Bài giảng Điện tử thông tin Chương 6

Tổn hao đường truyền và cơng suất tín hiệu thu Cơng suất thu đựơc ở một anten với hệ số khuếch đại Gr cĩ thể biểu diễn như sau: p r r L G EIRP trong đĩ: EIRP = PtGt là cơng suất phát xạ

CHƯƠNG 6: TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN TÍN HIỆU SỐ

THÔNG DẢI

(15 tiết)

PHẦN 1: LÝ THUYẾT (12 tiết)

6.1 Điều chế số

6.1.1 Khóa dịch biên (ASK)

Khóa dịch biên độ (ASK – Amplitude Shift Keying) còn được gọi là khóa bật – tắt (OOK – On/Off Keying) điều biến một sóng mang hình sin bằng cách bật tắt với một tín hiệu nhị phân đơn cực

Hình 6.1 Các tín hiệu nhị phân được điều chế số Tín hiệu ASK được biểu diễn như sau:

t t

Am t

s( )  ( ) cos c

trong đó m(t) là tín hiệu dữ liệu băng cơ sở đơn cực như hình 6.1

Tín hiệu ASK có thể được tách sóng bằng một bộ tách sóng đường bao (tách sóng không kết hợp) hoặc một bộ tách sóng tích (tách sóng kết hợp)

Hình 6.2 Tách sóng ASK

6.1.2 Khóa dịch tần (FSK)

Khóa dịch tần (FSK – Frequency Shift Keying) dịch tần số một sóng mang hình sin từ một tần số vết (tương ứng với việc gửi đi một số nhị phân 1) sang một tần số trống tương ứng với việc gửi đi một số nhị phân 0) theo tín hiệu băng cơ sở Tín hiệu FSK được biểu diễn như sau:













) cos(

) cos(

) (

2 2

1 1









t A

t A

t s

trong đó 1 được gọi là tần số vết và 2 được gọi là tần số trống

6.1.3 Khóa dịch pha nhị phân (BPSK)

Khóa dịch pha nhị phân (BPSK – Binary Phase Shift Keying) sẽ dịch pha một sóng mang hình sin đi 00 hoặc 1800 bằng một tín hiệu nhị phân đơn cực (hình 6.1) Tín hiệu PSK được biểu diễn như sau:

)) ( cos(

)

trong đó m(t) là tín hiệu dữ liệu băng cơ sở cực như hình 6.1

Để tách sóng BPSK phải sử dụng tách sóng đồng bộ tương tự như hình 6.2b

6.1.4 Khóa dịch pha cầu phương (QPSK) và khóa dịch pha M (MPSK)

Nếu máy phát PM có tín hiệu điều chế số với M = 4 mức thì tín hiệu đầu ra là tín hiệu khóa dịch pha M (MPSK) Các mức pha lần lượt có thể là 00, 900, 1800, 2700 hoặc 450,

1350, 2250, 3150 hai nhóm tín hiệu này cơ bản là giống nhau trừ độ lệch trong chuẩn pha sóng mang Trường hợp MPSK trong đó pha của sóng mang là 450, 1350, 2250,

3150 còn được gọi là QPSK

6.1.5 Điều chế biên độ cầu phương (QAM)

Tương tự như MPSK sử dụng sự sai lệch pha để điều chế nhưng khác ở chổ tín hiệu QAM (Quadrature Amplitude Modulation) có thể có nhiều mức biên độ và nhiều mức pha hơn QAM 16 (có M = 16 mức) và QAM 64 (có M = 64 mức) thường được sử dụng trong truyền hình số

6.2 Phân tích tuyến truyền dẫn vơ tuyến

6.2.1 Tổn hao đường truyền và cơng suất tín hiệu thu

Cơng suất thu đựơc ở một anten với hệ số khuếch đại Gr cĩ thể biểu diễn như sau:

p

r

r

L

G

EIRP

trong đĩ: EIRP = PtGt là cơng suất phát xạ tương đương của anten đẳng hướng; Pt là cơng suất phát; Gt là hệ số khuếch đại của anten phát; Gr là hệ số khuếch đại anten thu;

Lp là tổn hao đường truyền

Đối với anten parabol, hệ số khuếch đại anten thường được tính theo cơng thức sau:

472

.

G

trong đĩ: f là tần số sĩng mang [GHz], D là đường kính gương phản xạ [m] và η là

hiệu suất mặt mở Thơng thường η = 0.55 – 0.73

Trong khơng gian tự do tổn hao đường truyền được xác định như sau:

2

2

)

4

(



d

FSL 

trong đĩ: d là khoảng cách giữa anten phát và anten thu, λ là bước sĩng

Ở dạng dB:

2

2

) 4

(

lg

10



d

FSL 

FSL = 92,5 + 20lgf [GHz] + 20lgd [km], dB

hay:

FSL = 32,5 + 20lgf [MHz] + 20lgd [km], dB

Hấp thụ của khí trong khí quyển là nguyên nhân gây ra tổn hao khí quyển Các tổn hao này thường vào khoảng vài phần của dB (ký hiệu là AA) Tầng điện ly gây ra dịch phân cực sóng điện từ dẫn đến tổn hao lệch phân cực (ký hiệu là PL) Ngoài ra, sự lệch định hướng và mất đồng chỉnh hướng phân cực của anten cũng gây ra tổn hao ký hiệu

là AML

Tổng tổn hao đường truyền Lp khi trời quang đãng được xác định theo công thức sau:

trong đó: FSL là tổn hao trong không gian tự do; RFL là tổn hao phidơ máy thu; AA là tổn hao hấp thụ khí quyển; PL là tổn hao lệch phân cực

Phương trình cho công suất thu ở dB như sau:

Pr = EIRP + Gr – Lp

trong đó:Pr là công suất thu [dBW], EIRP là công suất phát xạ đẳng hướng tương đương [dBW]; Lp là tổn hao đường truyền [dB]

6.2.2 Hệ số nhiễu và nhiệt độ nhiễu

 Nhiễu nhiệt:

Công suất tín hiệu thu trong một đường truyền vô tuyến thường rất nhỏ, vào khoảng picowat Công suất này sẽ được máy thu khuếch đại đến công suất đủ lớn Tuy nhiên

do luôn luôn có nhiễu ở đầu vào máy thu nên nếu tín hiệu thu không đủ lớn hơn nhiễu, khuếch đại sẽ không có tác dụng vì nó khuếch đại cả nhiễu Tình trạng này còn trở nên tồi tệ hơn vì chính bộ khuếch đại cũng bổ sung thêm nhiễu gọi là nhiễu nhiệt

Trong thiết bị nhiễu nhiệt gây ra do chuyển động nhiệt của các điện tử trong các vật dẫn Nó được tạo ra ở các phần tử ghép có tổn hao giữa anten với máy thu và ở các tầng đầu của máy thu Mật độ phổ công suất nhiễu nhiệt không đổi ở tất cả các tần số thấp hơn 1012 Hz., vì thế được gọi là nhiễu trắng Quá trình nhiễu nhiệt ở máy thu được mô hình hoá bằng quá trình tạp âm trắng Gauss cộng (AWGN: additive white Gauss noise) và được biểu thị bằng công suất nhiễu cực đại có thể có ở đầu vào bộ khuếch đại như sau:

N = kTΔf [W]

trong đó k = 1,38.10-23 là hằng số Bonzmant; T là nhiệt độ nhiễu đo bằng Kenvin [K]

và Δf là băng thông kênh

Mật độ phổ công suất tạp âm (PSD) đơn biên trong trường hợp này đơực xác định như sau:

kT

f

N





 Nhiễu anten:

Các anten thu đưa nhiễu vào các đường truyền Có thể phân chia nhiễu do anten đưa vào thành hai nhóm: nhiễu xuất sứ từ tổn hao anten và nhiễu bầu trời Nhiễu bầu trời là thuật ngữ để miêu tả phát xạ vi ba từ vũ trụ do các phần tử được làm nóng trong vũ trụ gây ra Sự phát xạ này trong thực tế bao phủ phổ rộng hơn phổ vi ba Nhiệt độ nhiễu tương đương của bầu trời nhìn từ anten mặt đất được cho ở hình 6.2 Đồ thị phía dưới dành cho anten hướng thẳng đỉnh đầu (thiên đỉnh) còn đồ thị cao hơn dành cho anten hướng ngay trên đừơng chân trời Sự tăng nhiệt độ nhiễu trong trường hợp thứ hai là

do sự phát xạ nhiệt của trái đất và đây là lý do thiết lập giới hạn dưới của góc ngẩng anten bằng 50 ở băng C và 100 ở băng Ku

Các đồ thị cho thấy tại đầu tần số thấp của phổ, nhiễu giảm khi tăng tần số Khi anten hướng thiên đỉnh, nhiệt độ nhiễu giảm xuống còn 3 K tại các tần số nằm trong khoảng

từ 1 đến 10 GHz Phía trên 10 GHz có hai đỉnh nhiệt độ Mọi cơ chế tổn hao hấp thụ đều tạo ra nhiễu nhiệt vì tồn tại liên quan trực tiếp giữa tổn hao và nhiễu nhiệt

Hình 6.5

Hình 6.5 áp dụng cho các anten mặt đất Các anten vệ tinh thông thường hướng xuống mặt đất và vì thế chúng thu phát xạ nhiệt từ mặt đất Trong trường hợp này nhiệt độ nhiễu nhiệt tương đương của anten ngoại trừ các tổn hao của anten vào khoảng 2900K Các tổn hao anten cộng với nhiễu thu từ phát xạ và tổng nhiệt độ nhiễu anten này là tổng của nhiễu tương đương của tất cả các nguồn trên Đối với các anten băng C mặt đất, thông thường tổng nhiệt độ nhiễu anten vào khoảng 60K và đối với băng Ku vào khoảng 80 K trong điều kiện bầu trời quang đãng Tất nhiên không thể áp dụng các giá trị này cho các trường hợp đặc biệt và chúng được dẫn ra ở đây chỉ để cho ta một khái niệm về các đại lượng có thể có

 Hệ số nhiễu:

Hệ số nhiễu được định nghĩa là tỷ số giữa tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở đầu vào với tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở đầu ra của phần tử thu:

out

in

SNR

SNR

NF 

Hệ số nhiễu của máy thu chủ yếu được xác định bởi các tầng đầu của máy thu Ở hình 6.6 nhiễu gây ra do bộ khuếch đại của máy thu được quy đổi thành nhiễu đầu vào máy thu và được ký hiệu là Nai

Hình 6.6

Từ hình 6.6 ta có:

i ai

ai i r

i r

N

N N

N A

AP

N P



) (

/

/

trong đó: Pr là công suất thu, A là khuếch đại của mạch gây nhiễu, Ni là nhiễu đầu vào

và Nai là nhiễu quy đổi đầu vào của phần tử gây nhiễu

Để có thể áp dụng được NF ta phải sử dụng nguồn nhiễu tham khảo Ni Như vậy hệ số nhiễu sẽ cho thấy thiết bị sẽ tạo ra nhiễu lớn hơn bao nhiêu lần nhiễu của nguồn tham khảo Hệ số nhiễu có thể được xác định đối với nguồn nhiễu tham khảo ở nhiệt độ T = 290K Khi đó, mật độ công suất nhiễu của nguồn tham khảo như sau:

Hz dBW

N

Hz W kT

N

/ 10 4 290 10

38

.

1

0

21 23

0















 Nhiệt độ nhiễu

Ta có:

Nai = (NF – 1)Ni

Nếu thay Ni = kTiΔf và Nai = kTrΔf,

trong đó: Ti là nhiệt độ nguồn tham khảo; Tr là nhiệt độ nhiễu hiệu dụng của máy thu

ta có:

kTrΔf = (NF-1)kTiΔf

Tr = (NF – 1)Ti

Vì ta chọn Ti = 290K, nên:

Tr = (NF – 1)290K

Ta thấy rằng có thể mô hình hoá một bộ khuếch đại có nhiễu như nguồn nhiễu bổ sung (hình 6.6) hoạt động ở nhiệt độ nhiễu hiệu dụng Tr Đối với các kết cuối là điện trở thuần tuý thì Tr không bao giờ thấp hơn nhiệt độ môi trường xung quanh trừ khi nó được làm nguội Cần lưu ý rằng đối với các đầu cuối là điện kháng (chẳng hạn các bộ khuếch đại thông số không được làm nguội) hay các thiết bị có nhiễu nhỏ khác thì Tr

có thể thấp hơn 290K rất nhiều Ta cũng có thể biểu diễn nhiễu đầu ra Nout của một bộ khuếch đại phụ thuộc vào nhiệt độ nhiễu hiệu dụng của nó như sau:

Nout = A(Ni + Nai) = A(kTgΔf + kTrΔf) = Ak(Tg + Tr) Δf

trong đó: Tg là nhiệt độ của nguồn

 Nhiệt độ nhiễu đường dẫn sóng

Đường dẫn sóng khác với bộ khuếch đại ở chỗ nó chỉ gây tổn hao và nhiễu Ta xét một đường dẫn sóng chỉ có tổn hao như hình:

Hình 6.7

Giả thiết đường này được phối hợp trở kháng tại nguồn và tải L là tổn hao công suất được xác định như sau

Vậy hệ số khuếch đại là A = 1/L (nhỏ hơn một) Giả sử nhiệt độ của tất cả các phần tử

là Tg Tổng công suất nhiễu đầu ra là:

Nout = kTgΔf

vì đầu ra của mạng chỉ là thuần trở tại nhiệt độ Tg Tổng công suất ngược về mạng phải cũng bằng Nout để đảm bảo cân bằng nhiệt Nhắc lại rằng công suất nhiễu có thể

kTgΔf chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, băng thông và phối hợp trở kháng Có thể coi rằng

Nout gồm hai thành phần, Ngo và ANLi như sau:

Nout = kTgΔf = Ngout + ANLi

trong đó: Nout = AkTgΔf là thành phần công suất nhiễu đầu ra do nguồn nhiễu gây ra

và ANLi là thành phần công suất nhiễu do mạng tổn hao gây ra; NLi là nhiễu của mạng quy đổi đầu vào Kết hợp hai phương trình trên ta có:

kTgf = AkTgf + ANLi

Giải phương trình trên để tìm NLi ta được:

g g

L

L g

Li

T L T

A

A

T

f kT f kT

A

A

N

) 1 ( 1

1



















TL là nhiệt độ nhiễu hiệu dụng của đường dẫn sóng

Chọn nhiệt độ tham khảo Tg = 290K, ta có thể viết:

TL = (L -1)290K

Do đó, ta có thể biểu diễn hệ số nhiễu hiệu dụng của đường tổn hao như sau:

L

T

NF   L 

290

1

 Nhiệt độ nhiễu của nối tầng

Ta có hệ số nhiễu của m tầng nối tầng như sau:

1 2 1 2

1 3 1

2 1

1

1 1



















m

m

A A A

NF A

A

NF A

NF

NF

NF

Tổng nhiệt độ nhiễu trong trường hợp này như sau:

1 2 1 2

1 3 1

2

1

1

1 1



















m

m tol

A A A

T A

A

T A

T

T

T

Hình 6.8 cho thấy một tổ chức mạch điển hình trong đó đường phiđơ tổn hao L được nối với bộ khuếch đại có hệ số nhiễu NF

Hình 6.8

Trong trường hợp này ta có:

NFtol = L+L(NF-1) = L NF

vì hệ số nhiễu của phiđơ là L và khuếch đại của nó là 1/L nên:

Ttol = (L NF - 1)290K

Ta cũng có thể viết nhiệt độ tổng của đường phiđơ và bộ khuếch đại như sau:

Ttol = (L NF – L + L - 1)290K

= [(L-1)+L(NF-1)]290K

= TL + LTr

Đối với các hệ thống thông tin trên mặt đất NF thường được sử dụng Các hệ thống thông tin vệ tinh thường sử dụng khái niệm nhiệt độ nhiễu

 Nhiệt độ nhiễu hệ thống

Hình 6.9 cho thấy sơ đồ của một hệ thống chứa các phần tử gây ảnh hưởng nhiễu nhất

ở máy thu: anten, phiđơ và bộ tiền khuếch đại

Hình 6.9

Nhiệt độ nhiễu hệ thống là tổng nhiệt độ của tất cả các phần tử chính đóng góp vào nhiễu ở máy thu:

TS = TA+Ttol

trong đó: TA là nhiệt độ nhiễu của anten và Ttol là tổng nhiệt độ nhiễu của phiđơ và bộ tiền khuếch đại

Viết lại phương trình trên ta có:

TS = TA + TL + LTr

= TA + (L - 1)290K + L(NF - 1)290K

= TA + (LNF - 1)290K

Nếu L.NF được cho ở dB thì TS có dạng:

TS = TA + (10L.NF/10 - 1)290K

6.2.3 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

Ba thông số thường được sử dụng để đánh giá tỷ số tín hiệu trên nhiễu là: sóng mang trên nhiễu (C/N hay Pr/N), sóng mang trên mật độ nhiễu (C/N0 hay Pr/N0) và năng lượng bit trên mật độ phổ nhiễu (Eb/N0) Quan hệ giữa các thông số này như sau:

Pr/N0 = (Pr/N) [dB] + 10lg(Δf)

Eb/N0 = (Pr/N) [dB] - 10lg(Rb/Δf)

trong đó: Pr là công suất thu sóng mang (C); Rb là tốc bit; Eb là năng lượng bit; Δf là độ

rộng băng tần

Eb = PrTb= Pr/Rb

C/N0 và Eb/N0 không phụ thuộc vào tần số thường được sử dụng để so sánh hiệu suất của các hệ thống khác nhau C/N phụ thuộc vào độ rộng băng tần của một hệ thống cho trước (chẳng hạn bộ lọc máy thu)

Ta có:

Pr/N0 = EIRP + Gr/T - LP - k [dB/Hz]

Lưu ý rằng hệ số khuếch đại anten thu và nhiệt độ nhiễu hệ thống được kết hợp chung thành một thông số và đôi khi tỷ số này được gọi là độ nhạy máy thu

6.2.4 Dự trữ Phading

Việc phân tích quỹ đường truyền cho phép cân đối các tổn hao và độ lợi công suất trong quá trình truyền dẫn để có thể đưa ra một lượng dự trữ công suất cần thiết đảm bảo truyền dẫn trong điều kiện không thuận lợi mà vẫn đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu Lượng công suất dự trữ này được gọi là dự trữ đường truyền hay dự trữ phađing và được xác định như sau:

req b

r

b

N

E N

E



























0 0

[dB]

trong đó: M là độ dự trữ đường truyền hay phađinh, (Eb/N0)r, (Eb/N0)req là tỷ số năng lượng bit trên mật độ phổ công suất nhiễu thu và yêu cầu Tỷ số theo yêu cầu được xác định theo BER yêu cầu

Vì tín hiệu thu hữu ích ở đây thường là sóng mang được điều chế nên ta thường nói đến tỷ số sóng mang trên nhiễu (C/N) hay (Pr/N) là tỷ số SNR:

] / [ ] [ ] / [ ] [ ]

/ [ ] [ ]

thay k = -228.6 dBW/K.Hz vào ta được:

] / [ 6 228 ] [ ] / [ ] [ ]

/ [ ] [ ]

[

0

Hz K dBW dB

L s bit dB R dB N

E K dB T

G dB EIRP

dB

req

b

















Nếu xét cả tổn hao ở các phần tử nối máy phát đến anten phát và đặt nhiệt độ tham chuẩn TR = 290 K thì ta có thể viết lại phương trình (6.66) như sau:

] / [ 204 ] / [ ]

[

] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [

]

[

0

1 1

Hz dBW s

bit dB R dB

N

E

dB NF dB L dB L dB L dB G dB G dBW

P

dB

M

b req

b

p r

t t

































trong đó:

 Pt, Gt, L1 là công suất, hệ số khuếch đại và suy hao ở các phần tử nối anten phát

 Gr, L2 là hệ số khuếch đại và suy hao các phần tử nối anten thu

 NF là hệ số nhiễu

PHẦN 2: BÀI TẬP (3 tiết)

1 Một sóng mang được điều chế bởi một tín hiệu dữ liệu băng cơ sở cực để tạo ra một tín hiệu BPSK, s(t) = 10cos[ωct + Dpm(t)], trong đó m(t) = 1 tương ứng với dữ liệu nhị phân {10010110} Tb = 0.0025s và ωc = 1000π Sử dụng Matlab vẽ dạng sóng tín hiệu BPSK và phổ FFT của nó với các chỉ số điều chế số sau:

a h = 0.2

b h = 0.5

c h = 1

2 Giả sử dữ liệu ngẫu nhiên 4800 bit/s được gửi đi trên một kênh truyền thông dải bằng tín hiệu BPSK Tìm dải thông truyền dẫn BT sao cho đường bao phổ giảm xuống ít nhất 30dB khi ở bên ngoài dải thông này

3 Calculate the baud rate for the given bit rate and typeof modulation:

a 2000 bps, FSK

b 4000 bps, ASK

c 6000 bps, 2-PSK

d 6000 bps, 4-PSK

e 6000 bps, 8-PSK

f 4000 bps, 4-QAM

g 6000 bps, 16-QAM

4 Draw the constellation diagram for the following:

a ASK, amplitudes of 1 and 3

b 2-PSK, amplitudes of 1 at 0 and 180 degrees

5 The data points of a constellation are at (4,0) and (6,0) Draw the constellation Show the amplitude and phase for each point Is the modulation ASK, PSK, or QAM? How many bits per baud can one send with this constellation?

6 Đường xuống vệ tinh tại tần số 12 GHz làm việc với cơng suất 6 W và hệ số khuếch đại anten 48,2 dB Tính EIRP ở dBW

(a) 36 dBW; (b) 46 dBW; (c) 50 dBW; (c) 56 dBW

7 Tính tốn hệ số khuếch đại anten parabol đường kính 3 m làm việc tại tần số 12 GHz, coi rằng hiệu suất mặt mở bằng 0,55

(a) 47,9 dBi; (b) 48,9 dBi; (c) 50,9dBi; (d) 51dBi

8 Khoảng cách giữa trạm mặt đất và vệ tinh là 42.000 km Tính tổn hao trong khơng gian tự do tại tần số 6 GHz

(a) 190,4 dB; (b) 200,9 dB; (c) 210,9 dB; (d) 211,9dB

9 Đường truyền vệ tinh làm việc tại tần số 14 GHz cĩ tổn hao phiđơ bằng 1,5 dB và tổn hao khơng gian tự do bằng 207 dB Tổn hao hấp thụ khí quyển bằng 0,5 dB, tổn hao định hướng anten bằng 0,5 dB, tổn hao lệch cực cĩ thể bỏ qua Tính tổng tổn hao đường truyền khi trời quang

(a) 199,5 dB; (b) 209,5 dB; (c) 210,5dB; (d) 211,5dB

10 Khi tính tốn quỹ đường truyển tại tần số 12 Ghz, tổn hao trong khơng gian tự do

là 206 dB, tổn hao định hướng anten là 1 dB, tổn hao hấp thụ khí quyển là 2 dB Tỷ số Gr/T của máy thu là 19,5 dB/K và tổn hao phi đơ là 1 dB EIRP bằng 48dBW Hãy tính tỷ số sĩng mang trên mật độ phổ cơng suất tạp âm