Trước hết để đơn giản ta sẽ xem xét với sơ đồ khối đơn giản của hệ thống truyền dẫn số qua sơ đồ hình 1.14.
Hình 1.14 Sơ đồ khối đơn giản của hệ thống truyền dẫn số.
Sau đây ta sẽ nghiên cứu phương pháp truyền dẫn tín hiệu số với băng tần hạn chế và các biện pháp khắc phục các tác động của các kênh truyền không lý tưởng.
1.3.2.1 ISI và biện pháp khắc phục
ISI là tác động của các symbol trước và sau lên symbol đang xét. Ta có:
( ) ( ) ( ) ∑ ( ) ∑ ∞ ≠−∞ = ∞ −∞ = − + = − = 0 0 0 0 k k S k k k S kT h A h A kT h A w (1.13) Trong đó ∑∞ ( ) ≠−∞ = − 0 k k S kh kT
A đóng vai trò như nhiễu, gọi là ISI có thể gây lỗi, và
bởi vì tổng này là ngẫu nhiên nên ISI cũng là ngẫu nhiên.
Các nguyên nhân, bản chất ISI: Thực tế là tín hiệu được truyền trên băng tần hữu hạn nên nó bị hạn chế về mặt tần số, cho nên nó sẽ trải rộng vô hạn trên miều thời gian, và gây nhiễu cho nhau. Bản chất của ISI là sự lấn lên nhau (trong miền thời gian) của tín hiệu lối ra hệ thống do truyền qua một kênh có băng thông hạn chế. Dưới tác động của ISI thì thay vì chòm sao tín hiệu có M điểm thì chúng ta sẽ thu được M cụm điểm và do đó có thể dẫn đến thu sai vì khoảng cách từ điểm tín hiệu tới biên quyết định giảm.
Điều kiện để truyền không có ISI đó là:
( ) ≠ = = = 0 , , 0 0 , 1 k kT t t t h S (1.14)
Đây là điều kiện Nyquist thứ nhất, tức là các tín hiệu lối ra hệ thống bảo đảm trực giao.
Lọc để khác phục ISI
Để khắc phục ISI người ta sử dụng các bộ lọc, và phân chia đặc tính lọc một cách hợp lý ở đầu thu và phát.
Theo định lý Nyquist thì ta chỉ cần sử dụng bộ lọc lý tưởng có băng thông tối thiểu đúng bằng W= 1/TS là được, tuy nhiên ta không sử dụng vì sườn đặc tuyến dốc đứng là không thể chế tạo được. Và ngay cả khi chúng ta chế tạo được thì người ta cũng sẽ không sử dụng, vì nếu như chúng ta không thể bảo đảm đồng bộ tuyệt đối, thì một khi có sai lệch đồng hồ thì vẫn gây ra ISI, và ISI này có thể rất lớn .Vì vậy ta đi tìm một lớp bộ lọc thoả mãn các yêu cầu sau:
Đáp ứng xung h(t) thoả mãn điều kiện (1.14) để không có ISI khi đồng bộ hoàn toàn.
Tiết kiệm phổ.
Sườn đặc tuyến phải thoải dễ chế tạo.
Khi không hoàn toàn đồng bộ thì ISI không được quá lớn.
Đồng thời theo định lý khác của Nyquist thì ta có: Một bộ lọc H(f) có |H(f)| là tổng modul hàm truyền |Ho(f)| và một hàm uốn RO(f) đối xứng tâm tại các tần số ±fN = 1/2Ts thì nó sẽ thoả mãn (1.14). Trong đó Ho(f) là hàm truyền của bộ lọc lý tưởng.
Và chúng ta có h(t)= ∫∞ H( )f .exp(i2πft)df
∞ −
, vì vậy H(f) không thể tuỳ ý.
Vì vậy chúng ta chọn RO(f) là dạng gần đúng hàm cosine, biên độ được nâng lên 0.5 vì vậy gọi là cosine nâng.
Và ta có: hRC(t)= 2 2 2 4 1 cos . sin S S S S T t T t T t T t α απ π π − (1.15) với N f ∆ =
α là lượng mở rộng phổ tương đối; 0≤α ≤1 ,
Việc chọn giá trị của α là cân đối khả năng kỹ thuật.
Việc phân chia đặc tính lọc của hệ thống thì do là cả phía thu và phát đều cần có lọc phù hợp cho nên chúng ta phân chia đặc tính lọc như sau:
Nếu lọc thu là HR(f), lọc phát là HT(f); thì ta có:
|HRC(f)|= |HT(f)|2= |HR(f)|2, do đó các bộ lọc thu và phát được gọi là bộ lọc căn bậc hai cosine nâng.
Tuy nhiên trên thực tế là ở đầu phát, đầu ra bộ điều chế thường là tín hiệu NRZ nên ở đầu phát trước lọc ta sử dụng một khâu sửa x/sinx.
Ngoài ra cũng cần phải chú ý rằng, ngay cả khi đặc tính lọc đã đảm bảo thoả mãn công thức (1.15), thì nếu mà khi có sai lệch đồng hồ thì vẫn xuất hiện ISI, ISI này có giá trị phụ thuộc vào α và nó có thể rất lớn. Điều này được thể hiện rõ qua hình 1.15, 1.16, và 1.17 (Mô phỏng bằng Astras cho hệ thống 64-QAM).
Hình 1.16 Chòm sao tín hiệu khi có sai lệch đồng hồ 3.2% với α=0.25.
1.3.2.2 Méo tuyến tính, nguyên nhân và biện pháp khắc phục
Méo tuyến tính là méo dạng tín hiệu do các phần tử tuyên tính ở trên kênh.
Nguyên nhân gây méo tuyến tính là:
Do các bộ lọc phát, thu không chế tạo được hoàn hảo. Do môi trường truyền:
• Quang: Có hiện tượng tán sắc ánh sáng.
• Vô tuyến: Có fading tín hiệu xuất hiện do hấp thụ của mưa, mù... và do truyền lan đa đường. Trong đó nghiêm trọng hơn cả là fading đa đường chọn lọc theo tần số gây ra cho băng thông lớn. Bởi vì nó gây ra hiện tượng ISI, và giá trị của ISI có thể là rất lớn, thậm chí gây gián đoạn liên lạc trong Viba.
Các biện pháp chống méo tuyến tính:
Sử dụng bộ san bằng thích nghi trên miền thời gian ATDE: bản chất là mắc thêm các mạch lọc có hàm truyền là nghịch đảo của hàm truyền của kênh vô tuyến. Do kênh thay đổi theo thời gian nên hàm truyền cũng biến đổi cho nên phải thích nghi.
Sử dụng thu phát phân tập: Tức là truyền tín hiệu trên hai kênh độc lập nhau về fading, ở phía thu sẽ chọn kênh tốt hoặc tổng hợp hai kênh để được tín hiệu tốt nhất. Chúng ta có phân tập về không gian, tần số, phân cực, và kết hợp các phương pháp.
Sử dụng mã chống nhiễu: Do mã chống nhiễu tăng được chất lượng truyền nhờ giảm BER, nghĩa là cũng chống được ISI.
Truyền dẫn đa sóng mang: Khi băng thông quá lớn thì có thể gây ra ISI lớn tới mức mà san bằng cũng không khắc phục được. Vì vậy người ta chia luồng tín hiệu đầu vào thành N luồng con, mỗi luồng có tốc độ bằng 1/N luồng tổng. Mỗi luồng sử dụng điều chế một sóng mang con khác nhau. Khi đó mỗi kênh sẽ có thể được bù bằng ATDE. Tuy nhiên phương án này rất tốn phổ vì vậy chỉ áp dụng trong trường hợp bất khả kháng.
Trải phổ: Đây là kỹ thuật chống nhiễu rất tốt vì vậy nó cũng có khả năng chống fading.
Sử dụng ghép phân chia trực giao trên miền tần số OFDM: Bản chất là chia luông dữ liệu đầu vào thành N luồng con, mỗi luồng con sẽ thực hiện điều chế một sóng mang con được phân bố trực giao trên miền tần số. Nhờ vậy nên chúng ta không cần có băng phòng vệ, lấy mẫu thực hiện tại các sóng mang nên không có các tác động của những kênh con vào nhau. Hơn nữa thiết bị thực hiện đơn giản; và đặc biệt là có khả năng chống fading đa đường vì fading chỉ làm hỏng một vài kênh con.
1.3.2.3 Méo phi tuyến, biện pháp khắc phục
Méo phi tuyến là méo dạng tín hiệu gây ra bởi các phần tử phi tuyến trên kênh.
Các nguyên nhân gây méo phi tuyến:
Do các mạch khuếch đại công suất lớn HPA.
Do mạch trộn sử dụng dode, tuy nhiên ngày nay thì do công nghệ chế tạo nên nguyên nhân này có thể bỏ qua.
Ảnh hưởng của méo phi tuyến:
Đối với tín hiệu có đường bao không đổi thì ảnh hưởng của méo phi tuyến là không lớn, bởi vì các tín hiệu PSK và FSK không nhạy cảm với méo phi tuyến. Thậm chí người ta còn sử dụng bộ hạn biên (phần tử phi tuyến) ở phía thu nhằm hạn chế điều biên ký sinh.
Đối với M-QAM thì do không sử dụng hạn biên cho nên méo phi tuyến chỉ gây ra bởi HPA.
Các tác động của méo phi tuyến gồm có:
Làm mở rộng phổ tín hiệu và gây tạp âm phi tuyến: Giả sử đầu vào của HPA là X, đầu ra là Y. Ta luôn có:
Y= a1X + a2X2 + ... (1.16) Trong đó thì các thành phần bậc chẵn không gây ảnh hưởng (không có sản phẩm rơi vào băng thông tín hiệu). Còn các thành phần bậc lẻ thì gây ra:
Gây ra tạp âm phi tuyến trong băng. Gây mở rộng phổ tín hiệu.
ACI làm nhiễu các kênh lân cận, và làm cho tỉ số S/N giảm làm BER tăng.
Biện pháp khắc phục là sử dụng mạch lọc phụ sau khuyếch đại công suất.
Gây méo dạng chòm sao tín hiệu:
Gây ISI phi tuyến: Do HPA nằm giữa bộ lọc phát và thu nên nó sẽ phá vỡ điều kiện thoả mãn (1.14) làm biến đổi hàm truyền của toàn hệ thống, gây ra ISI và được gọi là ISI phi tuyến. Để nhận dạng ISI phi tuyến, ta sử dụng máy phân tích vectơ, ta có: Chòm sao tín hiệu
thu là M cụm điểm có diện tích không đều nhau, dạng sao chổi, phân bố không đối xứng quanh các điểm trung bình. Khi biên độ càng lớn thì diện tích cụm điểm càng lớn, và bị lệch càng nhiều.
Các biện pháp khắc phục:
Sử dụng Back-off tối ưu: Dịch điểm tín hiệu lùi lại đoạn tuyến tính trên đặc tính khuyếch đại. Nếu chúng ta tăng BO thì điểm làm việc của HPA tuyến tính hơn, làm BER giảm. Tuy nhiên nếu tăng BO thì công suất phát giảm, nên công suất thu giảm, giảm tỉ số (S/N)thu giảm làm tăng BER. Cần xác định một BO tối ưu.
Sử dụng méo trước: Trước khi cho tín hiệu vào HPA thì ta cho tín hiệu qua mạch méo trước có tác dụng gây méo ngược với méo của HPA, vì vậy khi tổng hợp lạ sẽ không gây méo.
CHƯƠNG 2: ĐỒNG BỘ TRONG TRUYỀN DẪN SỐ
Như ở chương 1 đã nói, hiện nay chúng ta vẫn tồn tại hai hệ thống phân cấp số là cận đồng bộ và đồng bộ. Đồng thời khi ta truyền dẫn tín hiệu số trên kênh truyền dẫn số thì phải chịu rất nhiều tác động như méo, fading... Tuy nhiên trong phần trên ta chưa nói gì đến một vấn đề rất quan trọng của truyền dẫn số đó là vấn đề đồng bộ, bao gồm cả đồng bộ đồng hồ và sóng mang. Vì vậy ở chương hai này chúng ta sẽ tìm hiểu về vấn đề đồng bộ trong truyền dẫn số, vai trò, tách tín hiệu đồng bộ, và lý thuyết của một thiết bị rất quan trọng là PLL.