Chương 3 : HỆ THỐNG THU PHÁT VÀ TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU SỐ
3.1. Sơ đồ nguyên lý một hệ thống truyền dẫn số
Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống truyền dẫn là truyền thông tin từ nguồn đến nơi sử dụng qua một môi trường vật lý hoặc không như cáp điện lực, cáp quang, cáp đồng hay các kênh phát sóng vơ tuyến. Một hệ thống truyền thơng số bao gồm.
Phần phát:là bộ phận xử lý và tạo dạng thông điệp để gửi đi Kênh truyền: làm nhiệm vụ kết nối
Phần thu: khơi phục lại dạng tín hiệu và đưa đến người sử dụng
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của một hệ thống truyền thông số
D/A Điều chế Tạo Symbo l Mã hoá Dữ liệu nhị phân Dữ liệu nhị phân giải mã giải
Symbo l giải Đ/C A/D
Kênh d(n) dc(n) dc(n) dc(n) dc(t) Sc(t) Sc(n) Sc(n) Sc(n) Sc(n)
Trong sơ đồ trên ta giả thiết rằng tín hiệu truyền dẫn đã được số hoá. Các dữ liệu nhị phân cần truyền có thể đến từ một tín hiệu tương tự chẳng hạn như tiếng nói, dữ liệu của một biến tử vật lý ….Các tín hiệu tương tự này đã được số hoá nhờ bộ chuyển đổi tương tự - số, các dữ liệu trên cũng có thể xuất phát từ một hệ thống số như máy tính, máy điện thoại cầm tay vv…Với các dữ liệu xuất phát từ hệ thống số thì dãy bít cần truyền được tạo thành từ một mơ hình tham chiếu để liên kết các hệ thống mở đó là những hệ thống đã được định nghĩa bởi ISO
3.1.1. Mã hố:
Vai trị của mã hố là làm tín hiệu cần truyền phù hợp với kênh truyền. Quá trình mã hoá được thực hiện với những giai đoạn
Mã hoá nguồn Mã sửa lỗi Bảo mật
Mã hố nguồn: một tín hiệu tương tự cần tạo ra một tín hiệu bằng một dãy số, độ dài của dãy số đó càng ngắn càng tốt theo một số lượng nhất định. Đối với một tín hiệu số tự nhiên (các tín hiệu do máy tính cung cấp) được biến đổi theo phương pháp loại bỏ những sự rườm rà, điều này cho phép tăng lưu lượng. Các phương pháp mã hoá nguồn thường gặp là phương pháp shannon-Fano và Huffmann
Mã phát hiện và xửa lỗi có nhiệm vụ đưa thêm một số bít xác định vào trong các khung thơng tin. Các bít này cho phép nơi thu kiểm tra và hiệu chỉnh các bit lỗi nếu có. Nói chung có nhiều bit kiểm tra thì càng tốt, nhưng sẽ ảnh hưởng đến lưu lượng
Kỹ thuật số cũng cho phép mã hố tín hiệu với một khố bảo mật. Nó bảo đảm độ tin cậy thơng tin giữa những người liên lạc.
3.1.2. Các kỹ thuật điều chế số (Mã hoá Symbol(biểu tượng) + điều chế )
Nguyên lý mã hoá nhị phân theo biểu tượng là kết hợp một nhóm gồm n bit thành một biểu tượng trong số M giá trị khả dĩ. Mỗi một giá trị này biểu thị sự tổ hợp về biên độ, pha hoặc tần số. Chiều dài của mỗi biểu tượng còn được gọi là thời gian biểu tượng được biểu thị bằng M khả năng.
Ts=Tb-log2M (log2 ln ln 2
x
x )
Chức năng của điều chế là biến đổi một tín hiệu chiếm một vùng phổ xung quanh một sóng mang (tần số cao) sóng mang này c ho phép mang thơng tin từ máy phát đến máy thu. Các kỹ thuật điều chế số được sử dụng thường xuyên là .
Điều chế biên độ vng góc (QAM) ở đây biên độ và pha của tín hiệu có m giá trị khả dĩ.
Điều chế bằng phương pháp dịch tần (FSK:Frequency Shift Keing) ở đây tần số của tín hiệu thứ cấp nhận m giá trị rời rạc ( chẳng hạn với m=2): fp -
f và fp + f )
Điều chế bằng phương pháp dịch pha (PSK: Phase Shift Keing) ở đây pha nhận giá trị phân biệt nhau một lượng bằng 2
m . Ưu việt của phương pháp điều chế này là tín hiệu điều chế là hình bao khơng đổi và cho phép giải điều chế không kết hợp và được sử dụng trong modem PLC của hãng Intellon.
Hình 3.2: Chịm sao và dạng sóng của điều chế số 3.2. Ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu đa sóng mang
Hình 3.3 minh hoạ kênh truyền với đáp ứng tần số và nhiễu trắng Gausssien n(t). Mục tiêu là cần phải nhận biết được các giao thoa do các biểu tượng do các kênh truyền đa sóng mang gây ra. Khi số lượng các kênh con N đủ lớn thì hàm truyền H(f) của kênh có thể gần đúng như hình chữ nhật như minh hoạ trong hình 3.4. Mỗi một hình chữ nhật biểu thị dải tần có độ rộng 1/T. Giá trị của mỗi hàm truyề n do đó có giá trị gần đúng bằng tâm của nó c(fi). Chúng ta dùng ký hiệu Ci là một dãy số trong trường hợp DMI thì các fi là các tần số trung tâm của các dải con hàm
truyền C(fi) có biên độ là Ci và pha i và tín hiệu của kênh con thứ i có thể được viết dưới dạng
i i i i
y n C x n n n (3.1)
Ở đây các giá trị yi(n), i=1…n là N lối ra phức của FFT còn Bi(n) là nhiễu ở lối ra của kênh con thứ i.
Hình 3.3: Tín hiệu lối ra của kênh truyền
Hình 3.4: Khai triển một kênh truyền thành nhiều kênh con
N lối ra của bộ FFT ở máy thu tương ứng với N kênh con độc lập và khơng có giao thoa với nhau như minh hoạ trên hình 3.5.
C(t) + n(t) y(t) Se(t) C f 1 C C2 CN 2 1 N C 0 C f
Hình 3.5: Các lối ra của N kênh con song song và độc lập với nhau trong sự
truyền dẫn đa sóng mang
3.2.1. Ví dụ về một kênh truyền điển hình
Nếu ta xét một kênh như biểu thị trên hình 3.6 thì hàm truyền số của kênh được biểu thị dưới dạng 1 1 0.25 1 1 0.5 z C z z (3.2)
Nếu chọn N/2=256 kênh con với tần số lấy mẫy trên đường dây là 2048kHz thì tần số biểu tượng là 1 2048 4 512 e f kHz kHz N NT (3.3)
Trong truyền dẫn đa sóng mang, kênh truyền được xem như một tập hợp của N kênh con độc lập nhau mỗi một kênh con có một hệ số khuếch đại bằng giá trị truyệt đối của đáp ứng tần số ở tâm của nó. Như vậy mỗi một kênh con có thể được điều chế và giải điều chế độc lập với các kênh.
C(f) + B1(n) y1(n) x1(n) C(f) + B2(n) y2(n) x2(n) C(f) + Bn(n) yn(n) xn(n)
Hình 3.6: Ví dụ hàm truyền của một kênh truyền tiêu biểu.
3.3. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM/DMT
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang là một kỹ thuật chia dải tần mà trong đó người ta cho phép phát thành nhiều dải con hoặc các kênh con độc lập với nhau. Mỗi một kênh con được điều chế riêng biệt ở tốc độ thấp và sẽ có một sóng mang riêng và cho phép chuyển tải nhiều hay ít bit trên một biểu tượng tuỳ thuộc vào tuỷ số SNR trên kênh con đó. Kỹ thuật này cho phép tính thời gian thực SNR của mỗi một kênh con và như vậy có thể thêm vào nhiều bít trong các biểu tượng. Như vậy số lượng bit được phân phối trong các kênh con một cách tối ưu. Theo tiêu chuẩn cấp bit đã được lựa chọn (tỷ lệ lỗi bít cực đại được phép hoặc SNR cực tiểu) các bit được cấp trong các kênh con và như vậy lưu lượng cao trong các kênh con riêng cho phép cân bằng các lưu lượng thấp của các kênh con mà có nhiều nhiễu. Kỹ thuật đa sóng mang ngày nay được phát triển rộng rãi nhất là OFDM/DMT. Tuy nhiên các kỹ thuật điều chế khác như điều chế đa sóng mang với dàn lọc thì bền vững và đơn giản hơn. Kĩ thuật này đang được nghiên cứu và triển khai công nghệ trong thời gian tới.
2 C f 2 C f 2 229 C 2 230 C 2 231 C
Hình 3.7: Ngun tắc cấp bít theo biểu tượng trong điều chế đa sóng mang 3.3.1. Nguyên lý OFDM/DMT
Nguyên lý OFDM/DMT là khai thác khả năng lọc lựa của biến đổi DFT dưới những điều kiện xác định. Ở phần phát người ta sử dụng bộ biến đổi IDFT để làm một bộ điều chế với N sóng mang. Phép biến đổi này điều chế song song N biểu tượng số loại (QAM,PSK hoặc FSK) có mặt ở lối vào của bộ IDFT. Các dữ liệu điều chế sau đó được biến đổi thành dãy bit nối tiếp và được gửi đi trên kênh PLC sau khi đã được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự. Ở nơi thu tín hiệu OFDM được số hố. Các biểu tượng được khơi phục lại, sau khi tính tốn dùng DFT và cân bằng ở mỗi kênh con
Số lượng bít cực đại trên một symbol nhiễu dải hẹp Hàm truyền của PLC Sự cấp bít theo symbol tần số tần số tần số C A N A L ADC DAC S/P P /S FF T P /S I F F T S /P C od ec Data N/T d1,n d2,n dN,n x1,n x2,n xN,n x1,n x2,n xN,n d1,n d2,n dN,n 1/T 1/T 1/T
3.3.2: Các tính chất của DFT
Quan hệ giữa tín hiệu lối vào x(n) và tín hiệu lối ra d(f) của bộ DFT là
. 1 .2. . 0 1 . k n N j N n d k x n e N
Mối quan hệ giữa tín hiệu vào d(k) và tín hiệu ra x(n) của bộ IDFT
. 1 .2. . 0 1 . k n N j N k x n d k e N
với k=0 thì lối ra d(0) là kết quả của phép nhân chập của tín hiệu x(t) với phân bố
0 t từ đó suy ra lối ra d(k) k d k x t t với . 1 .2. . 0 1 . k n N j N k e n t e t nT N
Phân bố k t đối với phép biến đổi Fourier
. . 1 . . sin . . . . .sin . . e e k e j f N T N T e k e e k N T f N T f e k N T f N T
Tích chập trong miền thời gian tương đương phép nhân trong miền tần số, do vậy biến đổi Fourier của d(k)
.
k k
D f X f f
Lưu ý rằng hàm f 0 tại những điểm tần số là bộ của 1/N.Te và khác không ở những điểm bộ của 1/Te. Hàm số này cũng tuần hoàn với chu kỳ 1/T. Như vậy biến đổi Fourier rời rạc có thể tạo thành N các mạch lọc giống nhau phân chia đều
đặn trong miền tần số với khoảng cách 1/(N.Te). Hình 3.9 minh hoạ k f
k=0,1,2…
Hình 3.9: Chức năng lọc của DFT.
3.3.3. Các giao thoa có mặt trong OFDM/DMT, thời gian bảo vệ và sự cân bằng.
Trong một hệ thống OFDM/DMT bao gồm hai bộ phận chính là IDFT ở phần phát và DFT ở phần thu. Bộ IDFT chuyển đổi tín hiệu x(n) bên phát thành tín hiệu nhiều sóng mang. Cịn ở nơi thu bộ DFT giải điều chế đa sóng mang. Nếu quá trình thu phát là hồn hảo khơng có lỗi bít thì tín hiệu thu được sẽ đúng bằng tín hiệu đã phát đi x(n). Tuy nhiên trên thực tế kênh truyền khơng phải hồn hảo nó làm biến đổi cả biên độ và pha của tín hiệu phát làm trễ nhiều hay ít và tạo lên các tiếng vọng trong trường hợp một kênh đa đường như kênh vô tuyến hoặc kênh PLC. Để giải điều chế chính xác tín hiệu OFDM ta phải hiệu chỉnh được tất cả các loại giao thoa, nhiễu phát sinh ra trên kênh bằng cách thực hiện các quá trình sau.
Đồng bộ tần số nghiêm ngặt để loại bỏ các nhiễu đồng kênh do sự lệch pha do kênh truyền gây ra. Cũng như phải bảo tồn tính trực giao của các kênh con
Sự đồng bộ nghiêm ngặt về thời gian để thực hiện quyết định vị trí trung tâm của các biểu tượng. Nghĩa là ở các thời điểm 0,1/NTe,2/NTe,……,1/Te Đặt thời gian bảo vệ để tránh giao thoa giữa các biểu tượng OFDM. Khoảng bảo vệ cũng có chiều dài ít nhất bằng chiều dài đáp ứng xung của kênh .
Các giao thoa: Các nhiễu này được hiệu chỉnh nhờ bộ giả cân bằng của kênh để thu được trong tập hợp kênh lý tưởng kênh Nyquist (kênh không có nhiễu)
Hlý tưởng = Hkênh . Hcân bằng = 1 với H là hàm truyền
(Nhắc lại: Các biểu tượng OFDM tương ứng với các thông tin đã gửi đi trên N kênh con của dải tần)
3.2.3.1. Các giao thoa đồng kênh
Hình 3.10 minh họa các sóng mang f , f 1/NTe và 1
e
f
NT với một sai số đồng bộ tần số, sai số này sinh ra các giao thoa đồng kênh. Lưu ý rằng ở những thời điểm quyết định 0,1/NTe,…..,1/Te thì các kênh con liên tiếp nhau khơng cịn bằng khơng nữa. Điều này có thể gây ra quyết định sai lệch gây ra mất mát dữ liệu.
3.2.3.2. Các giao thoa intersymbol và sự cân bằng
Các giao thoa intersymbol là các giao thoa có mặt trên các kênh đa đường. Chúng tương đương với sự giao thoa giữa các biểu tượng nên các tiếng vọng của chúng sinh ra bởi các kênh. Sự giao thoa intersymbol có thể được tạo thành (nếu tín hiệu và tiếng vọng của nó đồng pha) hoặc bị triệt tiêu (nếu tín hiệu và tiếng vọng của chúng ngược pha). Hình 3.11 minh hoạ giao thoa intersuymbol được xây dựng khi t1 là tiếng vọng thu được sau độ trễ = t1
Hình 3.11: Ví dụ về sự giao thoa intersymbol
Tín hiệu truyền trong một kênh được đặc trưng bởi sự truyền dẫn đa đường sinh ra trên tín hiệu sự giao thoa intersymbol. Giao thoa này là kết quả của sự lệch pha cũng như sự suy giảm (giao thoa bị triệt tiêu) hoặc sự khuếch đại (giao thoa tạo thành ) của tín hiệu. Để loại bỏ giao thoa này thì phải thực hiện điều chế vi phân DQPSK hoặc DBPSK với biểu tượng trên tín hiệu đã được gửi đi
3.2.3.3 Giao thoa giữa các biểu tượng và khoảng bảo vệ
Giao thoa giữa các biểu tượng là sự pha trộn giữa các biểu tượng với nhau trong trường hợp kênh đa đường. Ở nơi thu t a thu được sự tái hợp của đường trực tiếp với các đường khác nhau và bị trễ do tiếng vọng. Nhưng trong trường hợp khi thời gian của biểu tượng : Ts << ( độ trễ của kênh) thì các biểu tượng khác nhau sẽ trộn vào nhau và gây ra giao thoa.
amp
li
tu
d
Hình 3.12: Sự phát OFDM khơng có khoảng thời gian bảo vệ
Ở nơi thu các biểu tượng n+1 và n+2 bị tác động một cách liên tiếp bởi tiếng vọng 1 và 2 của biểu tượng n và các tiếng vọng 1 và 2 của biểu tượng n+1 do vậy tất cả các dữ liệu có thể bị giao thoa với nhau và có thể bị mất. Để tránh các giao thoa giữa các biểu tượng trong OFDM người ta thêm vào phần có ích của biểu tượng để kéo dài dữ liệu. Khoảng thêm vào này được gọi là khoảng bảo vệ hay thời gian bảo vệ. Thời gian bảo vệ phải lớn hơn độ trễ do tiếng vọng của kênh đưa vào. Các biểu tượng n+1 và n+2 khơng cịn bị tác động bởi các tiếng vọng của các biểu tượng trước đó. Chúng khơng cịn bị chồng lấn lên nhau trong phần hữu dụng nữa. Ở nơi thu thời gian bảo vệ được loại bỏ trước khi xử lý. Hình 3.13 minh hoạ thời gian bảo vệ
Symbol n Symbol n+1 Symbol n+2
Symbol n Symbol n+1 Symbol n+2 tiếng vọng1 n tiếng vọng1 n+1 tiếng vọng1 n+2
tiếng vọng2 n tiếng vọng2 n+1 tiếng vọng2 n+2
Symbo l OFDM được gửi đ i từ máy phát
Symbo l OFDM thu được
Giao thoa giữa các symbol
Giao thoa giữa các symbol Trễ do
Hình 3.13: Phát OFDM có thời gian bảo vệ
Hình 3.14: Quá trình chuyển từ miền tần số sang miền thời gian và ngược lại
với sự có mặt của thời gian bảo vệ Symbol n Symbol n+1 Symbol n+2
Symbol n Symbol n+1 Symbol n+2
tiếng vọng1 n tiếng vọng1 n+1 tiếng vọng1 n+2 tiếng vọng2 n tiếng vọng2 n+1 tiếng vọng2 n+2
Symbo l OFDM được gửi đ i từ máy phát Symbo l OFDM thu được thời gian bảo vệ
Chương 4: CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN ĐA SÓNG MANG OQAM 4.1. Giới thiệu 4.1. Giới thiệu
Một hệ thống truyền dẫ đa sóng mang dựa trên kỹ thuật điều chế OQAM phải thực hiện một loạt các chức năng chủ yếu sau.
Cắt dải tần thành nhiều dải con
Cân bằng các kênh con truyền dẫn tương ứng ở nơi thu Đồng bộ giữa máy thu với máy phát
Xác định dung lượng của các kênh con và sự truyền dẫn thông tin đến nơi xa nhất.