méo tín hiệu trong các hệ thống thông tin số

MÉO TÍN HIỆU Méo tín hiệu phát sinh do sai lệch giữa đặc tính biện độ-tần số và/hoặc đặc tính pha-tần hay đặc tính giữ chậm của hàm truyền tổng cộng của hệ thống so với đặc tính được thi

MÉO TÍN HIỆU TRONG CÁC HỆ

THỐNG THÔNG TIN SỐ

NGƯỜI THỰC HIỆN: ĐOÀN THỊ THANH THẢO

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG

XEMINA KHOA HỌC

Mục tiêu

Báo cáo nêu tóm lược tổng quan về hệ thống thông tin số và những yếu tố làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn trong hệ thống thông tin số.

www.themegallery.com

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Định nghĩa "tín hiệu": là một tập thông tin hay dữ liệu

Định nghĩa tín hiệu thường dùng trong điện tử: tín hiệu là một

hàm của biến thời gian trong đó biến thời gian là biến độc lập

Có nhiều cách phân loại tín hiệu:

Tín hiệu tương tự là tín hiệu có biên độ liên tục, tức là có thể

nhận một giá trị bất kỳ trong một khoảng nào đó

Tín hiệu số là tín hiệu có biên độ rời rạc, tức là chỉ nhận M giá trị

trong đó M là một số hữu hạn

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Tham số chất lượng cơ bản của hệ thống thông tin số

- Độ chính xác truyền tin thường được đánh giá qua tỉ lệ lỗi bít (BER: Bit-Error Ratio) thường được hiểu là tỉ lệ giữa số bít nhận

bị lỗi và tổng số bít đã truyền trong một khoảng thời gian quan sát nào đó BER≤ 10−3

- Tốc độ truyền tin: Khả năng truyền tin nhanh chóng của một hệ thống thông tin số thường được đánh giá qua dung lượng tổng cộng B của hệ thống, là tốc độ truyền thông tin (có đơn vị là b/s) tổng cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đã cho

Ngoài các yêu cầu và các tham số có tính nguyên tắc nói trên, các hệ thống thông tin số còn có thêm yêu cầu về tính bảo mật và độ tin cậy (khả năng làm việc của hệ thống với BER không vượt quá giá trị xác định) Các yếu tố về tính kinh tế cũng có một vai trò to lớn

MÉO TÍN HIỆU

Méo tín hiệu phát sinh do sai lệch giữa đặc tính biện độ-tần số và/hoặc đặc tính pha-tần (hay đặc tính giữ chậm) của hàm truyền tổng cộng của hệ thống so với đặc tính được thiết kế nhằm triệt tiêu ISI trong quá trình truyền dẫn tín hiệu số (theo tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất) Hệ quả là ở đầu ra hệ thống xuất hiện ISI và do đó BER tăng

MÉO TUYẾN TÍNH

Méo tuyến tính

Méo tuyến tính là méo gây ra cho tín hiệu bởi các phần tử tuyến tính trên kênh truyền, trong đó các phần tử tuyến tính là các phần tử mà phép toán biểu diễn quan hệ đầu ra theo đầu vào thỏa mãn tính chất xếp chồng Hay đặc tuyến biên độ vào-ra là một đường thẳng

Méo tuyến tính có các nguyên nhân sau:

Nói chung, các phần tử thụ động trên các kênh (trừ diode) đều có thể xem là các phần tử tuyến tính, miễn là tín hiệu lối vào không quá lớn Kênh fading đa đường do vậy là một phần tử tuyến tính, gây méo tuyến tính tín hiệu

Các mạch lọc chế tạo không hoàn hảo

Do môi trường truyền :

-Dây kim loại : tần số càng cao tiêu hao càng nhiều nhưng độ tăng không đều mà lượn nét, mấp mô

- Môi trường vô tuyến : Fading

Hàm truyền tổng cộng của hệ thống có méo tuyến tính có dạng:

Trong đó:

- C(f) là tích của các hàm truyền của các bộ lọc phát và thu được thiết kế nhằm thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất

- M(f) tổng quát là một hàm truyền có đặc tính biên độ-tần số không bằng phẳng và/hoặc có đặc tính pha-tần không tuyến tính thể hiện tác động của các yếu tố nêu trên

MÉO TUYẾN TÍNH

Dưới tác động của méo, thay vì giống như ở phần phát, constellation tín

hiệu thu gồm một tập các cụm điểm Việc tồn tại các cụm điểm trên

constellation của tín hiệu thu là dấu hiệu chắc chắn cho thấy có ISI gây bởi

méo tín hiệu Cụm điểm càng rộng, méo tuyến tính càng lớn

MÉO TUYẾN TÍNH

Một số biện pháp khắc phục méo tuyến tính

a) San bằng thích nghi trên miền thời gian

Hàm truyền tổng cộng của hệ thống không có san bằng có thể

viết được dưới dạng:

trong đó C(ω) là hàm truyền thỏa mãn tính chất truyền không có ISI còn H(ω,t) thể hiện các tác động không mong muốn của kênh truyền Một cách tổng quát thì đó là một hàm phụ thuộc cả biến thời gian

Một số biện pháp khắc phục méo tuyến tính

Về bản chất, bộ san bằng là một mạch điện được mắc thêm vào lối ra mạch lọc thu nhằm bù đắp các sai lệch của hàm truyền tổng cộng của hệ thống so

với hàm truyền cho phép truyền không có ISI Tại một thời điểm t nào đó,

nhìn chung H(ω,t) có dạng không bằng phẳng về biên độ, không tuyến tính

về pha Mạch san bằng có tác dụng “là phẳng” đặc tính biên độ-tần số của H(ω) cũng như bù đắp nhằm duy trì đặc tính pha-tần tuyến tính của đặc tính tổng cộng toàn hệ thống

Một cách tổng quát, hàm truyền của mạch san bằng E(ω) cần phải được thiết

kế có dạng bằng 1/ H(ω) Khi đó, hàm truyền tổng cộng của cả hệ thống có

kể đến mạch san bằng có dạng:

b) Phân tập

Một số biện pháp khắc phục méo tuyến tính

- Phân tập theo không gian là việc sử dụng nhiều anten thu (thường là 2 anten) Một khi 2 anten được đặt cách nhau đủ xa thì việc xảy ra pha-đinh do truyền dẫn đa đường đối với các anten đó có thể xem như độc lập với nhau Nhờ phân tập theo không gian, xác suất méo tuyến tính đồng thời trên cả 2 anten cũng giảm thấp, nhờ vậy có thể làm giảm tác động của méo

- Biện pháp phân tập kinh tế hơn thường được sử dụng là phân tập theo

tần số Phân tập theo tần số đặc biệt kinh tế nếu như: (i) tuyến vô tuyến

có một kênh dự phòng; (ii) kênh dự phòng này cho một hiệu quả cải

thiện thỏa đáng khi được sử dụng như kênh phân tập

- Phân tập góc, trong đó trên cùng một anten người ta bố trí hai hay nhiều đầu thu sóng nhằm “hứng” các sóng truyền tới anten thu theo nhiều góc tới khác nhau

c) Truyền dẫn đa sóng mang

Một số biện pháp khắc phục méo tuyến tính

Đối với các hệ thống có phổ tín hiệu quá rộng dẫn đến rất khó đảm bảo

độ bằng phẳng của đặc tính đường truyền, biện pháp có thể được áp dụng là truyền dẫn đa sóng mang Luồng bít cần truyền được biến đổi thành nhiều luồng con song song và mỗi một luồng con được điều chế bằng một sóng mang riêng biệt. Nhờ vậy, băng tín hiệu rất rộng được tách thành nhiều băng con, trong đó đặc tính tần số của hệ thống dễ đảm bảo bằng phẳng hơn

Đặc điểm: tính kinh tế (do phải sử dụng mỗi một hệ thống con cho mỗi một luồng con); phổ chiếm của tín hiệu tổng cộng trong trường hợp này lớn hơn một chút so với trường hợp truyền dẫn một sóng mang

d) Mã hóa chống nhiễu

Một số biện pháp khắc phục méo tuyến tính

Các lỗi bít gây nên do san bằng và phân tập không triệt tiêu được hoàn toàn ISI còn

có thể được sửa tiếp bằng các mã chống nhiễu.

Về bản chất, mã hóa chống nhiễu với các phần tử dư dùng để phát

hiện và sửa các bít lỗi Trả giá của phương pháp này là việc tăng tốc

độ bít truyền dẫn và do đó mở rộng phổ chiếm của tín hiệu

f) Ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM)

Một số biện pháp khắc phục méo tuyến tính

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số

các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho

các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra

do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong

mỗi symbol OFDM

MÉO PHI TUYẾN

Tính phi tuyến của kênh truyền có thể gây bởi nhiều loại mạch điện trong hệ thống như các bộ khuếch đại, các bộ trộn tần, các bộ hạn biên và nhiều loại mạch điện khác Các bộ khuếch đại công suất nhỏ và các mạch trộn tần nhìn chung có độ phi tuyến không đáng kể và hoàn toàn có thể bỏ qua méo phi tuyến gây bởi chúng, trong khi đó các bộ khuếch đại công suất (KĐCS) máy phát có công suất khá lớn lại gây nên những méo phi tuyến không thể bỏ qua được.

Méo phi tuyến gây bởi các phần tử phi tuyến (không thỏa mãn tính chất xếp chồng, có đặc tuyến vào-ra là một đường không thẳng)

Các nguồn gây méo

• Các mạch khuếch đại công suất nhỏ (méo phi tuyến có thể bỏ qua)

• Các mạch khuếch đại công suất lớn (HPA)

• Mạch trộn (mixer) sử dụng diode

• Mạch hạn biên

MÉO PHI TUYẾN GÂY RA DO BỘ KĐCS

 Tác động trải rộng phổ và tạp âm phi tuyến

 Làm dịch chuyển vị trí các điểm tín hiệu trên mặt phẳng pha

 Tác động gây ISI phi tuyến

- Tín hiệu đầu vào của bộ KĐCS là x thì tín hiệu ra

MÉO PHI TUYẾN GÂY RA DO BỘ KĐCS

- Biểu đồ Symbol gốc thu được sau méo phi tuyến

KHẮC PHỤC MÉO PHI TUYẾN

SỬ DỤNG BACK - OFF LỚN

Chọn điểm làm việc ở

mức tín hiệu tương đối thấp, tức là chấp nhận một độ lùi công suất

đủ lớn tính từ công suất bão hòa của bộ khuếch đại

KHẮC PHỤC MÉO PHI TUYẾN

KỸ THUẬT MÉO TRƯỚC

 Nhiệm vụ của bộ méo trước là đảo chức năng

phi tuyến của bộ khuếch đại công suất cao HPA.

 Phân loại theo cách sửa đổi tín hiệu truyền đi

và các công nghệ ứng dụng.

- Méo trước tín hiệu

- Méo trước dữ liệu

- Méo trước tương tự

- Méo trước số

KHẮC PHỤC MÉO PHI TUYẾN

KỸ THUẬT MÉO TRƯỚC

Nguyên lý méo trước

Nhiệm vụ của bộ méo

trước là để đảo chức

năng phi tuyến của bộ

khuếch đại công suất

cao HPA, nhờ vậy

tầng đáp ứng của hai

thiết bị là tuyến tính

KHẮC PHỤC MÉO PHI TUYẾN

KỸ THUẬT SAN BẰNG

TE( ω )=C( ω ).H( ω ).E( ω )=C( ω ): hàm truyền hệ thống khi có san bằng

Trong đó: C( ω ) là hàm truyền khi không có ISI

H( ω ) thể hiện các tác động không mong muốn của kênh liên tục E( ω ) hàm truyền của mạch san bằng = 1/H( ω )

Do các kênh vệ tinh có đặc tính biến đổi khá rõ rệt theo thời gian nên tại các thời gian nên tại các thời điểm khác nhau H( ω ,t) có thể có dạng khác nhau do vậy các mạch san bằng còn phải hoạt động theo một thuật toán cho phép điều chỉnh E( ω ,t) bám theo sự biến đổi của H( ω ,t).

KHẮC PHỤC MÉO PHI TUYẾN

T ớn h ọ p h ử ự c ( M - Q A M )

A W G N

Tín hiệu phức Kênh ISI (hoặc

méo phi tuyến)

San bằng BP phức

Quyết định

Constellation 4-QAM sau khi

truyền qua kênh

Constellation của tín hiệu 4-QAM tại đầu ra mạch san bằng tuyến tính sử dụng thuật toán LMS

Constellation 4-QAM tại đầu ra mạch san bằng Nơron sử dụng thuật toán lan truyền ngược BP

KẾT LUẬN

- Báo cáo trình bày tổng quan về hệ thống thông tin số,

méo tín hiệu trong hệ thống và những giải pháp để khắc phục.

- Báo cáo mang tính trình bày tóm lược về lý thuyết thông

tin chứ chưa đi sâu nghiên cứu cụ thể từng loại méo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 TS.Nguyễn Quốc Bình, Kỹ thuật truyền dẫn số,

NXB QĐND

2 Proakis J.G và Salehi M, TS.Nguyễn Quốc Bình

(dịch), Các hệ thống thông tin hiện nay, HV KTQS

3 Digital Transmission Theory, Mc Grow Hill, 1987

4 John G Proakis McGraw Hill,Digital communications

fourth edition

Cảm ơn các đ/c đã lắng

nghe và trao đổi!