Giáo trình Tín hiệu và phương thức truyền dẫn - CĐ Nghề Công Nghiệp Hà Nội

(NB) Giáo trình Tín hiệu và phương thức truyền dẫn giúp các bạn trình bày được các khái niệm cơ bản về các dạng tín hiệu dùng trong công nghệ điện tử và truyền thông. Trình bày được các phương thức truyền dẫn tín hiệu, và nguyên tắc hoạt động của chúng. Nhận biết được thiết bị điện tử trong hệ thống thông tin dân dụng. Cân chỉnh hoặc cài đặt các thiết bị thu phát truyền tin trong hệ thống thông tin dân dụng. Người học được hướng dẫn về thái độ trong môi trường làm việc.

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Chủ biên: NGUYỄN THỊ THU

-*** -

GIÁO TRÌNH TÍN HIỆU VÀ PHƯỜNG THỨC TRUYỀN DẪN

( Lưu hành nội bộ)

HÀ NỘI 2012

LỜI NÓI ĐẦU

Trong chương trình đào tạo của các trường trung cấp nghề, cao đẳng nghề Điện tử dân dụng thực hành nghề giữ một vị trí rất quan trọng: rèn luyện tay nghề cho học sinh Việc dạy thực hành đòi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ đồng thời cần một giáo trình nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với yêu cầu thực tế

Nội dung của giáo trình “TÍN HIỆU VÀ PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN”

đã được xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước,

Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới

và biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập những nội dung cơ bản, cốt yếu

để tùy theo tính chất của các ngành nghề đào tạo mà nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp và không trái với quy định của chương trình khung đào tạo cao đẳng nghề

Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự tham gia đóng góp

ý kiến của các bạn đồng nghiệp và các chuyên gia kỹ thuật đầu ngành

Xin trân trọng cảm ơn!

Tuyên bố bản quyền

Tài liệu này là loại giáo trình nội bộ dùng trong nhà trường với mục đích làm tài liệu giảng dạy cho giáo viên và học sinh, sinh viên nên các nguồn thông tin có thể được tham khảo

Tài liệu phải do trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội in ấn và phát hành Việc sử dụng tài liệu này với mục đích thương mại hoặc khác với mục đích trên đều bị nghiêm cấm và bị coi là vi phạm bản quyền

Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội xin chân thành cảm ơn các thông tin giúp cho nhà trường bảo vệ bản quyền của mình

Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:

Số

TT

Tên chương mục

Thời gian Tổng

số

Lý thuyết

Thực hành Bài tập

Kiểm tra *

(LT hoặc TH)

Mở đầu

- Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt

động của hệ thống thông tin dân

dụng

- Chức năng và nhiệm vụ của các

khối trong hệ thống thông tin dân

- Các phương thức giải điều chế tín

MỤC LỤC

MÔN HỌC : TÍN HIỆU VÀ PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN 7

Mã môn học: MH17 7

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DÂN DỤNG 7

1 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin dân dụng 8

1.1 Sơ đồ khối chức năng 8

2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin dân dụng 11

2.1 Nguyên lý hoạt động 11

2.2 Nguyên lý hoạt động của từng khối 12

3 Chức năng và nhiệm vụ của các khối trong hệ thống thông tin dân dụng 13

3.1 Phân loại các hệ thống thông tin dân dụng 13

3.2 Các nhược điểm của thông tin vô tuyến 19

4 Nguyên lý đổi tần và dịch phổ tín hiệu 29

4.1 Phổ của tín hiệu 29

4.2 Đổi tần 36

5 Câu hỏi và bài tập thảo luận 46

CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHỀ TÍN HIỆU 47

1 Khái niệm tín hiệu, các thành phần cơ bản và các tham số đặc trưng trong từng loại tín hiệu 48

1.1 Khái niệm tín hiệu 48

1.1.1 Các tính chất của tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian t 48

1.2 Khái niệm về sóng điện từ và tín hiệu thông tin 50

1.3 Tính chất và các thành phần cơ bản của sóng điện từ 51

2 Các phương thức điều chế tín hiệu 53

2.1 Điều chế biên độ 53

2.2 Điều tần và điều pha (FM,PM) 75

3 Các phương thức giải điều chế tín hiệu 94

3.1 Giải điều chế tín hiệu điều biên (AM) 94

Giải điều chế tín hiệu điều tần và điều pha (FM,PM) 98

Nguyên lý giải điều chế tín hiệu điều tần 98

4 Bài tập 105

CHƯƠNG 3 : CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN SÓNG ĐIỆN TỪ 106

1 Cấu tạo và tính chất của các môi trường truyền dẫn 107

1.1 Sợi quang 107

1.2 Tầng đối lưu 108

1.3 Tầng điện ly 109

2 Các Phương thức truyền dẫn tín hiệu và lĩnh vực áp dụng 110

2.1 Truyền dẫn bằng nhiễu xạ trên mặt đất 110

2.2 Truyền dẫn bằng phản xạ tầng điện ly và tầng đối lưu 110

2.3 Truyền dẫn bằng chuyển tiếp qua vệ tinh 110

2.4 Truyền dẫn bằng cáp 114

3 Các loại anten thông dụng 117

3.1 Anten chấn tử vòng 117

3.2 An ten parabol 117

CÁC THUẬT NGỮ CHUYÊN MÔN 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

MÔN HỌC : TÍN HIỆU VÀ PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN

Mã môn học: MH17

Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học:

- Vị trí của môn học: Môn học được bố trí sau khi học sinh học xong các môn học chung, trước các môn học/ mô-đun đào tạo chuyên môn nghề ở học kỳ

1

- Tính chất của môn học: Là môn học kiến thức kỹ thuật cơ sởbắt buộc

Mục tiêu của môn học:

- Sau khi học xong, người học có thể trình bày được các khái niệm cơ bản về các dạng tín hiệu dùng trong công nghệ điện tử và truyền thông Trình bày được các phương thức truyền dẫn tín hiệu , và nguyên tắc hoạt động của chúng

- Nhận biết được thiết bị điện tử trong hệ thống thông tin dân dụng Cân chỉnh hoặc cài đặt các thiết bị thu phát truyền tin trong hệ thống thông tin dân dụng

- Người học được hướng dẫn về thái độ trong môi trường làm việc

Nội dung của môn học:

Cụ thể như sau:

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DÂN DỤNG

Mã chương: MH 17 01 Giớithiệu :

Hệ thống thông tin dân dụng có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong cuộc sống hàng ngày, nó giúp chúng ta có thể trao đổi thông tin, dữ liệu ở khoảng cách xa Nó còn giúp chúng ta kết nối và trao đổi thông tin kiến thức lẫn nhau giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và con người

Mục tiêu :

Học xong chương này học viên có khả năng:

 Có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn nhau

 Tuân thủ nội quy và giờ giấc học tập

Nội dung chính

1 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin dân dụng

Hệ thống thông tin dân dụng là sự kết hợp của phần cứng, phần mềm và mạng truyền thông được xây dựng và sử dụng để thu thập, tái tạo, phân phối và chia sẻ các dữ liệu thông tin nhằm phục vụ các mục tiêu của tổ chức,các thành phần kinh tế.Nó cũng là một hệ thống chuyển tải tin tức từ nguồn phát tin đến nơi nhận tin ở một khoảng cách nào đó.Hệ thống thông tin có thể thực hiện giữa một hay nhiều nguồn phát tin đồng thời đến một hay nhiều nơi nhận tin,do đó ta có kiểu thông tin một đường,đa đường,phương thức thông tin một chiều,hai chiều hay nhiều

chiều.Môi trường thông tin đa tuyến hay hưu tuyến

1.1.1 Sơ đồ khối

Nguồn tin phát Nơi nhận tin

Hình 0.1Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin dân dụng Hình 1.1 giới thiệu một sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin dân dụng ,trong đó các tín hiệu phát và thu lan truyền trong môi trường đều được xem dưới dạng tín hiệu điện

1.2 Nhiệm vụ của từng khối chức năng

 Khối phát có chức năng xử lý tín hiệu tin tức và cung cấp vào môi trường thông tin một tín hiệu có dạng phù hợp với đặc tính của môi trường với điều kiện là nội dung của tin tức được truyền truyền đi không thay đổi.Khối phát có thể gồm các phần mã hóa ,điều chế và khuếch đại phát

 Môi trường thông tin là một môi trường vật lý cụ thể cho phép truyền tải tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu Môi trường thông tin có thể dưới dạng hưu tuyến hoặc dưới dạng vô tuyến Môi trường thông tin có gây đặc tính suy hao công suất tín hiệu và gây trễ pha tín hiệu khi truyền tin Cự ly thông tin càng lớn thì độ suy hao và trễ pha càng nhiều

 Khối thu có chức năng thu nhận tín hiệu tin tức từ môi trường thông tin ,tái tạo lại tin tức để cung cấp đến nơi nhận tin Khối thu có thể bao gồm các phần khuếch đại tín hiệu điện (bù sự suy hao trên môi trường truyền ),giải điều chế và giải mã hóa (để khôi phục lại tín hiệu gốc ban đầu ở nơi phát ),khối chọn lọc kênh thông tin (để lựa chọn đúng tín hiệu từ nguồn tin mà ta muốn thu nhận ,trong khi môi trường thông

Khối phát Môi

trường thông tin

Khối thu

Nhiễu ,can nhiễu hoặc tác nhân gây méo

dạng

tin có thể được sử dụng truyền tin đồng thời cho nhiều nguồn tin khác nhau)

 Một loại tín hiệu phụ nhưng luôn luôn xuất hiện và tồn tại trong bất

kỳ hệ thống thông tin nào đó chính là khối nhiễu ,can nhiễu ,các tác nhân gây méo dạng Đây là loại tín hiệu là ta không mong muốn thu nhận được tại nơi thu trong quá trình truyền tin Chúng có thể xuất hiện trong môi trường truyền tin dưới dạng nhiễu cộng hoặc nhiễu nhân Do tính chất suy hao của môi trường thông tin ,tín hiệu tin tức

mà ta muốn truyền có thể bị suy hao công suất đến mức có thể bị xen lẫn với các tín hiệu nhiễu trong môi trường truyền hoặc tại nơi

thu.Lúc này ,quá trình thông tin là thất bại,nơi nhận tin không thể tái tạo lại tin tức từ nguồn phát

 Nhiễu là các tín hiệu không mong muốn ,xuất hiện một cách ngẫu nhiên trong môi trường hay từ các phần tử ,linh kiện của thiết bị Nhiễu cộng có thể được loại bỏ hoặc giảm thiểu từ các

bộ lọc tần số ,các bộ xử lý ngưỡng tại nơi thu.Đối với nhiễu nhân quá trình xử lý nhiễu phức tạp hơn nhiều ,thường phải sử dụng các thuật toán thử và sai( chẳng hạn thuật toán logic mờ,mạng neural ,chuỗi Markov…)

 Can nhiễu là nhiễu gây ra bởi các tác nhân chủ quan của con ngươi như nhiễu do nguồn tín hiệu từ nguồn phát khác ,nhiễu

do nguồn cung cấp công suất ,nhiễu do các thiết bị phụ trợ

…,Can nhiễu xuất hiện ở các dãi tần số khác với tần số muốn thu Can nhiễu có thể được loại bỏ dễ dàng nhờ các phép lọc tần

số thông thường Tuy nhiên ,can nhiễu cùng dãi tần rất khó được loại trừ ,người ta phải dùng các phép mã hóa nguồn phù hợp

 Tác nhân gây méo dạng tín hiệu thường sảy ra do các thành phần tử linh kiện trong thiết bị không có đặc tính tuyến tính Tuy nhiên ,điểm khác biệt giữa các tác nhân gây méo dạng này với nhiễu và can nhiễu là sự méo dạng chỉ sảy ra khi có tín hiệu phát Sự méo dạng có thể được khắc phục nhờ các bộ sủa dạng (equalizer) trong hệ thống thông tin

 Trong hệ thống thông tin nếu tin tức luôn truyền theo một duy nhất

từ nguồn phát đến nguồn thu ta có hệ thông truyền đơn công(simple)

Nếu hệ thống cho phép truyền tin tức theo hai chiều đồng thời gọi

là hệ thống song công ( full duplex) Nếu hệ thống cho phép thông tin theo hai chiều tuần tự nhau (tại một thời điểm chỉ có một bên phát và một bên thu) hệ thống bán song công(half duplex)

2.Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin dân dụng

2.1 Nguyên lý hoạt động

Tin tức từ nguồn tin phát đi được đưa vào khối phát.Tin tức ở đây có thể là digital hay analog tùy vào hệ được dùng.Nó có thể là tin tức về video,audio,hay các thứ khác Trong hệ multiplex(đa hợp) có thể có nhiều nguồn vào Trong hệ digital nó là một vi xử lý.Trong hệ analog nó là một mạch lọc thông thấp.Trong hệ lai nó là mạch lấy mẫu tin tức vào (analog)và digital-hóa để có một biến điệu xung

mã PCM.Nói chung tín hiệu được mã hóa ,điều chế và khuếch đại phát.Sau đó tin tức được đưa lên môi trường truyền.Một cách tổng quát ,môi trường truyền làm suy giảm tín hiệu do nhiễu làm cho tín hiệu bị xấu đi so với nguồn Trên môi

trường truyền có thể chứa các bộ khuếch đại tác động ví dụ Hệ thống repeater trong telephone hoặc như vệ tinh tiếp chuyển trong hệ thống viễn thông trong

không gian.Dĩ nhiên,các bộ phận này cần thiết để giữ cho tín hiệu lớn hơn

nhiễu.Môi trường truyền cũng có thể có nhiều đường (multiple paths) giữa input và output và chúng có thời gian trễ (time delay),tính chất giảm biên khác nhau.Những tính chất này có thể thay đổi theo thời gian Sự thay đổi này làm thay đổi bất

thường (fading)tín hiệu ở ngõ ra của moi trường truyền.Tiếp đó tín hiệu được đưa đến khối thu có nhiệm vụ nhận tín hiệu ở ngỏ ra của kênh và đổi nó thành tín hiệu băng gốc

Sự phân chia các vùng tần số (Frequency Allocations)

Trong các hệ thông tin dùng không khí làm kênh truyền, các điều kiện về giao thoa

và truyền sóng thì phụ thuộc chặt chẽ vào tần số truyền.Về mặt lý thuyết, bất kỳ một kiểu biến điệu nào (AM, FM, một băng cạnh - single sideband, phase shift keying, frequency shift keying ) đều có thể được dùng cho bất kỳ tần số truyền

nào Tuy nhiên, theo những qui ước quốc tế, kiểu biến điệu độ rộng băng, loại tin được truyền cần được xếp đặt cho từng băng tần Bảng sau đây cho danh sách các băng tần, ký hiệu, điều kiện truyền và công dụng tiêu biểu của chúng

Bảng 1.1 :Danh sách băng tần

Ngoài ra còn có dãi sóng có tần số cao hơn 300GHz gọi là sóng siêu mili, dùng trong xử lý tia lazer, hồng ngoại không được sử dụng rộng rãi như sóng vô tuyến Tia hồng ngoại kết hợp với bức xạ của nam châm tạo ra sức nóng Tia tử ngoại, tia cực tím, tia X, tia gamma…rất ít ứng dụng trong ngành thông tin, vì nó không được ứng dụng nhiều

2.2 Nguyên lý hoạt động của từng khối

 Nguyên lý hoạt động của khối truyền tin : là nhận thông tin và

chuyển hóa thành tín hiệu và sau đó xử lý tín hiệu cho phù hợp với môi trường truyền và cuối cùng là phát đi trên môi trường truyền dẫn

Thông tin có thể là âm thanh, hình ảnh, tiếng nói, văn bản …

Xử lý có thể là mã hóa nguồn, ghép kênh, điều chế…

 Môi trường truyền tin : Tùy thuộc vào phương thức truyền dẫn,

chúng ta sẽ có môi trường truyền tin Người ta sử dụng môi trường truyền tin để truyền thong tin dựa trên các nguyên tắc lan truyền tín hiệu trong vật lý như lan truyền sóng âm,lan truyền tín hiệu trong dây dẫn, hay lan truyền sóng trong không khí…

 Nguyên lý hoạt động của khối nhận thông tin : Khối nhận thông

tin hoạt động dựa trên các nguyên tắc thu tín hiệu trong các môi trường truyền dẫn trong vật lý, ví dụ như thu sóng vô truyến, thu

tín hiệu điện trong dây điện ,cáp …

3 Chức năng và nhiệm vụ của các khối trong hệ thống thông tin dân dụng

3.1 Phân loại các hệ thống thông tin dân dụng

3.1.1 Thông tin vô tuyến cố định

Thông tin vô tuyến cố định được sử dụng chủ yếu trong truyền dẫn viba chuyển tiếp đường dài Các máy phát máy thu được đặt ở các trạm đầu cuối hoặc trạm lặp

3.1.2 Thông tin vô tuyến di động

Gần đây ,thông tin di đông đã trở thành một ứng dụng trong lĩnh vực thông tin vô tuyến Phát triển của thông tin di động được bắt đầu bằng phát minh thí nghiệm về sóng điện từ của Hertz và điện báo vô tuyến của Marconi và vào thời kỳ đầu của phát minh thông tin vô tuyến ,nó được sử dụng trong dịch vụ vận tải an toàn đường biển để điều khiển các con tàu Về sau nó gồm có thông tin vô tuyến di động mặt đất, thông tin vô tuyến di động hàng hải, thông tin vô tuyến di động hàng không

Thông tin vô tuyến di động đóng một vai trò quan trọng trong các dịch vụ viễn thông Các dịch vụ thông tin vô tuyến đang được phát triển một cách nhanh chóng

và có thể phân chia chúng thành các dịch vụ viễn thông công cộng cho thông tin dùng riêng

a) Thông tin di động mặt đất:

Hình 0.2Thông tin di động mặt đất

Thông tin di động mặt đất thường được phân nhóm thành hệ thống công cộng và dùng riêng Hệ thống công cộng có nghĩa là hệ thống thông tin có thể truy nhập tới mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN), có điện thoại xe cộ,điện thoại không dây,chuông bủ túi trong hệ thống dùng riêng cả hai loại hệ thống Hệ thống thứ nhất là hệ thống dịch vụ công cộng chẳng hạn như cảnh sát cứu hoả ,cấp cứu ,điện lực và giao thông.Hệ thống thứ hai dùng cho các cá nhân hay công ty.ở đây,ngoài dịch vụ kinh doanh sử dụng sóng vô tuyến dành riêng còn

hệ thống MCA hệ thống kinh tế truy nhập đa kênh ,sử dụng các kênh vô tuyến trong thông tin vô tuyến nội bộ các công ty hay và cá nhân chẳng hạn như máy bộ đàm và vô tuyến nghiệp dư.Ngoài những dịch vụ kể trên còn có các dịch vụ thông tin di động mặt đất mới khác xuất hiện như chuông bỏ túi có màn hiện hình ,đầu cuối xa các đặc tính của thông tin di động được trình bày trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Các đặc tính của các dịch vụ thông tin di động mặt đất

b) Thông tin di động hàng hải:

Hình 0.3Thông tin di động hàng hải Thông tin di động hàng hải được phân chia thành hệ thống thông tin tàu thuyền giữa trạm gốc ở cảng và tàu đi dọc theo bờ biển và hệ thống thông tin vệ tinh hàng hải đến các tàu ngoài khơi xa.Thông tin điện thoại tàu thuyền được phát triển từ điện báo vô tuyến sử dụng bằng sóng ngắn trung bình ,còn hệ thống điện thoại tàu

bè thực sự sử dụng băng tần VHF là hệ thống điện thoại của Great lakes ở Mỹ năm 1952.ở châu âu kênh thông tin hai hướng mở rộng được phát triển theo các kiểu của Mỹ Các nước ở vùng biển bắc bắt đầu khai thác hệ thống này năm

1956,nhưng hệ thống này thuộc kiểu khai thác công nhân với băng tần 150Mhz

Sau đó ITU - R đã khuyến nghị kiểu truy nhập tự động và bây giờ hệ thống 450Mhz NMT được khai thác ở phía bắc và kiểu tự động băng tần 250Mhz được

sử dụng ở nhật

Trong thời kỳ đầu của thông tin vệ tinh hàng hải ,hệ thống MARISATA được khai thác như một nội bộ công ty và theo đó INMARSAT được thiết lập và khai thác vào năm 1979 và rất nhiều dịch vụ như điện thoại ,telex,dữ liệu và cứu hộ hàng hải được cung cấp

Hệ thống giải pháp tổng thể GMDSS (hệ thống cứu hộ và an toàn hàng hải đang được phát triển và sẽ được sử dụng)

c) Thông tin di động hàng không:

Hình 0.4Thông tin di động hàng không

Trong thông tin di động hàng không có dịch vụ điện thoại vô tuyến sân bay để kiểm soát bay và hệ thống điện thoại công cộng hàng không cho hành khách

Dịch vụ có điện thoại công cộng hàng không kiểu thông tin trực tiếp giữa đài mặt đất và máy bay - được sử dụng một phần ở Mỹ ,Nhật và một sồ nước khác.Các kiểu chủ yếu của nó là ARINC và airfone là nhưng kiểu được phát triển ở Mỹ.Băng tần là 800 - 900 Mhz dùng chung với băng tần của thông tin di động mặt đất Ðiều chế ở đây là SSB.Về truy nhập cuộc gọi ,loại thứ nhất là chuyển vùng thông tin ,loại sau là kiểu vùng thông tin phụ thuộc

3.1.3 Thông tin vệ tinh

Hình 0.5Mô hình cung cấp dịch vụ Internet qua vệ tinh cho những khu vực nhỏ

Hình 0.6Các thành phần chính cho cơ sở hạ tầng mạng di động qua vệ tinh Hình trên trình bày nguyên lý của thông tin vệ tinh, trong đó một vệ tinh có các chức năng thu, phát và khuếch đại sóng vô tuyến được phóng vào không gian trở thành một trạm thông tin ngoài trái đất Có nhiệm vụ thu sóng từ trái đất, khuếch đại chúng rồi phát chúng trở về một trạm khác trên mặt đất Đường truyền từ mặt

đất lên gọi là đường lên, đường truyền từ vệ tinh xuống mặt đất gọi là đường

xuống Để tránh can nhiễu giữa đường lên và đường xuống phải sử dụng các băng tần và sóng phân cực khác nhau Có hai loại vệ tinh: vệ tinh quỹ đạo và vệ tinh địa tĩnh Vệ tinh địa tĩnh có ưu điểm là vị trí của nó không thay đổi so với mặt đất, nó được phóng vào quỹ đạo ở độ cao 36000km so với đường xích đạo, thời gian để vệ tinh quay quanh một vòng trái đất là 24h

Vệ tinh thông tin: bao gồm các thiết bị để phục vụ cho mục đích thông tin (thiết bị chức năng) và các thiết bị chung dùng cho việc trợ giúp các thiết bị chức năng Thiết bị chức năng bao gồm anten để thu sóng vô tuyến từ trạm mặt đất và thiết bị chuyển tiếp thông tin để biến đổi và khuếch đại sóng vô tuyến thu rồi phát xuống mặt đất

Các trạm mặt đất: bao gồm các phương tiện thông tin trên mặt đất sử dụng cho thông tin vệ tinh Các phương tiện thông tin vệ tinh được chia thành anten, hệ thống máy phát và máy thu, hệ thống điều khiển thông tin

3.2 Các nhược điểm của thông tin vô tuyến

3.2.1 Fading

Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác đông của môi trường truyền dẫn

Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến măt đất như:

Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn

Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù sự hấp thụ này phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt là dải tần cao (>10Ghz)

Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật đô không khí

Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề măt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển Đây cũng là môt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường

Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện

từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được

là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường

Phân loại fading

Là Fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể và hầu như là hằng

số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu

Fading phẳng thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến có dung lượng nhỏ và vừa, do độ rộng băng tín hiệu khá nhỏ nên fading do truyền dẫn đa đường và do mưa gần như là xem không có chọn lọc theo tần số

Fading lựa chọn tần số (selective fading)

Xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng kênh) sẽ chịu nhiều tác động của selective fading

Nói chung là đối toàn bộ băng thông kênh truyền thì nó ảnh hưởng không đều, chỗ nhiều chỗ ít, chỗ làm tăng chỗ làm giảm cường độ tín hiệu Loại này chủ yếu do fading đa đường gây ra

Hình 0.8Hiện tượng Fading Tác hại lớn nhất của loại fading này là gây nhiễu liên kí tự -ISI.Selective fading tác động lên các tần số khác nhau (trong cùng băng tần của tín hiệu) là khác nhau, do

đó việc dự trữ như flat fading là không thể Do đó để khắc phục nó, người ta sử dụng một số biện pháp:

1/Phân tập (diversity): không gian (dùng nhiều anten phát và thu) và thời gian (truyền tại nhiều thời điểm khác nhau)

2/ Sử dụng mạch san bằng thích nghi, thường là các ATDE (Adaptive Time

Domain Equalizer) với các thuật toán thích nghi thông dụng là Cưỡng ép không ZF (Zero Forcing) và Sai số trung bình bình phương cực tiểu LMS (Least Mean

Square error);

3/Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn có thể lớn do selective fading gây nên); 4/Trải phổ tín hiệu (pha-đinh chọn lọc thường do hiện tượng truyền dẫn đa đường (multipath propagation) gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp, nhất là với máy thu

RAKE, có khả năng tách các tia sóng và tổng hợp chúng lại, loại bỏ ảnh hưởng của multipath propagation);

5/Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là OFDM (ứng dụng trong di động 3G, trong WIFI, WIMAX hay trong truyền hình số mặt đất DVB-T )

Tóm lại, fading phẳng chủ yếu do mưa mù và đa đường (nếu do hiện tượng đa đường thì chỉ với các kênh băng thông hẹp), fading chọn lọc thì chủ yếu do fading

đa đường và kênh truyền rộng

b) Fading nhanh và fading chậm

* Nguyên nhân:

- Fading nhanh (fast fading) hay còn gọi là hiệu ứng Doppler, nguyên nhân là có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thu được sẽ bị dịch tần đi 1 lượng delta_f so với tần sô phát tương ứng

fthu = fphát (c + vthu) / (c+vphát)

=> delta_f=|fthu-fphát|=|v/(c+vphát)|.fphát

Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu (tại cùng 1 t/s phát) Do đó hiện tượng này gọi là fading nhanh

Tuy nhiên, đó không phải là toàn bộ nội dung của fading nhanh mà các hiệu ứng đa đường (multipath) cũng có thể kéo theo sự biến đổi nhanh của mức nhiễu tại đầu thu gây ra fast fading

- Fading chậm (slow fading): Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền VD: tòa nhà cao tầng, ngọn núi, đồi…làm cho biên độ tín hiệu suy giảm, do đó còn gọi là hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Hay sự không ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi là suy hao chậm Vì vậy hiệu ứng này gọi là Fading chậm (slow fading)

Như vậy, slow fading và fast fading phân biệt nhau ở mức độ biến đổi nhiễu tại anten thu

3.2.2 Suy hao do mưa

Cường độ của tín hiệu trên bất cứ một môi trường truyền nào đều bị suy giảm theo khoảng cách Sự suy giảm này thường theo quy luật hàm logarit trong các đường truyền có định tuyến, hay theo một hàm phức tạp trong các môi trường không định tuyến tùy thuộc vào khoảng cách và áp suất không khí và cả các yếu tố mưa mù, khí hậu nữa Tín hiệu suy giảm tác động đến các yếu tố sau :

Tín hiệu tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu có thể phát hiện và khôi phục tín hiệu Tín hiệu nhận được tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu có thể phát hiện và khôi phục không bị sai lỗi

Độ suy giảm thường là một hàm tăng theo tần số

Hình 0.9Suy hao do mưa

Thường để phát đi xa thì người ta cần các bộ khuếch đại lại tín hiệu và chuyển tiếp, với tần số càng cao thì thường bộ khuếch đại càng phải gần lại

Hình 0.10Suy hao do mưa phụ thuộc vào tần số và cường độ mưa, góc ngẩng

Hình 0.11Suy hao do cường độ mưa

3.2.3 Nhiễu vô tuyến

a) Nhiễu trắng (White Gaussian Noise)

Nhiễu trắng là quá trình xác xuất có mật độ phổ công suất phẳng( không đổi ) trên toàn bộ dải tần

Hình 0.12Nhiễu trắng

Qui luật phân bố xác xuất của nhiễu trắng tuân theo hàm phân bố Gaussian

Nhiễu sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các điện tử trong các linh kiện bán dẫn Những âm thanh như tiếng gió, tiếng nước cũng là những nguồn nhiễu trắng

Các vấn đề như thời tiết, con người

b) Nhiễu xuyên âm ( Intersymbol Inteference)

Dải thông tuyệt đối của các xung nhiều mức đỉnh phẳng là vô hạn Nếu các xung này được lọc không đúng khi chúng truyền qua một hệ thống thông tin thì chúng sẽ trải ra trên miền thời gian và xung cho mỗi kí hiệu sẽ chèn vào các khe thời gian bên cạnh gây ra nhiễu giữa các kí hiệu (ISI)

2 2

Hình 0.13Nhiễu xuyên âm

Để giảm nhiễu xuyên âm người ta phải làm thế nào hạn chế dải thông mà vẫn

không gây ra ISI

Khi dải thông bị giới hạn, xung sẽ có đỉnh tròn thay vì đỉnh phẳng

Một trong những phương pháp để loại bỏ nhiễu ISI là dùng bộ lọc cos nâng và bộ lọc ngang ép không (phương pháp Nyquist I)

c) Nhiễu xuyên kênh ( Interchannel Interference)

Gây ra do các thiết bị phát trên các kênh kề nhau

Hình 0.14Nhiễu xuyên kênh

d) Nhiễu đồng kênh ( Cochannel Interference)

Gây ra do 2 thiết bị phát cùng 1 tần số trong 1 mạng giao thoa với nhau

Thường gặp trong hệ thống thông tin di động số cellular, trong đó có tăng hiệu suất

sử dụng phổ bằng cách sử dụng lại tần số

Không thể dùng bộ lọc để loại bỏ giao thoa này Chỉ có thể tối thiểu hóa nhiễu đồng kênh bằng cách thiết kế mạng cellular phù hợp

Hình 0.15Nhiễu đồng kênh

Tức là thiết kế sao cho các cell trong mạng có sử dụng cùng nhóm tần số không ảnh hưởng tới nhau=>khoảng cách các cell cùng tần số phải đủ lớn

e) Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference)

Là nhiễu gây ra do các tín hiệu của các user giao thoa với nhau

Hình 0.16Nhiễu đa truy nhập

4 Nguyên lý đổi tần và dịch phổ tín hiệu

4.1 Phổ của tín hiệu

4.1.1 Khái niệm về phổ tín hiệu

Tín hiệu xác định thường được xem là một hàm xác định của biến thời gian t (s(t)) Hàm

này có thể được mô tả bằng một biểu thức giải tích hoặc được mô tả bằng đồ thị Một trong các đặc trưng vật lý quan trọng của tín hiệu là hàm mật độ phổ biên độ phức S(ω) Với tín hiệu s(t) khả tích tuyệt đối, ta có cặp biến đổi Fourier sau:

(1.1)

(1.2)

Sau đây là một số đặc trưng vật lý quen thuộc của tín hiệu:

- Thời hạn của tín hiệu (T): Thời hạn của tín hiệu là khoảng thời gian tồn tại của tín hiệu,

trong khoảng này giá trị của tín hiệu không đồng nhất bằng 0

- Bề rộng phổ của tín hiệu (F): Đây là miền xác định bởi tần số khác không cao nhất của tín hiệu

- Năng lượng của tín hiệu (E): Năng lượng của tín hiệu có thể tính theo miền thời gian hay miền tần số

4.1.2 Các tham số đặc trưng của phổ tín hiệu

Giữa tín hiện s(t) và phổ S(w) của nó được liên hệ với nhau bởi cặp

tích phân Fourier Dựa vào tính chất của phép tính tích phân, ta suy

ra các tính chất sau đây của phổ tín hiệu

a) Tổng các tín hiệu

Giả sử tín hiệu :

(1.3) Khi đó phổ của tín hiệu s(t) là :

(1.4) Trong đó

là phổ của tín hiệu

b) Tăng hoặc giảm độ lớn của tín hiệu

Giả sử tín hiệu s(t) có phổ là ,khi đó tín hiệu a s(t) (a là hằng số) sẽ có phổ là a

Tính chất thứ nhất và thứ hai còn được gọi là tính chất tuyến tính của phổ tín hiệu

c) Giữ chậm tín hiệu

Giả sử tín hiệu tồn tại trong khoảng thời gian từ đến .Tín hiệu

Hình 0.17Giữ chậm tín hiệu

d) Nén tín hiệu theo thời gian

Hình 0.18Nén tín hiệu Giả sử tín hiệu bị nén thành tín hiệu

Dộ rộng của tín hiệu nhỏ hơn độ rộng của tín hiệu n lần và bằng T/n (n>1)

Phổ của tín hiệu là

(1.7)

Trong tích phân trên ta thực hiện đổi biến

Dặt x=nt ta sẽ nhận được :

Tương tự có thể suy ra rằng khi giản tín hiệu n lần theo trục thời gian thì phổ của

nó sẽ bị nén lại n lần theo thục tần số và biên độ phổ sẽ tăng lên n lần

e) Vi phân và tích phân tín hiệu

Vi phân tín hiệu có thể được thực hiện bằng cách vi phân tất cả các thành phần hài chứa phổ của nó Mặt khác ,từ phép biến đổi ngược

f) Phổ của tích hai tín hiệu

Giả sử tín hiệu s(t) là tích của 2 tín hiệu g(t) và f(t):

s(t) = g(t).f(t) (1.14)

ta xác định được phổ của tín hiệu s(t):

trong đó = là hàm phổ liên hợp phức của hàm phổ

Tương tự, có thể chứng minh được rằng, hàm phổ của tín hiệu s(t) là tích chập của hai tín hiệu f(t) và g(t)

g) Mối liên hệ giữa hàm thời gian t và hàm tần số của tín hiệu

Cho hàm tín hiệu s(t), khi đó phổ của nó được xác định theo công thức biến đổi Fourier thuận là:

Áp dụng công thức Ơ –le

= cos - jsin

biểu thức có thể viết dưới dạng:

Nếu s(t) là một hàm số chẵn theo biến số thời gian t, thì tích phân thứ hai bên vế phải sẽ bằng không, vì tích phân s(t).sin sẽ là hàm số lẻ theo biến số thời gian t

và giới hạn lấy tích phân là đối xứng

Bởi vậy, nếu s(t) là một hàm số chẵn, thì hàm phổ của nó:

Đây là một hàm số thực và cũng là hàm số chẵn theo biến tần số

Nếu s(t) là một hàm số không chẳn cũng không lẻ , thì ta có thể phân tích hàm s(t) thành tổng của hai hàm s1(t)và s2(t) trong đó s1(t) là một hàm số chẳn còn s2(t) là một hàm số lẻ.Trong trường hợp này phổ G( của tín hiệu s(t) sẽ là một hàm biến phức ,và phần thực của nó sẽ là một hàm chẳn theo tần số ,còn phần ảo của nó sẽ

là một hàm số lẻ theo tần số

Từ kết quả của việc phân tích trên ,ta có thể suy ra :Khi tín hiệu s(t) là một hàm chẳn ,thì việc lấy tích phân ngược Fourier ta có thể chọn dấu tuy ý trước biến thời gian t nghĩa là :

Nếu trong tích phân trên ta thực hiện thay biến lấy tích phân bằng t và tham số t bằng thì vế bên trái của biểu thức biến thời gian t cũng sẽ được thay bằng biến

(1.23) Biến trong tích phân Fourier liên quan tương hỗ với nhau :nếu tín hiệu chẳn s(t)

có phổ là G( ,thì tín hiệu G(t) sẽ có phổ là

4.2 Đổi tần

4.2.1 Ý nghĩa và tầm quan trọng của việc đổi tần trong kỹ thuật thông tin

Tín hiệu ở đầu ra bộ biến đổi tín hiệu có tần số rất thấp do đó không thể truyền đi

xa vì hiệu suất truyền không cao Người ta phải thực hiện điều chế tín hiệu với ba mục đích sau:

 Để có thể bức xạ tín hiệu vào không gian dưới dạng sóng điện từ

Ví dụ, nếu muốn truyền tín hiệu âm thanh trên khoảng cách lớn bằng sóng điện từ,

ở đầu ra của máy phát điện phải có anten phát Kích thước của anten phát theo lý thuyết trường điện từ không nhỏ hơn một phần mười độ dài của bước sóng phát xạ Phổ của tín hiệu tiếng nói thường vào khoảng 200 Hz :10KHz, như vậy khích

thước của anten phát phải lớn cỡ hàng chục km, đó là điều không thể thực hiện được trong thực tế

Thực hiện điều chế tín hiệu cho phép chuyển phổ của tín hiệu lên phạm vi tần số lớn, ở đó ta có thể có kích thước hợp lý của anten Trong trường hợp kênh truyền là dây dẫn, dải thông của đa số các cáp cũng nằm trong miền tần số cao, các tín hiệu tần thấp sẽ bị suy giảm, dịch chuyển phổ tín hiệu sẽ làm mất đi các hiệu ứng đó

 Việc điều chế tín hiệu cho phép ta sử dụng hữu hiệu kênh truyền Nếu không có điều chế thì trên một kênh truyền chỉ truyền đi một tín hiệu, việc truyền đồng thời hai hoặc nhiều tín hiệu cùng một lúc, ở đầu thu không thể tách riêng chúng ra được Điều chế tín hiệu là dịch chuyển phổ của tín hiệu từ tần số thấp lên các miền tần số cao khác nhau, ở đầu thu sẽ thu được riêng rẽ từng tín hiệu nhờ những mạch lọc thông dải

 Tăng khả năng chống nhiễu cho hệ thống thông tin

Bởi vì các tín hiệu điều chế có khả năng chống nhiễu, mức độ tùy thuộc vào các loại điều chế khác nhau

Quá trình chuyển phổ của tín hiệu từ vùng tần số này sang vùng tần số khác

(thường từ vùng tần số cao về vùng tần số thấp hơn) mà không thay đổi cấu trúc cũng như mối tương quan giữa các thành phần của phổ được gọi là biến tần

Ta thấy rằng, điều kiện không thay đổi cấu trúc cũng như mối tương quan giữa các thành phần của phổ được thực hiện khi quy luật biến thiên của đường bao và pha của ín hiệu đầu ra lặp lại quy luật biến thiên của đường bao và pha của tín hiệu đầu vào Nghĩa là, nếu tín hiệu trên đầu vào:

Hình 0.19Mô tả đồ thị thời gian và đồ thị phổ của quá trình biến tần

a) Trên đầu vào b) trên đầu ra

4.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ đổi tần

Ta xét sơ đồ khối tổng quát của mạch biến tần trên hình :

Hình 0.20Sơ đồ khối tổng quát của mạch biến tần

trong đó u1 là tín hiệu được phát đi từ phía phát tin và thu được từ anten thu, giả sử:

u1 = U(t) cos ,

u2 là dao động được lấy từ đầu ra bộ tạo dao động tại chỗ, trong máy thu, bộ tạo dao động tại chỗ gọi là bộ tạo dao động ngoại sai, còn u2 gọi là dao động ngoại sai Giả sử dao động ngoại sai:

u2 = Uns cos ns t, trong đó biên độ Uns và tần số dao động ngoại sai us là hằng số

Giả sử đặc tuyến của phần tử phi tuyến được tiệm cận hóa bằng đa thức lũy thừa bậc 2

i = a0 + a1u + a2u2khi đó, ta có

i = a0 + a1u1 + a1u2 + a2 + a2 + 2a2u1u2

Năm thành phần đầu là các thành phần một chiều, thành phần hài bậc một và thành phần hài bậc hai của tần số và ns Các thành phần này không phải là thành phần hữu ích khi biến tần Thành phần thứ sáu:

2a2u1u2 = 2a2U(t) cos( 0t + ) Unscos nst

trong đó thành phần tần số hiệu = tg là thành phần hữu ích

Nhờ bộ lọc tuyến tính mà trên đầu ra mạch biến tần chỉ có thành phần hữu ích

urabt = a2UnsU(t) cos

Rõ ràng trong trường hợp xét tín hiệu trên đầu ra mạch biến tần có quy luật biến thiên của biên độ và pha lặp lại quy luật của biên T3

Độ và pha của tín hiệu đầu vào, nghĩa là khi này mạch biến tần không gây méo tín hiệu

Tham số quan trọng nhất của mạch biến tần là đặc tuyến biến tần, đó là sự phụ thuộc của biên độ thành phần tín hiệu tần số trung gian tg vào biên độ của tín hiệu trên đầu vào mạch biến tần:

Khi biên độ của dao động ngoại sai càng lớn, hỗ dẫn biến tần càng lớn Tuy nhiên, khi thiết kế, tính toán mạch biến tần, chọn biên độ của dao động ngoại sai

Unskhông chỉ phụ thuộc vào tham số hỗ dẫn biến tần, mà cần phải tính khả năng các thành phần dao động phụ trong mạch biến tần sẽ làm cho kết cấu bộ lọc trở nên phức tạp

Trong trường hợp đặc tuyến của phần tử phi tuyến dùng trong mạch biến tần được tiệm cần bởi đa thức lũy thừa bậc lớn hơn 2, thí dụ bậc 4

i = a0 + a1u +a2u2 + a3u3 +a4u4 , khi đó biên độ thành phần tần số trung gian:

Utg = a2U(t).Uns + a4

tỉ lệ không chỉ với biên độ của điện áp tín hiệu mà còn tỉ lệ với lập phương biên độ của điện áp tín hiệu U3(t), nghĩa là trong trường hợp này tín hiệu trên đầu ra mạch biến tần sẽ bị méo so với tín hiệu trên đầu vào

Độ méo trong mạch biến tần được đánh giá bằng tỉ số giữa biên độ của thành phần

số trung gian tỉ lệ với lập phương biên độ điện áp tín hiệu và biên độ thành phần điện áp trung gian tỉ lệ với biên độ điện áp tín hiệu

Để giảm méo trong mạch biến tần đòi hỏi phải chọn biên độ của dao động ngoại sai rất lớn hơn biên độ của điện áp tín hiệu Uns>>U(t)

Trong thực tế, dao động ngoại sai được lấy từ bộ dao động chọn tại chỗ, nên biên

độ của dao động ngoại sai Uns thường trong khoảng từ 2-4vol, còn biên độ của dao động tín hiệu thường trong dải µV đến vài mV