7. Nhiễu nền
2.2.1 Kỹ thuật tương tự
Điều biớn AM
AM lă một trong kỹ thuật sơ khai nhất được sử dụng trong lĩnh vực truyền thụng. Nguyớn lý của AM lă biến điệu biớn độ của súng mang theo tớn hiệu thụng tin, AM đờ được ứng dụng khõ rộng rời trong lĩnh vực truyền thanh Radio. Về
nguyớn tắc, hoăn toăn cú thể sử dụng kỹ thuật AM để truyền thụng tin liớn lạc qua
đường cõp điện, nhưng trong thực tế thỡ kỹ thuật năy khụng được dựng do khả năng chống nhiễu rất kĩm, đặc biệt lă khi tớn hiệu thu yếu.
Điều tần FM
Kỹ thuật FM cũng từng được sử dụng trong thời gian đầu để truyền đm thanh qua lưới điện một cõch đơn giản. Nguyớn lý của FM lă lăm tần số của súng mang biến thiớn theo biớn độ của súng mang tin, FM cú khả năng chống nhiễu cao hơn AM rất nhiều do chất lượng thụng tin khụng phụ thuộc nhiều văo sự thay đổi biớn
Khi phõt một luồng số trớn kớnh vụ tuyến, cõc tớn hiệu băng gốc số phải được biến đổi thănh cõc tớn hiệu băng tần vụ tuyến. Qũ trỡnh năy được gọi lă điều chế số. Ngược lại, qũ trỡnh tõi tạo cõc tớn hiệu số từ cõc tớn hiệu trong băng tần vụ tuyến
được gọi lă giải điều chế.
Trong mọi trường hợp, qũ trỡnh điều chế số bao gồm việc khõ chuyển biớn độ, tần số hay pha của súng mang, thường lă hăm sin cú độ rộng băng tần hữu hạn dănh cho kớnh theo luồng sốđầu văo. Như vậy, điều chế sốđược xem như lă qũ trỡnh mă trong đú một đặc tớnh năo đú của súng mang được thay đổi theo một súng điều chế. Vỡ vậy tồn tại ba phương phõp điều chếđể truyền dẫn số lă điều biớn, điều tần vă điều pha:
- Nếu ta cần truyền dũng số bằng điều chế biớn độ, ta sẽ thấy súng cao tầng cú biớn
độ cao thấp theo dũng tớn hiệu xung cú, khụng thỡ khi đú ta sẽ chứng kiến cú sự dịch chuyển biớn độ của súng cao tầng lỳc cao lỳc thấp theo tớn hiệu số cần truyền đi. Người ta đặt tớn lă khõ dịch biớn ASK (Amplitude Shift Keying) hay khõ tắt mở OOK (On Off Keying).
- Nếu chỳng ta truyền dũng xung cú, khụng bằng phương phõp điều tần, thỡ lỳc năy ta sẽ thấy tần số của dũng cao tần lỳc cao lỳc thấp tuỳ thuộc văo biớn độ cú, khụng của dũng xung. Như vậy tại đđy cú sự dịch chuyển tần số của súng cao tần. Người ta đặt tớn cho nú lă khõ dịch tần số FSK (Frequecy Shift Keyinh).
- Tương tự, nếu truyền dũng xung cú, khụng bằng phương phõp điều pha, thỡ pha của súng cao tần cũng cú sự dịch chuyển. Người ta đặt tớn lă khõ dịch pha PSK (Phase Shift Keyinh). Mỗi phương phõp điều chếđều cú ưu nhược điểm riớng. Việc lựa chọn phụ thuộc văo cõc tiềm năng thụng tin cụng suất phõt vă độ rộng kớnh
1. Khõ dịch biớn (ASK)
Bản chất của phương phõp lă biớn độ của súng đm đơn tần được chuyển đổi giữa hai mức với tốc độ được xõc định bởi tốc độ bit của tớn hiệu nhị phđn được truyền. Súng mang cú tần số cao, kớch thước băng thụng yớu cầu được xõc định bởi tốc độ
bit của tớn hiệu, tốc độ bit căng cao thỡ kớch thước băng thụng yớu cầu căng lớn. Trong thực tế cõc phương phõp điều chế khõc nhau đũi hỏi độ rộng băng thụng khõc
Về mặt tõn học, hoạt động điều chế ASK, FSK vă PSK tương đương với việc nhận tớn hiệu súng mang với tớn hiệu dữ liệu nhị phđn. Súng mang cú tần số riớng ự
c
vă biớn độ khụng đổi vă cú thể biểu diễn dưới dạng biểu thức điện õp. Vc(t) = cos Wc Wc: radian/s
ở phần trước, ta đờ biểu diễn tớn hiệu dữ liệu tuần hoăn đơn cực với biớn độ
khụng đổi vă tần số cơ bản Wo theo chuỗi fourier như sau: Vd(t) = 1/2 + 2/ð (cosWo t - 1/3 cos3Wot + 1/5 cos5Wot -... ) Suy ra ASK cú thể biểu diễn :
VASKo(t) = Vc(t)* Vd(t) Do đú:
VASK(t) = 1/2cosWct + 2/ð (cosWct.cosWot - 1/3 cosWct.cos3Wot + ...) Suy ra:
VASK(t) = 1/2 cosWct + 1/ð [ cos(Wc - Wo)t + cos(Wc + Wc)t - 1/3 cos(Wc - 3Wo)t - 1/3 cos(Wc + 3Wo)t + ...]
Chỳng ta thấy tớn hiệu ASK tương đương với tớn hiệu dữ liệu nguồn dịch chuyển sang dạng tần số của súng mang, bớn cạnh đú cũn cú hai thănh phần tần số cơ bản (Wc - W
o) vă (W
c + W
o) vă thănh phần hăi bậc cao (W
c - 3W
o) vă (W
c+ 3W
o). Tất cả hỡnh thănh nớn biớn tần cơ bản, do đú băng thụng của ASK được trỡnh băy trớn hỡnh 2.7
Băng thụng căng lớn thỡ tớn hiệu thu căng trung thực. Tuy nhiớn tổng qũt mă núi thỡ hiệu quả hoạt động cú thể đạt được nếu băng thụng của kớnh đủ chỗ để cho qua thănh phần tần số cơ bản của dũng dữ liệu 101010... vỡ băng thụng yớu cầu trong cõc dũng dữ liệu cú thứ tự khõc nhau đều nhỏ hơn. Gọi f0 lă tần số cơ bản của tớn hiệu tuần tự 101010... f0 bằng nửa tốc độ bit (bps) suy ra băng thụng tối thiểu của ASK thỡ bằng với tốc độ bit tớnh sang đơn vị Hz, 2f0, hoặc
để thu được thănh phần hăi bậc 3 thỡ phải gấp 3 lần tốc độ bit tớnh sang Hz, 6f0. Từ hỡnh 2.7 cú thể suy ra rằng, với ASK tớn hiệu súng mang hiện diện trong tớn
0 0
cụng thức Nyquist ở trớn chỳng ta cú thể nhớ lại rằng với tớn hiệu nhị phđn, tốc
độ dữ liệu tối đa đạt được bằng hai lần băng thụng. Vỡ thế giả sử băng thụng 2 f0, tốc độ Nyquist sẽ gấp hai lần. Lý do chớnh lă vỡ cả hai biớn tần đều được dựng để xõc định băng thụng tối thiểu. Cả hai biớn đều chứa tớn hiệu yớu cầu f
0.
Để dựng băng thụng hiệu quả hơn để giới hạn băng tần đến fc + (fc + f0) do đú loại bỏ biớn thấp, fc - f0 . Điều đú lăm giảm băng thụng yớu cầu đến f0 vă cú thể đạt được tốc độ Nyquist. Tuy nhiớn điều năy sẽ cắt đụi năng lượng của tớn hiệu biớn tần chớnh liớn hệ đến tớn hiệu súng mang, mă năng lượng giảm dẫn đến giảm SNR vă do đú gia tăng tốc độ lỗi bit.
Hỡnh 2.6 Sơđồđiều chế vă giải điều chế ASK
Dạng súng hoạt động của ASK
Hỡnh 2.7: Điều chế khõ dịch biớn ASK
Việc khụi phục lại tớn hiệu số liệu được thực hiện bởi mạch giải điều chế. Tại đđy tớn hiệu thu được một lần nữa lại nhđn với súng mang cựng dạng. Từ đú sinh ra hai phiớn bản của tớn hiệu thu: Thănh phần bao quanh tần số 2fc(fc+fc) vă thănh phần bao
c c
chọn thănh phần sau cựng bằng cõch cho đi qua bộ lọc thụng thấp. Bộ lọc thụng năy
được thiết kế chỉ cho qua cõc tần số từ 0 đến f0 hoặc nếu hăi bậc 3 được nhận thỡ từ 0
đến 3f0 . Do vậy ởđầu ra của bộ lọc lă phiớn bản của tớn hiệu dữ liệu truyền bị giới hạn băng tần. Mặc dự ASK lă phương phõp thực hiện đơn giản, tuy nhiớn khụng được dựng trong cõc modem tốc độ thấp thế hệđầu. Văo thời điểm đú, hệ thống truyền tin hầu hết dựng kỹ thuật tương tự (Analog) vỡ vậy dẫn đến suy giảm tớn hiệu trong nhiều mức khõc nhau. Gần đđy tất cõc hệ thống truyền dẫn vă chuyển mạch đều được thực hiệu bởi kỹ thuật số (Digital) vă ASK cú cơ hội tham gia, thuờng được dựng kết hợp với PSK để thiết kế cõc modem tốc độ cao.
2. Khõ dịch tần FSK
Hỡnh 2.9 Sơđồ nguyớn lý FSK
Dạng súng hoạt động của tớn hiệu FSK Phổ của tớn hiệu FSK
Hỡnh 2.10 Điều chế khõ dịch tần FSK
FSK lă phương phõp điều chếđược dựng trong tất cả cõc modem tốc độ thấp thế
hệ đầu. Nguyớn lý hoạt động được minh họa trong hỡnh 2.8 vă 2.9. Để trõnh vấn đề
thay đổi biớn độ, với FSK dựng hai tớn hiệu súng mang cú cựng biớn độ vă cốđịnh, một cho bit nhị phđn 0 vă một cho bit nhị phđn 1.
Sự khõc biệt giữa hai súng mang lă tần số. Như trỡnh băy trớn hỡnh vẽ, hoạt
động tương đương với sựđiều chế ASK 2 súng mang riớng biệt: Một thực hiện trớn súng mang thứ nhất dựng phần gốc của tớn hiệu dữ liệu (mức cao) vă một thực hiện trớn súng mang thứ hai dựng phần bự của tớn hiệu dữ liệu (mức 0). Về mặt tõn học cú thể suy ra băng thụng yớu cầu với phương phõp FSK dựng biểu thức sau:
VFSK(t) = cos W1 t.Vd t + cosW2 t x V'd (t)
Trong đú W1 vă W2 lă tần số gốc của hai súng mang V'd (t) lă phần bự của tớn hiệu dữ liệu gốc Vd(t). Ta cú : V'd (t) = 1 - Vd(t) , vỡ vậy nếu giả sử tớn hiệu dữ liệu tuần hoăn với tần số cơ bản W 0 thỡ:
VFSKc(t) = cosW1t [1/2 +2/ð(cosW0t - 1/3 cos3W0t + …..)] Trong đú W1 vă W2 lă tần số gốc của hai súng mang V`d (t) lă phần bự của tớn hiệu dữ liệu gốc Vd(t).
FSKc 1 0 0 2
2/ð(cosW0t - 1/3cos3W0t +1)] Do đú:
VFSK(t) = 1/2cosW1t + 1/ð[cos(W1- W0)t + cos(W1+ W0)t - 1/3cos(W1-3W0) t-1/3cos(W1+3W0)t +1] + 1/2cosW2t + 1/ð[cos(W2-W0 )t + cos(W2 +W0)t - 1/3cos (W2 - 3W0) t - 1/3cos(W2 + 3Wo )t +1]
Cú thể suy ra băng thụng của FSK một cõch đơn giản lă tổng hai sang mang điều chế ASK riớng biệt ở tần số W1 vă W2. Băng thụng của FSK như hỡnh 2.10. Nhưđờ
đề cập ở phần trước, tớn hiệu cú tần số cao nhất tạo ra từ dờy bit 1010101 Với FSK vỡ tớn hiệu nhị phđn 0 vă 1 điều chế lớn cõc súng mang riớng rẽ, nớn băng thụng tối thiểu cho mỗi súng mang bằng một nửa tốc độ bit. Thănh phần tần số cơ bản lớn nhất cho mỗi súng mang lă f0 bằng một nửa so với ASK. Do đú, nếu giả sử rằng chỉ
thănh phần tần số cơ bản được nhận thỡ tổng băng thụng lă 4f0 cộng với khoảng dịch tần f
s. Tuy nhiớn vỡ f
0 bằng một nửa so với ở ASK nớn tổng băng thụng bằng với ASK cộng với khoảng dịch tần. Tương tự, nếu cặp hăi bậc 3 được thu thỡ băng thụng lă 6f0 cộng với khoảng dịch tần.
Hỡnh 2.11 Điều chế tớn hiệu PSK
Trong phương phõp PSK, tần số vă biớn độ của súng mang được giữ khụng đổi trong khi pha của nú được dịch theo mỗi bit của dũng dữ liệu truyền. Nguyớn lý hoạt động được trỡnh băy ở hỡnh 2.11. Cú hai loại PSK được dựng, loại thứ nhất dựng hai tớn hiệu súng mang cốđịnh đại diện cho mức 0 vă 1, hai súng mang khõc pha nhau 1800. Vỡ tớn hiệu năy chỉ lă nghịch đảo của tớn hiệu kia nớn loại năy cũn
được gọi lă phối hợp pha PSK (phase-coherent PSK). Điều bất tiện của loại năy lă tại mõy thu đũi hỏi phải cú súng mang tham chiếu để so pha với tớn hiệu thu, do đú cần thực hiện đồng bộ pha giữa mõy thu vă mõy phõt. Kết quả dẫn đến mạch giải
điều chế phức tạp hơn. Loại PSK thứ hai gọi lă PSK vi phđn (Differential PSK). Với loại năy, sự dịch pha xảy ra tại mỗi mức khụng cần quan tđm tới chuỗi mức 0 hay mức 1 đang được truyền. Một sự dịch pha 900 tương ứng với việc tớn hiệu hiện hănh chỉđịnh 0 lă mức kế tiếp trong khi sự dịch pha 2700 lại chỉ mức 1, kết quả lă chỉ khi năo thay đổi trạng thõi của dữ liệu mới đổi pha của súng mang. Về mặt tõn học, ta cú thể xõc định băng thụng của PSK. ở đđy chỳng ta trỡnh băy tớn hiệu dữ
o
Wd(t) = 4/ð[cosWot - 1/3cos3 Wot + 1/5cos5 Wot - ...] Suy ra:
VPSK0 = 4/ð[cosWct . cosWot - 1/3cosWct . cos3W0t + 1]
= 2/ ð [cos(Wc - W0)t + cos(Wc + W0)t - 1/3cos(Wc -3W0)t - 1/3cos(Wc + 3W0)t + 1] Từ trớn cho thấy phổ tần giống như ASK, chỉ khõc lă khụng cú thănh phần súng mang. Do đú băng thụng của tớn hiệu PSK vă DPSK. Vỡ vậy nếu giả sử chỉ
thănh phần tần số cơ bản của dờy 101010.. được nhận, thỡ băng thụng tối thiểu bằng 2f
o , bằng với giõ trị của tốc độ bit. Tuy nhiớn do vắng mặt thănh phần súng mang nớn cú nhiều năng lượng trong biớn tần hơn dữ liệu, điều đú giỳp PSK khõng nhiễu tốt hơn ASK hay FSK. Giới hạn băng của tớn hiệu từ fc đến fc + fo , nghĩa lă băng thụng bằng fo vă đạt được tốc độ Nyquist. Hầu hết năng lượng nhận được đều thuộc tớn hiệu mang thụng tin, fc + fo (do khụng cú fc). Thường biểu diễn PSK dưới dạng lược đồ. Một lược đồ pha biểu diễn súng mang bằng đường thẳng đơn gọi lă vectơ, chiều dăi của vectơ biểu diễn biớn độ súng. Vectơ quay xung quanh gốc theo chiều ngược kim đồng hồ với tần số gúc Wc . Bit 1 được đặc trưng bởi vectơ cựng pha với
súng mang trong khi bit 0 nhanh pha hơn súng mang 1800. Hai trục gọi lă I (in phase) vă Q (quadrature).
Điều chếđa mức
Như đờ đề cập từ đầu, cõc thiết bị truyền dẫn vă chuyển mạch kỹ thuật số đờ vă
đang được dựng trong cõc hệ thống truyền thụng hiện đại. Kết quả ứng dụng đú tạo
điều kiện đạt được tốc độ bit vượt xa tốc độđạt được sẵn cú theo cõc phương phõp điều chế cơ bản thụng qua cõc phương phõp điều chế phức tạp hơn. Trong cõc phương phõp nhằm gia tăng tốc độ, tồn tại hai khuynh hướng sử dụng: Hoặc nhiều mức tớn hiệu, hoặc trộn lẫn cõc phương phõp điều chế cơ bản, đặc biệt lă ASK vă PSK.
Trong cõc vớ dụ đờ đề cập thỡ tốc độ bit bằng với tốc độ baud. Tuy nhiớn cú thể
thực hiện tốc độ bit cao hơn nhiều so với tốc độ baud. Cú nghĩa lă mỗi phần tử tớn hiệu cú thểđại diện cho 2 mức (4 giõ trị) của thụng tin. Vă do đú, tốc độ bit sẽ gấp 2 hay 3 lần tốc độ baud. Vớ dụ một modem PSK thực hiện thay đổi theo 4 pha khõc nhau (00, 900, 1800, 2700) thay vỡ chỉ 2 pha, điều đú cho phĩp mỗi thay đổi pha
bit sẽ đạt cao hơn bằng cõch dựng 8 hay 16 pha. Tuy nhiớn, trong thực tế cần hạn chế số lượng pha cú thể dựng, vỡ sự khõc biệt pha giảm xuống thỡ tiến trỡnh cú xu hướng gia tăng nhiễu vă pha dễ bị sai trong khi truyền. Do đú, để gia tăng tốc độ bit thỡ dựng biớn độđể phđn biệt giữa cõc vĩctơ, điều năy cũng mang lại ý nghĩa tương tự khõc biệt pha. Loại điều chế kết hợp ASK vă PSK gọi lă QAM (Quadrature Amplitude Modulation) . Lược đồ pha cú 16 phần tử tớn hiệu được biết như lă 16- QAM, mỗi mức tớn hiệu đại diện cho 4 bit thụng tin. Như trớn hỡnh đờ chỉ ra, ta thấy
điểm mạnh của lược đồ năy lă trõnh lỗi do cõc trạng thõi qũ gần nhau. Do đú, với lược đồ năy, 8 pha được dựng nhưng cõc mức biớn độ liớn quan đến hai pha kề nhau lă khõc nhau. Núi chung điều đú tạo cho hoạt động tại mõy thu ớt cú khuynh hướng dẫn đến lỗi, nhưng lại cú phần dư thừa ở đđy, bởi vỡ khụng phải tất cả 4 mức biớn
độ đều được dựng cho mỗi pha. Trong tất cả cõc lược đồ điều chế, trước khi thực hiện điều chế, dũng bit được cho qua mạch trộn đm, tại đđy, mạch sẽ đổi dũng bit thănh thứ tự giả một cõch ngẫu nhiớn. Điều năy cú tõc dụng lăm giảm khả năng cõc bit cú thứ tự liớn tiếp ở vị trớ kề nhau. Tại đầu thu sau khi thực hiện giải điều chế, dũng bit sẽ được chuyển qua mạch mụ tả (descramberr) để phục hồi lại tuần tự bit nguyớn thủy. Loại điều chế năy được sử dụng trong modem V29 đạt được tốc độ
9600 bps. Phương phõp khõc dựng luđn phiớn 32 trạng thõi pha vă biớn độ hỗn hợp, trong đú bit thứ 5 được dựng cho mục đớch sửa lỗi vă được tạo ra bằng cõch mờ hõ xoắn (convolution encoder). Loại năy được dựng trong modem V32 đạt được tốc độ
9600 bps, V32bis đạt được đến 14400 bps. Cõc tốc độ 19200, 24000, 28800 bps vă 56 kbps ngăy nay lă sẵn cú trong cõc modem V.34/V-fast, V.90/X2.
4. Cụng nghệ trải phổ
Như chỳng ta đờ biết thỡ mọi kỹ thuật điều chế vă giải điều chế ngoăi việc nhằm mục đớch truyền được tớn hiệu đi xa với những khoảng cõch lớn cũn phải thỏa mờn