Thiết kế hệ thống truyền dẫn số với kênh có băng thông hữu hạn luận văn tốt nghiệp đại học

Trong thực tế có rất nhiều loại hệ thống thông tin số khác nhau, phân biệt theo tần số côngtác, dạng loại môi trường truyền dẫn… Tùy theo loại hệ thống thông tin sốthực tế, hàng loạt chứ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINHKHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ VỚI

KÊNH CÓ BĂNG THÔNG HỮU HẠN

Sinh viên thực hiện: ĐIỀN CHÍ THANH

Lớp : 48K ĐTVT Niên khoá : 2007 - 2012

Người hướng dẫn : Th.S PHẠM MẠNH TOÀN

Cán bộ phản biện : Th.S LÊ ĐÌNH CÔNG

NGHỆ AN, 01-2012

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC BẢNG 8

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 9

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 1.1 Giới thiệu 11

1.2 Sơ lược về lịch sử thông tin 11

1.3 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin số và khái niệm tín hiệu 12

1.3.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin số 12

1.3.2 Định nghĩa tín hiệu 13

1.4 Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số 14

1.5 Tham số đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số 16

1.6 Số hoá tín hiệu liên tục trong hệ thống thông tin số 19

1.6.1 Điều chế xung mã PCM 21

1.6.1.1 Nguyên tắc 21

1.6.1.2 Lọc hạn băng 23

1.6.1.3 Lấy mẫu 23

1.6.1.4 Lượng tử hoá 24

1.7 Kết luận 29

CHƯƠNG 2 TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU SỐ TRÊN KÊNH THỰC 2.1 Giới thiệu chương 30

2.2 Hệ thống tuyến tính bất biến 30

2.3 Kênh liên tục 31

2.3.1 Khái niệm kênh liên tục 31

2.3.2 Mô hình kênh liên tục 32

2.4 Các tác động của kênh liên tục 34

2.4.1 Méo tuyến tính 34

2.4.2 Méo phi tuyến 35

2.4.3 Can nhiễu 36

2.4.4 Pha-đinh 37

2.5 Truyền dẫn số qua kênh có băng thông hữu hạn 38

2.5.1 Giới thiệu chung 38

2.5.2 Phổ công suất của một tín hiệu PAM 39

2.5.3 Đặc trưng của các kênh có độ rộng băng thông hữu hạn và méo kênh 41

2.5.3.1 Đặc trưng kênh có băng thông hữu hạn 41

2.5.3.2 Méo kênh 41

2.5.4 Xuyên nhiễu giữa các dấu (Inter Symol Interference-ISI) 43

2.5.4.1 Khái niệm 43

2.5.4.2 Đặc trưng xuyên nhiễu giữa các dấu 43

2.6 Kết luận 45

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ ĐỐI VỚI KÊNH CÓBĂNG HỮU HẠN 3.1 Giới thiệu chương 46

3.2 Cấu trúc thu tối ưu tín hiệu số 46

3.2.1 Biểu diễn véc-tơ tín hiệu số 47

3.2.2 Cấu truc thu tối ưu 49

3.2.3 Máy thu tương quan 51

3.2.4 Máy lọc thu phối hợp 52

3.2.5 Xác suất thu lỗi với máy thu tối ưu 53

3.3 Các đặc tính lọc nhằm truyền dẫn không có ISI 54

3.4 Phân phối đặc tính lọc 59

3.5 Thiết kế hệ thống truyền tin số 61

3.5.1 Thiết kế hệ thống để có ISI bằng không 61

3.5.2 Thiết kế các bộ lọc phát và thu cho hệ thống truyền tin có ISI bằng không 63

3.5.3 Thiết kế hệ thống có ISI kiểm soát được 64

3.5.4 Thiết kế các bộ lọc phát và thu cho hệ thống truyền tin có ISI kiểm soát được 67

3.6 Chương trình và kết quả mô phỏng 68

3.6.1 Mô phỏng hệ thống truyền tin có ISI bằng 0 sử dụng Matlab 68

3.6.2 Mô phỏng hệ thống truyền tin có ISI kiểm soát được sử dụng Matlab 73

3.7 Kết luận 78

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay các hệ thống thông tin số đang phát triển rất mạnh mẽ trêntoàn thế giới và các hệ thống số đã hầu hết thay thế các hệ thống analog Ởnước ta, có thể nói rằng hiện nay gần như tất cả các hệ thống chuyển mạch vàtruyền dẫn của ngành viễn thông đều đã được số hoá Tiến trình số hoá các hệthống thông tin liên lạc hiện nay đang diễn ra một cách nhanh chóng và các

hệ thống đường trục, hệ thống chuyển mạch đã được số hoá

Việc nghiên cứu về các hệ thống thông tin số nói chung và các hệ thốngtruyền dẫn số nói riêng vì thế đã trở thành một nội dung cơ bản của chươngtrình đào tạo kỹ sư điện tử viễn thông Chính vì lý do đó em chọn đề tài

"THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ CÓ BĂNG THÔNG HỮUHẠN", nhằm nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến băng thông của kênhtruyền trong thông tin

Băng thông là một tài nguyên quý giá để tiết kiệm được băng thông thìviệc hạn chế nhiễu trên kênh truyền là một vấn đề cần phải giải quyết Đồ ánnày thiết kế là nhằm đưa ra giải pháp giảm nhiễu tới mức có thể có, cụ thể đó

là thiết kế nhằm hạn chế nhiễu xuyên dấu (ISI) bằng không và nhiễu ISI kiểmsoát được Đồ án sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng hạn chế về nhiễuđó

Đồ án được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin số

Chương 2: Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thực

Chương 3: Thiết kế hệ thống thông tin số đối với kênh có băng thônghữu hạn

Với kiến thức có được và sự giúp đỡ nhiệt tình về kiến thức cũng như

về tài liệu của thầy giáo Th.S Phạm Mạnh Toàn em đã hoàn thành xong đồ

án theo đúng thời hạn Do hạn chế về thời gian và năng lực cho nên chắc chắn

sẽ không tránh khỏi sự sai sót, em rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý

thầy cô và bạn bè.

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Phạm Mạnh Toàn đã giúp

đỡ thực hiện đồ án này Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa ĐTVT

đã giúp chúng em hoàn thành chương trình đào tạo

Nghệ an, Ngày ….tháng 01năm 2012

Sinh viênĐiền Chí Thanh

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Các hệ thống thông tin số đang phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới vàthay thế hầu hết hệ thống thông tin analog Việc nghiên cứu hệ thống số là nộidung quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư ngành ĐTVT Đồ án nàytrình bày các vấn đề cơ bản nhất của kỷ thuật truyền dẫn số các thuật toán xử

lý tín hiệu số băng gốc, kỷ thuật ghép kênh, truyền dẫn tín hiệu trên kênh liêntục, máy thu tối ưu, các tác động của méo, nhiễu tới hệ thống thông tin số

Đặc biệt đồ án sử dụng phần mềm Matlab để nghiên cứu thiết kế bộ lọccosin nâng để lọc bỏ nhiễu liên ký tự (ISI: Inter Symbol Interference) do sựhạn chế về băng thông kênh truyền

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin tổng quát 12

Hình 1.2 Biểu diễn tín hiệu liên tục 13

Hình 1.3 Biểu diễn tín hiệu số 14

Hình 1.4 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống thông tin số 15

Hình 1.5 Quá trình điều chế xung mã PCM 22

Hình 1.6 Quá trình lấy mẫu liên tục 23

Hình 1.7 Tuyến tính hoá luật nén μ bằng 15 đoạn 26

Hình 1.8 Tuyến tính hoá luật nén A bằng 13 đoạn 27

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 30

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số 32

Hình 2.3 Mô hình kênh liên tục 33

Hình 2.4 Xung tín hiệu đầu vào kênh 42

Hình 2.5 Xung tín hiệu đầu ra kênh 42

Hình 2.6 Xung tín hiệu đầu ra bộ cân bằng 43

Hình 3.1 Sơ đồ khối tối giản hệ thống truyền dẫn số 46

Hình 3.2 Dạng véc-tơ của cấu trúc thu tối ưu 51

Hình 3.3 Máy thu tương quan 51

Hình 3.4 Máy lọc thu phối hợp 52

Hình 3.5 Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung PAM 54

Hình 3.6 Đặc tính lọc được làm cong 57

Hình 3.7 Phản ứng xung của bộ lọc cosine nâng 57

Hình 3.8 Đáp ứng tần số cosin nâng 62

Hình 3.9 Các dạng xung đối với đáp ứng tần số cosin nâng 63

Hình 3.10 Xung tín hiệu nhị phân đôi và phổ của nó 66

Hình 3.11 Xung tín hiệu nhị phân đôi cải biên và phổ của nó 67

Hình 3.12 mfile mô phỏng thiết kế ISI bằng không 69

Hình 3.13 Đáp ứng xung của bộ lọc phát với độ dài bộ lọc N=31 70Hình 3.14 Đáp ứng tần số của bộ lọc phát 71Hình 3.15 Đáp ứng xung của bộ lọc phát và bộ lọc phối hợp tại máy thu .72Hình 3.16 mfile mô phỏng thiết kế ISI kiểm soát được 74Hình 3.17 Đáp ứng xung của tín hiệu nhị phân đôi tại máy phát 75Hình 3.18 Đáp ứng tần số của tín hiệu nhị phân đôi tại máy phát 76Hình 3.19 Đáp ứng xung của mạch mắc nối tiếp bộ lọc phát với bộ loc

phối hợp tại máy thu 77

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thuật toán xấp xỉ đặc tính nén luật μ và mã 27Bảng 1.2 Thuật toán xấp xỉ đặc tính nén luật A và mã 28

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

CCITT International Telegraphy and Uỷ ban tư vấn điện thoại

Telephony Consulative Committee và điện tín quốc tế

lượng

M-QAM M-ary Quadratude Amplitude Điều chế biên độ vuông

hiệuQAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu

Phương

SES Severely Errored Seconds Symbol Các giây suy giảm chất

Lượng dấu hiệu (ký tự)

MỞ ĐẦU

Hiện nay trên thế giới công nghệ thông tin liên lạc đang phát triển rấtmạnh mẽ, Việt Nam cũng là một trong những nước có tốc độ phát triển thôngtin liên lạc mạnh mẽ trên cơ sở hạ tầng viễn thông to lớn Các dịch vụ đượccác nhà mạng đưa vào sử dụng ngày một nhiều do đó việc sử dụng băngthông cho hợp lý là một vấn đề cần quan tâm

Đồ án này sẽ nghiên cứu một cách tổng quát về hệ thống thông tin số,trên cơ sở đó chúng ta đi nghiên cứu các vấn đề liên quan đến kênh truyềndẫn như: méo kênh, nhiễu, và sự hạn chế về băng thông từ đó để thiết kế hệthống truyền dẫn sao cho phù hợp khi truyền tín hiệu

Đặc biệt đồ án nghiên cứu rất kỹ về nhiễu xuyên ký tự (Inter Symol

Interference-ISI) trên kênh có băng thông hữu hạn, và đã giải quyết một cách

cơ bản dựa vào định lý Nyquist

Chương 1 sẽ giới thiệu về cấu trúc của một hệ thống thông tin số điểnhình Chương 2 là phần lý thuyết cơ bản về tính chất, các ảnh hưởng của mộttín hiệu trên kênh truyền dẫn để làm cơ sơ cho việc thiết kế ở chương 3.Chương 3 ta sẽ thiết kế kênh truyền có băng thông hữu hạn mà trên đó ISIbằng không và ISI kiểm soát được

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

1.1 Giới thiệu chương

Trong cuộc sống từ xa xưa, con người luôn có nhu cầu trao đổi vớinhau những tâm tư, tình cảm, những kinh nghiệm đấu sinh tồn , nghĩa là cónhu cầu thông tin (communication) tức trao đổi tin tức với nhau Hiện naychưa có một định nghĩa đầy đủ và súc tích cho khái niệm tin tức(information), chúng ta có thể tạm hiểu đó là sự cảm hiểu của con người vềthế giới xung quanh thông qua sự tiếp xúc với nó

Chương 1 sẽ đề cập những vấn đề liên quan đến thông tin, giới thiệu

sơ lược về lịch sử phát triển của thông tin, mô hình tổng quát của hệ thốngthông tin để làm cơ sở tìm hiểu các chương tiếp theo

1.2 Sơ lược về lịch sử thông tin

Ngày 7/3/1876, nhà phát minh - tiến sĩ Alexander Graham được tặngbằng sáng chế về một trong các thiết bị có ý nghĩa nhất trong đời sống chúng

ta, đó là máy điện thoại Ông Bell đã mất nhiều năm nghiên cứu cách liên lạcvới vợ Bà Bell bị điếc, nên ông Bell tìm cách chuyển đổi âm thanh thànhmột dạng tín hiệu truyền thông khác sao cho bà vợ có thể hiểu được lời nóicủa ông ta

Do có một số kinh nghiệm về điện báo, ở đó các bản tin được mã hóa

và truyền qua cáp, Bell quyết định bắt chước cách truyền thông này Khi ápdụng nguyên lý cơ bản là tín hiệu truyền thông có thể chuyển đổi từ âm thanhthành điện, ông Bell có thể nói vào thiết bị truyền thông, thiết bị này lạichuyển đổi sóng âm thoại thành năng lương điện Sau đó năng lượng điện nàydùng để tạo ra bản tin mã hóa tương tự như bản tin điện báo Điều này báohiệu một sự tốt lành, nhưng công việc nghiên cứu của ông cùng với trợ lý -tiến sĩ Watson đã trải qua nhiều thất bại

Rồi một ngày, vận may đã đến Trong khi đang làm việc một mình trongphòng thí nghiệm, Bell đã làm đổ axit ra bàn làm việc Axit này có tác dụngnhư là chất xúc tác để tạo ra nguồn điện mà sau này gọi là pin Không

nhận thức được sự việc xảy ra lúc đó, tiến sĩ Bell đã gọi tiến sĩ Watson Tiếnggọi của ông ta "tiến sĩ Watson, vào đây, tôi cần ông" đã tác động đến thiết bịthí nghiệm do hai ông chế tạo trước đó để làm thiết bị liên lạc Âm thanh củaBell đã truyền qua dây dẫn đến phòng thứ hai nơi Watson đang làm việc.Nghe tiếng kêu, Watson chạy đến giúp Bell Họ phát hiện ra rằng nếu pinđược kết nối qua điện (dây dẫn) trong khi người sử dụng nói, sóng âm dongười tạo ra được truyền qua đôi dây dẫn này đến máy thu tiếp nhận dòngđiện và chuyển đổi năng lượng điện trở lại thành âm thanh Từ ngày đó, mộtngày may mắn, sự ra đời của nền công nghiệp mới đã bắt đầu: máy điện thoạiđược phát minh Năm 1877, Bell chào hàng bán bằng phát minh cho WesternUnion Telegraph với giá bán 100.000 USD Sự kiện này đã mở ra một trangmới trong lịch sử phát triển của truyền thông thông tin [1]

1.3 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin số và khái niệm tín hiệu

1.3.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin số

Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin tổng quát, gồm có bakhâu chính:

- Nguồn tin (information source)

- Kênh tin (channel)

- Nhận tin (information destination)

Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin tổng quát

- Nguồn tin là nơi sản sinh ra hay chứa các tin cần truyền đi Khi mộtđường truyền tin được thiết lập để truyền tin từ nguồn tin đến nhận tin, mộtdãy các tin của nguồn sẽ được truyền đi với một phân bố xác suất nào đó Dãynày được gọi là một bản tin (message) Vậy có thể định nghĩa: nguồn tin làtập hợp các tin mà hệ thống thông tin dùng để lập các bản tin khác nhau để

truyền đi Số lượng các tin trong nguồn có thể hữu hạn hay vô hạn tương ứngvới nguồn tin rời rạc hay liên tục.

- Kênh tin là môi trường truyền lan thông tin Để có thể truyền lantrong một môi trường vật lý xác định, thông tin phải được chuyển thành dạngtín hiệu thích hợp với môi trường truyền lan Vậy kênh tin là nơi hình thành

và truyền tín hiệu mang tin đồng thời ở đấy cũng sản sinh ra các nhiễu (noise)phá hủy thông tin Trong thực tế kênh tin có rất nhiều dạng khác nhau, ví dụdây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng, cáp sợi quang, vô tuyến

- Nhận tin là cơ cấu khôi phục lại thông tin ban đầu từ tín hiệu lấy ởđầu ra của kênh tin [1]

1.3.2 Định nghĩa tín hiệu

Tín hiệu được định nghĩa như là biểu diễn vật lý của tin tức Đó là mộtđại lượng vật lý biến thiên theo thời gian, không gian hay các biến độc lậpkhác Về mặt toán học, có thể xem tín hiệu là hàm theo một hoặc nhiều biếnđộc lập Ví dụ như, hàm x(t) = 5t mô tả tín hiệu thay đổi tuyến tính theo biếnthời gian t Hay hàm s(x,y) = 3x + 2xy + 10y2 mô tả tín hiệu theo hai biến độclập x và y biểu diễn cho hai biến không gian trong một mặt phẳng

- Tín hiệu liên tục (continuous-time signals) hay tín hiệu tương tự

(analog signals) là tín hiệu có giá trị xác định tại mọi thời điểm từ khi tín hiệusinh ra đến khi kết thúc, nghĩa là cả biên độ và thời gian đều liên tục [1]

Hình 1.2 Biểu diễn tín hiệu liên tục

- Tín hiệu số (digital signals) là tín hiệu rời rạc có biên độ được rời rạc

hóa, nghĩa là cả biên độ và thời gian đều rời rạc [1]

Hình 1.3 Biểu diễn tín hiệu số [1]

1.4 Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số

Đặc trưng cơ bản của hệ thống thông tin số là: các tín hiệu được truyềnđưa và xử lý bởi hệ thống là các tín hiệu số, nhận các giá trị từ một tập hữu

hạn các phần tử, thường được gọi là bảng chữ cái (alphabet) Các phần tử tín

hiệu này có độ dài hữu hạn xác định Ts và trong các hệ thống thông tin số hiệnnay, nói chung độ dài Ts là như nhau đối với mọi phần tử tín hiệu Trong thực

tế có rất nhiều loại hệ thống thông tin số khác nhau, phân biệt theo tần số côngtác, dạng loại môi trường truyền dẫn… Tùy theo loại hệ thống thông tin sốthực tế, hàng loạt chức năng xử lý tín hiệu số khác nhau có thể được sử dụngnhằm thực hiện vệc truyền đưa các tín hiệu số một cách hiệu quả về phươngdiện băng tần chiếm cũng như công suất tín hiệu Các chức năng xử lý tín hiệunhư thế được mô tả bởi các khối trong sơ đồ khối hệ thống Mỗi mỗi một khối

mô tả một thuật toán xử lý tín hiệu

Sơ đồ tiêu biểu của hệ thống thông tin số bao gồm:

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

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

- Mã hóa nguồn và giải mã nguồn tín hiệu, thực hiện nén và giải nén tínhiệu nhằm giảm tốc độ bít để giảm phổ chiếm của tín hiệu số

- Mã và giải mã mật, thực hiện mã và giải mã chuỗi bít theo một khóaxác định nhằm bảo mật tin tức

- Mã và giải mã kênh nhằm chống nhiễu và các tác động xấu khác củađường truyền dẫn

- Ghép và phân kênh, nhằm thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tinkhác nhau tới các đích nhận tin khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn.

- Điều chế và giải điều chế số thường gọi là MODEM

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

- Đa truy nhập, cho phép nhiều đối tượng có thể truy cập mạng thôngtin để sử dụng hệ thống truyền dẫn theo nhu cầu

- Đồng bộ, bao gồm đồng bộ nhịp và đồng bộ pha sóng đối với các hệthống thông tin liên kết

- Lọc (được thực hiện tại máy thu phát đầu cuối), bao gồm lọc cố địnhnhằm hạn chế phổ tần, chống tạp nhiễu và lọc thích nghi nhằm sửa méo tínhiệu gây bởi đường truyền

- Bên thu các khối thực hiện ngược lại với bên phát

Sơ đồ được thể hiện bên dưới

Mã hoá mật Mã hoá kênh

Mã hoá kênh Ghép kênh

Ghép kênh Điều chế trải phổ Đa truy nhập Máy phát

Đa truy nhập

Giải mã mật Giải mã kênh

Giải mã kênh Phân kênh Giải điều chế

Giải điều chế Giải trải phổ

Giải trải phổ truy nhậpGiả đa Máy thu

Giả đa truy nhập

Kênh truyền

Kênh truyền

Tới các đích nhận tin khác

Hình 1.4 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống thông tin sốTrong số các chức năng nói trên thì các chức năng tạo khuôn tín hiệu

số, điều chế và giải điều chế số là không thể thiếu đối với mọi loại hệ thốngthông tin số Về mặt thuật toán mà nói, khối điều chế số là một khối giao diện,

thực hiện biến đổi tín hiệu số thành các tín hiệu liên tục phù hợp với việctruyền đưa tín hiệu đi xa Máy phát đầu cuối chỉ thực hiện các thuật toán trộntần nhằm đưa tín hiệu lên tới tần số thích hợp, khuếch đại, lọc và phát xạ tínhiệu vào môi trường truyền dẫn (bằng hệ thống ăng ten và phi đơ trong các hệthống vô tuyến chẳng hạn) Đối với một hệ thống thông tin số thì MODEMđóng vai trò như bộ não còn máy thu phát chỉ như cơ bắp mà thôi Các khốichức năng còn lại không phải là bắt buộc đối với tất cả mọi hệ thống thông tin

số mà chỉ có mặt trong từng loại hệ thống cụ thể do vậy hình trên chúng đượcdiễn tả bằng các khối nét đứt

Các thuật toán xử lý tín hiệu trong sơ đồ khối có thể phân thành hainhóm chính:

- Các thuật toán xử lý tín hiệu băng gốc bao gồm các thuật toán từ tạokhuôn tới điều chế số (và các khối có chức năng ngược lại ở phần thu)

- Các thuật toán xử lý tín hiệu tần số cao hay tín hiệu thông dải

(bandpasssignal) bao gồm các thuật toán liên quan tới đa truy nhập, trải phổ

và thuật toán trộn tần nhằm đưa tín hiệu lên tần số cao [2]

1.5 Tham số đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số

Trong viễn thông, khi truyền thông tin theo phương pháp điện có haihạn chế: hạn chế về mặt dải thông và hạn chế về mặt tạp âm Phải có một dảithông đủ rộng để truyền được thông tin trong thời gian ngắn, đặc biệt là các

hệ thống thông tin trong thời gian thực Tuy nhiên nếu dải thông quá lớn sẽgây ra lãng phí băng tần mà băng tần là một tài nguyên quý giá Mặt khác cácyếu tố cơ bản tác động tới quá trình truyền dẫn tín hiệu số trên các loại kênhtruyền dẫn (bao gồm cả máy thu phát đầu cuối và môi trường truyền) là luônxảy ra như: Xuyên nhiễu giữa các dấu (ISI), méo tín hiệu, sai pha đồng hồ, saipha sóng mang, can nhiễu, hiệu ứng doppler do các máy đầu cuối thu, phát diđộng so với nhau và sự biến đổi theo thời gian của kênh truyền, nhiễu kênhlân cận…

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

là xác suất lỗi bít (BER) và Jitter (rung pha hay trôi pha) Tuỳ thuộc vào từngloại hình dịch vụ mà các hệ thống viba có những đòi hỏi khác nhau và BER

và Jitter BER (Bit Error Ratio) thường được hiểu là tỷ lệ giữa số bít nhậnđược bị lỗi trên tổng số bít đã truyền đi trong một khoảng thời gian quan sátnào đó Khi thời gian quan sát tiến tới vô hạn thì tỷ lệ này tiến đến xác suất lỗibít

Trong thực tế, thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỷ lệ lỗi bítchỉ gần bằng với xác xuất lỗi bít, tuy nhiên trong nhiều trường hợp thực tếngười ta cũng vẫn thường xem và gọi BER là xác suất lỗi bít Trong nhiềutrường hợp, ứng với các loại dịch vụ nhất định, các tham số phát sinh về độchính xác truyền tin thường được xét đến là các giây bị lỗi trầm trọng(SES :Severly Errored Seconds), các giây bị lỗi (ES: Errored Seconds, cácphút suy giảm chất lượng (DM: Degraded Minutes)… Trong một số hệ thốngthông tin số sử dụng các biện pháp mã hóa hiệu quả tiếng nói như đối vớiđiện thoại di động chẳng hạn, thì độ chính xác truyền tin cũng còn được thểhiện qua tham số chất lượng tiếng nói xét về khía cạnh chất lượng dịch vụ

Khả năng truyền tin nhanh chóng của một hệ thống thông tin số thườngđược đánh giá qua dung lượng tổng cộng B của hệ thống, là tốc độ truyềnthông tin (có đơn vị là b/s) tổng cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đãcho Nhìn chung, dung lượng của một hệ thống tùy thuộc vào băng tần truyềndẫn của hệ thống, sơ đồ điều chế số, mức độ tạp nhiều…

Đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện tại, các tín hiệu số nhận giá trịtrong một 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 thốngđược gọi là nhị phân và tín hiệu khi đó được gọi là bít Khi số giá trị có thể cócủa tín hiệu là M (M≠2) thì hệ thống được gọi là hệ thống M mức và tín hiệuđược gọi là ký hiệu (Symbol)

Gọi giá trị của symbol thứ k là Dk và thời gian tồn tại của nó là Tk (đốivới hệ thống thông thường hiện nay, Tk = T và là hằng số với mọi k) Ở đầuthu tín hiệu khôi phục lại là Dˆkvà có độ rộng là Tˆk, nếu Dˆk≠ D kthì tín hiệuthứ k được gọi là bị lỗi, nếu Tˆk≠ Tthì tín hiệu thứ k được gọi là có jitter (hay

gọi là tỷ lệ lỗi symbol (SER: Symbol-Error Ratio) và có quan hệ chặt chẽ với

khá cao Khi sử dụng ADPCM (Adaptive Differential Pulse Coded

Modulation: 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 tínhiệu truyền hình rất nhạy cảm với Jitter

Khi BER > 10-3 thì hệ thống truyền dẫn được xem là gián đoạn vì khi

đó ngay cả dịch vụ telex (điện báo truyền chữ) là loại dịch vụ chịu được chấtlượng truyền dẫn tốt nhất với BER ≤ 10-3 nhờ độ dư thừa khá lớn trong ngônngữ người cũng không thể truyền được

Ngoài các yêu cầu và các tham số có tính nguyên tắc nói trên, các hệthống thông tin còn có thêm các yêu cầu về tính bảo mật và độ tin cậy (khảnăng làm việc của hệ thống với BER không vượt quá giá trị xác định)

Các yếu tố về giá thành và tốc độ thu hồi vốn đầu tư, gọi chung là yêucầu về kinh tế cũng có một vai trò to lớn [2]

1.6 Số hóa tín hiệu liên tục trong hệ thống thông tin số

Trong nhiều trường hợp, việc tạo khuôn dạng (định dạng) và mã hóanguồn đối với các bản tin liên tục (xuất hiện dưới dạng các tín hiệu liên tụcnhư tiếng nói, âm nhạc hay tín hiệu truyền hình…) trong các hệ thống thôngtin số được thực hiện trong cùng một quá trình: Biến đổi tín hiệu liên tục từnguồn tin thành chuỗi tín hiệu số (chuỗi bít) hiệu quả về mặt tốc độ, thườngđược gọi chung là quá trình mã hóa nguồn Vai trò của mã hóa nguồn là đặcbiệt quan trọng, góp phần nâng cao chất lượng liên lạc và cho phép nâng caohiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống truyền dẫn

Thuật toán mã hóa nguồn có thể xem được thông qua dạng tiêu biểu của

nó là mã hóa tín hiệu tiếng nói (biến đổi tín hiệu thoại tương tự thành tín hiệusố) Các bộ mã hóa tiếng nói thường được chia làm 3 loại chính là bộ mã hóadạng sóng (waveform code), bộ mã hóa nguồn phát thanh (vocoder) và bộ mãhóa lai (hybrid coder) của hai loại trên

Nội dung của phương pháp mã hóa dạng sóng là dạng sóng của tín hiệutiếng nói liên tục được rời rạc hóa nhờ lấy mẫu và sau đó được số hóa nhờ mãhóa nhị phân các giá trị đại diện cho mức của các mẫu dạng sóng tiếng nói.Các phương pháp mã hóa dạng sóng, tiêu biểu là điều chế xung mã PCM cơ

sở là định lý lấy mẫu

Một tín hiệu s(t), có biến đổi Fourier là S(f), được gọi là có băng tầnhạn chế nếu S(f) = 0 với | f | > W, trong đó W là băng tần số lớn nhất chứatrong s(t) Theo định lý lẫy mẫu, tín hiệu có băng tần hạn chế như thế biểudiễn duy nhất được bởi các giá trị mẫu của s(t) lấy với tốc độ fs ≥ 2W mẫutrong một giây Tốc độ lấy mẫu tối thiểu fN = 2W mẫu trong một giây đượcgọi là tốc độ Nyquist Việc lấy mẫu với tốc độ thấp hơn tốc độ Nyquist dẫnđến méo gập phổ

Tín hiệu s(t) như trên biểu diễn được theo:

  là cá giá trị mẫu của s(t) tại các thời điểm lấy mẫu

t = n/2W, thu được nhờ nhân tín hiệu s(t) với tín hiệu lấy mẫu là một chuỗi

các xung toán Dirac ( )

2

n t W

Biểu thức (1.1) là dạng học của định lý lấy mẫu Nếu tần số lớn nhất

W của tín hiệu s(t) đã biết trước thì

vậy không chứa thông tin cần truyền Như vậy tín hiệu s(t) hoàn toàn tương

đương về tin tức với chuỗi vô hạn các giá trị mẫu của nó

2

n s W

   

  

 , n= ± 1, 2,3,…± ∞ và do vậy thay vì truyền đi tín hiệu liên tục s(t), chúng ta chỉ cầntruyền đi các giá trị mẫu của nó mà thôi Đây chính là cơ sở của việc số hóatín hiệu liên tục theo phương pháp mã hóa dạng sóng Việc khôi phục lại tín

hiệu s(t) tại đầu thu từ chuỗi các giá trị

2

n s W

sin 2 W 1

2 ( )

2 W 1

2

n W

h t

n W

, là phản ứng xung của một mạch lọc thông thấp lý

tưởng với tần số cắt bằng W Tức là, tín hiệu s(t) khôi phục lại được nhờ chochuỗi các giá trị mẫu của nó qua một mạch lọc thông thấp lý tưởng có tần sốcắt W [2]

1.6.1 Điều chế xung mã (PCM)

Dạng tiêu biểu của mã hóa dạng sóng là điều chế xung mã (PCM)thường gặp nhất trong các hệ thống truyền dẫn tín hiệu số, áp dụng cho cả tínhiệu thoại, nhóm kênh thoại ghép kênh theo tần số, tín hiệu video…

- Lấy mẫu: Tín hiệu liên tục sau lọc được rời rạc hóa nhờ lấy mẫu tínhiệu liên tục bằng chuỗi xung nhịp có tần số fs theo định lý lấy mẫu để có

được các tín hiệu điều biên xung (PAM : Pulse Amplitude Modulation)

- Lưỡng tử hóa: Số giá trị có thể có của tín hiệu PAM sau lấy mẫu là

vô hạn, do vậy số bít cần thiết để mã các giá trị của các xung PAM là vô hạn

và điều này không thể thực hiện được, Để hạn chế số bít mã cần sử dụng, giátrị của từng xung PAM cần được làm tròn thành một trong các giá trị mẫuxác định gọi là mức lưỡng tử (có số lưỡng tử hữu hạn) và quá trình này đượcgọi là lượng tử hóa

- Mã hóa: Các giá trị mức lượng tử ứng với các xung PAM được mãhóa bằng các tổ hợp mã nhị phân để truyền đi trên hệ thống truyền dẫn số

Quá trình khôi phục ở phần thu được thực hiện như sau :

Giải mã để được chuỗi xung PAM lượng tử hóa rồi cho qua bộ lọcthông thấp có tần số cắt băng một nửa tần số lấy mẫu

Thực tế các tín hiệu lối vào điều chế mã xung là các tín hiệu có phổtrải rộng vô hạn Sau khi lọc hạn chế phổ tần tín hiệu, tín hiệu có phổ hạn chế

và do vậy có thời gian tồn tại trải rộng tới vô hạn, nghĩa là về lý thuyết việclấy mẫu phải được thực hiện với vô hạn theo (1.1) Từ đó chúng ta có thểthấy rằng tín hiệu liên tục khôi phục lại được ở phần thu, ngay cả trongtrường hợp không tính đến méo và tạp nhiễu trên đường truyền, cũng chỉ làmột phiên bản gần đúng của tín hiệu liên tục cần truyền đi ở phần phát màthôi Sai số giữa các tín hiệu phiên bản và nguyên bản gây bởi các nguyênnhân sau:

+ Việc lấy mẫu không thể tiến hành trong thời gian dài vô hạn được.+ Sai số do làm tròn (lượng tử hóa), gọi là sai số lượng tử

+ Các đặc tính lọc không hoàn toàn lý tưởng

+ Phiên bản là một tín hiệu có phổ hạn chế, chứ không phải như tínhiệu nguyên bản

Ngoài ra, các sai lệch quá đáng về đồng bộ cũng có thể dẫn đến sắpxếp sai các tổ hợp mã thu được và điều này dẫn đến các sai lạc vô cùng trầmtrọng Các chi tiết về các công đoạn trong quy trình PCM và các biện phápkhắc phục sai số ta sẽ trình bày phía dưới đây Để cụ thể ta xét với quá trình

số hóa tín hiệu điện thoại.

Sơ đồ (1.5) mô tả các công đoạn điều chế mã xung

fs

Tín hiệu

liên tục

Tín hiệu có băng hạn chế Các xung PAM Các xung PAM lượng tử hóa Tín hiệu

PCM

Hình 1.5 Quá trình điều chế mã xung PCM

1.6.1.2 Lọc hạn băng

Phổ của tín hiệu điện thoại tập trung trong giải từ 0,3- 3,4 khz Việccắt bỏ các thành phần tần số ngoài giải nói trên không gây ra những méo thụcảm được quá lớn, tức là không gây nên những trở ngại đặc biệt đối với quátrình thông thoại Để hạn chế phổ tín hiệu có thể tiến hành loại bỏ các thànhphần tần số lớn hơn 3,4khz trong tín hiệu điện thoại bằng lọc thông thấp, tức

là có thể chọn tần số cực đại W của tín hiệu thoại là 3,4 khz Trong trườnghợp này, sai số do lọc hạn băng gây ra chủ yếu là bởi không thể chế tạo đượcmạch lọc thông thấp lý tưởng mà chỉ có thể chế tạo được các mạch lọc vớiđặc tính lọc không dốc đứng tại tần số cắt Để không gây nên những méo cóthể thụ cảm rõ rệt được, tần số cắt của mạch lọc hạn băng phải chọn cao hơn3,4 khz Các mạch lọc tiêu biểu chuẩn trong thực tế (có đặc tính thỏa mãn cáckhuyến nghị của CCITT cho các mạch thoại) có tần số cắt rất sát với 4khz.[2]

1.6.1.3 Lấy mẫu

Quá trình lấy mẫu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu thoại liêntục với một chuỗi xung nhịp có tần số fs≥ 2W Quá trình lấy mẫu tín hiệuđiện thoại được mô tả hình sau:

Các xung PAM

Mạch nhân

Mạch nhân

Tín hiệu PAM

t

Tín hiệu xung nhịp

S(t)

t

Tín hiệu liên tục

Hình 1.6 Quá trình lấy mẫu liên tục

Việc chọn tần số nhịp lớn hơn hai lần W sẽ làm mở rộng băng tầnchiếm của tín hiệu số, do vậy tần số nhịp phải chọn nhỏ nhất mà không gâyméo tín hiệu Sai số gây bởi việc không thể lấy mẫu trong một thời gian dài

vô hạn thường không đáng kể và có thể bù đắp bằng việc chọn fs lớn hơn 2Wmột chút Kết hợp thực tế phát sinh do lọc hạn băng, tần số lấy mẫu tiêuchuẩn cho tín hiệu thoại được chọn là 8khz [2]

1.6.1.4 Lượng tử hóa

Lượng hóa được thực hiện đơn giản nhất bằng cách chia giải động tínhiệu [-a,+a] thành Q mức cách đều nhau, được gọi là lượng tử hóa đều.Khoảng cách giữa các mức lượng tử ∆ = 2a/Q Các giá trị của các mẫu tínhiệu (các xung PAM) được làm tròn thành giá trị mức lượng tử gần nhất Sai

số lượng tử của các giá trị mẫu là một biến ngẫu nhiên eq, nhận các giá trịtrong khoảng [ -a/Q,+a/Q], có thể xem như một lượng tạp âm gọi là tạp âmlượng tử và có thể đánh giá được thông qua công suất tạp âm lượng tử

2 / 2  

/

a Q

q q q q eq

Trong đó pdf (.) là hàm mật độ xác suất (probailiy density function).

Do không biết được phân bố thực sự của biên độ tín hiệu điện thoại trongkhoảng giữa hai mức lượng tự sát nhau, người ta buộc phải giả thiết rằng tínhiệu điện thoại nhận các giá trị biên độ trong khoảng giữa hai mức lượng tửsát nhau với xác suất như nhau Do đó tạp âm lượng tử được xem là biếnngẫu nhiên phân bố đều, tức là pdf(eq) = Q/2a thay vào biểu thức (1.2)

Ta được: peq = a2/3Q2= ∆2/12 (1.3)

Từ biểu thức (1.3) chúng ta có thể thấy khi tăng số mức lượng tử Q thìcông suất tạp âm lượng tử giảm Chẳng hạn khi tăng số mức lượng tử lên hailần, công suất tạp âm lượng tử giảm 4 lần, tức là vào khoảng 6dB Tuy nhiên,việc tăng quá mức số mức lượng tử dẫn đến hai hệ quả:

+ Số mức lượng tử lớn dẫn đến số bít dùng để mã các mức lượng tửtăng làm tăng tốc độ bít và do vậy tăng phổ chiếm của tín hiệu số

+ Với cùng một giải động tín hiệu, việc tăng quá mức số mức lượng tử

sẽ có thể dẫn đến mức lượng tử khôi phục lại ở phần thu nhận nhầm dưới tácđộng của tạp âm nhiệt trong các mạch điện tử Thêm vào đó, nếu lượng tửhóa đều thì việc chia các mức với số mức tối thiểu (nhằm giảm số bít mã cầndùng) xác định theo độ chính xác đã cho đối với các mức cao của tín hiệu lạidẫn đến sai số phạm phải lại lớn đối với các mức thấp Điều này dẫn tới sai

số tổng cộng lớn do trong thực tế các mức tín hiệu thấp của tín hiệu thoạithường xảy ra nhiều hơn so với các mức cao Các mâu thuẫn nói trên trongthực tế được khắc phục nhờ áp dụng lượng tử hóa không đều, trong đókhoảng cách giữa các mức lượng tử được chọn lớn với các mức tín hiệu lớncòn với các mức tín hiệu nhỏ thì khoảng cách giữa các mức lượng tử chọnnhỏ Giải pháp này là khá tự nhiên do đối với mức tín hiệu lớn thì tỷ số tínhiệu trên sai số (tín/tạp âm lượng tử) vẫn khá nhỏ dù sai số lượng tử tuyệt đối

có lớn Việc chia các mức lượng tử không đều như thế tuy vậy lại khá khóthực hiện trong thực tế và một giải pháp tương đương thường được áp dụng

là thực hiện lượng tử hóa đều các tín hiệu được nén Luật nén được áp dụng

trong điều chế mã xung tín hiệu điện thoại là luật logarit, trong đó tín hiệu lối

ra y của mạch nén biến thiên theo luật logarit của tín hiệu lối vào x Ở phần

thu tín hiệu được giãn trở lại Việc duy trì nén - giãn chính xác là một yêucầu rất ngặt nghèo nhằm tránh các méo tín hiệu mang vào do quá trình néngiãn

Luật nén được áp dụng là luật μ đối với hệ Mỹ, trong khi đó hệ châu

Luật nén A (hệ Châu Âu)

 

 

1 ,0

là : A = 87,6 và μ = 255 Đối với hệ Mỹ, μ =100 cũng được sử dụng trongmột hệ thống, tuy nhiên đó không phải là giá trị mà CCITT chọn làm giá trịtiêu chuẩn [2]

Hình (1.7) mô tả việc tuyến tính hoá luật μ

9

8

Hình 1.7 Tuyến tính hóa luật nén μ bằng 15 đoạn

Để phối hợp chặt chẽ nén và giãn, các bộ nén giãn số được áp dụng cảtrong hệ Mỹ lẫn hệ Châu Âu dựa trên việc xấp xỉ các đường cong của biểuthức (1.4) bằng 15 đoạn thẳng (7 đoạn dương, 7 đoạn âm, một đoạn qua gốc)

Còn biểu thức (1.5) bằng 13 đoạn thẳng ( 6 đoạn dương , 6 đoạn âm vàmột đoạn qua gốc được chia thành 4 phân đoạn) được thể hiện hình sau:

1/2 1/8

11 10

9

8

7

Hình 1.8 Tuyến tính hóa luật A bằng 13 đoạn thẳng

Từ bảng 1.1 và bảng 1.2 chúng ta có thể thấy mỗi đoạn được chia thành

16 mức lượng tử đều Giá trị độ lớn của mỗi mức lượng tử đều tính theo sốbước của mức biên độ lối vào (ghi ở cột cuối cùng của các bảng) thay đổi theogiá trị mức lối vào [2]

Bảng 1.1.Thuật toán xấp xỉ đặc tính nén luật A và mã

Đoạn thứ Giới hạn dưới

của đoạn(tính theobước biên độvào)

Giới hạn trêncủa đoạn(tínhtheo bướcbiên độ vào)

PXYZABCD

Độ lớn củamỗi bướclượng tử đều(tính theobước biên

64320-32

1001ABCD1000ABCD0000ABCD0001ABCD

2222

theo bước biên độ vào)

Từ mã PXYZABCD

Độ lớn của mỗibước lượng tử(tính

theo bước biên độ vào)

4096 mức sử dụng các từ mã 12 bít Như vậy so với nếu sử dụng bộ lượng tử

tuyến tính 8 bít (256 mức) công suất tạp âm lượng tử giảm được 4x6 =24 dB.[2]

1.7 Kết Luận

Trong chương này chúng ta đã nghiên cứu các vấn đề cơ bản về hệthống thông tin số: Tìm hiểu về tín hiệu liên tục, tín hiệu số, sơ đồ tiêu biểucủa một hệ thống thông tin số mà hầu hết hệ truyền dẫn nào có sử dụng nguồntin là nguồn tin số Đặc biệt là chúng ta đã phân tích được tích chất của mộttín hiệu xung PAM trong hệ thống thông tin số Các tác động của môi trườngtruyền dẫn, ảnh hưởng của các thiết bị chuyển mạch và truyền dẫn tới chấtlượng hệ thống thông tin số sẽ được nghiên cứu, giải quyết ở chương 2

Chương 2 TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU SỐ TRÊN KÊNH THỰC 2.1 Giới thiệu chương

Chương này xem xét những nguyên lý căn bản về truyền dẫn tín hiệu

số trên kênh liên tục với các giả định lý tưởng: kênh truyền hoàn toàn tuyếntính với đặc tuyến biên độ-tần số hoàn toàn bằng phẳng, đặc tuyến pha-tần sốhoàn toàn tuyến tính và độ rộng băng truyền dẫn là vô hạn Các tác động từbên ngoài cũng đã được bỏ qua và chỉ xét tới tác động của tạp âm nhiệt cộngtrắng chuẩn tồn tại một cách cố hữu trong kênh Sau đó chúng ta sẽ nghiêncứu các tác động của kênh truyền thực tế bao gồm sự hạn chế về băng tầntruyền dẫn, các méo phi tuyến và méo tuyến tính, các tác động của can nhiễu.Nghiên cứu phổ công suất của một tín hiệu số PAM, đặc trưng của các kênh

có độ rộng băng thông hữu hạn và méo kênh, đặc trưng xuyên nhiễu ISI [2]

2.2 Hệ thống tuyến tính bất biến

- Khái niệm hệ tuyến tính

Cho hệ thống với x t  là tác động lối vào, y t  là đáp ứng lối ra, T làmột toán tử hay một phép biến đổi nào đó

Nhận xét: Hệ tuyến tính xử lý tổng các tác động như thể các tác độngnày được xử lý một cách độc lập, sau đó các đáp ứng tương ứng được cộnglại Do hệ tuyến tính dễ dàng phân tích, tổng hợp nên trong thực tế nhiều hệthống phi tuyến trong điều kiện cụ thể nào đó cũng được xấp xỉ hóa tuyếntính.

2.3 Kênh liên tục

2.3.1 Khái niệm kênh liên tục

Từ sơ đồ khối hình (1.4), chúng ta có thể thấy rằng nguồn thông tin vàkhối tạo khuôn tín hiệu có thể xem là một nguồn tin số với đầu ra là các chuỗibít, cho dù nguồn tin thực tế là nguồn tin rời rạc hay liên tục (bất luận dịch vụđược sử dụng là dịch vụ gì : thoại, truyền số liệu hay truyền hình…) Do cáckhối trong khoảng nét đứt là không nhất thiết đối với mỗi loại hệ thống nên ta

có thể bỏ qua các khối đó và xem hệ thống truyền dẫn số là hệ thống thựchiện truyền đưa các tin số từ đầu ra của nguồn tin số đó Trong trường hợp khi

hệ thống có bao hàm cả các khối mã nguồn, mã kênh, mã mật và ghép kênh đinữa thì ta cũng có thể mở rộng khái niệm nguồn tin số tới tận cuối các khối đó

mà không mất tính tổng quát Tức là toàn bộ khối trong nét đứt trên hình (1.4)

có thể gộp thành một khối nguồn tin số Tương tự, các khối tương ứng ở phầnthu có thể gộp thành khối nhận tin số

Hệ thống truyền dẫn số như vậy hình thành một kênh số (có tín hiệu lối

vào và tín hiệu lối ra là các tín hiệu số) Kênh số này được tính từ đầu vàokhối điều chế tới lối ra bộ giải điều chế Như vậy kênh liên tục là một đặc tínhcủa kênh số và ta có thể định nghĩa kênh liên tục như sau :

Hiện nay con người chưa tìm ra được một phương thức hữu hiệu nào đểtruyền trực tiếp các tín hiệu số băng gốc trên cự ly lớn và do các hệ thốngtruyền dẫn tín hiệu trước đây vốn là các hệ thống analog nên vệc sử dụng cácđường truyền analog để truyền các tín hiệu số là một vấn đề có tính nguyêntắc và là sự kế thừa có tính hợp lý Do vậy, kênh số nối trên sẽ bao hàm trong

nó một kênh có đặc tính liên tục, với tín hiệu lối vào là các tín hiệu dạng sóng

liên tục chứ không phải là các con số thuần túy mặc dù các tín hiệu như thếvẫn là các tín hiệu số do độ dài thời gian của từng tín hiệu là hữu hạn và sốcác dạng sóng có thể được phát đi cũng là hữu hạn Kênh truyền các tín hiệu

dạng sóng liên tục như vậy được gọi là kênh liên tục Do vậy ta có thể biểu

diễn hệ thống truyền dẫn số bằng sơ đồ sau [2]

Giải điều chế số

Giải điều chế số Nhận tin số

Nhận tin số

m’i

n(t) r(t)

Kênh liên tục

Kênh liên tục

AWGN tạp âm cộng trắng chuẩn

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số

2.3.2 Mô hình kênh liên tục

Thực tế khi truyền qua một kênh liên tục các tín hiệu si(t) được phát đi

từ phần phát tương ứng với các tin mi sinh ra từ nguồn tin số chịu tác độngcủa cả méo lẫn tạp âm và can nhiễu, do vậy tín hiệu nhận được r(t) có thểkhác rất đáng kể so với tín hiệu đã được phát đi, dẫn đến việc đánh giá củamáy thu về tín hiệu nào đã được phát đi có thể bị sai

Một kênh liên tục chịu các tác động nhiễu loạn như thế có thể mô hìnhhóa bởi sơ đồ sau, thể hiện mọi tác động của kênh tới quá trình truyền dẫn số

Sơ đồ hình (2.3) thể hiện các nguồn nhiễu có tần số trùng hoặc khác với tần

số tín hiệu hữu ích được môt tả bằng các tín hiệu zi(t) với phổ được xác địmhnhờ các đặc tính lọc của các hệ thống gây nhiễu đó Ti(f)

Sau đây là sơ đồ mô hình kênh liên tục:

Các hệ thống truyền dẫn không hạn chế phổ tần là các hệ thống có đặctính tần số tổng cộng (đặc tính tiêu hao theo tần số) của hệ thống bằng phẳngtrên toàn trục tần số Trong thực tế không tồn tại các hệ thống như vậy do cácnguyên nhân sau :

+ Các môi trường truyền dẫn đều có đặc tính không bằng phẳng trênsuốt trục tần số (các môi trường truyền dẫn như không gian vũ trụ, sợi quang

học chỉ được xem là gần như có độ rộng băng truyền dẫn rất lớn, có thể nóimột cách gần đúng là có băng tần truyền dẫn vô hạn mà thôi).

+ Trong mọi trường hợp người ta đều mong muốn truyền đưa nhiềuluồng tín hiệu số trên cùng một tuyến truyền dẫn và để làm điều này màkhông gây ảnh hưởng lẫn nhau, các các luồng truyền dẫn trên thường đượcphân biệt với nhau về mặt tần số nhờ các thiết bị có đặc tính chọn lọc tần số

Như vậy, các hệ thống truyền dẫn số thực tế đều có thể xem như các hệ

thống có băng tần truyền dẫn bị hạn chế (band-limited).

Trên hình (2.3) các đặc tính tần số T(f), R(f) và Ti(f) do đó có dạng cácđặc tính lọc với tần số trung tâm là tần số sóng mang fc (đối với T(f), R(f) và fi

(đối với Ti(f)) [2]

2.4 Các tác động của kênh liên tục

Các tác động của kênh liên tục tới chất lượng truyền dẫn số hết sứcphức tạp Mọi tác động cơ bản tác động tới quá trình truyền dẫn tín hiệu sốtrên các loại kênh truyền dẫn bao gồm cả máy thu phát đầu cuối và môitrường truyền có thể kể ra là: Méo tín hiệu, can nhiễu, sự truyền lan tín hiệutheo nhiều đường, hiệu ứng Doppler do các máy đầu cuối thu Phát di động sovới nhau và sự biến đổi theo thời gian của kênh truyền …

Méo tín hiệu phát sinh do sai lệch giữa đặc tính biên độ, tần số hoặctính pha, tần của hàm truyền tổng cộng của hệ thống so với đặc tính đượcthiết kế nhằm triệt tiêu ISI trong quá trình truyền dẫn tín hiệu số Hệ quả là ởđầu ra hệ thống sẽ xuất hiện ISI và do đó BER tăng [2]

2.4.1 Méo tuyến tính

Méo tuyến tính có đặc tính không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu đượctruyền và được đánh giá qua thông số sai lệch giữa đặc tính biên độ- tần sốvà/ hoặc đặc tính tần pha (hay đặc tính giữ chậm) của hàm truyền tổng cộngcủa hệ thống so với đặc tính được thiết kế nhằm triệt tiêu ISI trong quá trìnhtruyền dẫn tín hiệu số

Nguyên nhân gây ra méo tuyến tính:

+ Chế tạo các mạch lọc không hoàn hảo

+ Đặc tính tần số của môi trường truyền không bằng phẳng trên suốt độrộng băng tín hiệu do các hiện tượng như :

- Pha dinh đường (multipath fading) chọn lọc theo tần số trong các hệ

thống vô tuyến số băng rộng

- Tiêu hao phụ thuộc tần số khí quyển do sự hấp thụ của không khí vàhơi nước đối với các hệ thống vô tuyến

- Tiêu hao phụ thuộc tần số của đường dây…

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

   .  

H f C f M f (2.2)Trong đó C(f) là tích của các hàm truyền của các bộ lọc phát và thuđược thiết kế nhằm thỏa mãn điều kiện tiêu chuẩn Nyquist, còn M(f) tổngquát là một hàm truyền có đặc tính biên độ-tần số không bằng phẳng và hoặc

có tính pha tần không tuyến tính thể hiện tác động của các yếu tố trên [2]

2.4.2 Méo phi tuyến

Tính phi tuyến của kênh truyền có thể gây bởi nhiều loại mạch điệntrong hệ thống như các bộ khuếch đại, các bộ trộn tần và nhiều loại mạchkhác

Tính phi tuyến của các mạch điện trong hệ thống truyền dẫn gây ra haitác động cơ bản :

- Làm thay đổi tỉ lệ lỗi

- Thay đổi (mở rộng) phổ tín hiệu

Sự thay đổi phổ tín hiệu do méo phi tuyến dẫn đến thay đổi can nhiễugiữa các kênh vô tuyến lân cận trong một tuyến truyền dẫn tín hiệu số Tácđộng của tính phi tuyến tới tỷ lệ lỗi của hệ thống thì không giống nhau đối vớicác loại hệ thống với tín hiệu có đường bao không đổi (như các hệ thống điềuchế tần số hay các hệ thống điều chế PSK) hay với tín hiệu có đường bao thayđổi (như các hệ thống có điều chế biên độ như hệ thống điều chế QAM)

Trong các hệ thống với tín hiệu có đường bao không đổi, tác động củatính phi tuyến thực tế là không quá lớn Trong trường hợp độ phi tuyến củakênh truyền dẫn nhỏ thì tác động của nó tới chất lượng của hệ thống truyềndẫn tín hiệu số chỉ là khá nhỏ và có thể bỏ qua được Trong trường hợp nhưthế việc phân tích và đánh giá hệ thống có thể dựa trên các mô hình hệ thốnghoàn toàn tuyến tính.

Méo phi tuyến phát sinh do đặc tuyến phi tuyến của các bộ khuếch đạicông suất phát nhất thiết phải được tính đến trong quá trình phân tích, đánhgiá một cách đầy đủ các hệ thống vi ba số M-QAM do tín hiệu M-QAM hếtsức nhạy cảm đối với méo phi tuyến Tác động của méo phi tuyến trong các

hệ thống truyền dẫn qua vệ tinh cũng cần phải được xem xét đầy đủ do côngsuất của các bộ KĐCS dùng đèn sóng chạy (TWT: traveling Wave Tube) củamáy phát trạm mặt đất hay của bộ phát đáp trên vệ tinh rất lớn

Méo phi tuyến gây bởi các mạch khuếch đại công suất thể hiện qua:

- Công suất tín hiệu lối ra quan hệ không tuyến tính với biên độ tín hiệu

lối vào và được gọi là biến điệu biên độ-biên độ (AM/AM conversion) gọ tắt là

méo biên độ

- Lượng dịch pha của tín hiệu lối ra phụ thuộc biên độ tín hiệu lối vào

và được gọi là biến điệu biên độ - pha (AM/PM conversion), gọi tắt là méo

pha [2]

2.4.3 Can nhiễu

Nhiễu thông tin vô tuyến điện là ảnh hưởng của năng lượng không cầnthiết bởi một hoặc nhiều nguồn phát xạ, bức xạ hoặc những cảm ứng trên máythu trong hệ thống thông tin vô tuyến điện, dẫn đến làm giảm chất lượng, giánđoạn hoặc bị mất hẳn thông tin mà có thể khôi phục được nếu không có

những năng lượng không cần thiết đó Can nhiễu đối với các hệ thống truyền

dẫn có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau như:

Nhiễu vũ trụ, nhiễu công nghiệp, nhiễu đồng kênh, nhiễu cận kênh,nhiễu đa truy nhập, nhiễu từ các hệ thống truyền dẫn khác Ngoài ra, do các

thiết bị có đặc tính không hoàn hảo một số các nhiễu khác như các hài củanguồn nuôi, các sản phẩm xuyên điều chế do méo phi tuyến… cũng có tácđộng làm giảm chất lượng truyền dẫn Trong số các loại can nhiễu kể trên, cácloại can nhiễu quan trọng nhất có thể kể ra là: Nhiễu các kênh lân cận, nhiễuđồng kênh và nhiễu đa truy nhập.

- Nhiễu đồng kênh: nhiễu khi sử dụng lại tần số

- Nhiễu kênh lân cận:

+ Nhiễu từ các kênh lân cận của cùng một hệ thống

+ Từ các kênh khác nhau của các hệ thống khác nhau

+ Là do tín hiệu của kênh liền kề có băng thông rộng hơn băngthông cho phép và chồng lấn sang kênh tần số khác

- Nhiễu đa truy nhập: Là nhiễu gây ra do tín hiệu của nhiều người sửdụng giao thoa với nhau [2]

2.4.4 Pha-đing

Khái niệm : Pha đing là hiện tượng thăng giáng tín hiệu thu một cách

bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tấc động của môi trườngtruyền dẫn

Nguyên nhân: Đối với vi ba-vệ tinh tần số làm việc không quá cao cho

nên tổn hao trong không khí Pha đing gây ra chủ yếu bởi sự hấp thụ của khíquyển trong những điều kiện đặc biệt như mưa rào

Đối với các hệ thống khác: Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều củamật độ không khí, sự tán xạ, phản xạ, nhiễu xạ từ các vật chướng ngại trênđường truyền gây trải trễ giao thoa sóng tại điểm thu

Các yếu tố gây pha đing đối với các hệ thống vô tuyến mặt đất gồm:+ Sự thăng giáng của tần điện ly đối với các hệ thống ngắn

+ Sự hấp thụ bởi các phần tử khí, hơi nước, mưa,… sự hấp thụ này phụthuộc vào tần số công tác, đặc biệt trong dải tần số cao