BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN KỸ THUẬT HỆ THỐNG VIỄN THÔNG KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN KÊNH FDM

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN Điều chế là quá trình biến đổi một trong các thông số sóng mang cao tần biên độ hoặc tần số, hoặc pha tỷ lệ với tín hiều điều chế băng gốc BB - basebandMục đích của v

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

KỸ THUẬT HỆ THỐNG VIỄN THÔNG

KỸ THUẬT GHÉP KÊNH/PHÂN

KÊNH FDM

Người hướng dẫn: ThS ĐẶNG NGỌC HẠNH Người thực hiện: Trương Hoàng Minh - 1914185

Đàm Tuấn Việt Vương - 1915996

Liêu Vinh Huy - 2011267 Nguyễn Thị Thủy Tiên - 2011267

STT Họ và tên thành viên Nhiệm vụ thực hiện Kết quả (%)

2 Đàm Tuấn Việt Vương Lý thuyết AM, lý thuyết DSB

4 Nguyễn Thị Thủy Tiên Lý thuyết FDM, lý thuyết SNR,

tổng hợp báo cáo

ĐÁNH GIÁ CHÉO Tổng điểm đánh giá là 100%

HÌNH 1-1: MỘT SỐ MÔ HÌNH MÁY BAY PHỔ BIẾN CÁNH CỐ ĐỊNH (BÊN TRÁI) VÀ MÁY BAY CÁNH QUAY (BÊN PHẢI) 1

BẢNG 1-1: SO SÁNH FDM VÀ TDM

AM Amplitude modulation

DSB Double sideband suppressed carrier modulation DSL Digital Subscriber Line

FDM Frequency-division multiplexing

SNR Signal to Noise Ratio

SSB Single sideband modulation

VDSL Very High Bit Rate Digital Subscriber Line VSB Vestigial sideband modulation

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

A ĐẶT VẤN ĐỀ

Ghép kênh là kỹ thuật rất quan trọng trong các hệ thống thông tin hiện đại Cónhiều phương pháp ghép kênh được phát minh và đưa vào ứng dụng Tùy dạng thông tin gốc, môi trường truyền, quy mô của hệ thống thông tin người

ta có thể sử dụng một trong nhiều phương pháp ghép kênh hoặc có thể sử dụng phối hợp các phương pháp ghép kênh để truyền thông tin từ nguồn đến đích

Trước khi đi vào phần ghép kênh, ta cần nắm rõ những lý thuyết sau:

B LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

Điều chế là quá trình biến đổi một trong các thông số sóng mang cao tần (biên

độ hoặc tần số, hoặc pha) tỷ lệ với tín hiều điều chế băng gốc (BB - baseband)Mục đích của việc điều chế:

 Đối với một anten, bức xạ năng lượng của tín hiệu cao tần có hiệu quả khi bước sóng của nó (tương ứng cũng là tần số) cùng bậc với kích thước vật lý của anten

 Tín hiệu cao tần ít bị suy hao khi truyền đi trong không gian

 Mỗi dịch vụ vô tuyến có một băng tần (kênh) riêng biệt Quá trình điều chế giúp chuyển phổ của tín hiệu băng gốc lên các băng tần thích hợp

Điều kiện điều chế :

 Tần số sóng mang cao tần fC  (810) fmax, trong đó fmax tần số cực đại tín hiệu điều chế BB

 Thông số sóng mang cao tần (hoặc biên độ, hoặc tần số, hoặc pha) biến đổi

tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế BB mà không phụ thuộc vào tần số của nó

 Biên độ sóng mang cao tần V > Vm (bien độ tín hiệu điều chế BB)

1 Định nghĩa

Điều chế biên độ là kỹ thuật thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang theo biên độ của tín hiệu thông tin cần gửi đi, hay nói cách khác là điều chế sóng mang bằng biên độ theo tín hiệu mang tin Ví dụ, thay đổi cường độ tín hiệu

có thể được dùng để phản ánh các âm thanh được tái tạo lại bởi một người nói, hoặc để xác định độ chói của các điểm ảnh truyền hình

Ví dụ: Ta có tín hiệu:

Hình 1.1: Đường bao cao tần AM lặp lại dạng tín hiệu điều chế

2 Biểu thức toán học

Tín hiệu điều chế:

Tín hiệu sóng mang:

Trong đó:

và : lần lượt là biên độ của tín hiệu điều chế và tín hiệu sóng mang.Khi đó, phương trình của sóng điều biến biên độ sẽ là:

Trong trường hợp tổng quát:

Trong trường hợp m(t) là tổng các tín hiệu sin đơn tần:

3 Băng thông của sóng AM

Băng thông (BW) là hiệu số giữa tần số cao nhất và thấp nhất của tín hiệu.Băng thông cần thiết cho sóng điều chế gấp đôi tần số tín hiệu điều chế

: công suất của tín hiệu điều chế

5 Nhận xét về điều chế biên độ AM:

Ưu điểm: Dễ thực hiện và máy thu giải điều chế đơn giản, giá rẻ

Khuyết điểm:

- Công suất sóng mang không tải tin lớn

- Băng thông lớn gấp đôi cần thiết nên phí và tăng nhiễu

- Hiệu quả sử dụng công suất cao tần ç rất nhỏ

- Tính chống nhiễu kém

6 Mạch điều chế AM

Hình 1.2: Mạch điều chế AM dùng diode

Hình 1.3: Mạch điều chế dùng transistor

7 Ứng dụng điều chế AM

Được ứng dụng rộng rãi trong Kỹ thuật Truyền thanh Băng Tần thấp trong khoảng 550 – 1600 KH đối với Băng tần MW hoặc lớn hơn đối với các Băng tần SW1, SW2

8 Giải điều chế AM

Phương pháp tách sóng hình bao:

Hình 1.4: Mạch tách sóng hình bao

Nguyên lý hoạt động của mạch:

Tín hiệu AM vào làm thay đổi giá trị điện áp trên diode D Làm cho D tắt hoặc dẫn

Khi D dẫn: tụ được nạp bằng giá trị của

Khi D tắt: tụ xả qua điện trở R

Kết quả là giá trị điện áp ở ngõ ra bám theo đường bao của tín hiệu AM.Đây chính là tín hiệu cần giải điều chế

Kết quả tách sóng hình bao phụ thuộc vào thời hằng  = RC Nếu  quá nhỏ tụ

xả nhanh làm cho đường bao bị nhấp nhô Nếu  quá lớn tụ xả chậm không theo kịp sự suy giảm của tín hiệu AM ngõ vào Cả hai trường hợp sẽ làm cho tín hiệu giải điều chế bị méo dạng

II KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DSB

Dãy phổ tín hiệu AM gồm ba thành phần: sóng mang fc, upper sideband fc+ fm, lower sideband fc – fm Trong đó thành phần sóng mang không mang thông tin gây lãng phí năng lượng trong việc truyền tin.

Việc công suất sóng mang lãng phí trong điều chế biên độ AM có thể đượcloại bỏ bằng cách cho µ = 1 trong công thức điều chế AM và triệt tiêu thành phần tần số sóng mang không điều chế Kết quả sóng điều chế trở thành:

được gọi là double-sideband–suppressed-carrier modulation (DSB-SC) hay gọi tắt là điều chế DSB Sơ đồ khối điều chế được thể hiện trên hình 2.1 Dạng sóng điều chế được thể hiện trên hình 2.2 Đường bao ở đây có hình dạng của , chứ không phải là x(t) và sóng điều chế trải qua một pha đảo ngược bất cứ khi nào x(t) vượt qua 0

Hình 1.5: Sơ đồ điều chế tín hiệu DSB

Lưu ý rằng nếu tín hiệu được điều chế có thành phần DC thì thành phần này

sẽ không bị loại bỏ mà nằm trong thành phần fc của tín hiệu sau điều chế Giải điều chế DSB

Tín hiệu DSB được giải điều chế bằng cách nhân tín hiệu nhận được, kí hiệu xr(t), với sóng mang giải điều chế và bộ lọc thông thấp Dành cho

hệ thống lý tưởng mà chúng ta đang xem xét ở đây, tín hiệu nhận được giống hệt với tín hiệu truyền đi Đầu ra của bộ nhân là:

hay

Hình 2.5 thể hiện sơ điều chế và giải điều chế DSB Vì có thành phần

luôn dương nên giá trị của d(t) sẽ cùng dấu với giá trị của m(t) Dophổ của 2 thành phần của d(t) không chồng lên nhau nên tín hiệu này có thể qua mạch lọc thông thấp và được chỉnh về giá trị đơn vị ở đầu ra của bộ giải điều chế, và thu về lại được tín hiệu thông tin ban đầu m(t) Bộ lọc thông thấp loại bỏ thành phần 2 phải có băng thông lớn hơn hoặc bằng băng thôngtín hiệu thông tin W

Việc giải điều chế DSB là phức tạp bởi vì đòi hỏi độ nhất quán của sóng mang giải điều chế của bộ nhận với sóng mang điều chế của bộ truyền Một

kỹ thuật đơn giản để tạo ra sóng mang giải điều chế là bình phương tín hiệu qua điều chế

Nếu m(t) là tín hiệu công suất thì có giá trị DC khác không Do đó,

có thành phần tần số rời rạc ở 2 , và có thể được tách ra nhờ bộ lọc dảithông hẹp Tần số của thành phần này sau đó được chia hai để tìm được sóng mang giải điều chế mong muốn

Hình 1.7: Sơ đồ điều chế và giải điều chế DSB III KỸ THUẬT GHÉP KÊNH FDM

Ghép kênh là kỹ thuật cho phép ta sử dụng một đường truyền chung để truyềnnhiều kênh thông tin trên đó Hệ thống truyền thông gồm ba thành phần cơ bản không thể thiếu đó là nguồn tin, đường truyền và đích đến Bộ ghép kênh đóng vai trò là nơi tập trung các nguồn tin sau khi được xử lý để truyền trên đường truyền Ở đầu ra, kỹ thuật phân kênh được dùng để tách riêng từng tín hiệu được ghép ban đầu để đưa đến nơi nhận

Có 3 kỹ thuật ghép kênh cơ bản:

- Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM- Frequency Division Multiplexing)

- Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM- Time Division Multiplexing)

- Ghép kênh phân chia theo mã (CDM - Code Division Multiplexing)

Khi cần một số kênh liên lạc trên cùng một phương tiện vật lý (dây / không dây) để đa truy nhập hoặc phân tập kênh, ghép kênh có thể được sử dụng để gửi tất cả các thông điệp, mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể

1 Kỹ thuật ghép kênh và phân kênh FDM

1.1 Nguyên lý hoạt động

Trong viễn thông, ghép kênh phân chia theo tần số (tiếng Anh: division multiplexing; viết tắt: FDM) là một kỹ thuật mà băng thông tổng được phân chia thành một chuỗi liên tiếp các dải tần phụ không trùng lặp, mỗidải tần số tín hiệu riêng biệt Ghép kênh phân chia tần số (FDM) là một kỹ thuật tương tự chỉ được thực hiện khi băng thông của liên kết cao hơn băng thông hợp nhất của các tín hiệu được truyền Mỗi thiết bị gửi tạo ra các tín hiệu điều chế ở tần số sóng mang khác nhau Để giữ tín hiệu điều chế, tần số sóng mang được cách ly bởi băng thông thích hợp

Frequency-Kỹ thuật ghép kênh FDM dùng cho các tín hiệu tương tự, được dùng khi băngthông của đường truyền lớn hơn băng thông tổ hợp của tín hiệu truyền

Các tín hiệu sau điều chế sẽ có tần số khác nhau do đó ta có thể tách riêng cáctín hiệu bằng các bộ lọc ở bộ thu tín hiệu

Hình1.9: Chuyển dữ liệu truyền với bộ ghép kênh(MUX)

và phân kênh( DEMUX) 1.2 Sơ đồ khối

 Quá trình ghép kênh FDM

Ban đầu, các tín hiệu ngõ vào đi qua bộ lọc thông thấp (LPF - là bộ lọc cho phép các tần số thấp hơn tần số cắt đi qua, các tần số cao hơn sẽ bị loại bỏ) đểgiới hạn băng thông của tín hiệu Sau đó, các tín hiệu sẽ được điều chế với cácsóng mang có tần số khác nhau Có thể dùng nhiều phương pháp điều chế như

AM, FM,… nhưng thường dúng nhất là điều chế SSB

Trong miền thời gian, các tín hiệu được điều chế có các tần số khác nhau sẽ được tổng hợp lại thành một tín hiệu duy nhất và gửi đi trên một kênh truyền

Hình 1-4: Tổng hợp tín hiệu trong miền thời gian

Trong miền tần số, phổ của tín hiệu tổng hợp bao gồm tất cả các phổ của tín hiệu trước đó sao cho các phổ không chồng lên nhau.

Hình 1-5: Tổng hợp tín hiệu trong miền tần sốGiữa các phổ tín hiệu là dải bảo vệ (Guard band) để khắc phục vấn đề nhiễu xuyên kênh (Crosstalk) do đặc tính không lí tưởng của bộ lọc gây ra

Hình 1-6: Khoảng bảo vệ (Guard band)

Băng thông hệ thống FDM: BWFDM= n.BWi +(n-1)BWbảo vệ

BWFDM: Băng thông hệ thống FDM;

BWi : Băng thông ngõ vào

n: số ngõ vào

 Quá trình phân kênh FDM

Bộ phân kênh là các bộ lọc nhằm tách các tín hiệu ghép kênh thành các kênh phân biệt Sau khi tín hiệu truyền đến bộ thu, tín hiệu tổng hợp sẽ được tách

thành các tín hiệu riêng nhờ vào bộ lọc thông dải (BPF - là bộ lọc cho phép các tín hiệu trong một phạm vi nhất định đi qua đồng thời loại bỏ các tín hiệu ngoài phạm vi này) Các tín hiệu này tiếp tục được giải điều chế và được đưa xuống thiết bị thu tương ứng.

Hình 1-7: Phân kênh tín hiệu FDM

2 So sánh kỹ thuật ghép kênh, phân kênh FDM và TDM

Căn bản Quy mô thời gian được chia sẻ Tần suất được chia sẻ

Được sử dụng với Tín hiệu số và tín hiệu tương

Yêu cầu cần thiết Đồng bộ hóa xung Băng bảo vệ

Bảng 1-1: So sánh FDM và TDM

IV TỶ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU (SNR)

1 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR

Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (Signal to Noise Ratio) được định nghĩa là tỉ lệ của mức năng lượng từ một tín hiệu (mang thông tin có nghĩa) và mức năng lượngnhiễu trên nền (tín hiệu không mong muốn) với A là biên độ căn bậc hai trung bình (RMS) (ví dụ như căn bậc hai trung bình điện áp)

Để tính được tỷ số SNR chính xác thì công suất của tín hiệu và nhiễu (tiếng ồn) phải cùng một hệ quy chiếu Có nghĩa là chúng đều được tính theo Watt thì đơn vị của SNR sẽ là số lần, khi chúng tính theo đơn vị dB thì SNR cũng

sẽ được tính theo đơn vị dB

Từ 5dB đến 10dB: là mức tối thiểu có thể thiết lập kết nối, trong khoảng này thì khó mà có thể nhận biết sự khác biệt giữa tín hiệu (mong muốn) và nhiễu (không mong muốn).

Từ 10dB đến 15dB là mức tối thiểu để thiết lập kết nối không tin cậy

Từ 15dB đến 25dB là mức tối thiểu để thiết lập kết nối kém

Từ 25dB đến 40dB được coi là mức tốt để thiết lập kết nối

Trên 41dB được coi là mức rất tốt để thiết lập kết nối

Ngoài ra SNR còn được sử dụng để đánh giá các loại tín hiệu khác Ví dụ nhưtín hiệu sinh hóa giữa các tế bào, âm thanh cho bộ khuếch đại xe hơi và thiết

bị nguồn (DVD, CD, )

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến SNR

3.1 Nguyên tắc khuếch đại đầu vào

Âm thanh bên trong thiết bị ghi âm được gọi là tầng nhiễu Hay nói rộng hơn, bất kỳ thiết bị nào chạy bằng điện đều có một tầng nhiễu

Nếu tín hiệu âm thanh đến thiết bị mạnh thì mặc dù có nhiễu, nhưng âm thanhkhông mong muốn sẽ nhỏ hơn rất nhiều khi đó thu được SNR chất lượng cao.Nếu tín hiệu âm thanh đến thiết bị yếu, khi đó tín hiệu âm thanh sẽ nằm gần tầng nhiễu, nếu tăng âm lượng (độ lợi) để tăng độ lớn của tín hiệu thì khi đó nhiễu cùng tăng

Tầng nhiễu thường được đánh giá bằng dB, nó sẽ khác nhau giữa các máy thu, ví dụ như RØDE NT1 (sản phẩm của công ty Microphone RØDE) có độ

ồn đặc biệt thấp là 4dB, thường thì người ta sẽ bộ đệm 20dB để đảm bảo âm thanh đến thiết bị có thể nghe được

3.2 Môi trường xung quanh

Vị trí của nguồn phát đến nguồn thu cũng có ảnh hưởng đến tỷ số SNR

Hình 1-8: Ảnh hưởng của khoảng cách tới SNR

Như ví dụ trên thì ta thấy rằng, nếu người điều khiển di chuyển micro ra xa giọng nói thì SNR sẽ thay đổi (nhỏ hơn), tương đương với điều này nhiễu (không mong muốn) sẽ lớn hơn so với di chuyển micro lại gần

3 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH/PHÂN KÊNH FDM

Hình 2-2: Giới hạn tín hiệu bằng bộ lọc thông thấp

Sau đó ta thu được tín hiệu phổ ngõ vào có dạng như bên dưới:

Hình 2-3: Tín hiệu phổ ngõ vào

Điều chế các tín hiệu ngõ vào để đẩy các tần số khác nhau Như vậy, nhiều tín hiệu

ở các tần số khác nhau có thể ghép lại trong một vùng băng thông cho sẵn.

Hình 2-4: Các tín hiệu sau điều chế AM

Hình 2-5: Băng thông kênh truyền khi ghép FDM

2 Bộ thu FDM

Lọc thông dải để lấy lại từng kênh tín hiệu.

Hình 2-6: Lọc thông dải để tách các tín hiệu

Sau đó ta sẽ tách được các tín hiệu như bên dưới:

Hình 2-7: Các tín hiệu sau khi lọc thông dải

Giải điều chế và dùng bộ lọc thông thấp để đưa tín hiệu về ban đầu:

Hình 2-8: Khôi phục các tín hiệu ban đầu

C n được gọi là các bậc hài của tín hiệu, với C 0 là hài DC.

Từng thành phần tín hiệu trước khi ghép kênh thì sẽ được điều chế AM/DSB, ta có công thức [4],[5],[10]

Khi đó ta có, công suất của tín hiệu tổng là tổng công suất (sau điều chế) thành phần:

Công suất nhiễu :

Nhiễu Gauss là nhiễu có phân bố biên độ theo hàm Gauss.

Nhiễu của kênh truyền được sử dụng trong quá trình mô có độ lệch chuẩn là 0, phương sai (N 0 ) là 1.

Ta thấy nhiễu Gauss cũng là một tín hiệu liên tục có chu kỳ theo thời gian Từ

đó ta tính được công suất nhiễu theo công thức [11]

5 KẾT LUẬN

Trong bài báo cáo về đề tài Kỹ thuật ghép kênh và phân kênh FDM nhóm đã giới thiệu về Kỹ thuật ghép kênh và đi sâu hơn vào Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) thông qua việc trình bày những đặc điểm lý thuyết, các quá trình diễn ra khi thực hiện kỹ thuật FDM và mô phỏng kỹ thuật này bằng ngôn ngữ lập trình Python, đồng thời đưa ra những nhận xét tổng quan về kỹ thuật này cùng với một vài sự so sánh cơ bản giữa Kỹ thuật FDM với Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) Về vấn đề mô phỏng Kỹ thuật FDM, nhóm cũng đã đưa ra mô hình mô phỏng, giải thích giải thuật được dùng kèm theo đó là hình ảnh kết quả của quá trình chạy mô phỏng và đưa ra những đánh giá về quá trình này Bên cạnh đó, nhóm đã giới thiệu về các kỹ thuật điều chế được nhóm sử dụng trong quá trình mô phỏng là điều chế AM và DSB cũng như những ưu điểm và hạn chế của chúng Cuối cùng, nhóm cũng đã đưa ra Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) để có thể so sánh mức công suất của tín hiệu và mức công suất của nhiễu (tiếng ồn) trong quá trình ghép kênh.

Thông qua việc tìm hiểu và mô phỏng Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số, nhóm đã nhận thấy được hai vấn đề cơ bản của Kỹ thuật FDM Vần đề thứ nhất chính là sự hạn chế của số lượng tín hiệu được ghép bởi giới hạn của băng thông kênh truyền Từ đây có thể nhận ra dùng kỹ thuật điều chế biên độ song biên như AM hay DSB mà nhóm đã dùng là chưa thích hợp để tối ưu hóa số lượng tín hiệu được ghép Thay vào đó, việc sử dụng kỹ thuật điều chế đơn biên SSB

sẽ có thể hạn chế được vấn đề này Vấn đề thứ hai chính là nhiễu xuyên kênh, là vấn đề quan trọng quyết định đến chất lượng của bộ tách kênh FDM thường gây

ra bởi đặc tính không lí tưởng của bộ lọc Để khắc phục vấn đề này thì ở giữa phổ của các tín hiệu cần có thêm băng tần bảo vệ, tuy nhiên điều này sẽ dẫn đến

sự yêu cầu lớn hơn về băng thông của kênh truyền Ngoài ra trong quá trình mô

phỏng, nhóm cũng đã nhận thấy việc sử dụng tín hiệu Sin hay Cos làm tín hiệu