ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ SỐ KẾT HỢP VỚI MÃ HÓA KÊNH

Nội dung đề tài gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin số Chương 2: các phương pháp điều chế số và các phương pháp mã hóa kênh Chương 3: các kết quả mô phỏng và đánh giá bằng matlab

LờI NóI Đầu

Chúng ta bớc vào thế kỷ 21, thời đại của khoa học và công nghệ.Trong cuộc sống cũng nh trong công việc, con ngời luôn có nhu cầu trao

đổi thông tin với nhau, nghĩa là có nhu cầu truyền tin Cùng với sự pháttriển của xã hội loài ngời, hệ thống viễn thông không ngừng phát triển theo

xu hớng phục vụ con ngời những thông tin đầy đủ và kịp thời nhất Ngàynay công nghệ thông tin đang phát triển theo xu hớng máy tính - truyềnthông Tất cả các dạng thông tin âm thanh, hình ảnh, số liệu đều đợcchuyển thành dạng số và tập trung vào một mạng thông tin số đa dịch vụ,

đa phơng tiện Một trong những giải pháp đợc áp dụng để truyền thông tintin cậy tới ngời dùng đảm bảo ở một mức độ lỗi cho phép là thực hiện điềuchế số và mã hóa kênh Có nghĩa là thông tin số sinh ra từ nguồn không đợcphát đi ngay trực tiếp trên kênh, mà nó đợc xử lý trớc bằng cách điều chế và

đợc thêm vào một lợng thông tin nhất định nào đó, và ở phía đầu thu nhờvào lợng thông tin d này khôi phục lại nguồn tin có thể bị sai lỗi do các tác

động của đờng truyền gây ra

Quá trình điều chế và giải điều chế cộng với phơng pháp mã hoá là

bộ não, không thể thiếu trong các hệ thống thông tin, để đảm bảo tín hiệutruyền đi mà không bị ảnh hởng của môi trờng truyền nh nhiễu, tạp âm,

điều kiện môi trờng Vì vậy việc nghiên cứu đánh giá hiệu quả các phơngpháp điều chế và các phơng pháp mã hoá là rất cần thiết giúp ta có một cáchnhìn tổng quát về sự tác động của môi trờng đến chất lợng của tín hiệu vàhiệu quả tính chống nhiễu của các phơng pháp điều chế khác nhau Để từ

đó cho ta có các lựa chọn thích hợp trong việc sử dụng các phơng pháp điềuchế và mã hoá khác nhau trong các đờng truyền, tín hiệu khác nhau để ta cóthể áp dụng một cách thích hợp để cho hiệu quả sử dụng tài nguyên mộtcách thích hợp và hiệu quả nhất Đợc sự định hớng của thầy giáo em đã

chọn nguyên cứu đề tài: "Đánh giá hiệu quả hệ thống điều chế số kết hợp với mã hoá kênh" Đề tài này nhằm mục đích đánh giá so sánh hiệu

quả của các phơng pháp mã hoá kết hợp với các phơng pháp điều chế khácnhau Nội dung đề tài gồm có 3 chơng:

Chơng 1 Tổng quan hệ thống thông tin sốChơng 2 Các phơng pháp điều chế số và các phơng pháp mãhoá kênh

Chơng 3 các kết quả mô phỏng và đánh giá bằng matlabMặc dù bản thân nỗ lực rất nhiều nhng do hạn chế về điều kiện thờigian và kiến thức và tài liệu thu thập nên đồ án này không tránh khỏi nhữngmặt hạn chế và thiếu sót Em rất mong đợc sự đóng góp ý kiến, nhận xét,của các thầy cô giáo và cỏc bạn để đề tài của em đợc hoàn thiện hơn.

CHƯƠNG 1 TổNG QUAN Hệ THốNG THÔNG TIN Số 1.1 Giới thiệu chung

Năm 1440 Johannes Gutenberg chế tạo máy đánh chữ.

Năm 1622 " bản tin Châu Âu" phát hành dới hình thức bản tin

Năm 1831 Michael Faraday khám phá ra rằng sự thay đổi từ trờngtạo ra điện trờng

Năm 1838 William F.Côke và Sir Charles Wheatstone chế tạo máy

Năm 1885 Edward Branly phát minh sự tách sóng radio kết hợp.Năm 1915 Bell System hoàn thành hệ thống điện thoại xuyên lục địa

ở Hoa Kỳ

Năm 1920 J.R.Carson ứng dụng lấy mẫu trong thông tin

Năm 1928 Philo t Fansworth đa ra hệ thống truyền hình điện tử đầutiên

Năm 1933 Edwin h Amstrong phát minh ra kỹ thuật điều tần FM.Năm 1937 Alex Reeves đề xuất kỹ thuật điều chế xung mã PCM.Năm 1941 John V Atanasoff phát minh ra máy tính tại trờng đạihọc bang Lowa

Năm 1948 Claudc E Shannon xuất bản " lý thuyết thông tin"

Năm 1950 áp dụng kỹ thuật ghép kênh phân thời gian TDM vào điệnthoại

Năm 1953 thiết lập cáp điện thoại xuyên Đại Tây Dơng đầu tiên 36kênh

Năm 1957 Liên xô phóng thành công vệ tinh đầu tiên Sputnik I.Năm 1958 A L Schawlow và C H Townes đa ra nguyên lý laser.Năm 1961 Hoa Kỳ bắt đầu truyền thanh FM stereo

Năm 1962 Vệ tinh Telstar I chuyển tiếp tín hiệu truyền hình giữ Hoa

Năm 1971 tập đoàn Intel đa ra chip vi xử lý đầu tiên.

Năm 1980 Bell System phát triển thông tin quang

Năm 1989 Motorola giới thiệu điện thoại tế bào bỏ túi

Năm 1990 đến nay là kỷ nguyên của xử lý tín hiệu số vi xử lý, máyhiện sóng số, trải phổ, mạng số liệu kết đa dịch vụ ISDN, truyền hình phângiải cao HDTV, ghép kênh quang

1.1.2 Các đặc điểm của hệ thống thông tin số

Các hệ thống thông tin đợc sử dụng để truyền thông tin từ nơi này

đến nơi khác Tin tức đợc truyền từ nguồn tin tới bộ phận nhận tin dới dạngcác bản tin Bản tin là dạng hình thức chứa đựng một lợng thông tin nào đó.Các bản tin đợc tạo ra từ nguồn có thể ở dạng liên tục hay rời rạc, tơng ứngchúng ta có nguồn liên tục hay rời rạc Đối với nguồn tin liên tục, tập tin làmột tập vô hạn, còn đối với nguồn tin rời rạc bản tin có thể là một tập hữuhạn

Biểu diễn vật lý của một bản tin đợc gọi là tín hiệu Có rất nhiều loạitín hiệu khác nhau tuỳ thuộc theo đại lợng vật lý đợc sử dụng để biểu diễntín hiệu Tuỳ theo dạng của các tín hiệu đợc sử dụng để truyền tải tin tứctrong các hệ thống là các tín hiệu tơng tự hay tín hiệu số và tơng ứng sẽ là

hệ thống thông tin tơng tự hay hệ thống thông tin số

Đặc điểm căn bản của một tín hiệu tơng tự là tín hiệu có thể nhận vô

số các giá trị, lấp đầy một dải nào đó Thêm vào đó thời gian tồn tại tín hiệutơng tự là không xác định, nó phụ thuộc vào thời gian tồn tại của bản tin donguồn sinh ra Tín hiệu tơng tự có thể là tín hiệu liên tục hay rời rạc tuỳtheo tín hiệu là một hàm liên tục hay rời rạc của biến thời gian Trong trờnghợp nguồn tin chỉ gồm một số hữu hạn thì các tin tức này có thể đánh số đ-

ợc và do vậy thay vì truyền đi các bản tin ta chỉ cần truyền đi các ký hiệu làcác con số tơng ứng với các bản tin đó Tín hiệu khi đó chỉ biểu diễn cáccon số và đợc gọi là tín hiệu số Đặc trng cơ bản của tín hiệu số là:

- Tín hiệu chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị

- Tín hiệu số có thời gian tồn tại xác định, thờng là một hằng số kýhiệu làTs

Tín hiệu số có thể nhận M giá trị khác nhau Trong trờng hợp M=2, chúng ta có hệ thống thông tin số nhị phân còn trong trờng hợp M > 2 ta có

hệ thống M mức

*So sánh thông tin số và thông tin tơng tự:

Khi tín hiệu truyền trên đờng truyền (cả tín hiệu analog lẫn tín hiệudigital) luôn xảy ra hiện tợng suy giảm tín hiệu, méo tín hiệu do suy giảm

và hiện tợng nhiễu tạp, hiện tợng méo do giữ chậm (vì tốc độ truyền tínhiệu qua đờng truyền bị biến đổi theo tần số)

Hiện tợng nhiễu tạp là hiện tợng mà sau khoảng cách truyền tín hiệu

định thì tín hiệu thu đợc là tổ hợp của tín hiệu phát và thành phần khôngmong muốn do hệ thống truyền gây ra Đây là nhân tố chính hạn chế chất l-ợng hệ thống thông tin Đáng kể nhất là tạp âm nhiệt vì nó tồn tại trong mọithiết bị điện tử và môi trờng truyền Gọi là tạp âm nhiệt vì nó là một hàmcủa nhiệt độ ảnh hởng của tạp âm nhiệt và hiện tợng suy giảm cờng độ tínhiệu theo khoảng cách đợc đặc biệt chú ý với tín hiệu analog Trong các hệthống tơng tự, tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR: Signal Noise Ratio) là mộttrong những tham số chủ yếu Trong các hệ thống số, tỷ số này cũng giữ vaitrò quan trọng nh vậy, nhng nó quan hệ trực tiếp tới tỷ lệ lỗi bít Trong hệthống tơng tự thì tạp âm đợc đa vào tầng trớc của hệ thống và đợc tích luỹ.Vấn đề này không còn xuất hiện trong hệ thống số có cùng quy mô, chophép truyền dẫn số tốt hơn truyền dẫn tơng tự, vì tín hiệu số có quá trình táisinh tín hiệu theo ngỡng sau từng cự ly nhất định (tái sinh là quá trình trong

đó một tín hiệu số đã bị méo và bị tiêu hao đợc tái tạo lại để có biên độ vàdạng sóng nh ban đầu) nên suy giảm tín hiệu đợc khắc phục, tạp âm tíchluỹ có thể loại trừ đợc tức là tín hiệu số khoẻ hơn đối với tạp âm so với tínhiệu analog Ngoài ra, với tín hiệu số có thể sử dụng mã kênh để sửa lỗi trênkênh Việc khai thác, quản trị và bảo trì hệ thống thông tin số có thể thựchiện một cách tự động cao độ Cuối cùng, tín hiệu số có thể truyền đa khá

dễ dàng mọi loại bản tin rời rạc hay liên tục, tạo tiền đề cho việc hợp nhấtcác mạng thông tin truyền đa các loại dịch vụ thoại hay số liệu thành mộtmạng duy nhất

Do tín hiệu số có độ dài hữu hạn nên phổ của chúng nhận qua biến đổiFourrier sẽ trải ra vô hạn trên miền tần số Nhợc điểm căn bản của hệ thốngthông tin số so với hệ thống thông tin tơng tự trớc đây là phổ chiếm của tínhiệu số khi truyền các bản tin liên tục tơng đối lớn hơn so với phổ của tínhiệu analog Sẽ không nảy sinh vấn đề gì trong việc truyền các tín hiệu códạng sóng có phổ rộng nh vậy trên kênh liên tục nếu băng tần truyền dẫncủa hệ thống không bị hạn chế, đặc tính biên độ hoàn toàn bằng phẳng còn

đặc tuyến pha thì hoàn toàn tuyến tính Trên thực tế băng tần truyền dẫn

không phải là vô hạn do con ngời cha tận dụng đợc hết trục tần số để truyềntín hiệu sóng điện từ Băng tần truyền dẫn do vậy là một tài nguyên quý vàhiếm cần phải sẻ chia cho nhiều đối tợng cùng sử dụng Để hạn chế phổnhằm tăng số hệ thống có thể cùng công tác trên một băng sóng cho trớc,ngời ta sử dụng các mạch lọc Do vậy, hàm truyền tổng cộng của cả hệthống truyền dẫn số sẽ có đặc tính của một mạch lọc ở đầu ra, phổ của tínhiệu thu đợc bị hạn chế bởi đặc tính lọc của hệ thống nên tín hiệu thu đợccủa một symbol sẽ trải ra vô hạn về mặt thời gian (đó là cha kể đến tạp âm).

Điều đó dẫn tới việc tại đầu thu các symbol truyền kế tiếp nhau sẽ chồnglấn lên nhau về thời gian gây nhiễu lẫn nhau, hiện tợng này trong kỹ thuậttruyền dẫn gọi là xuyên nhiễu giữa các dấu (ISI: Intersymbol Interference)

Sự tồn tại của ISI dẫn đến tín hiệu thu đợc bị méo lớn và do đó tin tức có thểnhận sai, tại thời điểm lấy mẫu giá trị của tín hiệu thu đợc ở lối ra mạch lấymẫu của máy thu theo sơ đồ máy thu lọc phối hợp có thể vợt ngỡng quyết

định và tín hiệu có thể quyết định nhầm Đây là nguyên nhân chủ yếu gâyhạn chế tốc độ truyền cực đại của tín hiệu Cần lu ý rằng nhợc điểm về phổtần tơng đối lớn của tín hiệu số có thể hạn chế đợc, trong tơng lai khi kỹthuật số hoá tín hiệu liên tục phát triển hơn thì khả năng phổ của tín hiệu số

có thể so sánh đợc với tín hiệu analog

1.2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin.

Sơ đồ tổng quát đơn giản của hệ thống thông tin đợc trình bày nh hình vẽ:

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống thông tinSơ đồ mô tả lu đồ xử lý tín hiệu, các thuật toán cơ bản xử lý tín hiệu,

đối với hệ thống thông tin khác nhau thì không nhất thiết phải có đầy đủ

các khối đó, nó bao gồm các khối:

- Tạo khuôn dạng tín hiệu, thực hiện biến đổi tin tức cần truyền thể

hiện ở dạng tín hiệu liên tục hay số thành chuỗi bít nhị phân

- Mã hoá nguồn và giải mã nguồn tín hiệu, thực hiện nén và giải nén

tin nhằm giảm tốc độ bít để giảm phổ của tín hiệu

- Mã và giải mã mật, thực hiện mã và giải mã chuỗi bít để bảo mật

tin tức

- Giải và giải mã kênh nhằm chống nhiễu và tác động của môi trờng

truyền dẫn

- Ghép và phân kênh, nhằm thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn

tin khác nhau tới các đích tin trên cùng một hệ thống truyền dẫn

- Điều chế và giải điều chế số

- Trải và giải trải phổ nhằm chống nhiễu và bảo mật tin tức

- Đa truy nhập để cho phép nhiều đối tợng có thể truy nhập mạng

thông tin để sử dụng hệ thống truyền đẫn theo nhu cầu

- Đồng bộ bao gồm đồng bộ pha sóng và đồng bộ nhịp đối với hệ

TRảI PHổ

KÊNH TRUYềN

ĐA TRUY NHậP GIảI

TRảI PHổ

GIảI

ĐIềU CHế

PHÂN KÊNH

GIảI M ã HOá

KÊNH GIảI M ã HOá

MậT GIảI M ã HOá

NGUồN

TạO

KHUÔN

- Lọc bao gồm lọc cố định nhằm hạn chế phổ tần, chống tạp nhiễu vàlọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gây bởi đờng truyền.

Trong hệ thống thông tin trên thì khối: Tạo khuôn tín hiệu số, điềuchế và giải điều chế là không thể thiếu đợc đối với mọi loại hệ thống thôngtin số

Trong sơ đồ khối thì ta có thể phân thành hai nhóm chính:

- Các thuật toán xử lý băng gốc bao gồm các thuật toán: Tạo khuôn,mã hoá nguồn, mã hoá mật, mã hoá kênh, ghép kênh, điều chế số và cáckhối ngợc lại ở phần thu

- Các thuật toán xử lý tín hiệu ở tần số cao hay tín hiệu thông giảibao gốm: bao gồm các thuật toán liên quan đến đa truy nhập, trải phổ vàthuật toán trộn tần nhằm đa tín hiệu lên tần số cao

1.3 Chức năng cơ bản của hệ thống thông tin liên lạc

- Các tiện ích hệ thống truyền tin

- Phối ghép giao diện

- Tạo tín hiệu

- Đồng bộ

- Quản lý trao đổi

- Phát hiện và điều chỉnh lỗi

- Điều khiển luồng

Để thông tin, các thiết bị buộc phải phối ghép với hệ thống truyền.Toàn bộ các dạng thông tin đều phải thông việc dùng tín hiệu điện từ lantruyền qua môi trờng truyền Bởi vậy việc tạo tín hiệu là một yêu cầu tấtyếu của thông tin

Hệ thống thông tin còn đòi hỏi sự đồng bộ giữa máy phát và máy thu.Máy thu cần phải biết thời gian tồn tại của phần tử tín hiệu.

* Hai chức năng tiếp theo là: Phát hiện, chỉnh lỗi và điều khiển luồngcũng có thể nhóm vào chức năng quản lý trao đổi, song do chức năng quantrọng của chúng nên chúng đựơc tách ra thành các chức năng riêng biệt

- Phát hiện và chỉnh lỗi là đòi hỏi trong những trờng hợp không chophép thông tin sai lạc, thờng là trong các hệ thống xử lý dữ liệu

- Điều khiển luồng nhằm đảm bảo cho trạm gửi không làm cho trạmnhận khi gửi dữ liệu quá nhanh mà trạm nhận không xử lý kịp, dẫn đến việc

bỏ qua, mất tin

* Việc các phơng tiện truyền đợc dùng bởi nhiều đối tợng, nhiều ngờidùng, việc đánh địa chỉ cần thiết để trạm gửi có thể thông tin đúng với trạmnhận mà mình mong muốn

* Hồi phục là một kỹ thuật khác so với phát hiện và chỉnh lỗi Nhtrong trờng hợp quá trình truyền file bị ngắt do một sự cố nào đó của hệthống Các đối tợng phải có khả năng kích hoạt lại tại điểm bị ngắt hoặc ítnhất cũng phải hồi phục lại trạng thái của hệ thống về trạng thái khởi thuỷ

để bắt đầu trao đổi

* Hai đối tợng liên lạc với nhau phải có cùng dạng dữ liệu cần trao

đổi Thoả thuận về điều này đợc hiểu nh định dạng bản tin Ví dụ hai bênphải dùng cùng một mã mô tả ký tự

* Các chức năng bảo vệ cũng rất cần cho hệ thống thông tin liên lạc

* Quản lý hệ thống là cần thiết để cấu hình hệ thống, giám sát trạngthái cuả nó, phản ứng với các h hỏng hay quá tải, lập kế hoạch cho pháttriển trong tơng lai

1.4 ảnh hởng của môi trờng truyền đến chất lợng tín hiệu

1.4.1 Môi trờng truyền

Dữ liệu đợc truyền từ đầu phát tới đầu thu thông qua môi trờngtruyền Môi trờng truyền có thể là môi trờng định tuyến hay không địnhtuyến Trong cả hai trờng hợp thông tin đều đợc thực hiện thông qua sựtruyền lan của sóng điện từ Với môi trờng định tuyến đờng đi của sóng

điện từ đợc định sẵn theo một đờng vật lý nh: cáp đôi xoắn, cáp đồng trục,cáp quang Môi trờng không định tuyến là môi trờng chỉ cung cấp một ph-

ơng tiện truyền lan sóng điện từ, mà không ràng buộc chúng theo một đờng,một tuyến nhất định nh truyền lan sóng điện từ trong không khí, qua nớc

Khái niệm đờng truyền trực tiếp dùng để mô tả đờng truyền giũa haithiết bị mà trong đó tín hiệu đợc truyền từ đầu phát tới đầu thu không quathiết bị trung gian nào ngoại trừ các bộ khuyếch đại hay bộ lặp Khái niệm

đờng truyền trực tiếp dùng cho cả môi trờng định tuyến và không địnhtuyến

Truyền tin có thể là đơn công, bán song công hay song công hoàntoàn Trong truyền đơn công, việc truyền chỉ đuợc truyền một chiều từ trạmphát tới trạm thu Truyền bán song công, việc truyền có thể thực hiện theohai chiều song công không đồng thời, khi trạm này phát thì trạm kia thu vàngợc lại Trong truyền song công, cả hai trạm đều có thể đồng thời thu vàphát, thông tin có thể thực hiện theo cả hai chiều một cách đồng thời

* Truyền thông tin theo kiểu điểm - điểm

Hình 1.2: Mô hình truyền thông tin theo kiểu điểm - điểm

* * Truyền thông tin theo kiểu điểm - đa điểm

Hình1 3: Mô hình truyền thông tin theo kiểu điểm - đa điểm

1.4.2 Tác động của môi trờng truyền tới tín hiệu

Khi tín hiệu truyền qua môi trờng ít nhiều sẽ bị các tác động làm sailạc Các ảnh hởng chính có thể là:

- Suy giảm và méo tín hiệu do suy giảm

khuếch

đại hay

bộ lặp

môi tr ờng truyền

môi trờng truyền

bô thu phát

1 4.2.1 Suy giảm

Cờng độ của tín hiệu trên bất cứ một môi trờng nào đều bị suy giảmtheo khoảng cách Sự suy giảm này thờng theo quy luật hàm logarit trongcác đờng truyền có định tuyến, hay theo một hàm phức tạp trong một môitrờng không định tuyến tuỳ thuộc vào khảng cách và áp suất không khí Tínhiệu bị suy giảm tác động đến các yếu tố sau:

- Tín hiệu nhận đợc tại thời điểm thu phải đủ lớn để có thể phát hiện

và khôi phục tín hiệu

- Tín hiệu nhận đựơc tại điểm thu phải đủ lớn hơn nhiễu một mứcnhất định (đảm bảo tỷ số S/N) để máy thu có thể phát hiện và khôi phục tínhiệu không bị sai lỗi

- Độ suy giảm thờng là một hàm tăng theo tần số

Hai tác động đầu có thể khắc phục khi dùng các bộ khuyếch đại hay

bộ lặp lại

Hình 1.4 Tác động thứ ba cần đặc biệt chú ý tín hiệu analog Do vậy suy giảmthay đổi nh một hàm của tần số nên tín hiệu tại thời điểm thu sẽ bị méo,khó khôi phục hoàn toàn Để giảm ảnh hởng của vấn đề này ngời ta dùng bộsan bằng để làm đồng đều độ suy giảm trong toàn dải băng Điều này thờng

đợc sử dụng trong các đờng điện thoại khi dung các cuộn dây tải để thay

đổi các đặc tính điện cả đờng dây, làm giảm ảnh hởng do suy nhiễu không

Độ suy giảm t

ơng đối(dB)(so với tần số

1000 HZ)

Tần số HZ

đều Một phơng thức khác là dùng bộ khuếch đại có độ khuyếch đại ở tần

số cao là lớn hơn so với ở tần thấp

N f = - 10 log10

1000

1

p p

Đờng đứt nét trên hình này mô tả hiệu quả của bộ san bằng Sự đồng

đều sẽ làm tăng chất liệu tín hiệu thoại cũng nh cho phép tăng tốc độ truyềndữ liệu số khi truyền qua chúng dùng modem

1.4.2.2 Méo do giữ chậm

Méo do giữ chậm thờng đáng kể hơn trong môi trờng truyền có địnhtuyến Méo là do tốc độ truyền tín hiệu qua đờng truyền bị biến đổi theotần số Với tín hiệu bị hạn chế băng tần, tốc độ tín hiệu cao nhất thờng ở tần

số trung tâm của giải băng và giảm dần khi tần số dịch ra hai biên Bởi vậy,các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu sẽ tới đầu thu không cùngnhau, làm méo tín hiệu tổng cộng

Méo do giữ chậm đặc biệt nguy hại đối với tín hiệu số Trong trờnghợp này, bản tin đợc phát dới dạng dẫy liên tục các bít, một vài thành phầntần số của bít này sẽ bị dịch đi trùm lên phần của bít khác, gây nên cái gọi

là méo giao thoa giữa các ký tự, đây là nguyên nhân chủ yếu hạn chế tốc độcực đại trên một đờng truyền

Tần số (HZ)

Kỹ thuật san bằng cũng đợc sử dụng để hạn chế méo do giữ chậm.Trên đồ thị hình 1.4 đờng nét đứt thể hiện hiệu quả của bộ lọc san bằng.

1.4.2.3 Nhiễu tạp

Với môi trờng bất kỳ, tín hiệu thu đợc là tổ hợp của tín hiệu phát vàmột thành phần không mong muốn gây ra do hệ thống truyền Thành phầnnày ta gọi là nhiễu tạp, một nhân tố chính hạn chế chất lợng hệ thống thôngtin

* Tạp âm nhiệt tạo ra do sự chuyển động của electron trong vật dẫn

Nó tồn tại trong mọi thiết bị điện tử và môi trờng truyền đẫn, nó là một hàmcủa nhiệt độ Tạp âm nhiệt có phân bố đều trong toàn bộ phổ tần và đợcxem nh tạp âm trắng Tạp âm nhiệt không thể loại bỏ đợc và vì vậy nó xác

định một giới hạn trên cho đặc tính của hệ thống thông tin Tạp âm nhiệttrong giải băng 1 HZ đợc tính:

số là tổng hợp (tổng hay hiệu) của các tần số gốc hay hài bậc cao của nó Ví

dụ việc trộn hai tín hiệu gốc có tần số tơng ứng là f1 và f2 sẽ sinh ra các

sản phẩm nhiễu tơng hỗ n.f1  m.f2 và sẽ gây nhiễu cho những tín hiệu

Ba loại nhiễu kể trên đều là nhiễu định trớc và có biên độ hầu nh làhằng số Vì vậy có thể tăng năng lợng của hệ thống truyền để chế áp chúng.Nhiễu xung, trái lại là dạng nhiễu không liên tục, chứa các xung nhiễukhông theo quy luật hay các đột biến xung với thời gian tồn tại ngắn songbiên độ thờng khá lớn Nhiễu xung thờng tạo ra từ nhiều nguyên nhân khácnhau, trong đó có cả những nguyên nhân bên ngoài nh đột biến điện từ (ví

dụ nh sét), khi tắt bật máy hay sự cố trong hệ thống thông tin

Nhiễu xung nói chung là ít ảnh hởng tới hệ thống thông tin analog

Ví dụ nó chỉ gây nên những tiếng sột soạt trong thông tin thoại mà khônglàm mất tính toàn vẹn của tin tức cần trao đổi song nó là một trong nhữngnguyên nhân chính gây ra sai số trong hệ thống thông tin số Ví dụ mộtxung nhiễu có độ dài là 0.01s sẽ không ảnh hởng đáng kể tới tín hiệu thoại,song đã làm mất 50 bít dữ liệu khi truyền dữ liệu với tốc độ 4800 b/s

1.5 Các tham số đánh giá chất lợng của một hệ thống thông tin số

Các tham số chất lợng chủ yếu đối với các hệ thống thông tin số là tốc

độ truyền tin và độ chính xác truyền tin Tuy nhiên, hai yêu cầu này nóichung luôn mâu thuẫn nhau Vì vậy, khi lựa chọn hệ thống và phơng thức

điều chế phải dung hoà mâu thuẫn này Về nguyên tắc muốn truyền tin thậtchính xác thì phải chấp nhận giảm tốc độ truyền và ngợc lại khi càng tăngtốc độ truyền tin thì phải chấp nhận lỗi xảy ra càng dày hơn

Tham số đánh giá độ chính xác truyền tin là tỷ số giữa số bít nhận bịlỗi trên tổng số bít đã truyền đi trong một khoảng thời gian quan sát nào đó.Tham số này gọi là tỷ lệ lỗi bít, ký hiệu là BER (Bit Error Ratio) Theo toánhọc khi thời gian quan sát tiến tới vô hạn thì tỷ lệ này tiến đến xác suất lỗibít Tuy nhiên thời gian quan sát không thể là vô hạn, nên tỷ lệ lỗi bít chỉgần bằng xác suất lỗi bít, song do thói quen ngời ta thờng đồng nhất khái

niệm BER là xác suất lỗi bít Xác suất lỗi bít trong một hệ thống thông tin

số là độ đo chỉ tiêu chất lợng trung bình của mỗi hệ thống nhng không chỉ

ra tần suất xuất hiện lỗi, nói cách khác là không thể chỉ ra đợc là có baonhiêu lỗi xuất hiện trong một giây Trong thực tế sử dụng tỷ lệ lỗi bít cùngvới khoảng thời gian để tạo nên tính khách quan về chỉ tiêu chất lợng lỗi.Nhiều trờng hợp cụ thể ứng với các loại dịch vụ nhất định một số các tham

số khác cũng đợc dùng để đánh giá độ chính xác truyền tin nh các giây bịlỗi trầm trọng (SES: Severely Errored Seconds), các phút suy giảm chất l-ợng (DM: Degraded Minutes) Trong một hệ thống thông tin số sử dụng ph-

ơng pháp mã hoá tiếng nói nh hệ thống thông tin di động thì độ chính xáctruyền tin còn đợc thể hiện qua tham số chất lợng tiếng nói xét về khía cạnhchất lợng dịch vụ

Khả năng truyền tin nhanh chóng của một hệ thống thông tin số thờng

đợc đánh giá qua dung lợng tổng cộng B của hệ thống, là tốc độ truyềnthông tin (đơn vị là bit/s) tổng cộng của cả hệ thống với độ chính xác chotrớc Tham số này phụ thuộc vào băng tần truyền dẫn của hệ thống, sơ đồ

điều chế số, mức độ tạp nhiễu…

Ngoài các yêu cầu và các tham số có tính nguyên tắc nói trên, các hệthống thông tin số còn có thêm yêu cầu về tính bảo mật và độ tin cậy Cácyếu tố về kinh tế nh giá thành, tốc độ thu hồi vốn cũng là một trong nhữngvấn đề quan trọng cần đợc xem xét

1.6 Hệ thống truyền dẫn số

Hệ thống truyền dẫn số là tập hợp các phơng tiện bao gồm các thiết bịphần cứng và phần mềm đợc sử dụng để truyền dẫn số từ lối ra của thiết bịtạo khuôn ở phần phát tới lối vào của thiết bị tạo khuôn thông tin ở phần thucủa hệ thống thông tin số Có nhiều loại hệ thống truyền dẫn khác nhau tuỳthuộc môi trờng truyền dẫn Môi trờng truyền là đờng vật lý nối thiết bịphát và thiết bị thu Chất lợng và đặc tính của việc truyền tin phụ thuộc vàotính chất của tín hiệu và môi trờng truyền Có thể kể đến các hệ thốngtruyền dẫn số qua vệ tinh viễn thông, các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp sốmặt đất và các hệ thống thông tin dùng cáp đồng trục, cáp xoắn hay cáp sợiquang …Kỹ thuật đợc sử dụng để truyền dẫn số trong các hệ thống truyềndẫn khác nhau nh thế cũng tơng đối khác nhau, phản ánh các tính chất đặcthù của môi trờng truyền dẫn, tần số công tác cũng nh các loại hình dịch vụ

Các tham số chất lợng của hệ thống truyền dẫn số cũng đợc đánh giáthông qua tỷ lệ lỗi bít của hệ thống và dung lợng truyền dẫn Vấn đề tồn tạitrong các hệ thống truyền dẫn số bất kỳ là trị số BER của nó phụ thuộc chủyếu vào tuyến có trị số BER xấu nhất Điều này không giống nh trong hệthống FDM tơng tự vì tuyến có tạp âm lớn nhất có thể chỉ ảnh hởng mộtphần rất nhỏ đến tạp âm tổng của hệ thống Một tham số liên quan tới dunglợng tổng cộng của hệ thống thờng dùng để so sánh các hệ thống truyền dẫn

số với nhau là tích số B.L, với L là khoảng cách lặp cần thiết

Các tín hiệu số nhận các giá trị trong một tập hữu hạn các giá trị có thể

có và thời gian hữu hạn Khi tập các giá trị có thể có gồm hai phần tử ‘0’ và

‘1’ thì hệ thống đợc gọi là hệ thống nhị phân và tín hiệu khi đó đợc gọi làmột bít Khi số các giá trị có thể có khác hai, tổng quát là M thì hệ thống đ-

ợc gọi là hệ thống M mức và tín hiệu đợc gọi là ký hiệu (Symbol) Gọi giátrị của Symbol thứ k là Dk và thời gian tồn tại của nó là Tk ở đầu thu do

ảnh hởng của môi trờng truyền chúng ta thu đợc tín hiệu khác so với đầuphát Giả sử chúng ta thu đợc tín hiệu là Dk’ và thời gian tồn tại của nó là

Tk’ Nếu Dk’ khác Dk thì tín hiệu thứ k đợc gọi là bị lỗi, nếu Tk’ khác Tk thìtín hiệu thứ k đợc gọi là có Jitter (sự rung pha) Các tham số kỹ thuật chungnhất đối với các loại hệ thống truyền dẫn số khác nhau, thể hiện chỉ tiêuchất lợng cơ bản của hệ thống là tỷ lệ lỗi bít và Jitter Đối với hệ thống nhịphân thì xác suất lỗi bít BER đợc định nghĩa là:

BER = P{Dk ≠ Dk’}, với P{.} là xác suất Khi Tk’ = Tk+ T thì  đợc gọi là Jitter, tính theo phần trăm Trong trờng hợp truyền dẫn tín hiệu nhiều mức thì P{Dk ≠ Dk’} đợcgọi là tỷ lệ lỗi symbol (SER: Symbol Error Ratio) Điều mà ta thực sự quantâm là so sánh xác suất lỗi bít của hệ thống với nhau Tuy nhiên, mộtsymbol gồm có k = log2M bít nên việc thu sai một symbol có thể dẫn đếnsai không chỉ một bít Vì vậy, làm rõ mối quan hệ giữa SER và BER là thực

sự cần thiết Dễ dàng suy ra:

th-trên tạp âm không quá lớn thì khi một symbol bị lỗi thì chỉ dẫn đến một bítlỗi Khi đó BER có quan hệ chặt chẽ với SER nh sau:

BER logSERM

2

 Thực tế khi BER  10 -3 thì hệ thống truyền dẫn đợc xem là gián đoạn,vì khi đó ngay cả dịch vụ Telex (điện báo truyền chữ) là loại dịch vụ chịu đ-

ợc chất lợng truyền dẫn kém nhất cũng không thể truyền đợc Jitter đợcxem là lớn nếu lớn hơn 5%

1.7 Lập kế hoạch hệ thống số

Nhiệm vụ của nhà thiết kế hệ thống truyền dẫn số là cung cấp một hệthống kinh tế để truyền thông tin từ nơi phát đến nơi thu với tốc độ và độ tincậy mà ngời sử dụng chấp nhận Hai thông số quan trọng mà ngời thiết kếcần nắm rõ là thông số tín hiệu đợc phát và độ rộng băng tần truyền dẫn.Chúng cùng với mật độ phổ công suất của tạp âm xác định tỷ số giữa năng

địa hạt cha khai thác thì không có các vấn đề tơng thích với các thiết bị

đang có nhng vấn đề tơng thích trở nên cực kỳ phức tạp khi xét với cácmạng lới đã đợc thiết lập Cần phải xác định đợc cấu trúc mạng sau khi đợctrang bị mới Có thể đa chuyển mạch số và truyền dẫn vào theo ba phơngpháp chính, đó là chồng lấn lên thiết bị hiện có hoặc tiến hành thay thế cácthiết bị hiện có hoặc nâng cấp trang thiết bị tơng tự già cỗi Về nguyên lýthì phơng pháp chồng lấn có nghĩa là mạng tơng tự đợc mở rộng với thiết bị

số để hình thành một mạng thông tin số liên kết Trong thực tế, hầu nhkhông có phơng pháp nào đợc tiến hành riêng biệt mà thờng dùng kết hợpcác phơng pháp đó ở từng phần khác nhau theo từng giai đoạn phát triển.Việc trang thiết bị mới và ảnh hởng của nguồn tạp âm khác nhau làm giảmchất lợng mạng mới và mạng cũ nên cần có kế hoạch phân chia ảnh hởngcủa nguồn tạp âm cho mỗi bộ phận riêng biệt của thiết bị hoặc hệ thống đối

với tiêu chuẩn tạp âm chung Các yếu tố khác đòi hỏi đối với mạng số liênkết dựa trên cơ sở kinh tế là duy trì giá thành tuyến thấp và lựa chọn cácthiết bị truyền dẫn băng rộng mới hiện có.

Vấn đề rất quan trọng nữa là với nhu cầu thông tin tăng nhanh dẫn đếnquá tải của cáp trung kế và cáp đờng dài Vì vậy, lập kế hoạch chi tiết củacác mạng truyền dẫn số cho nhu cầu ngắn hạn, trung hạn và dài hạn có ảnhhởng quyết định đến việc số hoá mạng lới

Thời gian để chuyển một hệ thống tơng tự sang số là hết sức quantrọng đối với tuổi thọ của thiết bị hiện có, giá thành chuyển đổi có thể ảnhhởng tới chuyển đổi của một số vùng trong mạng hoặc hệ thống mạng Việcphối hợp tần số, sử dụng băng tần và khả năng đáp ứng hầu hết chức năng

và độ tin cậy cũng nh việc sử dụng thiết bị và số lợng sản xuất phù hợp đều

là những vấn đề hết sức phức tạp Nếu nh vấn đề này có thể giải quyết đợcthì yếu tố quyết định là thời gian dự kiến trớc khi bỏ bất kỳ thiết bị nào đãchọn, thiết kế trang thiết bị và chỉ tiêu hoạt động hiện tại cũng nh tơng lai.Cần phải xem xét yêu cầu tốc độ bít hiện tại và tơng lai, cũng nh nhucầu truyền dẫn thông tin video và truyền hình, truyền thông tin song cônghay đơn công Vị trí của trạm số hiện nay và trong tơng lai của cáp sợiquang, sử dụng tuyến của các mạng số riêng, truyền hình, các trạm mặt đất

vệ tinh, thiết bị đầu cuối cáp biển và các mạng giám sát, cùng với tính linhhoạt trong sử dụng tuyến cũng là một vấn đề quan trọng

Cuối cùng lập kế hoạch truyền dẫn của mạng mới hoặc mạng hỗn hợpkhông chỉ bao gồm việc kết hợp các hệ thống đờng dài, dung lợng trungbình và các hệ thống cự ly ngắn, dung lợng rất lớn trên cáp đồng trục, vi ba

số hoặc cáp sợi quang mà còn phải xem xét cả tính kinh tế thay đổi liên tụccủa mỗi loại hệ thống

Kết luận chơng 1 qua chơng này cho ta biết một cách tổng quan về

hệ thống thông tin Nghiên cứu tổng quát về sơ đồ khối chức năng của hệthống thông tin và các đặc điểm của nó Đồng thời ta còn nghiên cứu cácyếu tố của môi trờng ảnh hởng tới chất lợng của tín hiệu để từ đó các nhàthiết kế chế tạo, sản xuất có kế hoạch và phơng pháp phù hợp để hạn chếtác động của các yếu tố môi trờng đến chất lợng của của các dịch vụ khácnhau của hệ thống thông tin Qua đây cho ta thấy đựoc các u điểm của hệthống thông tin số, so với hệ thống thông tin tơng tự để tận dụng phát triển

hệ thống thông tin số phục vụ cho tơng lai

Chơng 2 các phơng pháp điều chế số và các phơng pháp mã HOá

hoá

2.1 Truyền dẫn tín hiệu số bằng điều chế sóng mang

Định nghĩa: Tín hiệu số là tín hiệu có số trạng thái biểu diễn dữ liệu là

xác định (hữu hạn)

Tín hiệu số có hai trạng thái phân biệt gọi là tín hiệu số nhị phân Sửdụng hai mức ‘0’ và ‘V’ để biểu diễn dữ liệu ‘0’ và ‘1’ gọi là tín hiệu số nhịphân đơn cực Sử dụng hai mức ‘+V’ và ‘-V’ để biểu diễn dữ liệu ‘0’ và ‘1’gọi là tín hiệu số nhị phân lỡng cực

H: Hight – L: Low Hình 2.1 Dạng đơn cực của tín hiệu số nhị phân

S(t) +U0

Đối với một hệ thống truyền dẫn có băng tần hạn chế, để nâng caohiệu quả sử dụng phổ, ngời ta thờng sử dụng các sơ đồ điều chế nhiều mức,

dẫn đến hệ thống truyền dẫn số trở thành hệ thống nhiều mức Bộ điều chếtrong các hệ thống truyền dẫn nhiều mức nh vậy có hai chức năng cơ bản làghép mỗi k bít từ đầu ra của một nguồn tin nhị phân thành symbol (có thể

có M=2k giá trị khác nhau) và ánh xạ một - một tập các giá trị của symbolvới tập các tín hiệu dạng sóng Nhiệm vụ đó rất rõ ràng, trực quan nhng cực

kỳ quan trọng và không thể thiếu, nên đợc coi là bộ não của hệ thống

Khi truyền tín hiệu đi xa, do ảnh hởng của đờng truyền và các tác độngkhông mong muốn tham gia vào quá trình xử lý và truyền dẫn tín hiệu nêncần phải tốn một năng lợng nhất định Lập kế hoạch xây dựng một hệ thống

số với một xác suất lỗi nhất định cho trớc, để đạt đợc dung lợng truyền dẫntheo yêu cầu nào đó cần lu ý độ rộng băng tần sử dụng và công suất tín hiệuluôn là hai tham số ngợc nhau Nếu sử dụng băng tần nhỏ để tăng dung l-ợng của hệ thống thì phải tăng công suất tín hiệu Ngợc lại, nếu công suấttín hiệu nhỏ thì băng tần truyền dẫn phải lớn Công suất tín hiệu phải nhỏnhất là một trong những tiêu chí của hệ thống truyền dẫn Mặt khác băngtần truyền dẫn là một tài nguyên quý hiếm cần phải chia sẻ cho nhiều ngờicùng sử dụng nên việc hạn chế băng tần tối thiểu cho mỗi hệ thống cũng làmột tiêu chí tối u Bài toán tối u của hệ thống truyền dẫn số xác định nhữngnguyên lý căn bản trong kỹ thuật truyền dẫn số, về cơ bản xoay quanh cácbài toán xác định cấu trúc hệ thống Thực chất của bài toán là việc lựa chọntập tín hiệu hay phơng thức điều chế nhằm đạt đợc hiệu quả sử dụng phổtheo yêu cầu với công suất tín hiệu nhỏ nhất, mà vẫn đảm bảo đợc xác suấtthu lỗi đã cho

Việc xử lý tín hiệu băng gốc số thành dạng thích hợp để truyền trênkênh thông tin phụ thuộc vào môi trờng truyền dẫn Lý do vì các loại kênhthông tin có các đặc tính và hạn chế riêng Muốn xác định sơ đồ điều chếthích hợp cần xem xét tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm ứng với tỷ lệ lỗi bít cho tr -

ớc, hiệu suất sử dụng phổ đo bằng bit/s/Hz, tính phức tạp cũng nh giá thànhthiết bị

Đặt nền móng cho những lập luận, tính toán và so sánh trong phầntrình bày về các kỹ thuật điều chế sử dụng trong truyền dẫn số chúng ta cầnnắm vững lý thuyết về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu băng gốc, các kỹ thuật

xử lý tín hiệu băng gốc trớc khi đa tới khối điều chế và cả lý thuyết xácsuất, phân tích các tín hiệu… Trong khuôn khổ đề tài này, tôi không đề cậplại những vấn đề đó bởi nó đợc trình bày khá chi tiết trong các giáo trình kỹ

thuật thông tin số Tiếp sau đây, tôi sẽ xét các phơng thức điều chế số, khảnăng chống tạp âm của chúng, u điểm và hạn chế của từng phơng thức, cácứng dụng và một số vấn đề khác liên quan Phần mở đầu, trình bày về cáckhuôn dạng điều chế số

2.2 Các phơng pháp điều chế số

Mọi tín hiệu số có thể biến đổi nhanh từ mức này sang mức khác, vừa

đứng rất lâu không biến đổi tại một mức Phổ của tín hiệu số vì vậy thờngrất rộng, bao gồn cả thành phần tần số cao (biến đổi nhanh) và nhiều thànhphần tần số thấp ( biến đổi chậm) Phổ tần này nói chung là không phù hợpvới đờng truyền, thờng có phổ tần hữu hạn và có đặc tính thông giải khôngbắt đầu từ gốc toạ độ Điển hình, các đờng truyền thoại thông thờng trongmạng điện thoại công cộng PSTN có giải thông từ 0.3 đến 3.4 kHz Các loạimã hoá khác nhau chỉ cải thiện phần nào đặc tính phổ tần của tính hiệu chophù hợp với các đờng truyền để có thể truyền dữ liệu số trên chúng với mộtkhoảng cách hạn chế Khi muốn truyền đi xa cần có điều chế và giải điềuchế thật sự Quá trình biến đổi dữ liệu số thành tín hiệu tơng tự nhờ các ph-

ơng pháp điều chế thích hợp

Điều chế đợc thực hiện bằng cách gắn tin tức lên một giải tin ( sóngmang) có tần số phù hợp với môi truyền trờng Tải tin (sóng mang) là sónghình sin với 3 tham số có thể thay đổi đợc theo quy luật của tín hiệu là biên

độ, tần số và góc pha Tơng ứng ta có các phơng pháp diều chế khác nhau:

Điều chế dịch biên (Amplitude Shift Keying - ASK), điều chế dịch tần(Frequency Shift Keying - FSK), điều chế dịch pha (Phase Shift Keying -PSK) hay điều chế kết hợp của các tham số đó

2.2.1 Điều chế dịch biên ASK

a Điều chế

Trong phơng pháp dịch biên ASK, dẫy dữ liệu trực tiếp đi điều chếbiên độ sóng mang.Với phơng pháp điều chế ASK nhị phân, cho phép tạotín hiệu ASK dạng sin với hai biên độ Biên độ tín hiệu phụ thuộc vào dữliệu vào là ‘0’ hay ‘1’ Nếu dữ liệu vào là ‘1’ thì tín hiệu nhận đợc ở lối rachính là sóng mang truyền qua, có biên độ bằng biên độ sóng mang Nếudữ liệu vào là ‘0’ thì sóng mang không truyền qua đợc, tín hiệu ASK cóbiên độ bằng không Trong trờng hợp đơn giản nhất (phổ biến nhất) đợcminh hoạ trên hình vẽ:

Hình 2.3: Phơng thức điều chế ASK

Khi này có thể biểu diễn:

fASK (t) = A CoS( 0t + ) Khi s(t) = 1

Mạch giải điều chế ở đầu thu có thể dùng bộ tách sóng đờng bao, sau

đó qua mạch quyết định để nhận lại tín hiệu số liệu

Hình 2.5 Sơ đồ giải điều chế ASK

t f

t

 ).

(

Qua

bộ LPF

Qua khối sửa dạng

Qua tách sóng hạn biên cầu diốt

01

g (i) 0n San bằng

Hình 2.7: Phổ của tín hiệu ASKNếu  0- m <  0+m sẽ có hiện tợng chồng phổ giữa hai thànhphần của FASK () gây méo tín hiệu Trong thực tế, để dễ lọc bỏ thànhphần S( ) lọt qua trực tiếp bộ điều chế, ngời ta chọn

2.2.2 Ph¬ng ph¸p ®iÒu chÕ dÞch tÇn FSK

a §iÒu chÕ

Trong ph¬ng thøc FSK, tham sè sãng mang bÞ ®iÒu chÕ lµ tÇn sè

T-¬ng øng víi c¸c logic kh¸c nhau lµ tÇn sè kh¸c nhau Ký hiÖu kho¶ng c¸chgi÷a hai tÇn sè nµy lµ 2  vµ tÇn sè trung t©m cña chóng lµ  0 , ta cã thÓbiÓu diÔn

fFSK(t)

t

Hình 2.8 :Dạng sóng của tín hiệu điều chế FSK

Tỷ số giữa đại lợng đặc trng cho độ dịch tần số f với tần số của dữliệu tới điều chế F = 1/T = 1/2t x đợc gọi là chỉ số điều chế m

m = f / F = f T = 2f t x = 2 f / V x

Trong điều chế dịch tần, chỉ số điều chế m là hằng số và thờng nhậngiá trị (1  2), nh vậy tốc độ số liệu Vx bị rằng buộc chặt chẽ với độ dịchtần 2f , nên không thể đạt tốc độ cao và khó thay đổi Trong thực tế, cácmodem FSK thờng có các tốc độ 300 bit/s, 600 bit/s và 1200 bít/s

Thực hiện điều chế tần số có thể thực hiện tơng tự nh ở các phơngpháp ASK, khi dùng khoá điện tử để chọn tín hiệu của một trong hai bộ dao

động tơng ứng Song trong phơng pháp tốt hơn là dùng khóa điện tử để mắchay ngắt một nhóm phần tử kháng vào mạch dao động của một bộ dao

động, nhờ vậy làm thay đổi tần số của nó

X

Hình 2.10: Mạch giải điều chế FSK đơn giảnCác moden FSK coherent cũng đựơc sử dụng Khi này phần thu dùng

bộ phân biệt tần số tơng tự nh một máy thu FM Cách thức nhất dùng mạchvòng khoá pha làm mục đích này

Modem dịch tần FSK có tốt hơn song không nhiều so với dịch biênASK (do nhiễu tác động lên biên độ nhiều hơn so với lên tần số) Ngoài ra,ngời ta có thể dùng nhiều cặp tần số hơn để liên lạc song công theo hai h-ớng

Hình 2.11: Truyền FSK song công trên 2 đờng thoạiTrên hình vẽ là là phân bố tần số cho modem Bell System series 108.Giải phổ thoại đợc chia làm hai phần tại tần số trung tâm 1700Hz Liên lạctrên một hớng dung hai tần số : 1070 Hz và 1270 Hz, trên hớng kia là 2025

và 2225Hz Đặc tuyến lọc cho hai hớng bị chờm nhau một vung nhỏ, ítnhiều gây ra nhiễu xuyên âm lẫn nhau

Tách sóng đ ờng bao ASK

Xung nhịp

1070 1270 1700 2025 2225 3000

Phổ tín hiệu phát theo một h ớng

Phổ tín hiệu phát theo h ớng ng ợc lại

C ờng độ tín

hiệu

Tần số Hz

2.2.3 Phơng pháp điều chế dich pha PSK

Trong phơng thức PSK, tham số của sóng mang bị điều chế là pha

T-ơng ứng với các logic khác nhau là các pha khác nhau

Với sóng mang là fo(t) = Ao.cos(ot + o) và tín hiệu số s(t) nhận cácgiá trị ‘0’ hay ‘1’ thì ta có tín hiệu điều chế PSK:

fPSK(t) = Ao.cosot + o + .s(t) = A1.cos(ot + o) + A2.sin(ot + o) Trong đó: A1 = Ao.cos.s(t), A2 = -Ao.sin.s(t) và  là lợng xê dịch pha

Nh vậy, tín hiệu PSK là tổng của các tín hiệu ASK vuông góc

Với  có hai giá trị, tơng ứng với điều chế hai pha BPSK và mỗi phaứng với 1 bít Với  có M giá trị, tơng ứng với điều chế M pha M-PSK vàmỗi pha ứng với một tổ hợp log2M bít

Khi giá trị  tính so với pha của sóng mang thì đợc gọi là dịch phatuyệt đối Khi giá trị  tính so với pha của tín hiệu liền kề trớc đó gọi là

điều chế pha tơng đối hay điều chế vi sai DPSK

2.2.3.1 Điều chế hai pha BPSK

a Điều chế Với điều chế hai pha (M = 2) thì các pha này sẽ khác nhau một lợng

là   

2

2

và nếu một góc là 0 thì góc kia sẽ là  Khi giá trị bít bằng ‘0’thì

 = 0 còn khi giá trị bít bằng ‘1’ thì  =  Tín hiệu nh vậy đợc biểu diễn một cách thuận lợi hơn qua giá trị biên độ và góc pha trong toạ độ cực nh hình 2.12 dới đây

(1,) (1,0)

Hình 2.12Biểu thức biểu diễn tín hiệu điều chế pha nhị phân BPSK là:

fBPSK(t) = Ao.cos.s(t).cos(ot + o) =  Ao.cos(ot + o) Vậy tín hiệu điều chế BPSK thực chất là quá trình điều chế ASK vớitín hiệu nhị phân lỡng cực

s(t) fBPSK(t)

fo(t)

Biến đổi l ỡng cực

1

Ao cos2(ot + o) + 1 Sau đó, cho đi qua mạch lọc tần thấp để loại bỏ thành phần tần số cao2ot, vì vậy đa ra tín hiệu số dạng lỡng cực  thích hợp

Ao.cos(o + )t + o).Ao.cos(ot + o)

LPF ỡng cực đến Biến đổi l

đảo cực

Ao cost thay đổi trong dải

từ –1 đến +1, thậm chí có lúc bị triệt tiêu, không theo quy luật của tín hiệu

điểm thu từ nửa mặt phẳng này sang nửa mặt phẳng khác, thì cha gây đợcsai lỗi cho hệ thống BPSK

Ta có thể tái tạo sóng mang bằng cách lấy tín hiệu thu nhân với chính

nó

fBPSK2(t) = Ao cos2(ot + o) =

2

1

Ao cos2(ot + o) + 1 Dùng bộ lọc để thu đợc thành phần cos2(ot) + o, sau đó cho đi qua

bộ chia 2 tần số thì thu đợc thành phần sóng mang

fBPSK(t)

Hình 2.16 Sơ đồ giải điều chế BPSK có tách sóng mang

2.2.3 2 Điều chế pha tơng đối DPSK

o

Chia 2 tần số

không trực tiếp đa đi điều chế mà đợc mã hoá vi sai bằng cách so sánh vớibít vừa mã hoá trớc đó nhờ mạch hoặc tuyệt đối âm (XOR Negative) vàkhối trễ với thời gian giữ chậm đúng bằng thời gian tồn tại của một bít Nóicách khác là thông tin đợc tải đi bằng các lợng dịch pha tơng đối so vớikhoảng thời gian tín hiệu trớc đó, tín hiệu sau mã hoá vi sai mới đợc đa đi

điều chế PSK Thí dụ trong điều chế pha nhị phân, bít thông tin ‘1’ có thểtruyền đi bằng cách dịch pha của sóng mang đi 180o so với sóng mangtrong khoảng thời gian tín hiệu trớc đó còn bít thông tin ‘0’ có thể truyền đibằng cách dịch pha của sóng mang đi 0o so với sóng mang trong khoảngthời gian tín hiệu trớc đó Lý do không dịch đi 0o khi ‘1’ đợc phát đi thay vì

180o là để đề phòng một sóng mang không chứa dịch pha và có phổ tơng

đối hẹp xảy ra nên một chuỗi dài ‘0’ đợc gửi đi Cách làm trên cho phéppha sóng mang bị dịch ở từng khoảng tín hiệu ngay cả khi chuỗi dài bít ‘0’

đợc gửi đi Kết quả này thể hiện trong phổ của tín hiệu với độ rộng phổ xấp

Hình 2.18: Điều chế DPSK

Giữ

chậm T

Lọc thông cao

PSK- 2PLọc

thông

dải

XOR Negative

ơng pháp đơn giản khôi phục tín hiệu nhị phân của một sóng mang DPSK

đợc minh hoạ trên hình dới đây

Hình2.19: Giải điều chế DPSK

Lý thuyết đã kiểm chứng rằng, DPSK chỉ kém hơn PSK không dáng

kể, chừng 1 dB, song lại không cần đồng bộ nh PSK Vì vậy, modem DPSK

là một giải pháp tốt, hiệu quả và kinh tế cho việc truyền dữ liệu trên đừngthoại analog với tốc độ trung bình Trong thực tế, tốc độ phổ biến chomodem DPSK là: 2400 bít/s và 1200 bít / s

2.2 4 Điều chế nhiều mức

Giữ

chậm T

Bộ loc thông cao

Trong các phơng thức điều chế hai mức kể trên, mỗi mức của tín hiệusau điều chế tơng ứng với một bít dữ liệu, nh vậy tốc độ của một chu kỳ tínhiệu truyền chính bằng độ rộng của một bít, nghĩa là tốc độ truyền tín hiệu(bằng baud) bằng tốc độ truyền số liệu (tính bằng bít) Để tăng tốc độ sốliệu, một phơng pháp cơ bản là thực hiện điều chế nhiều bít thông tin trongmột chu kỳ tín hiệu (1 baud = nhiều bít) khi này từng nhóm k bít thông tin

đợc nhóm thành một dấu hiệu (symbol) tơng ứng, vì vậy phải dùng nhiềumức tín hiệu (2k ) đủ để mô tả các tín hiệu đó

Về nguyên tắc ta có thể điều chế nhiều mức biên độ, nhiều tần số,nhiều góc pha song thực tế phổ biến nhất là hai dạng: Điều chế pha nhiềumức M - PSKvà diều chế biên độ pha kết hợp APK hay QAM

2.2.4.1 Điều chế pha nhiều mức M - PSK

Để tăng tốc độ truyền mà độ phức tạp của thiết bị không tăng thêmnhiều thì ngời ta có thể dùng nhiều góc pha hơn Khi này, một góc pha sẽứng với một tổ hợp 2 hay nhiều bít Ví dụ, với 4 - PSK hay còn gọi là khoádịch pha vuông góc (QPSK: Quadrature Phase Shift Keying), mỗi góc phatơng ứng với một tổ hợp 2 bít, gọi là một Dibit Tốc độ truyền khi này sẽtăng lên 2 lần nhng phải trả giá bằng việc giảm tính chống nhiễu Tín hiệu4-PSKđợc mô tả nh sau

(1,

2



)

Tách dãy bít

Điều chế BPSK

Điều chế BPSKQuay pha

~

0 90

Hình 2.21: Sơ đồ điều chế 4- PSKQuy tắc giải điều chế dựa trên giải điều chế BPSK Sơ đồ giải điều chếgồm hai nhánh giải điều chế BPSK với sóng mang vuông pha

Về đặc điểm thì điều chế pha nhiều mức cho tốc độ cao, nhng miềnquyết định hẹp, khả năng phân biệt giữa các điểm khó hơn, có khả nănggiải điều chế nhầm, đòi hỏi phải có đờng truyền có chất lợng tốt hơn, cụ thểlà:

2.2.4.2 Điều chế QAM

a Điều chế

Trớc hết ta xem xét một trờng hợp đơn giản khi kết hợp hai nhánh

điều chế ASK thông thờng, song với sóng mang lệch pha nhau một góc

Biến đổi nối tiếp

01 II 11

III

10 I

đầu ra tổng hợp sẽ là Xq Sinct + Xi Cosct

b Giải điều chế

Sơ đồ giải điều chế đợc mô tả nh hình vẽ:

~

GiảI điều chế ASK

(Xq Sin c t + Xi Cos c t ) Cos ct

= Xq Sin ct Cos c t + XiCos2

c

 t

= (Xq Sin 2ct + Xi + Xi Cos 2ct )/2Tại đầu ra bộ lọc tần thấp của nhánh trên ta sẽ lấy ra đợc dữ liệu Xi ,tơng tự tại nhánh dới Xq Qua bộ biến đổi song song thành nối tiếp, dữ liệu

sẽ đợc khôi phục đầy đủ nh dãy dữ liệu phát

Khi điều chế nhiều mức, không gian biên độ pha đợc chia thànhnhững vùng mà mỗi vùng đại diện cho một cấu hình cụ thể Việc phân chiacần sao cho có lợi nhất

* Điều chế 16 QAM

Trên hình 2.25 mô tả cách phân bố 16 QAM điểm Mỗi điểm mô tảcho một cặp 4 bít (quadbit) Bố trí các bít tuân thủ theo mã Gray, sao chocác điểm kề nhau chỉ khác nhau tại duy nhất 1 bit.1000 1100 0100 0000

Hình 2.25: Chòm sao tín hiệu cuả điều chế 16 QAM

Ta có thể nhận đợc phân bố này khi điều chế cầu phơng hai tín hiệu

ASK 4 mức nh mô tả trên hình 2.26 Lợc đồ mô tả nguyên tắc của phần

phát, phần thu của modem đợc mô tả trên hình:

Biến đổi nối tiếp

song song

Điều chế ASK 4 mức

Điều chế ASK 4 mức

Hình 2.27: Sơ đồ giải điều chế 16 QAM

Đánh giá sơ bộ các phơng thức điều chế - giải điều chế trên đợc tóm

tắt trên bảng sau Việc so sánh tiến hành trên các khía cạch: Độ phức tạp,

giá thành thông qua dạng tách sóng ở phần thu, tốc độ truyền số liệu qua số