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

Để làm chủ được các hệ thống đo kiểm thì trước hết phải nắm vững được cơ sở lý thuyết về tín hiệu cần đo kiểm, sau đó là nguyên lý của kỹ thuật đo vì vậy em đã chọn đề tài “Nghiên cứu ứn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ IV

TỪ VIẾT TẮT Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined Đặt vấn đề Error! Bookmark not defined Tóm tắt Error! Bookmark not defined Mục tiêu Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 1 Error! Bookmark not defined.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU SỐ Error! Bookmark not defined 1.1 Phân tích dạng xung cơ bản Error! Bookmark not defined 1.1.1 Cơ bản về xung băng tần cơ sở Error! Bookmark not defined 1.1.2 Các tham số băng tần cơ sở Error! Bookmark not defined 1.1.3 Phân tích dạng xung tín hiệu Error! Bookmark not defined 1.1.4 Phân tích mẫu mắt Error! Bookmark not defined 1.2 Phân tích vector tín hiệu điều chế số Error! Bookmark not defined 1.2.1 Cơ bản về điều chế tín hiệu số Error! Bookmark not defined 1.2.2 Nguyên lý phân tích vector tín hiệu điều chế Error! Bookmark not defined 1.2.3 Kết quả phân tích vector tín hiệu số Error! Bookmark not defined 1.3 Phân tích phổ tần số Error! Bookmark not defined 1.3.1 Chuyển đổi giữa miền thời gian và miền tần số Error! Bookmark not defined 1.3.2 Nguyên lý máy phân tích phổ tín hiệu Error! Bookmark not defined 1.3.3 Kết quả phân tích phổ Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2 Error! Bookmark not defined CÁC QUY TRÌNH ĐO LƯỜNG Error! Bookmark not defined 2.1 Đo dạng xung Error! Bookmark not defined 2.1.1 Máy đo dạng xung Error! Bookmark not defined 2.1.2 Quy trình đo dạng xung Error! Bookmark not defined 2.2 Đo mẫu mắt tín hiệu Error! Bookmark not defined 2.2.1 Các máy đo mẫu mắt Error! Bookmark not defined 2.2.2 Quy trình đo mẫu mắt tín hiệu Error! Bookmark not defined 2.3 Phân tích vector tín hiệu điều chế Error! Bookmark not defined 2.3.1 Các thiết bị phân tích vector Error! Bookmark not defined 2.3.2 Quy trình phân tích vector Error! Bookmark not defined 2.4 Phân tích phổ tín hiệu Error! Bookmark not defined 2.4.1 Các thiết bị phân tích phổ tín hiệu Error! Bookmark not defined 2.4.2 Quy trình phân tích phổ tín tín hiệu Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3 Error! Bookmark not defined.

MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐO Error! Bookmark not defined 3.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng OpticSystem 7.0 Error! Bookmark not defined 3.2 Phân tích kết quả đo dạng xung Error! Bookmark not defined 3.3 Phân tích kết quả đo mẫu mắt Error! Bookmark not defined 3.4 Phân tích kết quả phân tích vector Error! Bookmark not defined 3.5 Phân tích kết quả phân tích phổ Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined.

Ưu điểm và hạn chế của từng kỹ thuật phân tích Error! Bookmark not defined.

- Phương pháp phân tích dạng xung Error! Bookmark not defined.

- Phương pháp phân tích mẫu mắt tín hiệu Error! Bookmark not defined.

- Phương pháp phân tích phổ tín hiệu Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn tín hiệu số Error! Bookmark not defined.

Hình 1.2: Lấy mẫu tín hiệu với các tần số khác nhau Error! Bookmark not defined.

Hình 1.3: Các mức lượng tử hóa đồng nhất Error! Bookmark not defined.

Hình 1.4: Lượng tử hóa đồng nhất tín hiệu hình sin Error! Bookmark not defined.

Hình 1.5: Lỗi lượng tử hóa Error! Bookmark not defined.

Hình 1.6: Giản đồ các loại mã đường truyền Error! Bookmark not defined.

Hình 1.7: Mặt nạ xung chuẩn tốc độ 2048kbit/s Error! Bookmark not defined.

Hình 1.8: Phổ công suất của một số loại mã đường Error! Bookmark not defined.

Hình 1.9: Sơ đồ cấu tạo máy hiện dao động (osilloscope) Error! Bookmark not defined.

Hình 1.10: Sơ đồ khối chức năng máy hiện sóng tín hiệu số Error! Bookmark not defined.

Hình 1.11: Dạng xung tín hiệu tại đầu thu Error! Bookmark not defined.

Hình 1.12: Kết quả của phép phân tích mẫu mắt tín hiệu Error! Bookmark not defined.

Hình 1.13: Độ rộng mắt truyền dẫn Error! Bookmark not defined.

Hình 1.14: Kết quả hiển thị độ mở mắt tín hiệu Error! Bookmark not defined.

Hình 1.15: Mẫu mắt tín hiệu và các giá trị mức “1”, “0” Error! Bookmark not defined.

Hình 1.16: Kết quả minh họa rung pha tín hiệu Error! Bookmark not defined.

Hình 1.17: Sơ đồ khối điều chế ASK Error! Bookmark not defined.

Hình 1.18: Dạng tín hiệu khi điều chế khóa dịch biên độ ASK Error! Bookmark not defined.

Hình 1.19a: Sơ đồ khối giải điều chế không kết hợp tín hiệu ASK Error! Bookmark not defined.

Hình 1.19b: Sơ đồ khối giải điều chế kết hợp tín hiệu ASK Error! Bookmark not defined.

Hình 1.20: Sơ đồ khối điều chế FSK Error! Bookmark not defined.

Hình 1.21: Sơ đồ khối giải điều chế FSK Error! Bookmark not defined.

Hình 1.22: Sơ đồ khối giải điều chế FSK Error! Bookmark not defined.

Hình 1.23: Giản đồ chòm sao với tín hiệu 2, 4, 16 và 256-QAM Error! Bookmark not defined.

Hình 1.24: Sơ đồ khối chức năng bộ điều chế QAM Error! Bookmark not defined.

Hình 1.25: Sơ đồ khối chức năng bộ giải điêu chế QAM Error! Bookmark not defined.

Hình 1.26: Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động thiết bị phân tích vector tín hiệu sốError! Bookmark not defined Hình 1.27: Sự chồng phổ các kí hiệu Error! Bookmark not defined.

Hình 1.28: Sử dụng băng thông dự trữ để loại bỏ chồng phổ Error! Bookmark not defined.

Hình 1.29: Kết quả đo vector lỗi Error! Bookmark not defined.

Hình 1.30: Kết quả đo vùng vector lỗi Error! Bookmark not defined.

Hình 1.31: Kết quả lỗi pha điều chế Error! Bookmark not defined.

Hình 1.32: Lỗi dịch gốc I/Q tín hiệu điều chế Error! Bookmark not defined.

Hình 1.33: Đồ thị biểu diễn hệ số không cân bằng Error! Bookmark not defined.

Hình 1.34: Lỗi mất cân bằng cầu phương Error! Bookmark not defined.

Hình 1.35: Giản đồ vector mất cân bằng cầu phương Error! Bookmark not defined.

Hình 1.36: Đồ thị méo pha tín hiệu Error! Bookmark not defined.

Hình 1.37: Giản đồ chòm sao thể hiện tín hiệu nhiễu tín hiệu Error! Bookmark not defined.

Hình 1.38: So sánh số phép tính phải thực hiện của DFT, FFT và SDFTError! Bookmark not defined.

Hình 1.39: Sơ khối chức năng máy phân tích phổ tín hiệu số Error! Bookmark not defined.

Hình 1.40: Sơ đồ chức năng khối thích ứng tín hiệu Error! Bookmark not defined.

Hình 1.41: Dạng xung tín hiệu của tần số tín hiệu, tần số quét và tần IFError! Bookmark not defined.

Hình 1.42: Sơ đồ khối chức năng máy phân tích quang phổ Error! Bookmark not defined.

Hình 1.43: Phương pháp phân tích cố định được sử dụng để đo PMDError! Bookmark not defined.

Hình 1.44: Nguyên lý đo CD Error! Bookmark not defined.

Hình 1.45: Các đường cong thu được với phương pháp xấp xỉ bậc haiError! Bookmark not defined.

Hình 1.46: Biểu diễn SNR của tín hiệu Error! Bookmark not defined.

Hình 2.1: Thiết bị Puma 4300 của hãng Consultronics Error! Bookmark not defined.

Hình 2.2: Thiết bị dao động ký số GAO PS1042M Error! Bookmark not defined.

Hình 2.6: Kết nối cầu (bridge) đo giám sát dạng xung Error! Bookmark not defined.

Hình 2.7: Kết nối thiết bị đo với cổng đo điểm đo của hệ thống Error! Bookmark not defined.

Hình 2.8: Màn hình thiết lập phép đo của máy EST-125-Acterna Error! Bookmark not defined.

Hình 2.9: Kết quả phân tích dạng xung tín hiệu ở dạng đồ thị và bảngError! Bookmark not defined.

Hình 2.10: Thiết bị AT7000 Error! Bookmark not defined.

Hình 2.11: Thiết bị GPIB Error! Bookmark not defined.

Hình 2.12: Thiết bị WaveExpert Error! Bookmark not defined.

Hình 2.13: Thiết bị đo mắt truyền dẫn MP1026B hãng Inritsu Error! Bookmark not defined.

Hình 2.14: Kết nối xung đồng hồ cho thiết bị đo Error! Bookmark not defined.

Hình 2.15: Thiết bị phân tích vector tín hiệu số Agilent 1680 Error! Bookmark not defined.

Hình 2.16: Thiết bị FSQ-K70 của hãng Rohde-Schwarz Error! Bookmark not defined.

Hình 2.18: Sơ đồ kết nối thiết bị qua bộ chia Error! Bookmark not defined.

Hình 2.19: Sơ đồ kết nối trực tiếp Error! Bookmark not defined.

Hình 2.23: Thiết bị MTS-8000, hãng sản xuất JDSU Error! Bookmark not defined.

Hình 2.27: Sơ đồ kết nối thực hiện đo Error! Bookmark not defined.

Hình 3.1: Giao diện khởi động phần mềm OptiSystem 7.0 Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2: Giao diện cửa sổ làm việc của phần mềm Error! Bookmark not defined.

Hình 3.3: Chọn thiết bị và thiết kế hệ thống Error! Bookmark not defined.

Hình 3.4: Chạy mô phỏng hệ thống Error! Bookmark not defined.

Hình 3.5: Kết quả đo trên phần mềm Error! Bookmark not defined.

Hình 3.6: Kết quả đo dạng xung tín hiệu tiêu chuẩn T1 Error! Bookmark not defined.

Hình 3.7: Kết quả hiển thị mẫu mắt tín hiệu cảu thiết bị Inritsu Error! Bookmark not defined.

Hình 3.9: Pha của tín hiệu GSM Error! Bookmark not defined.

Hình 3.10: Kết quả phân tích vectortín hiệu dịch vụ GSM Error! Bookmark not defined.

Hình 3.11: Kết quả đo biên độ các thành phần I/Q khi phân tích vector tín hiệuError! Bookmark not defined Hình 3.12: Kết quả phân tích lỗi điều chế tín hiệu 8-PSK của dịch vụ EDGEError! Bookmark not defined Hình 3.13: Kết quả phân tích phổ tín hiệu quang hệ thống DWDMError! Bookmark not defined.

Hình 3.14: Kết quả phân tích phổ quang hệ thống DWDM Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU

Các công nghệ viễn thông ngày càng phát triển kéo theo nhu cầu sử dụng và các yêu cầu về chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng ngày càng cao Do đó việc đo

lường, đánh giá các tham số chất lượng truyền dẫn thông tin là một yêu cầu cấp thiết

với các nhà cung cấp dịch vụ nhằm khẳng định được thương hiệu và cũng để đáp ứng

được yêu cầu của khách hàng ngày một tốt hơn Để làm chủ được các hệ thống đo

kiểm thì trước hết phải nắm vững được cơ sở lý thuyết về tín hiệu cần đo kiểm, sau đó

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

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

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

là kỹ thuật phân tích dạng xung, kỹ thuật phân tích mắt truyền dẫn, kỹ thuật phân tích

phổ và kỹ thuật phân tích vector tín hiệu điều chế số.Với mỗi phương pháp đo kiểm

cần phải biết là đo được tham số nào, ý nghĩa của các tham số đó, quy trình thực hiện

các phép đo để sao cho kết quả đo là chính xác và đáng tín cậy nhất

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

hiệu số” bao gồm:

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

trình bày cơ sở lý thuyết về phân tích tín hiệu số Luận văn tập trung vào bốn phương

pháp phân tích tín hiệu số được dùng phổ biến hiện nay là phân tích tín dạng xung, phân tích mẫu mắt tín hiệu, phân tích phổ và phân tích vector tín hiệu điều chế số Mỗi

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

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

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

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

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

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

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

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU SỐ

1.1 Phân tích dạng xung cơ bản

1.1.1 Cơ bản về xung băng tần cơ sở

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

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

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

a, Nguyên lý lấy mẫu

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

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

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

Tín hiệu tương tự A/D Mã hóa Mã hóa kênh Điều chế

Môi trường truyền tín hiệu

Khuếch đại công suất

Khuếch đại công suất

Giải điều chế

Giải mã kênh Giải mã

Thuê bao số

D/A Thuê bao

tương tự

đây là phải lấy mẫu như thế nào để có thể khôi phục lại tín hiệu gốc Tín hiệu lấy mẫu của tín hiệu gốc s(t) biểu diễn là s(nT) với T là chu kỳ lấy mẫu [1]

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

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

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

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

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

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

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

b, Lượng tử hoá

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

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

Hình 1.5: Lỗi lượng tử hóa

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

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

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

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

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

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

Tín hiệu được lấy mẫu và lượng tử hóa bao gồm một tập hợp các số và được lưu

giá trị khác nhau ứng

2

2 q

c, Các loại mã đường truyền

Dưới đây giới thiệu một số dạng mã thông dụng và được sử dụng cho các mục đích khác nhau tùy vào các yêu cầu cụ thể về các tính chất của đường truyền [3]:

- Nonreturn - to - zero - Level (NRZ - L)

0 = mức cao

1 = mức thấp

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

- Nonreturn - to - zero inverted (NRZI)

0 = chuyển mức điện thế ở đầu bit

1 = không chuyển mức điện thế ở đầu bit NRZI là một thí dụ của mã vi phân: sự mã hóa tùy vào sự thay đổi trạng thái của

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

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

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

- Bipolar - AMI

0 = không tín hiệu (hiệu thế = 0)

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

- Pseudoternary

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

1 = không tín hiệu (hiệu thế = 0) Hai loại mã có cùng tính chất là sử dụng nhiều mức điện thế để tạo mã (Multilevel Binary), cụ thể là 3 mức: âm, dương và không Lợi điểm của loại mã này là:

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

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

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

3 mức điện thế

- Manchester

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

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

- Differential Manchester

Luôn có chuyển mức ở giữa bit

“0” = chuyển mức ở đầu bit

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

do đó tạo điều kiện cho máy thu phục hồi xung đồng hồ để tạo đồng bộ Do có khả