ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG hệ THỐNG THÔNG TIN số sử DỤNG PHẦN mềm MATLAB

Như chúng ta đã biết, xu thế chung của viễn thông toàn cầu là sự thay thế toàn bộ hệ thống thông tin tương tự bằng hệ thống thông tin số. Vì vậy, việc nghiên cứu các hệ thống thông tin số nói chung đã trở thành nội dung quan trọng trong chương trình đào tạo đối với sinh viên đang theo học ngành Điện tửViễn thông. Và có rất nhiều tài liệu đề cập về những vấn đề liên, điều đó giúp chúng ta nắm bắt được từng phần kiến thức và hình thành nên một cái nhìn tổng quan, từ đó chúng ta có thể đi sâu nghiên cứu một vấn đề cụ thể, làm tăng tính chuyên môn của mình. Là não bộ của hệ thống, điều chế và giải điều chế được hầu hết các giáo trình thông tin số dành một thời lượng khá lớn, phản ánh mức độ ưu tiên cao của khối này trong toàn bộ hệ thống. Tuy nhiên, ở phần lớn các giáo trình, lý thuyết căn bản vẫn được chú trọng hơn. Dù rằng chuyển biến mới trong kế hoạch giáo dục đào tạo của nước ta trong những năm gần đây cho thấy những cố gắng cải thiện nhằm nâng cao sự tìm tòi, sáng tạo của sinh viên, lôi cuốn sinh viên học tập bằng chính niềm đam mê của mình, cập nhập với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ mới. Với xu hướng đó, tôi lựa chọn đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn số thông qua mô phỏng MonteCarlo ”, mô phỏng MonteCarlo là một ứng dụng nằm trong chương trình phần mềm Matlab, ứng dụng này làm công cụ khai thác thay thế các hệ thống thực, cho phép người học có cái nhìn trực quan, sâu hơn về những vấn đề kỹ thuật phức tạp. Hy vọng tính chuyên biệt của tài liệu, kết hợp dùng sự hỗ trợ của máy tính trong việc nghiên cứu lý thuyết căn bản nói trên sẽ nâng cao hiệu quả tiếp thu cho bản thân tôi và sinh viên khóa sau lượng kiến thức quan trọng này.

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 7

1.1 Tổng quan 7

1.1.1 Lịch sử phát triển của thông tin điện tử 8

1.1.2 Thông tin tương tự và thông tin số 9

1.1.3 Truyền tin số 10

1.1.4 Kênh truyền tin 12

1.2 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin số 15

1.3 Các tham số đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống thông tin số 19

CHƯƠNG 2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỬ DỤNG TRONG TRUYỀN DẪN SỐ 22

2.1 Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thông dải thông qua điều chế sóng mang 22

2.2 Các khuôn dạng điều chế số 23

2.3 Điều chế biên độ sóng mang 26

2.3.1 Khóa dịch tần số ASK 27

2.3.2 Giải điều chế và tách tín hiệu ASK 30

2.4 Điều chế pha sóng mang PSK 37

2.4.1 Khóa dịch pha PSK 37

2.4.2 Khóa dịch pha vuông góc QPSK 41

2.4.3 Giải điều chế PSK 43

2.5 Điều chế biên độ vuông góc QAM 46

2.5.1 Điều chế 16-QAM 48

2.5.2 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM 52

2.5.3 Xác suất lỗi đối với QAM trong một kênh AWGN 53

2.6 Điều chế tần số sóng mang 55

2.6.1 Khóa dịch pha tần số FSK 55

2.6.2 Giải điều chế và tách tín hiệu FSK 58

2.6.3 Xác suất lỗi đối với tách không kết hợp tín hiệu FSK 62

DỤNG PHẦN MỀM MATLAB 64

3.1 Vai trò của mô phỏng 64

3.2 Mô phỏng Monte-Carlo trong thông tin số 65

3.3 Đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn số 66

3.3.1 Các tham số đánh giá chất lượng của hệ thống 66

3.3.2 Mô phỏng Monte-Carlo một số hệ thống vô tuyến điển hình qua kênh AWGN .66

3.3.2.1 Kênh tạp âm AWGN 66

3.3.2.2 Đánh giá lỗi bít của hệ thống QPSK 69

3.3.2.3 Đánh giá chất lượng hệ thống QAM 75

3.3.2.4 Đánh giá chất lượng hệ thống FSK 80

3.3.3 Kết luận 86

3.3.4 Mô phỏng Monte-Carlo các hệ thống truyền dẫn qua kênh pha-đinh 88

3.3.4.1 Kênh pha-đinh 88

3.3.4.2 Mô phỏng hệ thống truyền dẫn QPSK qua kênh pha-đinh Rayleigh 91

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 101

KẾT LUẬN CHUNG103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin nói chung 7

Hình 1.2 Kênh thông tin số gồm nhiều trạm lặp 10

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống truyền tin số 15

Hình 2.1 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu được truyền đi 26

Hình 2.2 Sơ đồ và dạng sóng tín hiệu điều chế ASK 27

Hình 2.3 Phổ của tín hiệu băng gốc (a) và phổ của tín hiệu đã điều chế (b) 29

Hình 2.4 Biểu đồ sao tín hiệu (Constellation) ASK 30

Hình 2.5 Giải điều chế và tách tín hiệu ASK 32

Hình 2.6 Các biểu đồ sao tín hiệu PSK 39

Hình 2.7 Sơ đồ điều chế và dạng sóng tín hiệu BPSK 40

Hình 2.8 Sơ đồ điều chế và dạng sóng tín hiệu QPSK 42

Hình 2.9 Sơ đồ khối giải điều chế tín hiệu M-PSK 43

Hình 2.10 Sơ đồ giải điều chế QPSK 45

Hình 2.11 Biểu đồ sao tín hiệu QAM 47

Hình 2.12 Sơ đồ khối chức năng một bộ điều chế QAM 48

Hình 2.13 Dạng tín hiệu điều chế 8QAM 48

Hình 2.14 Sơ đồ điều chế 16-QAM 49

Hình 2.15 Biểu đồ sao tín hiệu 16-QAM 50

Hình 2.16 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM 52

Hình 2.17 Tín hiệu điều chế FSK 58

Hình 2.18 Giải điều chế kết hợp về pha đối với các tín hiệu FSK M mức 59

Hình 2.19 Giải điều chế FSK M mức đối với tách tín hiệu không kết hợp 61

Hình 3.1 Biểu diễn phương pháp mô phỏng Monte-Carlo 65

Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng Monte-Carlo của hệ thống QPSK 69

Hình 3.3 m.file DieucheQPSK viết cho mô phỏng Monte-Carlo 71

Hình 3.4a mfile Tinh_loiQPSK 72

Hình 3.4b mfile Tinh_loiQPSK 73

Hình 3.6 BER tại các giá trị khác nhau của SNR của hệ thống QPSK 74

Hình 3.7 Chất lượng hoạt động của hệ thống QPSK 75

Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng Monte-Carlo của hệ thống QAM 76

Hình 3.9 mfile Dieuche16QAM 77

Hình 3.10a mfile Tinh_loi16QAM 78

Hình 3.10b mfile Tinh_loi16QAM 79

Hình 3.11 BER tại các giá trị khác nhau của SNR của hệ thống 16QAM 80

Hình 3.12 Chất lượng hệ thống 16QAM 80

Hình 3.13 Sơ đồ mô phỏng Monte-Carlo của hệ thống 2-FSK 82

Hình 3.14 mfile Dieuche2FSK 83

Hình 3.15b mfile Tinh_loi2FSK 84

Hình 3.16 Tỷ lệ lỗi bít tại các giá trị khác nhau của SNR 85

Hình 3.17 Chất lượng hệ thống FSK nhị phân 86

Hình 3.18 Mô hình truyền sóng đa đường 89

Hình 3.19 Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn QPSK qua kênh pha-đinh Rayleigh sử dụng tách tín hiệu đồng bộ 91

Hình 3.20a mfile mô phỏng hệ thống QPSK qua kênh pha-đinh Rayleigh 92

Hình 3.20b mfile mô phỏng hệ thống QPSK qua kênh pha-đinh Rayleigh 93

Hình 3.20c mfile mô phỏng hệ thống QPSK qua kênh pha-đinh Rayleigh 94

Hình 3.20d mfile mô phỏng hệ thống QPSK qua kênh pha-đinh Rayleigh 95

Hình 3.21 QPSK constellation 95

Hình 3.22 Symbols QPSK 96 Hình 3.23a Đường bao tín hiệu qua tạp âm AWGN 96

Hình 3.23b Đường bao tín hiệu qua kênh pha-đinh Rayleigh 97

Hình 3.24a Tín hiệu đầu vào 97

Hình 3.24b Tín hiệu điều chế QPSK qua kênh AWGN 98

Hình 3.24c Tín hiệu điều chế QPSK qua kênh pha-đinh Rayleigh 98

Hình 3.25 Chất lượng hoạt động của hệ thống QPSK 99

LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đã biết, xu thế chung của viễn thông toàn cầu là sự thay thế toàn

bộ hệ thống thông tin tương tự bằng hệ thống thông tin số Vì vậy, việc nghiên cứu các

hệ thống thông tin số nói chung đã trở thành nội dung quan trọng trong chương trìnhđào tạo đối với sinh viên đang theo học ngành Điện tử-Viễn thông Và có rất nhiều tàiliệu đề cập về những vấn đề liên, điều đó giúp chúng ta nắm bắt được từng phần kiếnthức và hình thành nên một cái nhìn tổng quan, từ đó chúng ta có thể đi sâu nghiên cứumột vấn đề cụ thể, làm tăng tính chuyên môn của mình

Là não bộ của hệ thống, điều chế và giải điều chế được hầu hết các giáo trình

thông tin số dành một thời lượng khá lớn, phản ánh mức độ ưu tiên cao của khối nàytrong toàn bộ hệ thống Tuy nhiên, ở phần lớn các giáo trình, lý thuyết căn bản vẫnđược chú trọng hơn Dù rằng chuyển biến mới trong kế hoạch giáo dục đào tạo củanước ta trong những năm gần đây cho thấy những cố gắng cải thiện nhằm nâng cao sựtìm tòi, sáng tạo của sinh viên, lôi cuốn sinh viên học tập bằng chính niềm đam mê củamình, cập nhập với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ mới Với xu hướng đó,

tôi lựa chọn đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn

số thông qua mô phỏng Monte-Carlo ”, mô phỏng Monte-Carlo là một ứng dụng nằm

trong chương trình phần mềm Matlab, ứng dụng này làm công cụ khai thác thay thếcác hệ thống thực, cho phép người học có cái nhìn trực quan, sâu hơn về những vấn đề

kỹ thuật phức tạp Hy vọng tính chuyên biệt của tài liệu, kết hợp dùng sự hỗ trợ củamáy tính trong việc nghiên cứu lý thuyết căn bản nói trên sẽ nâng cao hiệu quả tiếp thucho bản thân tôi và sinh viên khóa sau lượng kiến thức quan trọng này

Bố cục của đề tài gồm ba chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin số

Chương 2: Các phương pháp điều chế sử dụng trong truyền dẫn số

Chương 3: Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số thông qua mô phỏng

Monte-Carlo

Chương 1 sẽ giới thiệu về cấu trúc của một hệ thống thông tin số điển hình.Chương 2 là phần lý thuyết cơ bản về các phương pháp điều chế số, làm nền tảng để đivào chương 3- đánh giá một cách trực quan chất lượng truyền dẫn của các hệ thống số

Để hoàn thành đồ án này, ngoài nỗ lực của bản thân, yêu cầu về thời gian vànăng lực là cần thiết Bước đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, chắc chắnkhông tránh khỏi những thiếu sót Tôi kính mong nhận được ý kiến đóng góp của cácthầy cô giáo, các anh chị và các bạn sinh viên để bổ sung kiến thức cho mình.

Xin trân trọng cảm ơn giảng viên Kỹ sư.Nguyễn Thị Kim Thu đã giới thiệu,

cung cấp tài liệu, tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành tốt đồ án này

Xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ, trường Đại học Vinh đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và hoàn thành

chương trình đào tạo

Xin chân trọng cảm ơn!

Vinh, tháng 05 năm 2009

Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

1.1 Tổng quan

Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền đưa tin tức từ nơi này đến nơikhác Tin tức được truyền đưa từ nguồn tin (là nơi sinh ra tin tức) tới bộ nhận tin (làđích mà tin tức cần chuyển tới) dưới dạng các văn bản Bản tin là dạng hình thức chứađựng một lượng thông tin nào đó Các bản tin được tạo ra từ nguồn có thể ở dạng liêntục hay rời rạc, tương ứng chúng ta có nguồn tin liên tục hay rời rạc Đối với nguồn tinliên tục, tập các bản tin là một tập vô hạn, còn đối với nguồn tin rời rạc tập các bản tin

có thể có là một tập hữu hạn

Biểu diễn vật lý của một bản tin gọi là tín hiệu Có nhiều loại tín hiệu khác nhautùy theo đại lượng vật lý được sử dụng để biểu diễn tín hiệu, như cường độ dòng điện,điện áp, cường độ ánh sáng Tùy theo dạng của các tín hiệu được sử dụng để truyền

tải tin tức trong các hệ thống truyền tin là các tín hiệu tương tự (analog) hay tín hiệu số (digital) và tương ứng sẽ có các hệ thống thông tin tương tự hay hệ thống thông tin số.

Hình vẽ sau đây trình bày sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin nói chung

Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin nói chung

Thông tin vào được nhập vào hệ thống thông qua thiết bị vào, sau đó chúngđược đưa tới thiết bị phát để tạo thành tín hiệu phát thích hợp với môi trường truyền.Như vậy trong sơ đồ hình 1.1, thông tin được hiểu là nội dung cần trao đổi, còn bản tin

là phương tiện để biểu diễn, mô tả thông tin ở một dạng thích hợp cho việc trao đổi, xử

lý, cảm nhận bởi con người hay máy móc

Do ảnh hưởng của môi trường truyền như nhiễu tạp, suy hao nên ở đầu thu tanhân được tín hiệu thu có thể khác biệt so với tín hiệu phát Sau khi được giải điều chế

ở thiết bị thu, dữ liệu hay tín hiệu ra sẽ được đưa tới thiết bị ra để lấy ra thông tin cóích

1.1.1 Lịch sử phát triển của thông tin điện tử

Trong suốt lịch sử phát triển của loại người việc phát minh ra ngôn ngữ là cuộccách mạng truyền thông lớn nhất Sau đó ít lâu việc phát minh ra tín hiệu băng lửa cókhả năng truyền đạt thông tin và nhanh chóng đến vùng xa

Cuộc phát minh lớn nhất nữa là con người biết được làm thế nào để ghi lại suynghĩ và tư tưởng của mình bằng cách dùng chữ viết Với khả năng này con người cóthể truyền thông tin mà không bị giới hạn bởi không gian và thời gian Đồng thời đã

đưa ra các dịch vụ đưa thư và điện báo Bảng 1.1 giới thiệu về các sự kiện quan trọng

trong lịch sử phát triển của thông tin điện tử

Bảng 1.1 Các sự kiện quan trọng trong lịch sử của thông tin điện tử

thông tin

1897 Chuyển mạch trao đổi tự động theo từng nấc Stronger

1905 Giới thiệu về điện thoại không dây Fessenden Tương tự

1907 Truyền thanh vô tuyến dạng chuẩn đầu tiên USA Tương tự

1918 Phát minh ra máy thu vô tuyến đổi tần Amstrong Tương tự

1928 Giới thiệu các dạng truyền hình điện tử Farnsworth Tương tự

1934 Giới thiệu ra-đa (vô tuyến định vị) Kuhnold

1939 Thương mại hóa dịch vụ truyền hình quảng bá BBC Tương tự

1948 Lý thuyết toán học cho thông tin Shannon

Năm Sự kiện Xuất xứ

thông tin

1981 Giới thiệu truyền hình độ phân giải cao NHK, Nhật Bản Số

1.1.2 Thông tin tương tự và thông tin số

Tín hiệu tương tự là tín hiệu có thể nhận vô số giá trị, có thời gian tồn tại khôngxác định cụ thể, phụ thuộc vào thời gian tồn tại của bản tin do nguồn tin sinh ra Tín

hiệu analog có thể là tín hiệu liên tục hay rời rạc tùy theo tín hiệu là một hàm liên tục

hay rời rạc của biến thời gian Thí dụ: tín hiệu điện thoại ở lối ra của micro là tín hiệutương tự liên tục, tín hiệu điều chế xung PAM của chính tín hiệu lối ra micro nói trên làtín hiệu analog rời rạc

Tín hiệu số là tín hiệu được biểu diễn bằng các con số (các ký hiệu - gọi là các

symbol) Tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn (M) các giá trị và có thời gian tồn tại xác

định, thường là một hằng số ký hiệu là Ts

So với các hệ thống thông tin tương tự, các hệ thống thông tin số có một số ưuđiểm cơ bản sau:

- Do có khả năng tái sinh tín hiệu theo ngưỡng qua sau từng cự ly nhất địnhnên tạp âm tích lũy có thể loại trừ được, tức là các tín hiệu số khỏe hơn đốivới tạp âm so với tín hiệu tương tự

Tái sinh là quá trình trong đó một tín hiệu bị méo và suy hao được tái tạolại thành biên độ và dạng sóng như ban đầu.Quá trình được thể hiện qua bộlặp số

Hình 1.2 Kênh thông tin số gồm nhiều trạm lặp

- Do sử dụng tín hiệu số, tương thích với các hệ thống điều khiển và xử lýhiện đại, nên có khả năng khai thác, quản trị và bảo trì một cách tự độngcao độ

- Tín hiệu số có thể sử dụng được để truyền đưa khá dễ dàng một loại bảntin, rời rạc hay liên tục, tạo tiền đề cho việc hợp nhất các mạng thông tintruyền đưa các loại dịch vụ hay số liệu thành một mạng duy nhất

Nhược điểm căn bản của hệ thống thông tin số so với hệ thống thông tin tương

tự trước là phổ chiếm của tín hiệu số khi truyền các bản tin liên tục tương đối lớn so

với phổ của tín hiệu analog Tuy nhiên trong tương lai khi các kỹ thuật số hóa tín hiệu

liên tục tiên tiến hơn được áp dụng thì phổ của tìn hiệu số có thể so sánh được với phổcủa tìn hiệu liên tục

1.1.3 Truyền tin số

Truyền tin số có nhiều ưu điểm hơn kỹ thuật tương tự, trong đó chỉ sử dung

một số hữu hạn dạng sóng (ký hiệu truyền tách biệt nhau) để truyền tin Mỗi dạng

sóng truyền trong một khoảng thời gian xác định gọi là chu kỳ ký hiệu và là đại diện

truyền của một dữ liệu tin (hay một tổ hợp bit) còn gọi là báo hiệu (Signalings) Kỹ

bộ lặp

số nhiễu méoméo bộ lặp số nhiễu méo

không đủ mạnh sẽ không thể làm méo dạng sóng này thành dạng sóng kia, gây nênnhầm lẫn ở nơi thu), song đòi hỏi bản tin nguồn cũng phải được số hóa (biểu diễnchỉ bằng một số hữu hạn ký hiệu) Ví dụ văn bản tiếng Việt dùng 24 chữ cái, bộ đếmdùng 10 số, bản nhạc dùng 7 nốt và vài ký hiệu bổ sung…

Việc số hóa một bản tin tương tự phải trả giá bằng một sai số nào đó ( Gọi là

sai số lượng tử, tuy nhiên sai số này lại có thể điều khiển được) So sánh với kỹ thuật

truyền tin tương tự, ở đó bản tin không mắc sai số khi số hóa, song do dùng vô sốdạng sóng (tín hiệu liên tục) trên đường truyền nên can nhiễu sẽ làm thay đổi dạng

sóng, gây nên sai số khi quyết định tại nơi thu mà ở góc độ nào đó khó điều khiển

được Ngoài ra, việc số hóa kỹ thuật truyền tin còn tạo nên những tiêu chuẩn có thể

thay đổi linh hoạt bằng chương trình phần mềm và tạo ra những dịch vụ chưa từng

có trong truyền tin tương tự Nói như vậy ta cũng không quên rằng, kỹ thuật truyềntin tương tự đã có những đỉnh cao vĩ đại như tạo ra truyền hình màu hay điều khiểnđưa người lên mặt trăng và hiện nay trong một số kỹ thuật điều khiển tốc độ cựcnhanh vẫn dùng đến kỹ thuật tương tự

Khi vận dụng lý thuyết thông tin vào kỹ thuật truyền tin số thường có nhữngvấn đề sau đây đặt ra:

- Bản tin phải được biểu diễn (mã nguồn) với một số it ký hiệu nhất, theo

mã nhị phân thì tức là cần ít bit nhất Lý thuyết thông tin cho một giới hạn

dưới về số bít tối thiểu cần để biểu diễn Tức là nếu ít hơn số bít tối thiểu

không thể biểu diễn đầy đủ bản tin (làm méo bản tin)

- Khi truyền tin mã nguồn cần được bổ sung thêm các bit (dư thừa), màđiều này làm tăng tốc độ bit, để có thể giảm được lỗi truyền bản tin (gọi là

kỹ thuật mã kênh điều khiển lỗi), song có một giới hạn trên về tốc độ

truyền mà vượt qua nó không thể điều khiển lỗi được, đó là dung năng kênh

qui định bởi độ rộng băng tần kênh truyền và tỷ số tín hiệu /tạp âm

C =B log 1 S2( + N) (bit/s) (1.1)Trong đó: B là độ rông băng tần kênh truyền

SNR là tỷ số công suất tín hiệu trên công suất ồn

Công thức (1.1) cho thấy có sự chuyển đổi giữa B và SNR Đồng thời cả 3 yếu

tố: công suất, độ rộng băng tần và ồn kênh cùng tham gia qui định mức độ “nhanh”của truyền tin Công suất phát tin càng lớn, thì càng truyền tin đi xa Băng tần truyềndẫn càng rộng thì tốc độ thông tin càng nhanh và cuối cùng càng ít can nhiễu càng ítlỗi truyền tin xảy ra

Đây là công thức rất điển hình (do Shannon tổng kết từ năm 1948) đặc trưngcho một hệ thống truyền tin số

1.1.4 Kênh truyền tin

Kênh truyền tin ta nói đến ở đây là môi trường vật lý để truyền sóng điện từmang tin, là vấn đề trung tâm của một hệ truyền tin Nó xác định dung lượng truyềnthông tin của hệ cũng như chất lượng dịch vụ truyền tin

Có 6 loại kênh tiêu biểu trên thực tế: Đường điện thoại – Cáp đồng trục –Sợi quang – Kênh viba – Kênh vô tuyến di động – Kênh vệ tinh

1 ) Đường điện thoại: Là đường truyền tín hiệu điện, tuyến tính, băng giới

hạn, thích hợp cho truyền tiếng nói băng cơ sở hoặc thông dải (độ rộng từ

300-3100Hz) có tỷ số tín hiệu/ ồn cao ~30dB Kênh truyền này có đáp ứng

độ lớn theo tần số bằng phẳng, không chú ý đến đáp pha theo tần số (dotai người không nhạy với trễ pha), song khi truyền ảnh hay dữ liệu thìphải chú ý đến điều này và cần dùng bộ cân bằng thích nghi kết hợpphương pháp điều chế có hiệu suất phổ cao

2 ) Cáp đồng trục: Có sợi dẫn ở trung tâm cách điện với vỏ xung quanh; vỏ cũng là vật liệu dẫn điện Cáp đồng trục có 2 ưu điểm lớn là độ rộng băng

tần lớn và chống được can nhiễu từ bên ngoài Song cáp đồng trục cần

những bộ phát lặp gần nhau vì suy giảm nhanh (Ở tốc độ khoảng274Mb/s thì khoảng cách phát lặp là 1km)

3 ) Sợi quang: Gồm lõi là thủy tinh, lớp vỏ xung quanh cũng là thủy tinh

đồng tâm có hệ số phản xạ nhỏ hơn 1 chút Tính chất cơ bản của sợiquang là khi tia sáng đi từ môi trường có hệ số phản xạ cao sang môitrường có hệ số phản xạ thấp thì sẽ bị uốn về phía môi trường hệ số phản

Sợi quang là vật liệu cách điện, chỉ truyền dẫn ánh sáng Dùng tần

số mang ánh sáng cỡ 2x1014 Hz sẽ cho độ rộng băng tần cỡ 10%=2x1013

Hz Mất mát trong sợi quang nhỏ: 0.2dB/km và không chịu ảnh hưởngcủa giao thoa sóng điện từ ( vì có bản chất ống dẫn tĩnh điện)

4 ) Kênh vi ba: Hoạt động ở dải tần 1-30GHz cho 2 anten nhìn thấy nhau.

Anten phải đặt trên tháp đủ cao, điều kiện kênh có thể coi là tĩnh, kênhtruyền này tin cậy Tuy nhiên khi điều kiện khí tượng thay đổi có thể làmgiảm cấp chất lượng đường truyền

5 ) Kênh di động: Đây là kênh kết nối với người dùng di động Kênh có tính chất tuyến tính thay đổi theo thời gian cùng hiệu ứng đa đường gây nên

sự đồng pha, hoặc ngược pha của các tín hiệu thành phần làm tín hiệu

tổng cộng thăng giáng (pading) Đây là loại kênh phức tạp nhất trong

truyền thông vô tuyến

6 ) Kênh vệ tinh: Đô cao vệ tinh địa tĩnh 22 300 dặm (30 nghìn Km) Tần số

thường dùng cho phát lên là 6GHZ và cho phát xuống là 4 GHZ Độ rộngbăng tần của kênh truyền lớn cỡ 500MHz chia thành các dải do 12 bộ phátđáp trong vệ tinh đảm nhiệm, mỗi bộ phát đáp dùng 36MHz truyền được

ít nhất một chương trình truyền hình màu, 1200 mạch thoại, tốc độ dữliệu it nhất 50Mbit

• Ngoài cách phân loại cụ thể trên có thể phân loại kênh truyền theo tínhchất như sau:

Kênh tuyến tính hay phi tuyến : Kênh điện thoại là tuyến tính trong khikênh vệ tinh thường là phi tuyến (nhưng không phải luôn luôn như vậy)Kênh bất biến hay thay đổi theo thời gian : Sợi quang bất biến trong khikênh di động là thay đổi theo thời gian

Kênh băng tần giới hạn hay công suất giới hạn: Đường điện thoại làkênh băng tần giới hạn trong khi cáp quang và vệ tinh là công suất giớihạn

1.2 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin số

Trong thực tế có rất nhiều loại hệ thống thông tin số khác nhau, phân biệt theotần số công tác, môi trường truyền dẫn …Tùy theo loại hệ thống thông tin số thực tế,hàng loạt các chức năng xử lý tín hiệu số khác nhau có thể được sử dụng nhằm truyềnđưa các tín hiệu số một cách có hiệu quả Các chức năng xử lý tín hiệu như thế được

mô tả bởi các khối trong sơ đồ khối hệ thống Mỗi một khối mô tả một thuật toán xử lý

tín hiệu Sơ đồ khối tiêu biểu của một hệ thống thông tin số được mô tả trên hình 1.3,

trong đó thể hiện tất cả các chức năng xử lý tín hiệu chính nhất có thể có của hệ thốngthông tin số hiện nay

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống truyền tin số

Chức năng các thành phần và các khối trong hệ thống:

1 Nguồn tin

Nguồn tin là nơi sản sinh ra tin:

- Nếu tin tức là hữu hạn thì nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn rời rạc

- Nếu tin tức là vô hạn thì nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn liên tục

Ví dụ: thoại, audio, video, dữ liệu …

2 Máy phát

- Là thiết bị biến đổi tin tức thành tập tín hiệu tương ứng

- Chuyển phổ tìn hiệu từ trung tần lên cao tần

- Lọc để loại bỏ nhiễu

- Khuếch đại tín hiệu để bù trừ suy hao

- Bức xạ tín hiệu vào môi trường truyền

3 Đường truyền tin

Là môi trường vật lý, trong đó tín hiệu truyền đi từ máy phát sang máy thu Trênđường truyền có những tác động làm mất năng lượng, thông tin của tín hiệu

- Ghi giữ tin (ví dụ như bộ nhớ máy tính, băng ghi âm, ghi hình…)

- Biếu thị tin: làm cho các giác quan của con người hoặc các bộ cảm biến củamáy thu cảm thụ được để xử lý tin (ví dụ băng ghi âm, chữ số, hình ảnh…)

- Xử lý tin: biến đổi tin để đưa nó về dạng dễ sử dụng Chức năng này có thểđược thực hiện bởi con người hoặc máy

6 Kênh truyền tin

Là tập hợp các thiết bị kỹ thuật phục vụ cho việc truyền tin từ nguồn đến nơi

nhận tin (mục 1.1.4).

7 Nhiễu

Là mọi yếu tố ngẫu nhiên có ảnh hưởng xấu đến việc thu tin Những yếu tố nàytác động xấu đến tin truyền đi từ bên phát đến bên thu

8 Định dạng số: thực hiện biến đổi tin tức cần truyền thể hiện ở dạng tín hiệu liên

tục hay số thành chuỗi các bít nhị phân

9 Mã hóa nguồn và giải mã nguồn

Tin tức có thể được đưa trực tiếp vào kênh để truyền đi, nhưng trong thực

tế, tin này thường được biến đổi rồi đưa vào kênh truyền Ví dụ như tin là văn

bản tiếng Anh, nguồn tin có khoảng 40 ký tự (symbol) khác nhau, gồm các mẫu

tự alphabet, con số, dấu chấm câu Về nguyên tắc ta có thể dùng 40 dạng sóngđiện áp khác nhau để biểu thị 40 ký tự này Tuy nhiên, phương pháp này quákhó thực hiện hay thậm chí không thể được, vì:

1- Kênh truyền không phù hợp về mặt vật lý để có thể mang nhiều ký tự

khác nhau như vậy

2- Dải tần đòi hỏi sẽ rất rộng

3- Việc lưu trữ hay xử lý tín hiệu trước khi truyền rất khó, trong khi nếu

chuyển sang nhị phân thì mọi việc sẽ dễ dàng hơn nhiều

Vậy ta thấy cần phải thay đổi dạng của tin khác đi so với dạng ban đầu

do nguồn cung cấp Công việc thay đổi dạng này được gọi là mã hóa

12 Ghép kênh và phân kênh: tập hợp các tín hiệu từ băng gốc số và phân chia tín

hiệu số từ tín hiệu băng gốc số Thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tinkhác nhau tới các đích nhận tin khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn

Có hai kỹ thuật ghép kênh chính:FDM, TDM

13 Điều chế và giải điều chế (thường gọi là MODEM): tác động lên các dòng xung

nhị phân để thông tin nó mang có thể truyền qua một thiết bị vật lý nào đó, ởmột tốc độ nào đó, với một độ méo có thể chấp nhận, trong dải tần xác định hayđược phân bổ

Bộ điều chế có thể thay đổi các mức điện áp riêng lẻ, các bit, sửa dạng xungtín hiệu hay lọc để giới hạn đọ rộng dải thông và cần thay đổi phù hợp với băngtần cho phép Vì vậy đầu vào của bộ điều chế là tín hiệu số ở dải gốc trong khiđầu ra thường là dạng sóng thông dải

Bộ giải điều chế bên thu chuyển đổi từ dạng sóng thu được thành tín hiệu ởdải gốc

* Đặc điểm của hệ thống thông tin trải phổ:

- Phổ rộng

- Độ bảo mật thông tin cao, có khả năng chống nhiễu

- Cho phép chống padinh đa đường rất tốt

15 Đa truy nhập: cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập mạng thông tin để sửdụng hệ thống truyền dẫn theo nhu cầu

16 Lọc để hạn phổ: loại bỏ năng lượng thấp để chống nhiễu cho hệ thống bên cạnh

và lọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gây bởi đường truyền

• Trộn để đưa tín hiệu lên tần số công tác

• Khuếch đại công suất để bù đắp tổn hao của môi trường

• Bức xạ ra môi trường

17 Đồng bộ: bao gồm đồng bộ nhịp và đồng bộ pha sóng mang đối với các hệ

thống thông tin liên kết (coherent).

Các khối tương ứng ở phía thu thực hiện ngược lại các khối ở phía phát

Đối với hệ thống thông tin số thì MODEM đóng vai trò như một bộ não của con

người Các khối chức năng còn lại không phải là bắt buộc đối với mọi hệ thống thôngtin

1.3 Các tham số đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống thông tin số

Trong viễn thông, khi truyền thông tin theo phương pháp điện có hai hạn chế:hạn chế về mặt dải thông và hạn chế về tạp âm Phải có một dải thông đủ rộng đểtruyền được thông tin trong thời gian ngắn, đặc biệt là các hệ thống thông tin trong thờigian thực Tuy nhiên nếu dải thông quá lớn sẽ gây lãng phí băng tần mà băng tần làmột nguồn tài nguyên quý giá và vô hạn Mặt khác các yếu tố cơ bản tác động tới quátrình truyền dẫn tín hiệu số trên các loại kênh truyền dẫn (bao gồm cả máy thu phát đầu

cuối và môi trường truyền) là luôn xảy ra như: xuyên nhiễu giữa các dấu (ISI), méo tín

hiệu, sai pha đồng hồ, sai pha sóng mang, can nhiễu, hiệu ứng poppler do các máy đầucuối thu, phát di động so với nhau và sự biến đổi theo thời gian của kênh truyền, nhiễukênh lân cận…

Đối với hệ thống thông tin số, chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống là xác

suất lỗi bit (BER) và Jitter (rung pha hay trôi pha).Tùy thuộc và từng loại hình dịch vụ

mà các hệ thống viba có những đòi hỏi khác nhau về BER và Jitter

BER (Bit Error Ratio) thường được hiểu là tỷ lệ giữa số bit nhận bị lỗi trên tổng

số bít đã truyền trong một khoang thời gian quan sát nào đó Khi thời gian quan sát tiếnđến vô hạn thì tỷ lệ này tiến đến xác suất lỗi bít

Trong thực tế, thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỷ lệ lỗi bit chỉ gần bằng với

xác suất lỗi bit, tuy nhiên trong nhiều trường hợp thực tế người ta cũng xem BER là

xác suất lỗi bit Trong nhiều trường hợp, ứng với các loại dịch vụ nhất định, các tham

số phát sinh về độ chính xác truyền tin thường được xét đến là các giây bị lỗi trầm

trọng (SES: Severely Errored Seconds), các giây bị lỗi (ES: Errored Seconds), các phút suy giảm chất lượng (DM: Degraded Minutes)…Trong một số hệ thống thông tin

số sử dụng các biện pháp mã hóa hiệu quả tiếng nói như đối với điện thoại di động, thì

độ chính xác truyền tin cũng được thể hiện qua tham số chất lượng tiếng nói xét vềkhía cạnh chất lượng dịch vụ

Khả năng truyền tin nhanh chóng của một hệ thống thông tin số thường đượcđánh giá qua dung lượng tổng cộng B của hệ thống, là tốc độ truyền thông tin ( đơn vị

b/s) tổng cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đã cho Dung lượng của hệ thống

tùy thuộc vào băng tần truyền dẫn của hệ thống, sơ đồ điều chế số, mức độ tạp nhiễu…

Đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện tại, các tín hiệu số nhận giá trị trongmột tập hữu hạn các giá trị có thể có và có thời gian tồn tại hữu hạn Khi tập các giá trị

có thể có của tín hiệu gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống được gọi là nhị phân và tínhiệu khi đó được gọi là bit Khi số giá trị có thể có của tín hiệu là M (M ≠ 2) thì hệ

thống được gọi là hệ thống M mức và tín hiệu được gọi là ký hiệu (symbol).

Gọi giá trị của symbol thứ k là D k và thời gian tồn tại của nó là T k

(đối với các hệ thống thông thường hiện nay T k = T = const với mọi k).

Ở đầu thu tín hiệu khôi phục lại là D∧k và có độ rộng là T∧k

Nếu D∧k ≠ D k thì tín hiệu thứ k được gọi là bị lỗi

Nếu T∧k ≠ T k thì tín hiệu thứ k được gọi là có Jitter

Đối với hệ thống nhị phân, BER được định nghĩa là:

BER = P{ D∧k ≠ D k } với P{ } là xác suất (1.2)Khi T∧k =T + δT thì δ được gọi là Jitter tình theo phần trăm. (1.3)

Trong trường hợp hệ thống truyền dẫn nhiều mức thì P{ D∧k ≠ D k } được gọi là tỷ

lệ lỗi symbol (SER: Symbol-Error Ratio)

+ Đối với các hệ thống truyền tín hiệu thoại, yêu cầu BER < 10-6 và do thoại ítnhạy với Jitter nên có thể cho phép Jitter khá cao

+ Đối với tín hiệu truyền hình, nếu sử dụng điều xung mã thường PCM thì BER

đòi hỏi cũng như tín hiệu thoại song cần lưu ý tốc độ của truyền hình là khá cao Khi

sử dụng ADPCM (Adaptive Differential Pulse Coded dulation: điều chế xung mã vi sai

tự thích nghi) để truyền tín hiệu truyền hình thì yêu cầu BER < 10-9, thậm chí yêu cầu

BER < 10-12 Nói chung các tín hiệu truyền hình rất nhạy cảm với Jitter

+ Đối với truyền số liệu thì BER từ 10-11 ÷ 10-13

Khi BER >10-3 thì hệ thống được xem như là gián đoạn vì khi đó ngay cả khi

dịch vụ telex là loại dịch vụ cho phép chất lượng truyền dẫn tồi nhất cũng không thể truyền được Jitter được xem là lớn nếu lớn hơn 0.05T (giá trị đỉnh đỉnh – peak to

để đánh chất lượng của hệ thống

CHƯƠNG 2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỬ DỤNG

Ví dụ tín hiệu ở lối ra của máy tính có thể coi là tín hiệu số băng cơ sở

Để truyền dẫn, tín hiệu bản tin phải được chuyển thành tín hiệu phát có tínhchất phù hợp với kênh truyền

Trong truyền dẫn băng cơ sở: băng tần kênh hỗ trợ phù hợp với băng tần tínhiệu bản tin, nên có thể truyền trực tiếp tín hiệu bản tin

Trong truyền dẫn băng thông dải: băng tần của kênh có tần số trung tâm lớnhơn nhiều tấn số cao nhất của tín hiệu bản tin Khi đó tín hiệu được phát đi là tín hiệubăng thông dải (phù hợp với kênh truyền) mang thông tin của tín hiệu bản tin Việc tạo

ra tín hiệu băng thông dải gọi là điều chế

Sóng mang với tần số thích hợp có thể truyền đi xa trong môi trường truyền dẫn(như dây đồng, cáp đồng trục, khoảng không…) Dựa trên việc biến đổi các tham sốcủa sóng mang (biên độ,tần số hay pha) mà thông tin có thể truyền đi xa theo yêu cầu

truyền tin gọi là kỹ thuật điều chế sóng mang Sau khi điều chế tín hiệu tin tức ở vùng

tần số thấp sẽ được truyền lên vùng tần số cao để truyền đi xa Hình vẽ sau sẽ minhhọa cho điều này

Khi truyền tín hiệu đi xa, do ảnh hưởng đường truyền và các tác động khôngmong muốn tham gia vào quá trình xử lý và truyền dẫn tín hiệu nên cần phải tốn mộtnăng lượng nhất định Để xây dựng một hệ thống số với xác suất nhất định cho trướcvới dung lượng truyền dẫn theo yêu cầu nào đó thì cần lưu ý rằng độ rộng băng tần sửdụng và công suất tín hiệu luôn luôn là hai tham số ngược nhau Nếu sử dụng băng tầnnhỏ để tăng dung lượng của hệ thống thì phải tăng công suất tín hiệu, ngược lại nếucông suất tín 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, băng tần truyềndẫn lại là một tài nguyên quý hiếm cần phải chia sẻ cho nhiều người dùng cùng sửdụng nên việc hạn chế băng tần tối thiểu cho mỗi hệ thống cũng là một tiêu chí tối ưu.Bài toán tối ưu của hệ thống truyền dẫn số xác định những nguyên lý căn bản trong kỹthuật truyền dẫn số về cơ bản xoay quanh các bài toán xác định cấu trúc hệ thống.Thực tế của bài toán là việc lựa chọn tập tín hiệu hay phương thức điều chế nhằm đạtđược hiệu quả sử dụng phổ theo yêu cầu với công suất tín hiệu nhỏ nhất mà vẫn đảmbảo được xác suất thu lỗi đã cho.

Việc xử lý tín hiệu băng gốc số thành dạng thích hợp để truyền trên kênh thôngtin phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn, do các loại kênh thông tin có các đặc tính vàhạn chế riêng Muốn xác định sơ đồ điều chế thích hợp cần xem xét tỷ lệ tín hiệu trêntạp âm ứng với tỷ lệ lỗi bít cho trước, hiệu suất sử dụng đo bằng b/s/Hz và tính phứctạp của hệ thống cũng như giá thành thiết bị

2.2 Các khuôn dạng điều chế số

Điều chế sóng mang là quá trình gắn tin tức lên một tải tin (sóng mang) có tần

số phù hợp với môi trường truyền Tải tin là sóng mang hình sin với tham số có thểthay đổi được theo quy luật của tín hiệu là biên độ, tần số và góc pha

Biểu diễn tín hiệu điều chế:

Nếu tín hiệu đưa đến điều chế các thông số nói trên là tín hiệu liên tục thì ta cóđiều chế tương tự Nếu tín hiệu đưa đến điều chế các thông số nói trên là tín hiệu số thì

ta có điều chế số

Trong thông tin số, tín hiệu đưa đến điều chế là tín hiệu nhị phân hay dạng mã

hóa M mức của luồng tín hiệu nhị phân này Trong trường hợp điều chế số thì tín hiệu

điều chế cũng làm thay đổi biên độ, pha và tần số của sóng mang Tương ứng ta có cácphương pháp điều chế khác nhau

Các kỹ thuật điều chế sóng mang số được phân loại cơ bản như sau:

- Không đồng bộ hạng M cũng có với ASK, FSK, DPSK nhưng phức tạp.

Trong máy phát, tín hiệu tin tức điều chế tín hiệu sóng mang Tín hiệu sóngmang sau khi được điều chế sẽ được gửi đến máy thu nơi giải điều chế sóng mang xảy

ra để khôi phục tin tức tín hiệu Thực hiện giải điều chế ở máy thu có thể dùng táchsóng kết hợp hoặc không kết hợp.Tồn tại nhiều sơ đồ tách sóng dành cho người thiết kế

hệ thống thông tin số để truyền trên kênh thông dải Mỗi sơ đồ có những ưu nhược

điểm riêng nên việc chọn ưu tiên sơ đồ có tốc độ số liệu cực đại, xác suất lỗi symbol

cực tiểu, công suất phát cực tiểu, độ rộng kênh cực tiểu, khả năng chống nhiễu cực đại,mức độ phức tạp ccủa thiết bị cực tiểu Tuy nhiên cần lưu ý là một số cá tiêu chuẩntrên đối lập nhau, chẳng hạn tốc độ số liệu yêu cầu lựa chọn cực đại nhưng như vậy sơ

đồ sẽ có xác suất lỗi ký hiệu cực đại Vì vậy phải lựa chọn một giải pháp dung hòa đểthỏa mãn càng nhiều các tiêu chí trên càng tốt

2.3 Điều chế biên độ sóng mang

Trong PAM số băng gốc, các dạng sóng tín hiệu có dạng:

phổ của tín hiệu được truyền đi

Phổ của tín hiệu băng gốc được giả sử là được chứa trong dải tần số f =W ,trong đó W là độ rộng băng của G T ( f)2 như minh họa trên hình 2.1

Hình 2.1 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu được truyền đi g t T( )

Biên độ của tín hiệu nhận các giá trị:

m

trong đó: 2d là khoảng cách Euclide giữa hai điểm tín hiệu lân cận nhau.

Để truyền các dạng sóng tín hiệu số thông qua một kênh thông dải, các dạng

sóng tín hiệu băng gốc S m (t) , m=1,2,3, ,M, được nhân với một sóng mang hình sin có

dạng os2c π f t c (hình 2.2), trong đó f là tần số sóng mang ( c f >W) và ứng với tần số c

trung tâm trong dải thông của kênh Do đó, các dạng sóng tín hiệu truyền đi được biểudiễn:

u t = A g t c π f t, m=1,2,3, ,M (2.3.3)

2.3.1 Khóa dịch tần số ASK

Trong trường hợp đặc biệt, khi dạng xung được truyền là chữ nhật, nghĩa là:

2( )

thì tín hiệu sóng mang được điều chế biên độ, thường được gọi là khóa dịch biên độ

ASK (Amplitude-Shift Keying)

Khi M=2, sóng mang hình sin có hai giá trị biên dộ xác định bởi tín hiệu dự liệu

cơ số hai là ‘0’ và ‘1’ Dạng sóng tín hiệu truyền đi được biểu diễn như sau:

( )0

Sơ đồ và dạng sóng điều chế ASK nhị phân:

Hình 2.2 Sơ đồ và dạng sóng tín hiệu điều chế ASK

với các giá trị còn lại của t với các giá trị còn lại của t

Việc điều chế biên độ của sóng mang os2c π f t c bằng các dạng sóng băng gốc

S m (t) làm dịch phổ của tín hiệu băng gốc một lượng f và do đó đưa tín hiệu lên dải c

thông của kênh

Ta có biến đổi Fourier:

Double-SideBand Suppressed Carrier).

Phổ của tín hiệu điều chế ASK được thể hiện trên hình 2.3.

Nếu f c − < − +W f c W sẽ có hiện thượng chồng phổ giữa hai thành phần của

Hình 2.3 Phổ của tín hiệu băng gốc (a) và phổ của tín hiệu đã điều chế (b)

Để tăng tốc độ số liệu, có thể điều chế nhiều mức biên độ nhưng khả năngchống nhiễu sẽ rất kém do biên độ tín hiệu bị ảnh hưởng bởi can nhiễu và hiện tượngđiều biên ký sinh gây ra lỗi, mà không thể dùng mạch hạn biên để loại trừ Đây là mộthạn chế của phương pháp điều chế biên độ

Ta thấy rằng việc đưa tín hiệu băng gốc S m (t) lên biên độ của tín hiệu sóng

mang cos2πf c t không làm thay đổi biển diễn hình học cơ sở của các dạng sóng tín hiệu

Hình 2.4 Biểu đồ sao tín hiệu (Constellation) ASK

Dạng sóng tín hiệu ψ( )t được chuẩn hóa để có năng lượng bằng đơn vị, tức là:

2( )t dt 1ψ

do độ rộng băng W của g t là rất nhỏ hơn tần số sóng mang, nghĩa là f T( ) c >>W

Trong trường hợp này g t là hằng số trong bất kỳ chu kỳ nào của os4 T( ) c π f t c , vì vậytích phân trong (2.3.10) bằng 0 đối với từng chu kỳ của biểu thức dưới dấu tích phân.Nên ta có:

2.3.2 Giải điều chế và tách tín hiệu ASK

Giải điều chế là quá trình ngược lại với điều chế Việc giải điều chế các tín hiệu

ASK số thông dải có thể dùng tách sóng không kết hợp, dùng cách tính tương quan

chéo hay bộ lọc phối hợp (là tách sóng kết hợp)

Tách sóng không kết hợp thực hiện đơn giản nhất vì không yêu cầu sự kết hợppha trong qua trình tách sóng Hệ thống gồm một bộ lọc thông dải phối hợp với dạng

sóng vào ASK, sau đó là bộ tách sóng đường bao và một bộ chuyển đổi tương tự số

(AD:Analog Digital) Vì sóng mang mở và đóng theo dạng sóng tín hiệu vào nên loại điều chế này được gọi là khóa tắt mở (OOK: Off On Keying) hoặc sóng mang được mở

hoặc được đóng hoàn toàn Nhưng phương thức này không tối ưu, vì nó yêu cầu tỷ số

tín hiệu trên tạp âm SNR cao hơn đối với cùng tỷ lệ bít BER như nhau ở loại điều chế

kết hợp

Với tách sóng kết hợp, máy thu được đồng bộ với máy phát Nghĩa là máy thuphải nhận biết được độ trễ trên đường truyền Cùng với thời gian trễ thì pha sóng mangcũng phải được xét đến khi xử lý tín hiệu thu, bởi vì độ trễ biến thiên theo tần số sóngmang của máy phát và những biến đổi trong thời gian truyền sóng đối với sóng mangđến máy thu là không thể xác định trong bất cứ trường hợp nào Đối với tách sóng kếthợp trong thực tế, pha sóng mang là ước lượng tính ở những nơi mà các dạng sóng tínhiệu có khả năng được phát đi thì bộ giải điều chế phải quyết định xem khả năng nào

là lớn nhất Xác suất của lỗi là cực tiểu nếu bộ giải điều chế lựa chọn tín hiệu thu được

có xác suất lớn nhất Có hai loại điều chế tối ưu là tương quan chéo và lọc phối hợp.Tuy nhiên, tín hiệu lối ra của hai khối trên đều như nhau nên cho phép chỉ xét mộttrong hai cách thức trên

Tín hiệu thu được có thể biểu diễn được theo:

ở đây, ( )n t và ( ) c n t là các thành phần vuông góc với nhau của tạp âm Bằng s

cách tính tương quan chéotín hiệu thu được với ψ( )t được cho bởi (2.3.8), ta nhận được lối ra:

trong đó, n biểu thị thành phần tạp âm cộng tại lối ra bộ tương quan.

Vì tạp âm được cộng vào với tín hiệu nên có thể trạng thái tín hiệu thứ i sẽ bị nhầm sang trạng thái tín hiệu thứ j gần nhất Máy thu sau khi lọc bỏ tạp âm và hạn chế

đọ rộng băng thì nhân với tín hiệu nội có dạng os2c π f t c Bộ dao động nội có thể biểu

thị bằng hiệu số của các dạng sóng tín hiệu, chúng được đồng bộ với tần số và phasóng mang thu được Tín hiệu này sau đó được cho qua bộ tích phân, qua mạch lấymẫu rồi đưa tới bộ tách tín hiệu.

Hình 2.5 Giải điều chế và tách tín hiệu ASK

Thành phần tạp âm có kỳ vọng bằng 0 Phương sai của nó có thể biểu diễn theo:

- S f : là mật độ phổ công suất của tạp âm cộng n( )

0

2( )

Bộ tách tín hiệu quan sát lối ra của bộ tương quan và quyết định tín hiệu nào đã

được truyền đi trong khoảng thời gian của tín hiệu Giả sử M mức biên độ đều có xác

suất như nhau Do biên độ nhận các giá trị ±d, ±3 ,d ±5 , ,d ±(M −1)d nên bộ táchbiên độ tối ưu so sánh lối ra của các mức biên độ đã truyền đi có thể có và chọn ra

mức biên độ gần nhất với r theo khoảng cách Euclide Vậy bộ tách biên độ tối ưu phải

tính khoảng cách

và chọn ra biên độ tương ứng có khoảng cách nhỏ nhất Khi tạp âm n vượt quá nửa

khoảng cách giữa các mức biên độ, tức là n >d thì sẽ xảy ra lỗi.

Do các mức biên độ có cùng khả năng nên xác suất lỗi một symbol trung bình là:

d N

x N d

Mặt khác, xác suất lỗi trung bình có thể biểu diễn theo năng lượng của tín hiệu.

Do M mức biên độ có cùng khả năng nên năng lượng trung bình được truyền trên một

symbol là:

1 2

0 0

1

0 0

T M

13

o

E M

o

M E M

Đối với điều chế ASK nhị phân ta có xác suất lỗi:

2

2

22

x x t

t

e dt

ππ

2.4 Điều chế pha sóng mang PSK

2.4.1 Khóa dịch pha PSK

Trong điều chế pha sóng mang, thông tin truyền qua một kênh thông tin đượcđóng trên pha của sóng mang Do dải của pha sóng mang là 0≤ ≤θ π , các pha củasóng mang được sử dụng để truyền thông tin số thông qua điều chế pha số là:

 , với m=0,1,2, ,M-1 (2.4.1)

trong đó: g T (t):là dạng xung của bộ lọc phát mà nó xác định đặc tính phổ

của tín hiệu được truyền đi

A: là biên độ của tín hiệu

M=2 k: là số trạng thái có thể cóDạng sóng tín hiệu có thể được biểu diễn như sau:

u m t = A c π f t A c + π f t c (2.4.2)Trong đó:

1

2

2os2sin

m

A Ac

M m

A A

M

ππ

Ta thấy các tín hiệu PSK có cùng mức năng lượng như nhau, nghĩa là:

4

( )2

g t dt

ππ

ππ

trong đó, E s là năng lượng của một symbol được truyền đi.

Khi g T (t) là một xung chữ nhật thì nó được xác định:

2( )

Trong trường hợp này, các dạng sóng tín hiệu được truyền đi trong khoảng thời

gian một symbol 0 t T ≤ ≤ được biểu diễn theo:

M

ππ

còn ψ1( )t và ψ2( )t là các hàm cơ sở trực giao được xác định theo:

1 2

( ) ( ) os2( ) ( )sin 2

Bằng cách chuẩn hóa thích hợp dạng xung g T (t), ta có thể chuẩn hóa năng

lượng của các hàm cơ sở trực giao này thành 1 Như vậy, một tín hiệu điều chế pha cóthể được xem như hai sóng mang vuông góc với các biên độ phụ thuộc vào pha đượctruyền đi trong từng khoảng thời gian của tín hiệu Do đó, các tín hiệu điều chế pha số

biểu diễn được một cách hình học như các vecto hai chiều với các thành phần smc và

Biểu đồ sao các điểm tín hiệu đối với M=2, 4, và 8 được minh họa trên hình 2.6.

Chúng ta thấy rằng, điều chế pha nhị phân đồng nhất với điều chế PAM nhị phân (cáctín hiệu nhị phân đối cực)

Hình 2.6 Các biểu đồ sao tín hiệu PSK

Biểu đồ sao tín hiệu trên hình 2.6 cho thấy điều chế pha nhị phân đồng nhất với

các tín hiệu nhị phân đối cực

Trong điều chế pha nhị phân (BPSK: Binary Phase Shift Keying), pha của sóng

mang thay đổi tùy theo giá trị bít của tín hiệu đưa vào điều chế Khi giá trị bít bằng ‘0’pha sóng mang nhân giá trị ϕ0=0, còn khi giá trị bít bằng ‘1’ thì pha sóng mang nhân

giá trị ϕ π1= (rad) Tín hiệu như vậy được biểu diễn thuận lợi hơn qua giá trị biên độ

và góc pha trong tọa độ cực Tín hiệu điều chế pha nhị phân được biểu diễn:

Trong đó: s t m( )= Ag t T( ), m=0,1 (2.4.11)

Hình 2.7 Sơ đồ điều chế và dạng sóng tín hiệu BPSK

Như ta đã biết, biên độ sóng mang của một sóng mang ASK lúc tắt, lúc mở Còn đối với BPSK, biên độ giữ nguyên không đổi trong quá trình truyền dẫn, nhưng bị chuyển giữa hai trạng thái hoàn toàn ngược nhau là +A và –A Trạng thái –A tương

ứng có thể xem như thay đổi pha 1800 Tuy nhiên, yêu cầu độ rộng băng đối với ASK

và BPSK là thể hiện trong hàm mật độ phổ công suất.

Nếu M =4, mỗi một góc pha tương ứng với cặp hai bít dữ liệu thì gọi là khóa dịch pha 4-PSK hay còn gọi là khóa dịch pha vuông góc (QPSK: Quadri Phase Shift

Keying) Tốc độ truyền lúc này tăng lên hai lần nhưng sẽ làm giảm tính chống nhiễu.