Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đo lường và phân tích tín hiệu số

Luận văn sẽ tập trung vào nghiên cứu bốn kỹ thuật phân tích tín hiệu số được sử dụng phổ biến là kỹ thuật phân tích dạng xung, kỹ thuật phân tích mắt truyền dẫn, kỹ thuật phân tích phổ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

TỪ VIẾT TẮT vi

LỜI CAM KẾT 1

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU SỐ 3

1.1 Phân tích dạng xung cơ bản 3

1.1.1 Cơ bản về xung băng tần cơ sở 3

1.1.2 Các tham số băng tần cơ sở 9

1.1.3 Phân tích dạng xung tín hiệu 12

1.1.4 Phân tích mẫu mắt 17

1.2 Phân tích vector tín hiệu điều chế số 23

1.2.1 Cơ bản về điều chế tín hiệu số 23

1.2.2 Nguyên lý phân tích vector tín hiệu điều chế 32

1.2.3 Kết quả phân tích vector tín hiệu số 35

1.3 Phân tích phổ tần số 40

1.3.1 Chuyển đổi giữa miền thời gian và miền tần số 40

1.3.2 Nguyên lý máy phân tích phổ tín hiệu 43

1.3.3 Kết quả phân tích phổ 48

CHƯƠNG 2 51

CÁC QUY TRÌNH ĐO LƯỜNG 51

2.1 Đo dạng xung 51

2.1.1 Máy đo dạng xung 51

2.1.2 Quy trình đo dạng xung 53

2.2 Đo mẫu mắt tín hiệu 56

2.2.1 Các máy đo mẫu mắt 56

2.2.2 Quy trình đo mẫu mắt tín hiệu 58

2.3 Phân tích vector tín hiệu điều chế 60

2.3.1 Các thiết bị phân tích vector 60

2.3.2 Quy trình phân tích vector 61

2.4 Phân tích phổ tín hiệu 65

2.4.1 Các thiết bị phân tích phổ tín hiệu 65

2.4.2 Quy trình phân tích phổ tín tín hiệu 68

CHƯƠNG 3 73

MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐO 73

3.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng OptiSystem 7.0 73

3.2 Phân tích kết quả đo dạng xung 76

3.3 Phân tích kết quả đo mẫu mắt 76

3.4 Phân tích kết quả phân tích vector 77

3.5 Phân tích kết quả phân tích phổ 80

ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 83

Ưu điểm và hạn chế của từng kỹ thuật phân tích 83

- Phương pháp phân tích dạng xung 83

- Phương pháp phân tích mẫu mắt tín hiệu 83

- Phương pháp phân tích phổ tín hiệu 83

- Phương pháp phân tích vector tín hiệu 84

Kết luận 84

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO XC PHỤ LỤC II

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn tín hiệu số 3

Hình 1.2: Lấy mẫu tín hiệu với các tần số khác nhau 4

Hình 1.3: Các mức lượng tử hóa đồng nhất 5

Hình 1.4: Lượng tử hóa đồng nhất tín hiệu hình sin 5

Hình 1.5: Lỗi lượng tử hóa 6

Hình 1.6: Giản đồ các loại mã đường truyền 9

Hình 1.7: Mặt nạ xung chuẩn tốc độ 2048kbit/s 12

Hình 1.8: Phổ công suất của một số loại mã đường 11

Hình 1.9: Sơ đồ cấu tạo máy hiện dao động (osilloscope) 14

Hình 1.10: Sơ đồ khối chức năng máy hiện sóng tín hiệu số 15

Hình 1.11: Dạng xung tín hiệu tại đầu thu 16

Hình 1.12: Kết quả của phép phân tích mẫu mắt tín hiệu 18

Hình 1.13: Độ rộng mắt truyền dẫn 19

Hình 1.14: Kết quả hiển thị độ mở mắt tín hiệu 21

Hình 1.15: Mẫu mắt tín hiệu và các giá trị mức “1”, “0” 22

Hình 1.16: Kết quả minh họa rung pha tín hiệu 23

Hình 1.17: Sơ đồ khối điều chế ASK 24

Hình 1.18: Dạng tín hiệu khi điều chế khóa dịch biên độ ASK 25

Hình 1.19a: Sơ đồ khối giải điều chế không kết hợp tín hiệu ASK 25

Hình 1.19b: Sơ đồ khối giải điều chế kết hợp tín hiệu ASK 25

Hình 1.20: Sơ đồ khối điều chế FSK 27

Hình 1.21: Sơ đồ khối giải điều chế FSK 27

Hình 1.22: Sơ đồ khối giải điều chế FSK 28

Hình 1.23: Giản đồ chòm sao với tín hiệu 2, 4, 16 và 256-QAM 29

Hình 1.24: Sơ đồ khối chức năng bộ điều chế QAM 30

Hình 1.25: Sơ đồ khối chức năng bộ giải điêu chế QAM 31

Hình 1.26: Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động thiết bị phân tích vector tín hiệu số 32

Hình 1.27: Sự chồng phổ các kí hiệu 33

Hình 1.28: Sử dụng băng thông dự trữ để loại bỏ chồng phổ 34

Hình 1.29: Kết quả đo vector lỗi 35

Hình 1.30: Kết quả đo vùng vector lỗi 36

Hình 1.31: Kết quả lỗi pha điều chế 36

Hình 1.32: Lỗi dịch gốc I/Q tín hiệu điều chế 37

Hình 1.33: Đồ thị biểu diễn hệ số không cân bằng 38

Hình 1.34: Lỗi mất cân bằng cầu phương 38

Hình 1.35: Giản đồ vector mất cân bằng cầu phương 39

Hình 1.36: Đồ thị méo pha tín hiệu 39

Hình 1.37: Giản đồ chòm sao thể hiện tín hiệu nhiễu tín hiệu 40

Hình 1.38: So sánh số phép tính phải thực hiện của DFT, FFT và SDFT 43

Hình 1.39: Sơ khối chức năng máy phân tích phổ tín hiệu số 43

Hình 1.40: Sơ đồ chức năng khối thích ứng tín hiệu 44

Hình 1.41: Dạng xung tín hiệu của tần số tín hiệu, tần số quét và tần IF 45

Hình 1.42: Sơ đồ khối chức năng máy phân tích quang phổ 46

Hình 1.43: Phương pháp phân tích cố định được sử dụng để đo PMD 47

Hình 1.44: Nguyên lý đo CD 47

Hình 1.45: Các đường cong thu được với phương pháp xấp xỉ bậc hai 48

Hình 1.46: Biểu diễn SNR của tín hiệu 49

Hình 2.1: Thiết bị Puma 4300 của hãng Consultronics 51

Hình 2.2: Thiết bị dao động ký số GAO PS1042M 52

Hình 2.3: Thiết bị E20C của hãng SunriseTelecom 52

Hình 2.5: Kết nối trực tiếp đo dạng xung tín hiệu 54

Hình 2.6: Kết nối cầu (bridge) đo giám sát dạng xung 54

Hình 2.7: Kết nối thiết bị đo với cổng đo điểm đo của hệ thống 54

Hình 2.8: Màn hình thiết lập phép đo của máy EST-125-Acterna 55

Hình 2.9: Kết quả phân tích dạng xung tín hiệu ở dạng đồ thị và bảng 55

Hình 2.10: Thiết bị AT7000 56

Hình 2.11: Thiết bị GPIB 57

Hình 2.12: Thiết bị WaveExpert 57

Hình 2.13: Thiết bị đo mắt truyền dẫn MP1026B hãng Anritsu 57

Hình 2.14: Kết nối xung đồng hồ cho thiết bị đo 59

Hình 2.15: Thiết bị phân tích vector tín hiệu số Agilent 1680 60

Hình 2.16: Thiết bị FSQ-K70 của hãng Rohde-Schwarz 61

Hình 2.18: Sơ đồ kết nối thiết bị qua bộ chia 62

Hình 2.19: Sơ đồ kết nối trực tiếp 62

Hình 2.23: Thiết bị MTS-8000, hãng sản xuất JDSU 66

Hình 2.27: Sơ đồ kết nối thực hiện đo 69

Hình 3.1: Giao diện khởi động phần mềm OptiSystem 7.0 73

Hình 3.2: Giao diện cửa sổ làm việc của phần mềm 74

Hình 3.3: Chọn thiết bị và thiết kế hệ thống 75

Hình 3.4: Chạy mô phỏng hệ thống 75

Hình 3.5: Kết quả đo trên phần mềm 75

Hình 3.6: Kết quả đo dạng xung tín hiệu tiêu chuẩn T1 76

Hình 3.7: Kết quả hiển thị mẫu mắt tín hiệu cảu thiết bị Inritsu 77

Hình 3.9: Pha của tín hiệu GSM 78

Hình 3.10: Kết quả phân tích vectortín hiệu dịch vụ GSM 78

Hình 3.11: Kết quả đo biên độ các thành phần I/Q khi phân tích vector tín hiệu 79

Hình 3.12: Kết quả phân tích lỗi điều chế tín hiệu 8-PSK của dịch vụ EDGE 79

Hình 3.13: Kết quả phân tích phổ tín hiệu quang hệ thống DWDM 80

Hình 3.14: Kết quả phân tích phổ quang hệ thống DWDM 81

TỪ VIẾT TẮT

ADC : Analog Digital Converter

ASK : Amplitue

BER : Bit Error Ratio

BPSK : Binary Phase Shift Keying

CD : Color Dispersion

CDMA : Code Division Multiple Access

DFT : Discrete Fourier Transform

DGD : Differential Group Delay

DWDM : Dense Wavelength Division Multiplexing

EDGE : Enhanced Data Rates for GSM Evolution

FIFO : First In First Out

FSK : Frequency Shift Keying

GSM : Global System for Mobile

I/Q : Inphase/Quadrature

IDFT : Inverse Discrete Fourier Transform

IF : Intermediate Frequency

IFFT : Inverse Fast Fourier Transform

ITU-T : International Telecommunication Union - Telecommunication

MSK : Minimum Shift Keying

OSNR : Optical Signal to Noise Ratio

PDH : Plesiochronous Digital Hierarchy

PLL : Phase Lock Loop

PMD : Polarization Mode Dispersion

PSK : Phase Shift Keying

QAM : Quadrture Amplitude Modulated

QPSK : Quadature Phase Shift Keying

RBW : Resolution Bandwidth

RF : Radio Frequency

SDFT : Sliding Discrete Fourier Transform

SDH : Synchronous Digital Hierachy

SNR : Signal to Noise Ratio

LỜI CAM KẾT

Tôi cam đoan bản luận văn “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đo lường và phân tích

tín hiệu số” là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS, TS

Trương Vũ Bằng Giang Toàn bộ các kiến thức được trích lược từ các tài liệu được liệt

kê đầy đủ và chi tiết Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sai phạm quyền tác giả

Người làm cam đoan

Đặng Trần Chiến

MỞ ĐẦU

Các công nghệ viễn thông ngày càng phát triển kéo theo nhu cầu sử dụng và các yêu cầu về chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng ngày càng cao Do đó việc đo lường, đánh giá các tham số chất lượng truyền dẫn thông tin là một yêu cầu cấp thiết với các nhà cung cấp dịch vụ nhằm khẳng định được thương hiệu và cũng để đáp ứng được yêu cầu của khách hàng ngày một tốt hơn Để làm chủ được các hệ thống đo kiểm thì trước hết phải nắm vững được cơ sở lý thuyết về tín hiệu cần đo kiểm, sau đó

là nguyên lý của kỹ thuật đo vì vậy em đã chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kỹ

thuật đo lường và phân tích tín hiệu số” làm luận văn tốt nghiệp cao học Luận văn

sẽ tập trung vào nghiên cứu bốn kỹ thuật phân tích tín hiệu số được sử dụng phổ biến

là kỹ thuật phân tích dạng xung, kỹ thuật phân tích mắt truyền dẫn, kỹ thuật phân tích phổ và kỹ thuật phân tích vector tín hiệu điều chế số.Với mỗi phương pháp đo kiểm cần phải biết là đo được tham số nào, ý nghĩa của các tham số đó, quy trình thực hiện các phép đo để sao cho kết quả đo là chính xác và đáng tín cậy nhất

Nội dung luận văn “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đo lường và phân tích tín

hiệu số” bao gồm:

- Chương 1: Các cơ sở lý thuyết về phân tích tín hiệu số Nội dung của chương

trình bày cơ sở lý thuyết về phân tích tín hiệu số Luận văn tập trung vào bốn phương pháp phân tích tín hiệu số được dùng phổ biến hiện nay là phân tích tín dạng xung, phân tích mẫu mắt tín hiệu, phân tích phổ và phân tích vector tín hiệu điều chế số Mỗi

kỹ thuật phân tích đều tóm tắt cơ sở lý thuyết về dạng tín hiệu được phân tích, về nguyên lý của kỹ thuật phân tích và các tham số thu được khi thực hiện phép đo

- Chương 2: Các quy trình đo lường Nội dung của chương trình bày về quy trình

thực hiện các kỹ thuật đo kiểm Với mỗi kỹ thuât đo sẽ giới thiệu một vài thiết bị đo kiểm phổ biến hiện tại, giới thiệu quy trình thực hiện phép đo và các tham số cần thiết lập cho phép đo

- Chương 3: Giới thiệu phần mềm mô phỏng và phân tích ví dụ kết quả đo

Chương bốn giới thiệu về phần mềm mô phỏng thiết kế các tuyến truyền dẫn và phân tích một số kết quả đo của từng kỹ thuật đo kiểm

- Đánh giá và kết luận: Tổng kết các ưu điểm, nhược điểm về các kỹ thuật phân

tích tín hiệu số và một số đề xuất của cá nhân em sau khi hoàn thành luận văn

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU SỐ

1.1 Phân tích dạng xung cơ bản

1.1.1 Cơ bản về xung băng tần cơ sở

Trong tự nhiên, các tín hiệu âm thanh đều là các tín hiệu tương tự Giọng nói con người, các âm thanh là các tín hiệu tương tự do vậy các dịch vụ viễn thông hiện nay chủ yếu là nhằm truyền tải các tín hiệu tương tự Vì các đặc tính về suy hao, xuyên nhiễu, môi trường truyền, băng thông truyền mà tín hiệu tương tự không thể truyền đi

xa được Do đó các kỹ thuật số hóa tín hiệu tương tự ra đời nhằm đáp ứng được các yêu cầu về truyền tải thông tin Qúa trình biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự để truyền đi xa gồm các bước cơ bản: lấy mẫu, lượng tử hóa, mã hóa/giải mã và điều chế/giải điều chế

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn tín hiệu số

a, Nguyên lý lấy mẫu

Tín hiệu tương tự liên tục theo thời gian nhưng trong quá trình xử lý tín hiệu, để xử

lý được tín hiệu liên tục cần bộ nhớ rất lớn và tốc độ xử lý cao vì vậy thông thường ta

xử lý trên tín hiệu số Do đó cần phải thực hiện chuyển đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc để xử lý Quá trình này gọi là lấy mẫu tín hiệu (sampling), đó là thay tín hiệu liên tục bằng biên độ của nó ở những thời điểm cách đều nhau, gọi là chu kỳ lấy

Môi trường truyền tín hiệu

Khuếch đại công suất

Khuếch đại công suất

Giải điều chế

Giải mã kênh Giải mã

Thuê

bao số

D/A Thuê bao

tương tự

mẫu Các giá trị này sẽ được chuyển thành số nhị phân để có thể xử lý được Vấn đề ở đây là phải lấy mẫu như thế nào để có thể khôi phục lại tín hiệu gốc Tín hiệu lấy mẫu của tín hiệu gốc s(t) biểu diễn là s(nT) với T là chu kỳ lấy mẫu [1]

trong đó u(t) là chuỗi xung Dirac, chính là lúc lấy mẫu của tín hiệu tương tự Tần

số của chuỗi xung Dirac chính là tần số lấy mẫu tín hiệu

Xét tín hiệu sin có tần số f và quá trình lấy mẫu với các chu kỳ lấy mẫu khác nhau:

Hình 1.2: Lấy mẫu tín hiệu với các tần số khác nhau

Như vậy, ta thấy rằng nếu tần số lấy mẫu càng cao thì dạng của tín hiệu càng có khả năng khôi phục giống như tín hiệu gốc Tuy nhiên, nếu tần số càng cao thì cần phải dùng dung lượng lớn hơn để lưu trữ và đồng thời tốc độ xử lý sẽ chậm lại

do cần xử lý số lượng dữ liệu lớn Từ đó, ta cần xác định tần số lấy mẫu sao cho có thể khôi phục lại gần đúng dạng tín hiệu với yêu cầu tốc độ xử lý giới hạn trong mức cho phép

Định lý lấy mẫu xác định điều kiện để một tập mẫu có thể cho phép khôi phục lại chính xác tín hiệu trước khi lấy mẫu Như khảo sát ở trên (hình 1.2), phổ của tín hiệu lấy mẫu là phổ vạch của tín hiệu có chu kỳ trên miền tần số Để khôi phục lại dạng của tín hiệu, ta chỉ cần giới hạn phổ tần của tín hiệu Quá trình này có thể thực hiện bằng một mạch lọc thông thấp với hàm truyền

b, Lƣợng tử hoá

Lượng tử hóa là quá trình xấp xỉ các giá trị của tín hiệu lấy mẫu s(nT) bằng bội số của một giá trị q (q gọi là bước lượng tử) Nếu q không thay đổi thì quá trình lượng tử gọi là đồng nhất Quá trình này thực hiện bằng hàm bậc thang mô tả như sau:

Hình 1.4: Lượng tử hóa đồng nhất tín hiệu hình sin

Hình 1.5: Lỗi lượng tử hóa

Như vậy, quá trình lượng tử hóa sẽ làm méo dạng tín hiệu và xem như tồn tại một tín hiệu nhiễu Sự méo dạng này gọi là méo lượng tử hay còn gọi là nhiễu lượng tử

Biên độ của tín hiệu nhiễu lượng tử sẽ nằm trong khoảng (-q/2,q/2) Do sai số lượng tử không biết trước nên việc mô tả sai số lượng tử mang tính thống kê Tổng quát, ta có thể xem e(n) là chuỗi các biến ngẫu nhiên trong đó:

+ Thống kê của e(n) không thay đổi theo thời gian (nhiễu lượng tử hóa là quá trình ngẫu nhiên dừng)

+ Nhiễu lượng tử e(n) là chuỗi các biến ngẫu nhiên không tương quan

+ Nhiễu lượng tử e(n) không tương quan với tín hiệu ngõ vào s(n)

+ Hàm mật độ xác suất của e(n) phân bố đều trên tầm các giá trị của sai số lượng

2

Đây là dạng mã đơn giản nhất, hai giá trị điện thế cùng dấu (đơn cực) biểu diễn hai trạng thái logic Loại mã này thường được dùng trong việc ghi dữ liệu lên băng từ, đĩa từ

- Nonreturn - to - zero inverted (NRZI)

0 = chuyển mức điện thế ở đầu bit

1 = không chuyển mức điện thế ở đầu bit

NRZI là một thí dụ của mã vi phân: sự mã hóa tùy vào sự thay đổi trạng thái của

các bit liên tiếp chứ không tùy thuộc vào bản thân bit đó Loại mã này có ưu điểm là

khi giải mã máy thu chỉ cần dò sự thay đổi trạng thái của tín hiệu thì có thể phục hồi

dữ liệu thay vì phải so sánh tín hiệu với một trị ngưỡng để xác định trạng thái logic của tín hiệu đó Kết quả là các loại mã vi phân cho độ tin cậy cao hơn

- Bipolar - AMI

0 = không tín hiệu (hiệu thế = 0)

1 = hiệu thế âm hoặc dương, luân phiên thay đổi với chuỗi bit 1 liên tiếp

- Pseudoternary

0 = hiệu thế âm hoặc dương, luân phiên thay đổi với chuỗi bit 0 liên tiếp

1 = không tín hiệu (hiệu thế = 0)

Hai loại mã có cùng tính chất là sử dụng nhiều mức điện thế để tạo mã (Multilevel Binary), cụ thể là 3 mức: âm, dương và không Lợi điểm của loại mã này là:

+ Dễ tạo đồng bộ ở máy thu do có sự thay đổi trạng thái của tín hiệu điện mặc dù các trạng thái logic không đổi (tuy nhiên điều này chỉ thực hiện đối với một loại bit, còn loại bit thứ hai sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật ngẫu nhiên hóa)

+ Có điều kiện tốt để dò sai do sự thay đổi mức điện thế của các bit liên tiếp giống nhau nên khi có nhiễu xâm nhập sẽ tạo ra một sự vi phạm mà máy thu có thể phát hiện dễ dàng

+ Một khuyết điểm của loại mã này là hiệu suất truyền tin kém do phải sử dụng

3 mức điện thế

- Manchester

“0” = Chuyển từ cao xuống thấp ở giữa bit

“1” = Chuyển từ thấp lên cao ở giữa bit

- Differential Manchester

Luôn có chuyển mức ở giữa bit

“0” = chuyển mức ở đầu bit

“1” = không chuyển mức ở đầu bit

Hai mã Manchester và Differential Manchester có cùng tính chất: mỗi bit được đặc trưng bởi hai pha điện thế (Biphase) nên luôn có sự thay đổi mức điện thế ở từng bit

do đó tạo điều kiện cho máy thu phục hồi xung đồng hồ để tạo đồng bộ Do có khả năng tự thực hiện đồng bộ nên loại mã này có tên Self Clocking Codes Mỗi bit được

mã bởi 2 pha điện thế nên vận tốc điều chế (Modulation rate) của loại mã này tăng gấp đôi so với các loại mã khác, cụ thể, giả sử thời gian của 1 bit là T thì vận tốc điều chế tối đa (ứng với chuỗi xung 1 hoặc 0 liên tiếp) là 2/T

Để khắc phục khuyết điểm của loại mã AMI là cho một mức điện thế không đổi khi có một chuỗi nhiều bit 0 liên tiếp, người ta dùng kỹ thuật ngẫu nhiên hóa Nguyên tắc của kỹ thuật này là tạo ra một sự thay đổi điện thế bằng cách thay thế một chuỗi bit

“0” bởi một chuỗi tín hiệu có mức điện thế thay đổi, dĩ nhiên sự thay thế này sẽ đưa đến các vi phạm luật biến đổi của bit 1, nhưng chính nhờ các bit vi phạm này mà máy thu nhận ra để có biện pháp giải mã thích hợp Dưới đây giới thiệu hai dạng mã đã được ngẫu nhiên hóa và được dùng rất nhiều trong các hệ thông tin với khoảng cách rất xa và vận tốc bit khá lớn

- B8ZS

Là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi 8 bit 0 liên tục được thay bởi một chuỗi 8 bit

có cả bit 0 và 1 với 2 mã vi phạm luật đảo bit 1

+ Nếu trước chuỗi 8 bit 0 là xung dương, các bit 0 này được thay thế bởi 000 + - 0

Là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi 4 bit 0 liên tục được thay bởi một chuỗi 4 bit

có cả bit 0 và 1 với 1 mã vi phạm luật đảo bit 1

Sự thay thế chuỗi 4 bít của mã HDB3 còn theo qui tắc sau:

Cực tính của xung trước đó Số bít 1 từ lần thay thế cuối cùng

- +

000- +00+

000+ -00-

Sự vi phạm luật đảo bit xảy ra ở bit thứ 4 trong chuỗi 4 bit

Ngoài ra hệ thống Telco còn có hai loại mã là B6ZS và B3ZS dựa theo qui luật sau:

- B6ZS

Thay chuỗi 6 bit 0 bởi 0 - + 0 + - hay 0 + - 0 - + sao cho sự vi phạm xảy ra ở bit thứ 2 và thứ 5

- B3ZS

Thay chuỗi 3 bit 0 bởi một trong các chuỗi: 00 +, 00 -, - 0 - hay + 0 +, tùy theo cực tính và số bit 1 trước đó (tương tự như HDB3)

Hình 1.6: Giản đồ các loại mã đường truyền

1.1.2 Các tham số băng tần cơ sở

Khi cần phân tích một tín hiệu băng tần cơ sở, người phân tích cần quan tâm tới các tham số sau:

- Dạng của xung

Là hình dạng của tín hiệu được tạo ra nhằm truyền tải các dữ liệu có mức logic “1”

và “0” Mỗi loại mã đường truyền sẽ có một dạng tín hiệu đặc trưng, có các yêu cầu tham số kỹ thụật đặc trưng riêng

- Phổ của tín hiệu băng tần cơ sở

Phổ của tín hiệu băng tần cơ sở là phổ mật độ công suất Dạng của phổ tín hiệu băng cơ sở thường có dạng là đường liên tục do tín hiệu băng tần cơ sở là tín hiệu rời rạc [3]

- Điện áp đỉnh của tín hiệu

Là điện áp cực đại của xung tín hiệu được phát ra và được thu lại tại điểm thu Giá trị điện áp đỉnh với mỗi loại xung được khuyến nghị trong tiêu chuẩm G.703 của ITU-

T [4]

- Sườn lên của xung

Là khoảng thời gian để tín hiệu chuyển từ dữ liệu có mức logic “0” tới mức lôgic

“1” Thông thường các mức tín hiệu “1” và “0” được quy định theo điện áp Khi điện

áp cao hơn giá trị điện áp mức cao thì xung dó được hiểu là tín hiệu mức logic “1” và ngược lại khi điện áp tín hiệu thấp hơn giá trị ngưỡng mức thấp thì đó là tín hiệu logic

“0”

- Sườn xuống của xung

Là khoảng thời gian để tín hiệu chuyển từ mức điện áp cao ứng với dữ liệu có mức logic “1” xuống mức mức điện áp thấp ứng với tín hiệu mức logic “0”

- Rung pha tín hiệu số

Là những biến đổi trong khoảng thời gian ngắn của tín hiệu số so với thời gian chuẩn của một xung Những biến đổi trong khoảng thời gian ngắn là những biến đổi

có tần số lớn hơn hoặc bằng 10 Hz (theo TCN68-171, [2])

- Trôi pha tín hiệu số

Là những biến đổi trong khoảng thời gian dài, mang tính chất tích lũy của tín hiệu

số so với tín hiệu chuẩn Những biến đổi trong khoảng thời gian dài đó là những biến đổi có tần số nhỏ hơn 10Hz [2]

- Lỗi bit

Là hiện tượng phía đầu thu thu được bit khác với bit tín hiệu được phát đi từ đầu phát Các nguyên nhân gây lỗi bit có thể là do suy hao tín hiệu khi truyền dẫn, làm cho công suất tín hiệu không đủ qua ngưỡng của bộ quyết định, hoặc do các bộ điều chế

và giải điều chế chạy sai làm cho tín hiệu thu và tín hiệu phát không mang cùng một thông tin [8]

- Giao diện vật lý

Là giao diện kết nối giữa các thiết bị, giữa các card, modul nhằm truyền tín hiệu từ trạm phát tới trạm thu Giao diện vật lý có thể là các giao diện: giao diện không cân bằng BNC 75 Ohm, giao diện cân bằng 120 Ohm, giao diện quang, …

Hình 1.7: Phổ công suất của một số loại mã đường

1.1.3 Phân tích dạng xung tín hiệu

Hình 1.8: Mặt nạ xung chuẩn tốc độ 2048kbit/s

Phần không gian nằm giữa hai đường biên trong và ngoài là phần giới hạn tin cậy của tín hiệu tại phía đầu thu Khi tín hiệu thu được có dạng xung nằm trọn trong khoảng giới hạn của hai biên thì tín hiệu đó mới đảm bảo cho các bộ quyết định biết được bit đó là “0” hay “1” Mặt khác, dạng xung còn là căn cứ để đánh giá chất lượng của một mạng truyền dẫn Căn cứ vào việc đối chiếu các tham số khi phân tích dạng xung với mặt nạ xung tiêu chuẩn người ta có thể đánh giá đạt/không đạt (pass/fail) cho một mạng truyền dẫn Mỗi tốc độ bit, mỗi loại mã đường truyền sẽ có một dạng xung

đặc trưng riêng Do đó, khi đánh giá chất lượng của mạng truyền dẫn cần phải chọn mặt nạ xung tiêu chuẩn phù hợp [3]

b, Nguyên lý đo dạng xung tín hiệu

Nguyên lý đo dạng xung dựa trên nguyên lý của dao động ký Khi tín hiệu đi qua

bộ phân tích, nhiều chu kỳ tín hiệu sẽ được chập lại để cho ra một dạng sóng đứng của tín hiệu, đó chính là hình dạng của xung

Để đo dạng xung của tín hiệu, thông thường ta sử dụng thiết bị hiện sóng (oscilloscope) Máy hiện sóng tín hiệu về cơ bản là một thiết bị hiển thị đồ thị được sử dụng để vẽ ra đồ thị của một tín hiệu Trong hầu hết các ứng dụng, đồ thị chỉ ra tín hiệu thay đối thế nào theo thời gian: trục dọc (Y) biểu diễn điện áp và trục ngang (X) biểu diễn thời gian Cường độ hay độ sáng của sự hiển thị đôi khi được gọi là trục (Z) Cấu tạo của một oscilloscope giống như một màn hình ti vi Một oscilloscope cũng gồm một đèn điện tử (Cathode Ray Tube), mặc dù kích thước và hình dạng khác nhau nhưng nguyên lí hoạt động thì giống nhau Bên trong ống là chân không Chùm điện

tử được phát ra từ cathode được làm nóng ở phía sau ống chân không được gia tốc và làm cho hội tụ bởi một hay nhiều anodes đập vào phía trước ống làm một điểm trên màn hình phủ photpho của ống phát sáng

Chùm điện tử được bẻ cong, được làm lệch nhờ điện áp đặt vào các bản cực cố đình trong ống chân không Các bản cực lái theo chiều ngang hay các bản cực X tạo ra chuyển động của chùm điện tử theo phương ngang Như sơ mô tả trong sơ đồ chức năng, chúng được liên kết với một khối hệ thống gọi là “chu kì cơ sở” Khối này tạo ra một sóng dạng răng cưa nhìn thấy được trên màn hình oscillocope Trong khi tăng pha của xung răng cưa, điểm sáng được điều khiển ở cùng tốc độ từ trái tới phải ra phía trước của màn hình Trong suốt quá trình giảm pha, chùm điện tử quay lại nhanh chóng từ trái qua phải và điểm trên màn hình được để trắng để không hiển thị lên màn hình Theo cách này, “chu kì cơ sở” tạo ra trục X của đồ thị tín hiệu trên màn hình của oscilloscope

Độ dốc của sự sai pha thay đổi theo tần số của xung răng cưa và được điều chỉnh sử dụng núm điêu khiển TIME/DIV để thay đổi thang đo của trục X Việc màn hình chia thành các ô vuông cho phép thang đo trục ngang có thể được biểu diễn theo giây, mili giây hay micro giây trên môt phép chia (đơn vị chia)

Hình 1.9: Sơ đồ cấu tạo máy hiện dao động (osilloscope)

Tín hiệu được hiển thị được kết nối với đầu vào Chuyển mạch DC/AC thường được giữ ở vị trí DC để có sự kết nối trực tiếp với bộ khuếch đại Y

Ở vị trí AC chuyển mạch mở một tụ điện được đặt ở đường dẫn tín hiệu ngăn cản tín hiệu một chiều qua nó nhưng lại cho phép tín hiệu xoay chiều đi qua

Bộ khuếch đại Y được nối vào các bản cực Y để mà tạo ra trục Y trên đồ thị của tín hiệu hiển thị trên màn hình của oscilloscope Bộ khuếch đại Y có thể được điều chỉnh thông qua núm điều chỉnh VOLTS/DIV để kết quả hiển thị hoặc quá bé hoặc quá lớn làm cho phù hợp với màn hình và có thể được nhìn thấy rõ ràng Thang đo thường sử dụng là V/DIV hay là mV/DIV

Mạch kích được sử đụng để làm trễ tín hiệu “chu kì cơ sở” để đồng bộ phần của tín hiệu ra hiển thị trên màn hình mỗi lần vết chuyển động qua Hiệu ứng này cho ta hình ảnh ổn định trên màn hình làm cho nó dễ dàng được đo và giải thích tín hiệu

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị hiện sóng tương tự và thiết bị hiện sóng số về cơ bản là giống nhau Nguyên lý hiện sóng là giống nhau Osilloscope số khác osilloscope tương tự là nó có thêm bộ xử lý tín hiệu số nên quá trình xử lý tín hiệu có phần phức tạp hơn

- Sơ đồ khối chức năng của một thiết bị hiện sóng số như sau:

Hình 1.10: Sơ đồ khối chức năng máy hiện sóng tín hiệu số

- Quá trình xử lý tín hiệu trong thiết bị hiện sóng như sau:

Khi nối đầu dò của máy oscilloscope số vào mạch điện; hệ thống dọc sẽ điều chỉnh biên độ của tín hiệu

Tiếp tới, bộ chuyển đổi tương tự/số trong hệ thống thu thập lấy mẫu tín hiệu ở các thời điểm rời rạc và chuyển đổi điện áp tín hiệu ở các điểm này thành giá trị số, gọi là các điểm lấy mẫu Xung lấy mẫu của hệ thống ngang quy định bộ ADC lấy mẫu bao nhiên lần Tốc độ mà ở đó xung “ticks” được gọi là tốc độ lấy mẫu và đươc đo bằng

số mẫu trên giây

Các điểm mẫu từ ADC được lưu trữ trong bộ nhớ như là các điểm dạng sóng Có nhiều hơn một điểm mẫu có thể cấu thành nên một điểm dạng sóng

Các điểm dạng sóng cấu thành nên một bản ghi dạng sóng Số điểm sóng được dùng để tạo nên một bản ghi dạng sóng được gọi là độ dài bản ghi Hệ thống kích khởi quy định điểm bắt đầu và điểm kết thúc bản ghi Màn hình nhận các điểm bản ghi này sau khi chúng được lưu trữ trong bộ nhớ

Tùy thuộc vào khả năng của máy oscilloscope, việc xử lý thêm các điểm mẫu có thể được tiến hành để làm nâng cao chất lượng hiển thị Bộ tiền kích khởi có thể hữu ích cho phép xem các sự kiện trước điểm kích

c, Các kết quả khi phân tích dạng xung

Phép phân tích dạng xung thông thường sẽ hiển thị cho biết các tham số như sau:

- Đánh giá chất lượng xung tín hiệu

Khi thực hiện đo dạng xung của một tín hiệu tức là mang so sánh tín hiệu cần đo kiểm với một tiêu chuẩn nào đó thì kết quả đầu tiên ta quan tâm là tín hiệu đó có đạt tiêu chuẩn hay không Nếu xung của tín hiệu nằm trọn giữa hai đường biên giới hạn của mặt nạ xung thì có nghĩa là xung của tín hiệu cần đo kiểm đạt các giá trị mà tiêu chuẩn đã khuyến nghị (khuyến nghị G.703 ITU-T) Trong trường hợp còn lại, khi xung tín hiệu có phần nằm ngoài hai đường giới hạn của mặt nạ xung tiêu chuẩn thì có nghĩa là xung tín hiệu chất lượng không tốt

- Hiển thị thời gian sườn lên và sườn xuống của xung tín hiệu

Cho biết thời gian kéo dài của sườn lên và sườn dưới của xung tín hiệu Theo lý thuyết thì mỗi bit thông tin được biểu diễn bằng một xung tín hiệu, đó là các xung vuông Tuy nhiên, vì môi trường truyền dẫn là không lý tưởng, cùng với các yếu tố gây nhiễu khác mà xung tín hiệu không còn là xung vuông mà có dạng xung như sau:

Hình 1.11: Dạng xung tín hiệu tại đầu thu

Khi xung tín hiệu thay đổi trạng thái ứng với các mức logic “1” và “0” thì gọi là sườn xung Phép phân tích dạng xung sẽ tham chiếu dạng xung tín hiệu cần đo kiểm với xung tiêu chuẩn tương ứng Nếu sườn của xung tín hiệu vẫn nằm trọn trong hai đường giới hạn tiêu chuẩn thì có thể kết luận xung đó đạt tiêu chuẩn

- Biên độ đỉnh của xung

Là điện áp cao nhất ứng với trạng thái logic “1” của tín hiệu Mỗi loại mã đường truyền khác nhau thì có mức điện áp danh định khác nhau

- Độ rộng xung tín hiệu

Cho biết độ rộng của xung tín hiệu tại điểm có điện áp bằng ½ điện áp đỉnh danh định

- Phần trăm diện tích xung vượt ngưỡng định mức

Cho biết tỉ lệ phần trăm diện tích xung có biên độ vượt ra khỏi ngưỡng danh định của từng loại xung Bao gồm phần trăm diện tích nằm cao hơn ngưỡng (overshoot) và phần trăm xung nằm thấp hơn ngưỡng (undershoot) Khái niệm “overshoot” là chỉ phần diện tích xung nằm ngoài giá trị danh định, undershoot là phần diện tích chưa chạm tới ngưỡng danh định Giả sử với xung tín hiệu HDB3 có biên độ trên danh định

là 2.73V thì phần diện tích cao hơn 2.73V là “overshoot”

1.1.4 Phân tích mẫu mắt

a, Định nghĩa mẫu mắt

Tín hiệu băng gốc khôi phục lại ở đầu thu nếu được đưa vào một máy hiện sóng có tốc độ quét ngang đúng bằng tốc độ symbol thì các xung băng gốc sẽ đứng lại trên màn hình, chồng lên nhau và có dạng của một mắt người nên gọi là mẫu mắt (eye pattern)

Ở đầu ra phần băng gốc của hệ thống (sau lọc thu băng gốc, trước lấy mẫu quyết định bít truyền là “1” hay “0”), các hệ thống luôn có một điểm đo, từ đó dẫn tín hiệu vào một oscilloscope Nếu tần số quét của oscilloscope bằng với tốc độ bít (hay symbol nếu là tín hiệu nhiều mức) của tín hiệu thì trên màn hiển thị của oscilloscope, các tín hiệu sẽ đứng "dừng" lại, trùng lên nhau Nếu xem tín hiệu mức dương là mí mắt bên trên, tín hiệu mức âm là mí mắt bên dưới, ta sẽ được một ảnh như một mắt người mở Mẫu mắt với vô số tín hiệu đi vào oscilloscope thì chồng lên nhau và cho phép chúng ta nói về mức độ méo của tín hiệu và độ dự trữ tạp âm

Gọi giá trị đỉnh dương của tín hiệu không méo lý tưởng là 1 còn giá trị đỉnh âm của tín hiệu không méo lý tưởng là -1 thì độ mở mẫu mắt (eye opening) lý tưởng sẽ là (2/2)x100% = 100%, trong trường hợp thực tế thì độ mở mẫu mắt sẽ là khoảng trắng lớn nhất giữa các đường cong tín hiệu âm và dương, chia 2 và tính theo phần trăm Mẫu mắt càng mở (số % càng lớn) thì chất lượng tín hiệu càng tốt Ngược với “mắt mở” được gọi là “mắt đóng”

Mẫu mắt được gọi là còn mở nếu độ “mở mắt” (eye opening) còn lớn hơn 0 Mẫu mắt được gọi là đóng nếu độ mở của mắt bằng 0, khi đó dự trữ tạp âm bằng 0 Khi mẫu mắt nhỏ hơn một giá trị ngưỡng dưới (thí dụ: độ mở < 20-30%, tùy theo hệ thống

có mã chống nhiễu hay không, tín hiệu nhị phân hay nhiều mức ) thì hệ thống sẽ mất dịch vụ Mẫu mắt được xem là bình thường, chấp nhận được nếu độ mở > 50%, trong thực tế thì còn yêu cầu lớn hơn nữa, thí dụ độ mở > 75-80% [5]

b, Nguyên lý phân tích mẫu mắt

Nguyên lý phân tích mẫu mắt xung tín hiệu được dựa trên cơ sở của nguyên lý máy hiện sóng Trong máy dao động ký, có một bộ

c, Kết quả phân tích mẫu mắt

Thông thường, khi phân tích một kết quả của đo mẫu mắt sẽ cho biết về các tham

số sau [5, 6]:

 Biên độ mẫu mắt

 Biên độ mở của mắt

 Phần trăm mở của mẫu mắt

 Chiều cao đỉnh mẫu mắt

 Tỉ số lỗi bít BER (Bit Error Ratio)

 Chỉ số chất lượng Q của tín hiệu

 Rung pha của tín hiệu (Jitter)

 Độ mở ngang của mắt tín hiệu

Kết quả của hiển thị của thiết bị phân tích mẫu mắt tín hiệu hiển thị như hình vẽ:

Hình 1.12: Kết quả của phép phân tích mẫu mắt tín hiệu

Theo kết quả hiển thị của thiết bị đo phân tích mẫu mắt tín hiệu ta có thể phân tích được các tham số về tín hiệu như sau:

- Độ rộng mắt

Là khoảng thời gian mà tín hiệu thu được lấy mẫu không xảy ra lỗi Trên đồ thị đó

là khoảng cách trong lòng mẫu mắt

Hình 1.13: Độ rộng mắt truyền dẫn

Giá trị tính của độ rộng mắt được tính như sau:

Độ rộng mắt = Tcắt 2 -3độ dịch cắt 2 –T cắt 1 -3độ dịch cắt 1 (1-5)

trong đó:

+ Độ dịch cắt 1: khoảng thời gian xê dịch khỏi Tcắt 1

+ Độ dịch cắt 2: khoảng thời gian xê dịch khỏi Tcắt 2

- Chiều cao mắt

Được tính toán như sau:

Biên độ mắt = Pđỉnh -3độ dịch đỉnh + -Pnền -3độ dịch nền (1-6) trong đó:

+ Pđỉnh là đỉnh trội nhất trong biểu đồ của tín hiệu mức cao,

+ Pnền là đỉnh trội nhất trong biểu đồ của tín hiệu mức thấp,

+ Độ dịch đỉnh là khoảng dịch trung bình của mức tín hiệu cao,

+ Độ dịch nền là khoảng dịch trung bình của mức tín hiệu thấp

Công thức tính chiều cao mắt tín hiệu có thể được tính theo mức của các bít “1” và mức của bít “0” như sau:

Chiều cao mắt tín hiệu = mức “1” -3 độ dịch mức “1” + mức “0” -3 độ dịch mức “0”

trong đó:

+ Mức “1” là giá trị trung bình của mức tín hiệu cao tương đương mức logic “1”, + Độ dịch mức “1’ là khoảng dung sai của mức tín hiệu cao ứng với mức logic

“1”,

+ Mức “0” là giá trị trung bình của mức tín hiệu thấp ứng với mức logic “0”,

+ Độ dịch mức “0’ là khoảng dung sai của mức tín hiệu thấp ứng với mức logic

“0”

- Biên độ mắt tín hiệu

Đó là giá trị sai khác nhau giữa mức logic “1” và mức logic “0” Đó là khoảng công suất mang thông tin không bao gồm nhiễu của tín hiệu Công thức xác định như sau:

Biên độ mắt = mức “1” – mức “0” (1-7) trong đó:

+ Mức “1” là giá trị trung bình của mức tín hiệu logic “1”,

+ Mức “0” là giá trị trung bình của mức tín hiệu logic “0”

- Độ nhạy của hệ thống với định thời lỗi

Độ nhạy của hệ thống khi định thời lỗi hiển thị tỉ lệ đóng của mắt Đó chính là sườn lên của tín hiệu mức cao

- Khoảng lấy tức thời tốt nhất

Là thời điểm chiều cao của mắt tín hiệu cao nhất, đây là thời điểm tốt nhất để thiết

bị quyết định tín hiệu thu được là mức “1” hay mức “0”

+ Pđỉnh: là đỉnh cao nhất trong biểu đồ mắt tương ứng với mức tín hiệu logic “1”,

- Rung pha

Là những biến đổi trong khoảng thời gian ngắn của tín hiệu số so với đồng hồ đồng bộ tiêu chuẩn Hay nói các khác đó là sự chênh lệch đo được giữa tín hiệu thu

được và tín hiệu lý tưởng Biến đổi ngắn hạn là những biến đổi có tần số biến đổi lớn hơn hoặc bằng 10Hz

danhdinh muc

uc trungbinhm uc

Hình 1.14: Kết quả hiển thị độ mở mắt tín hiệu

Trong hình 1.14 minh họa độ mở của mắt tín hiệu là vùng nằm trong đường bao bởi các dạng xung của tín hiệu Một tín hiệu có độ mở càng lớn thì sự khác biệt giữa các mức “1” và mức “0” càng lớn, chất lượng tín hiệu càng tốt

- Hệ số chất lượng xung Q

Hệ số chất lượng xung là đại lượng đánh giá chất lượng của xung tín hiệu sau khi truyền đi trên mạng truyền dẫn Đối với bất kỳ mạng truyền tin nào, chỉ số Q càng lớn tức là mức tin cậy của tín hiệu truyền đi càng cao Công thức xác định hệ số Q được xác định như sau:

Q =

danhdinh muc

danhdinh muc

uc trungbinhm uc

Hình 1.15: Mẫu mắt tín hiệu và các giá trị mức “1”, “0”

- Tỉ số lỗi bit BER

Là tỉ số giữa số bít lỗi và tổng số bít đã phát đi Các bít lỗi ở đây là các bit “1” nhưng bộ quyết định của thiết bị thu lại quy định là bit “0” hoặc ngược lại Công thức xác định BER được xách định như sau:

 (0/1) (1/0)

2

1

P P

2

Q

Q BER

- Độ rung pha của tín hiệu

Là sự sai lệch về thời của tín hiệu tại điểm đường nằm ngang nằm cách đều ngưỡng giới hạn trên và giới hạn dưới Rung pha là sự sai lệch của tín hiệu định thời trong một khoảng thời gian ngắn với sự dịch chuyển tần số lớn hơn 10Hz

Hình 1.16: Kết quả minh họa rung pha tín hiệu

Trên kết quả minh họa, độ rung pha của tín hiệu được đo là khoảng rộng của điểm cắt trên đường nằm ngang

1.2 Phân tích vector tín hiệu điều chế số

1.2.1 Cơ bản về điều chế tín hiệu số

a, Định nghĩa điều chế số

Điều chế (hay biến điệu) là quá trình chuyển đổi phổ tần của tín hiệu cần truyền đến một vùng phổ tần khác bằng cách dùng một sóng mang để chuyên chở tín hiệu cần truyền đi Mục đích của việc làm này là chọn một phổ tần thích hợp cho việc truyền thông tin, với các tần số sóng mang khác nhau người ta có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng phổ tần trên các kênh truyền khác nhau của cùng một đường truyền Một cách tổng quát, phương pháp điều chế là dùng tín hiệu cần truyền làm thay đổi một thông số nào đó của sóng mang (biên độ, tần số, pha ) Tùy theo thông số được lựa chọn mà ta có các phương pháp điều chế khác nhau như khóa dịch chuyển biên độ

ASK, khóa dịch chuyển tần số FSK, khóa dịch chuyển pha PSK, điều chế biên độ trực giao QAM, điều chế MSK [3, 13]

b, Các phương pháp điều chế tín hiệu số

Hiện tại, các công nghệ điều chế số được dùng phổ biến là:

- Điều chế và giải điều chế khóa dịch chuyển biên độ ASK

Phương pháp điều chế ASK là sử dụng sóng mang hình sin có hai giá trị biên độ xác định bởi tín hiệu dữ liệu nhị phân Thông thường, bộ điều chế truyền đi sóng mang khi có bít dữ liệu là “1” và hoàn toàn triệt tiêu (không truyền sóng mang) khi bít

dữ liệu là “0” Ngày nay cũng phát triển một số kỹ thuật điều biên đa mức, tức là giá trị của biện được truyền đi không phải là hai giá trị nữa mà là nhiều hơn hai mức giá trị biên độ

Trong điều chế biên độ hai mức, biên độ sóng mang bị thay đổi tỉ lệ với tín hiệu điều chế (tín hiệu băng gốc) Tín hiệu băng gốc là tín hiệu đóng mở s(t) Khi đó biên

độ của tín hiệu sóng mang cosωct thay đổi tỉ lệ với tín hiệu dữ liệu s(t), kết quả là ta

có sóng mang đã điều chế y(t) = (t/T)acosωct Tín hiệu này vẫn là tín hiệu đóng mở,

do đó được gọi là khoá đóng mở hay khoá dịch biên độ Với tín hiệu lối vào là phân cực dạng NRZ (non-return to zero), lối ra bị đảo cực –cosωct khi tín hiệu xung ở mức thấp “0” và cosωct khi tín hiệu xung ở mức cao “1” Tín hiệu điều chế thu được bị đảo pha và được gọi là ASK đảo pha hay khoá đảo pha (PSK) [3]

y(t) = A.cos(2πft +θ) khi bit dữ liệu là “1”

y(t) = 0 khi bit dữ liệu là “0”

Sơ đồ khối và dạng tín hiệu trong bộ điều chế ASK:

Hình 1.17: Sơ đồ khối điều chế ASK

Dạng của tín hiệu sau khi điều chế như sau:

Dữ liệu

Sóng mang x(t)= cosωct

ASK y(t)

Hình 1.18: Dạng tín hiệu khi điều chế khóa dịch biên độ ASK

Để giải điều chế ASK ta có thể sử dụng hai phương pháp là giải điều chế kết hợp

và giải điều chế không kết hợp Phương pháp giải điều chế kết hợp có nguyên lý hoạt động phức tạp hơn nhưng lại có ưu điểm về chống ảnh hưởng của nhiễu với tín hiệu Phương pháp giải điều chế không kết hợp sử dụng các bộ quyết định để tách hình bao của sóng mang

Giải điều chế tín hiệu ASK có thể là kết hợp hoặc không kết hợp Với phương pháp giải điều chế kết hợp, mạch phức tạp hơn nhưng chống ảnh hưởng của nhiễu hiệu quả hơn Trong giải điều chế không kết hợp, hình bao của tín hiệu ASK được tách sóng bằng điốt Trong cả hai trường hợp, bộ tách sóng kèm theo một mạch lọc thông thấp để lấy đi thành phần sóng mang còn dư và một bộ tạo dạng tín hiệu

Hình 1.19a: Sơ đồ khối giải điều chế không kết hợp tín hiệu ASK

Hình 1.19b: Sơ đồ khối giải điều chế kết hợp tín hiệu ASK

Các tính chất chủ yếu của ASK là:

+ Dùng chủ yếu trong điện tín vô tuyến

Phát lại sóng mang

+ Yêu cầu mạch đơn giản

+ Khá nhạy với nhiễu (xác suất sai số rất lớn)

+ Nếu Fb là tốc độ truyền bít, phổ cực tiểu Bw của tín hiệu bị điều chế lớn hơn Fb + Hiệu suất truyền được xác định bởi tỉ số giữa Fb và Bw bé hơn 1

+ Baud hay tốc độ Baud được định nghĩa như tốc độ điều chế bằng tốc độ truyền

Fb

- Điều chế và giải điều chế khóa dịch tần FSK

Trong dạng điều chế này, sóng mang hình sin nhận 2 giá trị tần số, xác định bởi tín hiệu dữ liệu cơ số 2 [3]

Nguyên tắc điều chế FSK:

Giả sử có sóng mang:

x(t) = a.cos[ωct + φ(t)] = a.cos[θ(t)] với θ(t) = ωct + φ(t) (1-13)

Ta giữ nguyên biên độ, pha và chỉ thay đổi tần số:

ωi = dθ’(t)/dt = ωc + dφ(t)/dt (1-14) trong đó:

Khi đó:

y(t) = a.cos(ωct ± kft) = a.cos(ωc ± kf)t (1-17)

Tần số ứng với một bít nào đó:

- Đối với bít “0” tần số sóng mang là f1, ta có ω1 = ωc - ∆ω

- Đối với bít “1” tần sồ sóng mang là f2, ta có ω2 = ωc + ∆ω

Độ rộng băng khi điều chế FSK được tính là:

Bw = F1 + 2π/Tp – (F2 - 2π/Tp) = F1 – F2 +2π/Tp = 2π(∆F + 1/Tp) (1-18) trong đó:

+ Bw là độ rộng băng tần,

+ Tp là độ rộng xung

Độ rộng băng tần khi điều chế FSK phụ thuộc vào độ dịch tần ∆F, tức là khoảng cách giữa hai tần số F1 và F2 và độ rộng bít số liệu Tp

Hình 1.20: Sơ đồ khối điều chế FSK

Mạch phổ biến nhất của bộ giải điều chế các tín hiệu FSK là vòng khoá pha (PLL) Tín hiệu FSK ở lối vào của vòng khoá pha lấy hai giá trị tần số Điện thế lệch một chiều ở lối ra của bộ so pha theo dõi những sự dịch chuyển tần số này và cho ta hai mức (mức cao và mức thấp) của tín hiệu lối vào FSK

Bộ giải điều chế PLL được kèm theo một mạch lọc thông thấp để lấy đi những thành phần còn dư của sóng mang và một mạch tạo lại dạng xung để tạo để khôi phục dạng xung chính xác nhất cho tín hiệu điều chế [3]

Hình 1.21: Sơ đồ khối giải điều chế FSK

Những tính chất chủ yếu của FSK:

+ Chủ yếu dùng trong modem truyền dữ liệu và trong truyền vô tuyến số,

+ Đòi hỏi độ phức tạp của mạch ở mức trung bình,

+ Ít lỗi hơn ASK,

+ Nếu Fb là tốc độ truyền bít, phổ cực tiểu Bw của tín hiệu bị điều chế là cao hơn Fb, + Hiệu suất truyền là tỉ số giữa Fb và Bw, bé hơn 1,

+ Baud hay tốc độ Baud là tốc độ điều chế, bằng tốc độ truyền Fb

- Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha PSK

Loại điều chế này được gọi là pha chia 2 hay PSK cơ số 2 (BPSK) hay khoá ngược pha (PSK) Sóng mang hình sin lấy hai giá trị pha được xác định bởi tín hiệu dữ liệu

cơ số 2 Kỹ thuật điều chế này dùng bộ điều chế vòng cân bằng Dạng sóng hình sin lối ra của bộ điều chế là cùng pha hay ngược pha (có nghĩa là lệch pha 1800) với tín hiệu lối vào, là hàm số của tín hiệu dữ liệu

Khi truyền thông tin, các bít tín hiệu cần truyền là “0” và “1”, mỗi bít ứng với một trạng thái pha của sóng mang và lệch pha giữa hai bít phải đạt cực đại Nghĩa là:

- Đối với bít “0” thì tương ứng với góc pha sóng mang là 0

- Đối với bít “1” thì tương ứng với góc pha sóng mang là π

Biểu thức toán học của sóng mang bây giờ là:

U0(t) = Um.cos(ω0t + 0 + φ0)

U1(t) = Um.cos(ω0t + π + φ0)

Hình 1.22: Sơ đồ khối giải điều chế FSK

Tín hiệu vào ở dạng mã RZ đơn cực, trước khi đưa tới đầu vào của bộ trộn M thì

nó được đưa qua bộ chuyển đổi sang mã lưỡng cực (mức -1 ứng với bít “0” và mức +1 ứng với bít “1”) Mã lưỡng cực có hai mức điện áp là dương và âm sẽ tạo ra hai trạng thái pha cho dao động sóng mang 00

và 1800 Ở đầu ra bộ trộn ta được sóng mang đã điều chế 2PSK

Nhìn vào dạng sóng mang 2PSK ta thấy, điều chế pha 2PSK có góc lệch pha giữa hai bít là 1800 Ứng với thời điểm chuyển đổi pha luôn có sự chuyển đổi biên độ trong một thời gian ngắn hay dài Điều biên sinh ra khi thực hiện điều chế pha gọi là điều biên ký sinh

- Điều chế và giải điều chế biên độ cầu phương QAM

Điều chế QAM là phương pháp biến đổi cả về pha và biên độ của tín hiệu sóng mang Mỗi tổ hợp pha và biên độ tạo thành một trạng thái, một số trạng thái khác nhau được biết đến như là các trạng thái: 8, 16, 32, 64 và 256 Nghĩa là việc tạo và xác định các symbol khó khăn hơn một tín hiệu đơn pha hay một đơn biên Tại mỗi thời điểm

số trạng thái trên symbol tăng sẽ làm toàn bộ dữ liệu và dải thông tăng Lược đồ điều chế chiếm băng thông như vậy (sau khi lọc) sẽ có hiệu quả thay đổi ít nhất (theo lý thuyết) [3]

• Giản đồ chòm sao của QAM:

Giản đồ chòm sao miêu tả bằng đồ thị chất lượng và sự méo của một tín hiệu số Trong thực tế, điều này luôn có một tổ hợp lỗi điều chế có thể gây khó khăn cho việc tách và nhận biết nếu cần đánh giá giản đồ chòm sao theo phương pháp toán học và thống kê Các hình sau sẽ cung cấp các ứng dụng và giải thích thông tin của giản đồ chòm sao của tín hiệu điều chế

Hình 1.23: Giản đồ chòm sao với tín hiệu 2, 4, 16 và 256-QAM

Biên độ mô tả sự khác nhau về hệ số khuếch đại của thành phần I và Q của một tín hiệu Trong một giản đồ chòm sao, sự không cân bằng biên độ được thể hiện bằng một thành phần tín hiệu mở rộng ra và tín hiệu khác bị nén lại Lỗi pha là sự khác nhau giữa góc pha của thành phần I và Q so với 90 độ Một lỗi pha tạo ra do nguyên nhân là

sự dịch pha của điều chế I/Q Thành phần I và Q trong hoàn cảnh này không trực giao nhau sau khi giải điều chế

Nhiễu được hiểu là tín hiệu giả sin được tìm thấy trong dãy tần số truyền đi và thêm vào trên tín hiệu QAM tại một vài điểm trong đường truyền Sau khi giải điều chế, nhiễu chứa trong băng cơ sở của tín hiệu giả sin tần số thấp Tần số của các tín hiệu này phù hợp với sự khác nhau giữa tần số của nhiễu sin gốc và tần số sóng mang trong băng RF

Trong giản đồ chòm sao, nhiễu biểu hiện trong dạng của một sự xoay vòng con trỏ chồng lên nhau tại mỗi trạng thái tín hiệu Điều này không áp dụng các điều kiện lỗi xảy ra cùng một thời điểm Giản đồ chòm sao biểu hiện hướng đi của con trỏ như là một vòng tròn với mỗi trạng thái tín hiệu lý tưởng Sự triệt sóng mang hoặc dò kênh là một loại đặc biệt của nhiễu trong đó tần số của nó bằng tần số sóng mang trong kênh

RF Dò sóng mang có thể được thêm vào trên tín hiệu QAM trong điều chế I/Q Nhiễu Gausse cộng có thể làm nhiễu tín hiệu điều chế số trong suốt quá trình truyền tương

tự, cho ví dụ trong kênh tương tự Nhiễu chồng cộng thường có mật độ công suất xác

định và phân bố biên độ Gauss trên băng thông của kênh Nếu tại cùng một thời gian không có nhiễu khác, trạng thái tín hiệu lý tưởng trình bày là hình đám mây vòng tròn Rung pha hoặc ồn pha trong tín hiệu QAM do hệ thống nhận và phát tín hiệu lại trong hướng truyền hoặc bởi bộ điều chế I/Q Nó có thể xuất hiện khi khôi phục hoặc loại bỏ sóng mang tại đây Khác với sự miêu tả lỗi pha, rung pha là một lượng có thể thống kê được đó là hiệu ứng ngang nhau của I và Q Trong giản đồ chòm sao, rung pha thể hiện bởi các trạng thái tín hiệu bị dịch đi so với tín hiệu gốc

Một tín hiệu điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrture-Amplitude-Modulated signal) sử dụng hai sóng mang vuông góc là cos2πƒct và sin2πƒct, mỗi sóng mang được điều chế bởi một chuỗi độc lập các bít thông tin Các sóng tín hiệu được truyền

đi có dạng:

um(t) = AmcgT (t) cos2πƒct + AmsgT (t) sin2πƒct với m=1,2, ,M (1-19) Trong đó {Amc} và {Ams} là các tập các mức biên độ nhận được bằng cách ánh xạ các chuỗi k bít thành các biên độ tín hiệu Ví dụ, một giản đồ chòm sao tín hiệu 16-QAM nhận được bằng cách điều chế biên độ từng sóng mang bằng 4-QAM Nói chung, các giản đồ hình sao tín hiệu hình vuông được sinh ra khi từng sóng mang trong hai sóng mang được điều chế bởi PAM

Tổng quát hơn, QAM có thể được xem như một dạng hỗn hợp của điều chế biên

độ số và điều chế pha số Như thế, các dạng sóng tín hiệu QAM được truyền có thể biểu diễn theo:

umn(t) = AmcgT (t) cos(2πƒct+θn) trong đó m=1,2, ,M1, n=1,2, ,M1 (1-20)

Hình 1.24: Sơ đồ khối chức năng bộ điều chế QAM

Giả sử rằng một lượng dịch pha sóng mang được đưa vào trong quá trình truyền dẫn tín hiệu qua kênh Thêm vào đó, tín hiệu thu được bị nhiễu loạn bởi tạp âm cộng Gauss Vì vậy, r(t) có thể được biểu diễn theo:

R(t) = AmcgT (t) cos(2πƒct + Φ) + AmsgT (t) sin(2πƒct + Φ) +n(t) (1-21) Trong đó Φ là lượng dịch pha của sóng mang và n(t) = nc(t) cos2πƒct – ns sin2πƒct

Tín hiệu thu được có tính tương quan với hai hàm cơ sở trực giao đã được dịch pha

ψ1(t) = gT (t) cos(2πƒct + Φ)

ψ2(t) = gT (t) sin(2πƒct + Φ) (1-22) Như được minh hoạ trên hình 1.25, còn các bộ tương quan được lấy mẫu rồi được đưa tới bộ tách tín hiệu Mạch vòng khoá pha (PLL) trên hình 1.25 ước lượng lượng dịch pha sóng mang Φ của tín hiệu thu được và bù lượng dịch pha này bằng cách dịch pha ψ(t) và ψ(t) Đồng hồ trên minh họa được giả thiết là đồng bộ với tín hiệu thu được sao cho các lối ra của các bộ tương quan được lấy mẫu tại các thời điểm lấy mẫu chính xác Với các điều kiện này, các lối ra từ hai bộ tương quan là:

rc = Amc + nccosΦ - nssinΦ

rs = Amc + nc sinΦ - nscosΦ (1-23) Trong đó

dt t g t n

T c

T s

Hình 1.25: Sơ đồ khối chức năng bộ giải điêu chế QAM

- Đặc điểm của điều chế QAM:

Tín hiệu QAM là sự kết hợp của điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK, do

đó nó mang các đặc điểm của ASK và PSK Ngoài ra nó còn mang một số đặc điểm khác do sự kết hợp này

Khi tín hiệu sóng mang có các giá trị biên độ và pha là hằng số bất kỳ thì phổ tần

số của sóng mang cũng không thay đổi Như vậy, để có thể truyền dữ liệu có tốc độ bít cao hơn qua một kênh cho trước, ta có thể sử dụng các loại điều chế ASK hoặc PSK Đây là ưu điểm của điều chế ASK và PSK so với FSK vì trong FSK muốn truyền dữ liệu có tốc độ bít cao hơn thì cần tăng độ rộng phổ của kênh truyền Hiệu suất sử dụng phổ của điều chế QAM là cao hơn điều chế FSK

Số mức biên độ hoặc pha của sóng mang trong điều chế ASK hay PSK càng lớn thì cho phép mang nhiều thông tin hơn, nhưng số lượng này bị giới hạn do nhiễu kênh truyền Số mức càng tăng kéo theo độ phức tạp trong mạch điều chế và giải điều chế cũng tăng Với điều chế n-PSK sóng mang truyền đồng thời n bít thông tin Số lượng pha cần có là 2n, n tăng làm cho độ lệch giữa hai pha kế tiếp là ∆φ = 2π/2n

giảm rất nhanh, do đó rất dễ bị nhiễu tác động làm lỗi bít

Điều chế 8PSK cũng đáp ứng khả năng truyền bằng điều chế QAM, nhưng tín hiệu QAM có xác suất lỗi bít ít hơn tín hiệu 8PSK, do trong tín hiệu QAM chỉ sử dụng điều chế 4PSK cần 4 giá trị pha so với điều chế 8PSK cần sử dụng 8 mức pha khác nhau

Vì vậy, xác suất lỗi của 4PSK chỉ bằng 50% xác suất lỗi của tín hiệu 8PSK Biên độ của sóng mang trong điều chế QAM có 2 mức, do đó có thể đặt độ chênh lệch các giá trị biên độ đủ lớn để có thể kháng nhiễu

1.2.2 Nguyên lý phân tích vector tín hiệu điều chế

a, Định nghĩa

Phân tích vector tín hiệu điều chế là một kỹ thuật đo kiểm đánh giá chất lượng của các bộ điều chế và giải điều chế [12,13]

b, Nguyên lý phân tích

Sơ đồ khối của nguyên lý máy đo phân tích vector tín hiệu được mô tả như sau:

Hình 1.26: Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động thiết bị phân tích vector tín hiệu số

Sơ đồ khối chức năng của các thiết bị phân tích vector tín hiệu điều chế thông thường gồm có các khối sau:

1 Khối thích ứng tín hiệu

2 Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC

3 Khối tách tín hiệu cầu phương I/Q

4 Bộ lọc số và lấy mẫu

5 Khối giải điều chế

6 Khối phát xung quét tín hiệu

7 Khối hiển thị kết quả

- Khối thích ứng tín hiệu

Nhiệm vụ của khối thích ứng tín hiệu là điều chỉnh lại tín hiệu bao gồm:

+ Loại bỏ thành phần DC: chức năng này được thực hiện nhờ một bộ chia AC/DC + Điều chỉnh công suất tín hiệu: chức năng này được thực hiện nhờ bộ biến thiên công suất tín hiệu đầu vào Với tín hiệu có công suất vào quá lớn thì thiết bị sẽ tự động tăng suy hao, hoặc ngược lại khi công suất tín hiệu quá thấp thì bộ khuếch đại sẽ khuếch đại công suất tín hiệu tới giá trị cần thiết

+ Chuyển đổi tần số từ tần số RF xuống dải tần IF

+ Lọc loại chồng ký hiệu: theo nguyên lý lấy mẫu khi tần số lấy mẫu fs đảm bảo lớn hơn hai lần tần số lớn nhất fmax của tín hiệu đầu vào thì khi tái tạo tín hiệu sẽ khôi phục lại được đúng dạng tín hiệu đưa vào

bỏ chồng phổ có các bộ lọc thông thấp để loại bỏ hết các thành phần tần số falias cao hơn ngưỡng tần số đã đặt fmax

Hình 1.27: Sự chồng phổ các kí hiệu

Các thiết bị đo kiểm thường có tần số lấy mẫu lớn hơn tàn 2.fmax khoảng 50% Trên màn hình hiển thị sẽ không hiển thị phần giá trị này nhưng trong các phép tính IFFT phần giá trị này được đưa vào tính toán nhằm loại bỏ chồng phổ