Trong trường hợp này, tách tín hiệu tối ưu gọi tách sóng luật bình phương 2.6.3 Xác suất lỗi tách khơng kết hợp tín hiệu FSK Xác suất lỗi symbol biểu diễn theo: =∑ / ( 1) ( ) (2.6.19) Để chuyển đổi xác suất lỗi symbol cho phương trình (2.6.19) thành xác suất tương đương cảu lỗi bit nhị phân, ta phải xuất phát từ xác suất lỗi bit cá hệ thống trực giao Đối với tín hiệu trực giao địng khả năng, lỗi symbol có khả Suy số lượng trung bình lỗi bit symbol k bit là: = log 2( 1) (2.6.20) 62 khả n bit nhị phân k = log Trong đó: giá trị tổ hợp bit bị lỗi Vậy xác suất lỗi trung bình nhận cách chia (2.6.20) cho k = log (số bit symbol) là: = 2( (2.6.21) 1) Từ biểu thức (2.6.19), ta có xác suất lỗi điều chế FSK nhị phân là: = / (2.6.22) Do phân cách tần số tần số nằm cạnh = 1/ giao tín hiệu, độ rộng băng thông yêu cầu M tín hiệu là: Tốc độ bit là: = = , k = log để có tính trực = / Như vậy, tỷ lệ tốc độ bit độ rọng băng thông là: = Ta thấy răng, log → ∞ / (2.6.23) → Các kết luận lần khẳng định rằng, điều chế M mức thực không phù hợp với tập tín hiệu sở trực giao có tần số khác phương thức điều chế FSK Trong thực tế, Các sơ đồ điều chế FSK thường có M nhỏ áp dụng yêu cầu đặt khả chịu méo phi tuyến, thiết bị đơn giản, giá thành thấp hiệu sử dụng phổ cao 63 Chương Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số sử dụng phần mềm MATLAB 3.1 Vai trị mơ Các hệ thống thơng tin đại địi hỏi phải đáp ứng nhu cầu truyền dẫn liệu tốc độ cao Tuy nhiên, hệ thống thường lại bị hạn chế vveef công suất băng tần Các yêu cầu mâu thuẫn dẫn đến việc sử dụng phương thức điều chế bậc cao, mã sửa sai phương pháp xử lý tín hiệu phức tạp khác phía thu Để đánh giá chất phẩm chất hệ thống truyền dẫn đơn giản kênh tạp âm Gauss trắng cộng tính (AWGN: Additive White Gaussian Noise) truyền thống phương pháp giải tích tốn học sử dụng hữu hiệu Tuy nhiên, hệ thống truyền dẫn đại làm việc kênh phức tạp, kênh thông tin di động tế bào, chịu ảnh hưởng lớn phađinh đa đường nhiễu, việc thiết kế phân tích giải tích trở nên phức tạp Để giải điều này, người ta sử dụng phần mềm mô máy tính Trong năm gần đây, ngày nhiều cơng cụ mơ có tính cao hỗ trợ cho việc mô thực dễ dàng Động quan trọng cho mô mô công cụ quý giá cho phép tìm hiểu sâu hoạt dộng hệ thống Một hệ thống mơ hồn chỉnh đóng vai trị phịng thí nghiệm cho phép kiểm tra lại nhiều vị trí hệ thống Và vậy, tham số nghiên cứu độ rộng băng tần, lọc hay tỷ số tín hiệu tạp âm SNR thay đổi theo mong muốn hiệu thay đổi dễ dàng quan sát hình máy tính Các tham số dạng sóng, phổ tín hiệu, chịm tín hiệu, …có thể hiển thị hình máy tính, cho phép người nghiên cứu phân tích, đánh giá so sánh với kết thực phần cứng Như vậy, mục đích mơ để đánh giá phẩm chất hệ thống truyền dẫn tối ưu tham số Ngồi ra, mơ cịn sử dụng để thiết lập thủ tục kiểm chuẩn, dự đoán tuổi thọ, thẩm định hệ thống sau triển khai trường 3.2 Mơ Monte-Carlo thơng tin số Trong chương trình này, chúng em sử dụng chương trình phần mềm Matlab để đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn số Đó thủ tục ước lượng lỗi Monte-Carlo 64 Mô Monte-Carlo phương pháp mô ngẫu nhiên sử dụng để đánh giá lặp lại chất lượng mơ hình xác định sử dụng tập biến đầu vào ngẫu nhiên Trong thông tin số, mơ địi hỏi phải tạo mẫu có dạng sóng khác nhau, xử lý tín hiệu mẫu qua mơ hình với khối chức hệ thống, ước lượng phẩm chất hệ thống từ mẫu tín hiệu đầu điểm mơ hình Trường hợp phổ biến thơng tin số sử dụng mô Monte-Carlo để ước lượng tỷ số lỗi BER Trong trường hợp mơ hình mơ hệ thống truyền dẫn số điển hình, sơ đồ mô tả việc thực mô Monte-Carlo để ước lượng tỷ lệ lỗi bit BER hay tỷ lệ lỗi symboy SER biểu diễn hình 3.1 Hình 3.1 Biểu diễn phương pháp mô Monte-Carlo Mô Monte-Carlo tiến hành theo bước sau: - Tạo mẫu chuỗi bít đầu vào bk, mẫu tạp âm nhiễu nk, k = 1, 2, 3, …N 65 - Xử lý mẫu qua mơ hình khối chức hệ thống cần mô tạo chuỗi đầu bk - Ước lượng tỷ số lỗi Độ xác ước lượng thu từ mô Monte-Carlo phụ thuốc vào thủ tục ước lượng sử dụng kích thước mẫu N, khả tái tạo lại xác mẫu đầu vào, giả thiết mơ hình hóa phép tính xấp xỉ 3.3 Đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn số 3.3.1 Các tham số đánh giá chất lượng hệ thống Có nhiều đại lượng sử dụng để đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn Đối với hệ thống truyeeng dẫn tương tự, người ta sử dụng tỷ số SNR (hay tỷ số CNR: Carrier to Noise Ratio), hệ thống truyền dẫn số sử dụng tỷ số lỗi bit BER SNR sử dụng làm tham số phụ cho đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn số Tỷ số lỗi bit BER thường xác định mà ước lượng nhờ mô Giả thiết có N bit truyền xảy Ne bit lỗi đầu ra, tỷ số BER định nghĩa: = (3.1) 3.3.2 Mô Monte-Carlo số hệ thống vơ tuyến điển hình qua kênh AWGN a Kênh tạp âm AWGN Thuật ngữ tạp âm (noise) mô tả tín hiệu điện khơng mong muốn xuất hệ thống Sự xuất tạp âm làm giảm khả tách tín hiệu xác làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin Tạp âm tạo từ nhiều nguồn khác nhau, chia thành hai loại nhân tạo tự nhiên Nguồn tạp âm nhân tạo xuất từ nguồn đánh lửa, chuyển mạch hay phát xạ điện từ Tạp âm tự nhiên gồm tạp âm xuất mạch hay linh kiện điện tử, xáo động khí hay nguồn thiên hà 66 Việc thiết kế tốt mạch điện, thiết bị hay hệ thống cho phép loại bỏ giảm nhỏ đáng kể ảnh hưởng tạp âm cách nối đất, chọn vị trí đặt thiết bị hay sử dụng phương pháp lọc Tuy nhiên, có nguồn tạp âm tự nhiên loại bỏ tạp âm nhiệt Tạp âm nhiệt xuất chuyển động nhiệt điện từ n(t) linh kiện điện tử điện trở, dây dẫn hay phần tử dẫn điện khác Sự chuyển động ngẫu nhiên độc lập vô hạn điện tử tạo nên đặc tính thống kê Gauss Vì vậy, tạp âm nhiệt mơ tả q trình ngẫu nhiên Gauss có kỳ vọng khơng Hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Funtion) trình ngẫu nhiên Gauss n(t) biểu diễn sau: ( )= √2 (3.2) Một đặc tính quan trọng tạp âm Gauss có giá trị trung bình khơng phương sai trung bình bình phương n, tức = { ( )} Tạp âm trắng: đặc tính quan trọng tạp âm nhiệt mật độ phổ tần số tần số Tức là, nguồn tạp âm phát lượng công suất đơn vị băng tần tất tần số bằng: ( )= [ / ] (3.3) Tạp âm với cơng suất có mật độ phổ gọi tạp âm trắng (white noise) Do tạp âm nhiệt cộng với tín hiệu nên cịn gọi tạp âm cộng (additive noise) Tổng hợp đặc tính tạp âm nhiệt tóm tắt lại tạp âm nhiệt hệ thống thông tin tạp âm trắng cộng (AWGN: Additive White Gaussian Noise) Mô tạp âm AWGN sử dụng hàm có sẵn randn hàm rand Hàm randn cho phép tạo biến ngẫu nhiên theo phân bố chuẩn tắc với giá trị trung bình khơng, phương sai nhiên phân bố đồng = độ lệch chuẩn = Hàm rand tạo số ngẫu 67 b Đánh giá lỗi bit hệ thống PSK Bài toán: Đánh giá chất lượng hệ thống truyền tin PSK sử dụng mơ MonteCarlo Hình 3.2 Sơ đồ mơ Monte-Carlo hệ thống PSK Mô tả nhằm ước lượng tỷ lệ lỗi bit vẽ đồ thị xác suất lỗi bit Kết thu trực quan cho phép ta đưa kết luận mức độ xác lý thuyết, dễ dàng so sánh hệ thống với Chúng ta mô việc tạo vector ngẫu nhiên r lối tương quan tín hiệu lối vào tách biên dộ cách tạo chuỗi symbol bốn mức ánh xạ chuỗi symbol thành tập tín hiệu dạng sóng có biên độ khơng thay đổi, lệch pha π/4 Muốn ta sử dụng tạo số ngẫu nhiên phân bố dải (0,1), với giả sử dãy nhị phân gồm tổ hợp bit xuất với xác suất đọc lập thống kê với Dải chia nhỏ thành bốn dải (0, 0.25), (0.25, 0.5), (0.5, 0.75), (0.75, 1), khoảng ứng với symbol hay với cặp bit mang thông tin 00, 01, 10 11 Các cặp bit sử dụng để chọn vector pha tín hiệu Các thành phần tạp âm 68 biến ngẫu nhiên Gauss kỳ vọng không phương sai No/2 tạo từ tạo ngẫu nhiên phân bố Gauss Bộ tách tín hiệu quan sát vector tín hiệu thu tính tốn hình chiếu r lên vector tín hiệu có việc định dựa lựa chọn điểm tín hiệu so sánh với symbol truyền trường hợp có lỗi lỗi bit đếm Chương trình matlab sau viết mô Monte-Carlo hệ thống truyền tin PSK trường hợp truyền dẫn N = 10000 symbol giá trị khác SNR từ đến 10Db (số symbol sử dụng cho mô đủ lớn để thu kết đáng tin cậy) Năng lượng tín hiệu chuẩn hóa Tùy theo u cầu đặt ra, biến khai báo chương trình thay đổi được, cho thấy xác linh hoạt máy tính việc xử lý thơng tin Chương trình Matlab điều chế PSK: function DieuchePSK echo on SNR_theo_dB1=0:1:10; SNR_theo_dB2=0:0.1:10; for i=1:length(SNR_theo_dB1), pb=Tinh_loiPSK(SNR_theo_dB1(i)) Ty_le_loi_bit(i)=pb 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) = 0.5*erfc(sqrt(SNR)); echo off; end; echo on; semilogy(SNR_theo_dB1,ty_le_loi_bit,'*'); hold semilogy(SNR_theo_dB2,Xac_suat_loi_ly_thuyet,'r '); xlabel('Eb/No [dB]'); ylabel('BER'); legend('ty_le_loi_bit','Xac_suat_loi_ly_thuyet') title('chat luong hoat dong cua he thong PSK') 69 Tính lỗi PSK: function pb=Tinh_loiPSK(SNR_theo_dB) N=10000; E=1; SNR=10^(SNR_theo_dB/10) phuong_sai=sqrt(E/SNR)/2; s00=[1 0]; s01=[0 1]; s11=[-1 0]; s10=[0 -1]; for i=1:N temp=rand; if (temp