Thiết kế tuyến truyền dẫn vi ba số TP hà tĩnh đồng lộc luận văn tốt nghiệp đại học

Hệ thống vi ba số là hệ thống thông tin vô tuyến số được sử dụng trong các đường truyền dẫn số giữa các phần tử khác nhau của mạng vô tuyến [1].. - Hệ thống vi ba số có thể được sử dụng

Trờng đại học vinhKhoa Điện Tử Viễn Thụng

===  ===

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ TUYẾN TRUYỀN DẪN VI BA SỐ

TP.HÀ TĨNH -ĐỒNG LỘC

GV hớng dẫn: TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa

SV thực hiện: Trần Thị Thanh Kiờn Lớp: 47K - ĐTVT

Vinh - 2011

=  =

Mục lục

Trong hệ thống truyền dẫn thông tin vi ba thường sử dụng hai loại mã là

HDB3 và CMI, do vậy ở đây ta chỉ xem xét 2 loại mã này 17

1.8.1 Mã HDB3 17

Mã HDB3 (High Dennsity Binary with maximum of consecutive Zeros) là mã nhị phân lưỡng cực mật độ cao không quá 3 bit 0 liên tiếp [9] 17

Hình 1.4 Dạng sóng HDB3 17

Quy tắc mã hoá: 18

Mã này khá thông dụng và ITU-T khuyến nghị sử dụng ở tốc độ bit 2,048Mbps; 8,448Mbps; 34,368Mbps theo tiêu chuẩn châu Âu (khuyến nghị G-703) [1] .18

1.8.2 Mã CMI 18

Mã CMI (Code Mark Inversion) là mã đổi dấu, đây chính là loại NRZ 2 mức 18

Quy tắc mã hoá: 18

18

Hình 1.5 Mã CMI 18

Mã CMI được ITU-T khuyến nghị sử dụng ở tốc độ bit 140Mbps theo tiêu chuẩn châu Âu (khuyến nghị G-703) .19

Giả sử có 1 sóng mang hình sin như sau: 37

Tuỳ theo tham số được sử dụng để mang tin: có thể là biên độ A, tần số fo, pha ϕ(t) hay tổ hợp giữa chúng mà ta có các kiểu điều chế khác nhau: 37

a) Cơ sở toán học 37

Giả sử tín hiệu sóng mang được biểu diễn: (2.2) .37

Biểu thức tín hiệu băng gốc: s(t) là tín hiệu ở dạng nhị phân (0,1) hay là một dãy NRZ (Non-Return Zero) 37

Khi đó, tín hiệu điều pha PSK có dạng: 38

(2.3) 38

Từ biểu thức (2.2), với n = 4, ∆φ = π/2 thì ta có kiểu điều chế 4-PSK hay

PSK cầu phương (QPSK) Tín hiệu QPSK có dạng: 38

Tín hiệu băng gốc s(t) là xung lưỡng cực nhận 4 giá trị 38

b) Quá trình điều chế 38

Sơ đồ nguyên lý bộ điều chế QPSK sử dụng một trong 4 pha lệch nhau 90o, được trình bày như Hình 2.2 38

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu QPSK 38

Tín hiệu băng gốc được đưa vào bộ biến đổi nối tiếp thành song song, đầu ra được hai luồng số liệu có tốc độ bit giảm đi một nửa, đồng thời biến đổi tín hiệu đơn cực thành tín hiệu ±1 Hai sóng mang đưa tới hai bộ trộn làm lệch pha nhau 90o Tổng hợp tín hiệu đầu ra 2 bộ trộn ta được tín hiệu 4-PSK Tín hiệu ra ở 2 bộ trộn: 38

; với a(t) = ±1, b(t) = ±1 38

Tín hiệu ra 4-PSK là: (2.5) 38

c) Quá trình giải điều chế 39

Sơ đồ giải điều chế QPSK được trình bày như Hình 2.5 39

39

Giả sử tín hiệu thu được là: 39

.39

Với ϕ(t) = nπ/2; n = 0,1,2,3 Và a(t) = ±1, b(t) = ±1 40

Hai tín hiệu chuẩn vào bộ trộn: 40

Tín hiệu sau khi qua các bộ lọc: 40

2.1.3 Điều chế biên độ cầu phương QAM 40

Điều chế biên độ cầu phương QAM là phương pháp điều chế kết hợp giữa điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK Trong phương thức điều chế này, ta thực hiện điều chế biên độ nhiều mức 2 sóng mang mà 2 sóng mang này được dịch pha 1 góc 90o Tín hiệu tổng của 2 sóng mang này có dạng vừa điều biên vừa điều pha: 40

Tín hiệu s(t) là tổng của 2 thành phần ss(t) và sc(t) và được biểu diễn như

sau: 40

Nhờ có biên độ thay đổi mà các trạng thái pha của sóng mang đã cách xa nhau, do vậy khả năng mắc lỗi sẽ giảm, đây cũng chính là ưu điểm của QAM [1] 40

a) Quá trình điều chế 40

Sơ đồ điều chế QAM được mô tả như Hình 2.6 40

Bộ chuyển đổi SPC chuyển đổi tín hiệu điều chế vào thành m chuỗi tín hiệu nhị phân Bộ biến đổi 2/L có chức năng chuyển đổi chuỗi nhị phân thành chuỗi tín hiệu có mức Ta có mối quan hệ giữa m và L mức như sau: m =log2L 41

Ví dụ với L = 4 thì m = 2 và M = 16, ta có điều chế 16-QAM, và với L = 8 thì m =3 và M = 64, ta có điều chế 64-QAM 41

Hình 2.8 Biểu đồ không gian tín hiệu QAM nhiều trạng thái 42

b) Quá trình giải điều chế 42

Sơ đồ giải điều chế QAM được cho như Hình 2.10 42

Tín hiệu M-QAM vào: 42

Tín hiệu chuẩn: và 42

Sau khi loại bỏ thành phần hài bậc cao ở các bộ lọc thông thấp ta sẽ có:42 Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý giải điều chế M-QAM 43

Biên độ của tín hiệu giải điều chế có L = mức, trong đó M là số trạng thái tín hiệu Tín hiệu L mức được biến đổi bởi bộ biến đổi ADC thành n/2 tín hiệu 2 mức, trong đó L = 2n/2 và M = L2 Với 16-QAM thì n = 4, L = 4 và với 64-QAM thì n = 6, L = 8 Từ n tín hiệu này, bộ biến đổi PSC sẽ tạo nên tín hiệu giải điều chế 43

3.2.8 Các chỉ tiêu kỹ thuật đánh giá chất lượng tuyến 62

Ba chỉ tiêu chủ yếu để đánh giá chất lượng tuyến đó là [1]: 62

- Độ không sử dụng đường cho phép (đối với đường trục): 62

Pucf = 0,06L/600 % với L<600km 62

Với L [km] 63

ví dụ: L=30km 63 Pucf = 0,06L/600 % = 0,06.30/600 % = 0,003% 63

- Độ không sử dụng được của mạng nội hạt (giá trị cho phép) là 0,0325% (tại mỗi đầu cuối) 63

- Độ không sử dụng được (giá trị cho phép) của hành trình ngược là 0,0225% 63 Mục đích các tính toán chỉ tiêu chất lượng là nhằm xác định xác suất vượt các chỉ tiêu BER, bằng cách sử dụng các giá trị của các xác suất tìm

ra trong các tính toán đường truyền 63 Các mục tiêu tỉ lệ lỗi bit BER được sử dụng sao cho BER không được lớn hơn các giá trị sau: 63

Lời nói đầu

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin khác như thông tin di động, cáp quang, thông tin vệ tinh…, thì thông tin vi ba vẫn tiếp tục đóng vai trò quan trọng và được phát triển ngày càng hoàn thiện với những công nghệ cao đáp ứng được những đòi hỏi không những về mặt kết cấu mà cả về mặt truyền dẫn, xử lý tín hiệu, bảo mật thông tin… Vì vậy,

tôi đã chọn đề tài “Thiết kế tuyến truyền dẫn vi ba số TP Hà Tĩnh – Đồng

Lộc” làm đề tài tốt nghiệp Nội dung cuốn đồ án gồm có 4 chương như sau:

Chương 1 Trình bày tổng quan về hệ thống vi ba số

Chương 2 Trình bày về các phương thức điều chế trong vi ba số và thiết bị vi ba

Chương 3 Đi vào thiết kế tuyến vi ba số thực tế từ TP Hà Tĩnh đến xã Đồng Lộc – Huyện Can Lộc

Chương 4 Thiết kế chương trình hỗ trợ cho việc tính toán trong thiết kế tuyến vi ba số

Mặc dù tôi đã rất cố gắng nhưng do thời gian làm đồ án có hạn nên cuốn đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định, tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông và các bạn

Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi hoàn thành đồ án này Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo trong khoa ĐTVT đã truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức trong thời gian 5 năm học tại trường Đại học Vinh

Vinh, ngày 16 tháng 5 năm 2011 Sinh viên thực hiện

Trần Thị Thanh Kiên

vi ba số để làm tiền đề cho quá trình thiết kế tuyến ở phần sau Một vấn đề quan trọng nữa trong hệ thống vi ba sô là các phương thức điều chế và ra một

số thiết bị cũng được trình bày trong cuốn đồ án này Sau đó, từ những cơ sở

lý thuyết trên thì tôi bắt đầu vào khảo sát thiết kế một tuyến vi ba số thực tế từ thành phố (TP) Hà Tĩnh đến xã Đồng Lộc thuộc Huyện Can Lộc tỉnh Hà Tĩnh

và đã cho kết quả tuyến hoạt động tốt Cuối cùng là thiết kế chương trình hỗ trợ cho việc tính toán tuyến vi ba số

Danh sách hình vẽ

Hình 1.1 Mô hình hệ thống vi ba số 5

Hình 1.2 Hệ thống vi ba số điểm nối điểm 7

Hình 1.3 Hệ thống vi ba số điểm nối nhiều điểm 8

Hình 1.4 Dạng sóng HDB3 12

Hình 1.5 Phổ tần số vô tuyến và ứng dụng 14

Hình 1.6 Các phương thức truyền sóng 17

Hình 1.7 HIện tượng tia sóng cong 21

Hình 1.8 Các đường sóng từ phía phát đến phía thu 22

Hình 1.9 Phân tập theo không gian sử dụng 4 anten 25

Hình 1.10 Phân tập không gian và tần số sử dụng 3 anten 26

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả quá trình điều chế và giải điều chế số 30

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu QPSK 32

Hình 2.8 Biểu đồ không gian tín hiệu QAM nhiều trạng thái 35

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý giải điều chế M-QAM 36

Hình 2.11 Sơ đồ kích thước của một anten Parabol 39

Hình 2.12 Biểu đồ bức xạ của anten Parabol 41

Hình 3.1 Mặt cắt đường truyền giữa hai trạm A và B 46

Hình 3.2 Mặt cắt nghiêng đường truyền và miền Fresnel thứ nhất 48

Hình 3.3 Xác định độ cao tia B để làm hở một vật chắn 50

Hình 3.4 Minh họa việc tính độ cao của một anten khi biết độ cao của anten kia 51

Hình 3.5 Vị trí của các trạm 58

Hình 3.8 Mặt cắt của tuyến TP Hà Tĩnh – Đồng Lộc 60

Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán thiết kế tuyến vi ba số………70

Hình 4.2 Giao diện mở đầu………72

Hình 4.3 Giao diện thiết kế theo dung lượng……….72

Hình 4.4 Giao diện thiết kế theo chất lượng ……… 73

Hình 4.5 Kết quả thiết kế theo dung lượng………73

Hình 4.6 Kết quả thiết kế theo chất lượng tuyến………74

Danh sách bảng biểu

Bảng 1.1 Mã truyền dẫn dùng trong vi ba số 17 Bảng 1.2 Kí hiệu và phân chia băng tần theo CCIR 18 Bảng 1.3 Kết quả thực nghiệm về suy hao do hơi nước – khí hậu theo tần

số sóng vô tuyến của Alcatel 19 Bảng 2.1 Độ lợi của an ten theo hiệu suất và tần số 27 Bảng 2.2 Góc phát xạ theo đường kính anten 44

Chương 1 Tổng quan về hệ thống vi ba số

1.1 Khái niệm

Vi ba có nghĩa là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn Hệ thống vi ba

số là hệ thống thông tin vô tuyến số được sử dụng trong các đường truyền dẫn

số giữa các phần tử khác nhau của mạng vô tuyến [1] Từ vi ba được sử dụng chung cho các hệ thống vệ tinh, di động hay vô tuyến tiếp sức mặt đất, song ở nước ta từ vi ba đã được sử dụng từ trước để chỉ các hệ thống vô tuyến tiếp sức [2]

Thông tin vi ba là một trong những phương tiện truyền dẫn chủ yếu hiện nay bên cạnh thông tin quang và thông tin vệ tinh Đây là mạng thông tin

vô tuyến sử dụng sóng vô tuyến có tần số từ 1 GHz đến 30 GHz và khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn [1]

1.2 Sơ lược về quá trình phát triển của hệ thống vi ba

Thông tin sóng cực ngắn giữa hai điểm bắt đầu xuất hiện vào những năm 30 của thế kỷ XX, tuy nhiên lúc bấy giờ do khó khăn về mặt kỹ thuật nên chỉ làm việc ở dải sóng mét do vậy ưu điểm của thông tin siêu cao tần chưa được phát huy

Năm 1935 đường thông tin vô tuyến tần số đầu tiên được thành lập ở New York và Philadenphia chuyển tiếp qua 6 địa điểm và truyền được 5 kênh thoại Sau chiến tranh thế giới thứ hai thì thông tin vô tuyến tần số phát triển bùng nổ Hệ thống viba số bắt đầu được hình thành vào những năm 50 và phát triển mạnh mẽ cùng với sự phát triển của kỹ thuật viễn thông [2]

Tại Việt Nam, hệ thống thông tin vi ba đầu tiên được lắp đặt là

RVG-950 vào cuối tháng 6 năm 1969 Đầu năm 1988 hệ thống viba số AWA được đưa vào nước ta Đến năm 1990 thì hệ thống thiết bị vi ba số, vi ba nhiều kênh đã thay thế hoàn toàn hệ thống RVG-950

1.3 Mô hình hệ thống viba số

Sơ đồ tổng quát của một hệ thống truyền dẫn vi ba số được cho ở Hình 1.1 [1]

Hình 1.1 Mô hình hệ thống vi ba số

Một hệ thống vi ba số bao gồm một loạt các khối xử lý tín hiệu Chức năng của các khối như sau:

- Khối ADC: biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số;

- Bộ ghép số: tập hợp các tín hiệu số từ các nguồn khác nhau thành tín hiệu băng tần gốc;

- Máy phát: xử lý tín hiệu băng tần gốc để đưa tới anten phát để bức xạ

FDM

- Bộ tách số: xử lý tín hiệu băng gốc và tách chúng thành các nguồn số tương ứng.

1.4 Đặc điểm và ứng dụng của hệ thống vi ba số

- Hệ thống vi ba số hoạt động theo nguyên tắc tia nhìn thẳng;

- Chịu tác động của các hiện tượng suy hao đường truyền, tổn hao do mưa, các vật chắn

- Với hệ thống dung lượng thấp thì chịu ảnh hưởng của pha đinh phẳng, còn hệ thống dung lượng cao chịu ảnh hưởng của pha đinh chọn lọc tần số

- Hệ thống vi ba số có thể được sử dụng làm:

+ Các đường trung kế số nối giữa các tổng đài số;

+ Các đường truyền dẫn nối tổng đài chính đến các tổng đài vệ tinh;+ Các đường truyền dẫn nối các thuê bao với các tổng đài chính hoặc các tổng đài vệ tinh;

+ Các bộ tập trung thuê bao vô tuyến;

+ Các đường truyền dẫn trong các hệ thống thông tin di động để kết nối các máy di động với mạng viễn thông

Các hệ thống truyền dẫn vi ba số là các phần tử quan trọng của mạng viễn thông, tầm quan trọng này ngày càng được khẳng định khi các công nghệ thông tin vô tuyến mới như thông tin di động được đưa vào sử dụng rộng rãi trong mạng viễn thông [1]

- Vi ba số băng trung bình (tốc độ trung bình): được dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ từ (8-34) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là

120 đến 480 kênh Tần số sóng vô tuyến (2 - 6)GHz;

- Vi ba số băng rộng (tốc độ cao): được dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ từ (34-140) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 480 đến

1920 kênh Tần số sóng vô tuyến 4, 6, 8, 12GHz [1]

1.6 Các mạng vi ba số

Thường các mạng vi ba số được nối cùng với các trạm chuyển mạch như là một bộ phận của mạng trung kế quốc gia hoặc trung kế riêng, hoặc là nối các tuyến nhánh xuất phát từ trung tâm thu thập thông tin khác nhau đến trạm chính (ứng dụng trong các trung tâm chuyển mạch hoặc tổ chức các mạng Internet) [1]

1.6.1 Mạng vi ba số điểm nối điểm

Mô hình hệ thống vi ba số điểm nối điểm được mô tả như Hình 1.2 [1]

Hình 1.2 Hệ thống vi ba số điểm nối điểm

Mạng vi ba số điểm nối điểm hiện nay được sử dụng phổ biến Trong các mạng đường dài thường dùng cáp sợi quang còn các mạng quy mô nhỏ hơn như từ tỉnh đến các huyện hoặc các ngành kinh tế khác người ta thường

sử dụng cấu hình vi ba số điểm - điểm dung lượng trung bình hoặc cao nhằm thoả mãn nhu cầu của các thông tin và đặc biệt là dịch vụ truyền số liệu Ngoài ra, trong một số trường hợp vi ba dung lượng thấp là giải pháp hấp dẫn

để cung cấp trung kế cho các mạng nội hạt, mạng thông tin di động

1.6.2 Mạng vi ba số điểm nối nhiều điểm

Mô hình hệ thống vi ba số điểm nối nhiều điểm được mô tả như Hình 1.3 [1]

Hình 1.3 Hệ thống vi ba số điểm nối nhiều điểm

Mạng vi ba số này trở thành phổ biến trong một số vùng ngoại ô và nông thôn Mạng bao gồm một trạm trung tâm phát thông tin trên một anten đẳng hướng phục vụ cho một số trạm ngoại vi bao quanh Nếu các trạm ngoại

vi này nằm trong phạm vi (bán kính) truyền dẫn cho phép thì không cần dùng các trạm lặp, nếu khoảng cách xa hơn thì sẽ sử dụng các trạm lặp để đưa tín hiệu đến các trạm ngoại vi Từ đây, thông tin sẽ được truyễn đến các thuê bao Thiết bị vi ba trạm ngoại vi có thể đặt ngoài trời, trên cột v.v mỗi trạm ngoại

vi có thể được lắp đặt thiết bị cho nhiều trung kế Khi mật độ cao có thể bổ sung thêm thiết bị, được thiết kế để hoạt động trong các băng tần 1,5GHz – 1,8GHz và 2,4GHz sử dụng một sóng mang cho hệ thống hoàn chỉnh.

Hiện nay các hệ thống điểm nối đến đa điểm 19GHz đã được chế tạo và lắp đặt ở Châu Âu để cung cấp các dịch vụ số liệu (Kbit/s) Internet trong mạng nội hạt khoảng cách 10Km Trạm trung tâm phát tốc độ bit khoảng 8,2Mb/s và địa chỉ mỗi trạm lại sử dụng kỹ thuật TDMA

1.7 Các chỉ tiêu kỹ thuật của vi ba số

1.7.1 Phân bố tần số luồng cao tần

Tần số luồng cao tần ở đây là tần số thu phát của thiết bị vô tuyến, việc lựa chọn phương án phân bố tần số phụ thuộc vào:

- Phương thức điều chế số;

- Cách sắp xếp các luồng cao tần;

- Đặc tính của môi trường truyền sóng

Theo khuyến nghị của của CCITT về vi ba số thì dải tần làm việc nên chọn từ 2 GHz đến 23GHz Nếu sóng mang giữa các luồng cao tần không được phân chia đúng thì có sự can nhiễu giữa chúng và tạp âm sẽ tăng lên Các luồng lân cận nên cách nhau 29 đến 40 MHz và phân cực trực giao [1]

1.7.2 Công suất phát

Công suất phát cũng giống như ở vi ba tương tự, phụ thuộc vào cự ly và

độ nhạy máy thu để đảm bảo tỉ số lỗi bit cho phép [1]

Đơn vị công suất phát tính bằng dBm, P0 = 1mw

dBm TX

1 log 10 log

Độ nhạy của máy thu là mức tín hiệu cao tần tối thiểu đến ở đầu vào máy thu để nó hoạt động bình thường, nghĩa là thoả mãn tỉ số lỗi bit (BER) cho trước tương ứng với tốc độ bít nhất định [1]

7.1.4 Tỉ số bit lỗi BER

Số bít lỗi BER = % (2.6)

1.7.5 Phương thức điều chế và giải điều chế

Thông thường trong vi ba số, tùy theo tốc độ bit (dung lượng kênh) người ta thường dùng các phương thức điều chế như QPSK (hoặc 4PSK hay QAM) hoặc QAM nhiều mức, chẳng hạn (16QAM, 64QAM)

Phương thức giải điều chế được chọn tương ứng với phương thức điều chế thực hiện tại máy phát Thông thường, trong việc giải điều chế có 2 phương pháp là tách sóng kết hợp, hoặc tách sóng không kết hợp Tách sóng kết hợp đòi hỏi máy thu sự khôi phục lại sóng mang đồng pha với đài phát nên cấu hình phức tạp nhưng chất lượng tín hiệu cao hơn so với tách sóng không kết hợp [1]

1.7.6 Trở kháng vào máy thu và trở kháng ra máy phát

Vấn đề phối hợp trở kháng đối với mạch cao tần rất quan trọng, các bộ phận kết nối vào máy phát và máy thu phải phối hợp được trở kháng Nếu việc phối hợp trở không tốt sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, công suất phát hoặc thu không đạt cực đại, ngoài ra còn gây ra sóng phản xạ, gây mất cân bằng làm giảm độ nhạy máy thu Thông thường trở kháng ra của máy

phát và trở kháng vào máy thu được chuẩn hoá là 50Ω do đó trở kháng vào ra của các bộ lọc, ống dẫn sóng, phi đơ phải là 50Ω [1].

Trong hệ thống truyền dẫn thông tin vi ba thường sử dụng hai loại mã

là HDB3 và CMI, do vậy ở đây ta chỉ xem xét 2 loại mã này

Quy tắc mã hoá:

+ Mức logic 1 được mã hoá theo mức lưỡng cực;

+ Mức logic 0 được mã hoá theo trạng thái 0 thông thường;

+ Đối với dãy 4 số 0 liên tiếp thì được mã hoá theo một trong 2 trường hợp sau: OOOV hoặc BOOV sao cho số bit B giữa 2 bit V là lẻ

Mã này khá thông dụng và ITU-T khuyến nghị sử dụng ở tốc độ bit 2,048Mbps; 8,448Mbps; 34,368Mbps theo tiêu chuẩn châu Âu (khuyến nghị G-703) [1]

1.8.2 Mã CMI

Mã CMI (Code Mark Inversion) là mã đổi dấu, đây chính là loại NRZ

2 mức

Quy tắc mã hoá:

+ Mức logic 0 được mã hoá thành các sóng vuông dương - âm hoặc âm

- dương nhưng mỗi mức chỉ chiếm 1 khoảng thời gian T/2

+ Mức logic 1 được mã hoá thành các sóng vuông dương - dương hoặc

âm - âm nhưng mỗi mức chỉ chiếm 1 khoảng thời gian T theo luật luân phiên

Mã CMI được mô tả như Hình 1.5

Hình 1.5 Mã CMI

Mã CMI được ITU-T khuyến nghị sử dụng ở tốc độ bit 140Mbps theo tiêu chuẩn châu Âu (khuyến nghị G-703)

Theo khuyến nghị G703 về các giao tiếp của CCITT cho chi tiết trở kháng, loại đôi dây dẫn mức tín hiệu dạng khung, tải khung phân bố cũng như

mã truyền dẫn ở những tốc độ bit khác nhau dùng cho hệ Châu Âu

Sóng vô tuyến điện là sóng điện từ có tần số thấp hơn 3000 GHz [4]

Có hai loại sóng vô tuyến thường thấy trong thực tế là sóng dọc và sóng ngang Sóng dọc là sóng lan truyền theo phương chuyển động của nó (tiêu biểu như sóng âm thanh lan truyền trong không khí) Còn sóng ngang là sóng điện từ có vectơ cường độ điện trường và từ truờng vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng [1]

1.9.2 Phân chia dải tần số vô tuyến và ứng dụng cho các mục đích thông tin

Ta biết rằng thông tin vô tuyến đảm bảo việc phát thông tin đi xa nhờ các sóng điện từ Môi trường truyền sóng (khí quyển trên mặt đất, vũ trụ,

nước, đôi khi là các lớp địa chất của mặt đất) là chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến Việc phân kênh chủ yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số Phổ tần tổng cộng và miền áp dụng của chúng được chỉ ra trên Hình 3.1 [5].

Hình 1.6 Phổ tần số vô tuyến và ứng dụng

Phổ này kéo dài từ các tần số dưới âm thanh (vài Hz) đến các tia vũ trụ (1022 Hz) và được chia tiếp thành các đoạn nhỏ gọi là các băng tần Toàn bộ dải tần số vô tuyến (RF) lại được chia ra thành các băng nhỏ hơn, có tên và kí hiệu như bảng 3.1 theo Ủy ban tư vấn về Thông tin vô tuyến quốc tế CCIR

Bảng 1.2 Kí hiệu và phân chia băng tần theo CCIR [5]

Hồng ngoại

Tia nhìn thấy

Cực

Tia Gamma

Tia vũ trụ

10 22

Dải tần số radio Dải sợi quang

Tần số (Hz)

12 0.3 PHz ÷ 3PHz Tia nhìn thấy

Các tần số cực kì thấp (ELF - Extremely Low Frequencies) là các

tần số có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 Hz, chứa cả tần số điện mạng

AC và các tín hiệu đo lường từ xa tần thấp

Các tần số tiếng nói (VF - Voice Frequencies) là các tần số có giá trị

nằm trong phạm vi 300 Hz ÷ 3 KHz, chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn

Các tần số rất thấp (VLF - Very Low Frequencies) là các tần số có

giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 KHz, chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói Dùng cho các hệ thống an ninh, quân sự và chuyên dụng của chính phủ như là thông tin dưới nước (giữa các tàu ngầm)

Các tần số thấp (LF - Low Frequencies) là các tần số có giá trị nằm

trong phạm vi 30 ÷ 300 KHz (thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không

Các tần số trung bình (MF - Medium Frequencies) là các tần số có

giá trị nằm trong phạm vi 300 KHz ÷ 3 MHz (thường gọi là sóng trung), chủ yếu dùng cho phát thanh thương mại sóng trung (535 đến 1605 KHz) Ngoài

ra cũng sử dụng cho dẫn đường hàng hải và hàng không

Các tần số cao (HF - High Frequencies) là các tần số có giá trị nằm

trong phạm vi 3 ÷ 30 MHz (thường gọi là sóng ngắn) Phần lớn các thông tin

vô tuyến 2 chiều (twoway) sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá v.v

Các tần số rất cao (VHF - Very High Frequencies) là các tần số có

giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 MHz (còn gọi là sóng mét), thường dùng

cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến 108 MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 với tần số từ 54 MHz đến 216 MHz).

Các tần số cực cao (UHF - UltraHigh Frequencies) là các tần số có

giá trị nằm trong phạm vi 300 MHz ÷ 3 GHz (còn gọi là sóng đề xi mét), dùng cho các kênh truyền hình thương mại 14 ÷ 83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các hệ thống điện thoại tế bào, một số hệ thống rada và dẫn đường, các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh

Các tần số siêu cao (SHF - SuperHigh Frequencies) là các tần số có

giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 GHz (còn gọi là sóng cen ti mét), chủ yếu dùng cho vi ba và thông tin vệ tinh

Các tần số cực kì cao (EHF - Extremely High Frequencies) là các

tần sô có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 GHz (còn gọi là sóng mi li mét),

ít sử dụng cho thông tin vô tuyến

Các tần số hồng ngoại là các tần số có giá trị nằm trong phạm vi 0,3

THz ÷ 300 THz, nói chung không gọi là sóng vô tuyến Sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìm nhiệt, chụp ảnh điện tử và thiên văn học

Các ánh sáng nhìn thấy là các ánh sáng có giá trị nằm trong phạm vi

0,3 PHz ÷ 3 PHz, dùng trong hệ thống sợi quang

Các tia cực tím, tia X, tia gamma và tia vũ trụ Rất ít sử dụng cho

thông tin

1.9.3 Các phương thức truyền lan của sóng vô tuyến

Các sóng vô tuyến có thể được truyền từ anten phát đến anten thu bằng hai đường chính: tầng điện ly (sóng trời) hoặc đi sát mặt đất (sóng đất) Sóng đất bản thân được phân thành hai loại: sóng bề mặt và sóng không gian (Hình 1.[6]

có điện trở và các tổn hao điện môi, gây nên sự suy hao sóng bề mặt khi lan truyền Sóng bề mặt lan truyền tốt nhất trên bề mặt là chất dẫn điện tốt như nước muối, và truyền kém trên vùng sa mạc khô cằn Tổn hao sóng bề mặt tăng nhanh theo tần số, vì thế sóng bề mặt nói chung hạn chế ở các tần số thấp hơn 2 MHz Sóng bề mặt được dùng rộng rãi cho liên lạc tàu thủy - tàu thủy

và tàu thủy - bờ

Các nhược điểm của truyền lan sóng bề mặt là:

- Yêu cầu công suất phát khá cao;

- Yêu cầu anten kích thước lớn;

- Tổn hao thay đổi đáng kể theo loại đất

Sóng trực tiếp

Sóng này phát xạ trực tiếp từ anten phát đến anten thu mà không bị phản xạ ở đâu cả Trong các điều kiện truyền lan bình thường, nó có biên độ lớn hơn so với một sóng bất kỳ nào đến máy thu [6]

Sóng phản xạ từ đất

Sóng này đến anten thu sau khi phản xạ một vài lần từ mặt đất hoặc từ các vật thể xung quanh Sự phản xạ không những chỉ xuất hiện trên mặt phẳng đứng mà có thể xuất hiện ở mặt phẳng ngang Như vậy, sóng bị phản

xạ từ một vật cản sẽ lệch so với đường chính Sóng phản xạ sẽ có biên độ và pha khác với biên độ và pha của sóng trực tiếp Nếu khoảng cách truyền lớn hơn một số lẻ bước sóng thì ở anten thu sóng phản xạ lệch pha với sóng trực tiếp một góc 1800 và kết quả là triệt tiêu tín hiệu sóng tới đến một mức độ nào

đó Mức độ đó phụ thuộc vào biên độ của sóng phản xạ [6]

Sóng phản xạ từ tầng đối lưu

Do thay đổi chỉ số khúc xạ của không khí theo độ cao so với mặt đất, nên sóng có thể bị tạp âm xạ, và tùy theo góc sóng tới có thể xảy ra phản xạ toàn phần từ tầng đối lưu Trong trường hợp này xuất hiện một biên giới có

tác dụng giống như một bề mặt phản xạ, gửi sóng trở lại mặt đất Một số tia này sẽ đến được anten thu, ở đây có thể khử bớt sóng trực tiếp do có sự thay đổi pha và biên độ gây ra do phản xạ [6]

1.9.3.2 Sóng trời

Các sóng điện từ có hướng bức xạ cao hơn đường chân trời (tạo thành góc khá lớn so với mặt đất) được gọi là sóng trời Sóng trời được phản xạ hoặc khúc xạ về trái đất từ tầng điện ly, vì thế còn gọi là sóng điện ly [5] Tầng điện ly là vùng không gian nằm cách mặt đất chừng 50 – 80 km đến

1000 km [10] Tầng này hấp thụ một số lượng lớn năng lượng của tia cực tím

và tia X bức xạ của mặt trời, làm ion hóa các phân tử không khí và tạo ra electron tự do Khi sóng điện từ đi vào tầng điện ly, điện trường của sóng tác động lực lên các electron tự do, làm cho chúng dao động Khi sóng chuyển động xa trái đất, sự ion hóa tăng, song lại có ít hơn phân tử khí để ion hóa Do

đó, phần trên của khí quyển có số phần trăm phân tử ion hóa cao hơn phần dưới Mật độ ion càng cao, khúc xạ càng lớn Nói chung, tầng điện ly được phân chia thành 3 lớp: lớp D, E, và F theo độ cao của nó; lớp F lại được phân chia thành lớp F1, F2 Độ cao và mật độ ion hóa của 3 lớp thay đổi theo giờ, mùa và theo chu kì vết đen của mặt trời (11 năm) Tầng điện ly đậm đặc nhất vào ban ngày và mùa hè Lớp D: là lớp thấp nhất, có độ cao 50 ÷ 100 km và nằm xa mặt trời nhất, do đó có ion hóa ít nhất Như vậy lớp D ít có ảnh hưởng đến hướng truyền lan sóng vô tuyến Song các ion ở lớp này có thể hấp thụ đáng kể năng lượng sóng điện từ

Lớp D biến mất về đêm Lớp này phản xạ sóng VLF và LF, hấp thụ các sóng MF và HF

Lớp E: có độ cao 100 ÷ 140 km, còn gọi là lớp Kennelly - Heaviside theo tên của hai nhà bác học khám phá ra nó Lớp E có mật độ cực đại tại độ cao 70 dặm vào giữa trưa khi mặt trời ở điểm cao nhất Lớp E hầu như biến mất về đêm, hỗ trợ sự lan truyền sóng bề mặt MF và phản xạ sóng HF một

chút về ban ngày Phần trên của lớp E đôi khi được xét riêng và gọi là lớp E thất thường Lớp này gây bởi hiện tượng nhật hoa và hoạt động của vết đen mặt trời Đây là lớp mỏng có mật độ ion hoá rất cao, cho phép cải thiện không ngờ cự ly liên lạc.

Lớp F: gồm 2 lớp F1 và F2 Lớp F1 có độ cao 140 ÷ 250 km vào ban ngày Lớp F2 có độ cao 140 ÷ 300 km về mùa đông và 250 ÷ 350 km về mùa

hè Về đêm, 2 lớp này hợp lại với nhau tạo thành một lớp Lớp F1 hấp thụ và suy hao một số sóng HF, cho qua phần lớn các sóng để đến F2 , rồi khúc xạ ngược về trái đất [5]

1.9.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến sự truyền lan sóng vô tuyến

1.9.4.1 Pha đinh

Pha đinh là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang vô tuyến siêu cao tần thu được do sự thay đổi khí quyển và các phản xạ của đất và nước trong đường truyền sóng [6] Nguyên nhân pha đinh có thể do thời tiết và địa hình làm thay đổi điều kiện truyền sóng Khi xảy ra pha đinh trong truyền dẫn vi

ba số, tại điểm thu cường độ sóng thu được lúc mạnh lúc yếu thậm chí có lúc mất thông tin [7]

Người ta chia hiện tượng pha đinh thành pha đinh phẳng và pha đinh lựa chọn tần số Hai loại pha đinh này có thể xuất hiện độc lập hoặc đồng thời dẫn đến gián đoạn thông tin Sự thay đổi tín hiệu tại anten thu do phản xạ nhiều tia gọi là pha đinh nhiều tia [1]

a) Pha đinh phẳng

Pha đinh phẳng là pha đinh làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trên một dải tần số [1], pha đinh này là mối quan đối với hệ thống dung lượng nhỏ, băng tần hẹp [7]

Pha đinh phẳng xuất hiện thường xuyên là do chùm tia sóng truyền đi

bị cong Chùm tia sóng cực ngắn có thể bị chuyển hướng do sự thay đổi chỉ số

khúc xạ của không khí (hằng số điện môi) Hệ số k=4/3 được dùng để tính toán truyền sóng ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn Tại đó tia sóng có độ cong bằng môth phần tư của độ cong mặt đất thực.

Khi hai anten phát và thu được đặt trong điều kiện tiêu chuẩn, toàn bộ cường độ tín hiệu sẽ nhận được bởi máy thu Khi mật độ không khí thay đổi thì chỉ số khúc xạ cũng thay đổi khác với điều kiện chuẩn làm cho chùm tia sóng có thể cong lên hay cong xuống phụ thuộc chỉ số k Khi k < 4/3 thường gọi là độ khúc xạ thấp hay điều kiện dưới chuẩn tia sóng có hướng cong lên Khi k > 4/3 thường gọi là độ khúc xạ cao hay điều kiện trên chuẩn tia sóng có hướng cong xuống Nói chung thì hầu như loại tia sóng xuất hiện cong lên phía trên anten thu (Hình 1.8) [7]

Hình 1.8 HIện tượng tia sóng cong

b) Pha đinh lựa chọn tần số

Pha đinh lựa chọn tần số làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi phụ thuộc vào tần số, pha đinh này ảnh hưởng lớn đến tuyến vi ba số dung lượng cao [1], băng tần rộng

Bán kính quả đất hiệu dụng

K =

Bán kính thật của quả đất

Pha đinh nhiều đường khí quyển

Khi các điều kiện khí quyển là các lớp với sự tồn tại các mật độ khác nhau, sự dẫn có thể xuất hiện Nếu sự tập hợp các lớp làm cho các chùm tia sóng cực ngắn không bị bẫy mà chỉ bị làm lệch hướng thì năng lượng sóng ngắn có thể đi tới anten thu bằng nhiều đường khác nhau so với đường trực tiếp Sự thu nhận nhiều đường gây ra pha đinh do hai sóng thu hiếm khi được cùng pha Nếu chúng đến hoàn toàn trái pha thì có ít giây mất công suất thu

có thể lên đến 30 dB hoặc hơn, đó là điều trở ngại (Hình 1.9) [7]

Đường 1 trực tiếp; đường 2,3 lệch; đường 4 phản xạ

Hình 1.9 Các đường sóng từ phía phát đến phía thu

Pha đinh nhiều tia phản xạ từ đất

Sự phản xạ từ đất tạo thành sự thu nhiều đường tia sóng, nó sẽ là trở ngại khi các tia sóng thu được ngược pha

Khi phản xạ đất và pha đinh khí quyển xuất hiện đồng thời có thể xảy

ra pha đinh sâu tới 40 dB Nếu các tác động sửa lỗi không được tiến hành thì thông tin có thể ngừng trệ [7]

1.9.4.2 Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do

Khoảng không mà trong đó các sóng truyền lan bị suy hao được gọi là không gian tự do Mức suy hao của sóng vô tuyến được phát đi từ anten phát

đến anten thu trong không gian tự do tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa hai anten và tỉ lệ nghịch với độ dài bước sóng Suy hao này gọi là suy hao truyền lan trong không gian tự do, được tính như sau:

) 4 lg(

1.9.4.3 Suy hao do mưa

Ảnh hưởng do mưa là một trong những ảnh hưởng lan truyền chủ yếu đối với các tuyến vô tuyến tầm nhìn thẳng trên mặt đất làm việc trong dải tần GHz Nó ảnh hưởng chủ yếu đến các đường truyền ngắn và có tần số hoạt động cao

Bảng 1.3 Kết quả thực nghiệm về suy hao do hơi nước – khí hậu theo tần số sóng vô

tuyến của Alcatel [1]

≈ 00.081.25.5

0.0130.455.518

0.071.51327

1.9.4.4 Sự can nhiễu của sóng vô tuyến

Thông thường nhiễu xảy ra khi có thành phần can nhiễu bên ngoài trộn lẫn vào sóng thông tin Sóng can nhiễu có thể trùng hoặc không trùng tần số với sóng thông tin Chẳng hạn hệ thống Vi ba số đang sử dụng bị ảnh hưởng

bởi sự can nhiễu từ các hệ thống vi ba số lân cận nằm trong cùng khu vực, có tần số sóng vô tuyến trùng hoặc gần bằng tần số của hệ thống này, ngoài ra nó còn bị ảnh hưởng bởi các trạm mặt đất của các hệ thống thông tin vệ tinh lân cận [1].

1.9.5 Một số kỹ thuật giảm ảnh hưởng của pha đinh

Các kỹ thuật được sử dụng để giảm các ảnh hưởng của pha đinh là phân tập không gian, phân tập tần số và chuyển mạch bảo vệ

1.9.5.1 Phân tập theo không gian

Phân tập theo không gian là kỹ thuật thu hoặc phát một tín hiệu trên 2 anten (hoặc nhiều hơn 2 anten) với cùng một tần số vô tuyến f

Khoảng cách các anten của máy phát và máy thu được chọn sao cho các tín hiệu riêng biệt được thu không tương quan nhau tương ứng với hệ số tương quan bằng “0” Trong thực tế không bao giờ đạt được giá trị bằng “0” này Trong hệ thống thông tin tầm nhìn thẳng người ta đưa ra một công thức bán kinh nghiệm biểu thị hệ số tương quan không gian theo khoảng cách trục đứng:

ρs = exp [-0,0021sf(0,4d)1/2] (1.2)Với s: khoảng cách giữa 2 tâm của an ten [m]

f: Tần số sóng vô tuyến [GHz]

d: khoảng cách truyền dẫn [km]

Trong biểu thức này, ta bỏ qua sóng phản xạ đất

Theo khuyến nghị 376-4 của CCIR, người ta chọn khoảng cách giữa các anten sao cho hệ số tương quan không gian không vượt quá 0,6 Do đó có thể sử dụng hệ số này để làm ngưỡng cho việc sử dụng phân tập

Khả năng cải thiện tín hiệu thu do sử dụng một cặp anten được xác định bằng độ lợi phân tập Ios:

) 40 / (

10 4

9

4 2 2

d a f s Ios

Fm r

Trong đó: s: khoảng cách giữa 2 tâm của 2 anten [m]

f: tần số sóng mang vô tuyến [GHz]

ar: Hệ số khuếch đại tương đối của anten phân tập so với anten chính ar = 10[(Ad-Am)/20]

Ad: là hệ số khuếch đại anten phân tập [dB]

Am: là hệ số khuếch đại anten chính [dB]

d: độ dài của tuyến truyền dẫn [Km]

Fm: độ dự trữ pha dinh phẳng

Bằng sự mô phỏng nhiều lần tìm được vị trí tốt nhất cho hai anten, khi không thể tính được vị trí, thì khoảng cách hai anten phải lớn hơn 150λ Thông thường công thức trên tính gần đúng cho một tuyến có chiều dài (20 ÷

70)Km và tần số (2÷11) GHz Mô hình phân tập theo không gian sử dụng 4 anten như hình 1.10 [1]

Hình 1.10 Phân tập theo không gian sử dụng 4 anten

1.9.5.2 Phân tập theo tần số

Phân tập theo tần số là kỹ thuật thu hoặc phát một tín hiệu trên hai kênh (hoặc nhiều hơn hai kênh) tần số sóng vô tuyến

Hệ số cải thiện phân tập tần số có thể tính:

0 , 8 1 10 10

Fm of

f

f fd I

Trong đó: f: là tần số trung tâm của băng tần [GHz]

d: độ dài của đường truyền [km]

∆f/f: là khoảng cách tần số tương đối biểu thị bằng %Fm: là độ dự trữ pha đinh [dB]

Phương trình trên đúng với các giá trị tham số sau:

2GHz< f <11GHz; 30km< d <70km; ∆f/f ≤ 5%; Iof ≥ 5

Mặc dù các hệ thống thông tin vô tuyến số phân tập theo tần số có thể cho các hệ số cải thiện tốt hơn nhưng việc sử dụng phổ tần không đạt hiệu quả cao

Ngoài ra để tăng hiệu quả chống pha đinh người ta sử dụng kết hợp phân tập không gian và tần số (Hình 1.11) [1]

Hình 1.11 Phân tập không gian và tần số sử dụng 3 anten

1.9.5.3 Chuyển mạch bảo vệ

Mục đích của chuyển mạch bảo vệ là để nâng cao độ khả dụng của hệ thống bằng cách chuyển sang kênh dự phòng khi có hiện tượng sự cố thiết bị chính Ngoài ra, cũng có thể đạt được lợi ích khác khi thiết bị bảo vệ chống lại sự gián đoạn thông tin do pha dinh lựa chọn tần số gây ra bằng cách chuyển sang hệ thống dự phòng (nghĩa là kênh dự phòng được sử dụng khi kênh chính bị sự cố hoặc bị gián đoạn thông tin do pha đinh).

Chất lượng và khả năng sẵn sàng của hệ thống vi ba số có thể nâng cao nhờ sử dụng một hay 2 kênh dự phòng để thay thế có các kênh bị sự cố nhờ thiết bị chuyển mạch tự động Thông thường khi số kênh truyền dẫn nhỏ hơn hoặc bằng 7 (n ≤ 7) thì dùng một kênh dự phòng, tương ứng với cấu hình

(n+1) Trong thực tế dùng cấu hình (1+1) gồm một kênh truyền dẫn và một

kênh dự phòng nóng HSB (Hot Standby), có thể hoạt động ở cao tần RF hoặc trung tần IF

Hình 1.12 mô tả một tuyến vi ba số có chuyển mạch bảo vệ bằng kênh

dự phòng [1]

Hình 1.12 Nâng cao độ an toàn của tuyến bằng kênh dự phòng

Ngoài ra, người ta còn kết hợp giữa phân tập không gian và chuyển mạch bảo vệ bằng cách sử dụng một anten riêng cho máy thu phát và dự

phòng nóng, kết hợp phân tập tần số và chuyển mạch bảo vệ tức là kênh dự phòng phát tín hiệu trên một tần số sóng vô tuyến.

1.10 Ưu, nhược điểm của hệ thống vi ba số

a) Ưu điểm

- Nhờ các phương thức mã hoá và ghép kênh theo thời gian dùng các vi mạch tích hợp cỡ lớn nên thông tin xuất phát từ các nguồn khác nhau như điện thoại, máy tính, facsimile, telex, video được tổng hợp thành luồng bit

số liệu tốc độ cao để truyền trên cùng một sóng mang vô tuyến;

- Nhờ sử dụng các bộ lặp tái sinh luồng số liệu nên tránh được nhiễu tích luỹ trong hệ thống số Việc tái sinh này có thể được tiến hành ở tốc độ bit cao nhất của băng tần gốc mà không cần đưa xuống tốc độ bit ban đầu;

- Nhờ có tính chống nhiễu tốt, các hệ thống vi ba số có thể hoạt động tốt với tỉ số sóng mang/nhiễu (C/N) > 15dB Trong khi đó hệ thống vi ba tương tự yêu cầu (C/N) lớn hơn nhiều (> 30dB), theo khuyến nghị của CCIR) Điều này cho phép sử dụng lại tần số đó bằng phương pháp phân cực trực giao, tăng phổ hiệu dụng và dung lượng kênh;

- Cùng một dung lượng truyền dẫn, công suất phát cần thiết nhỏ hơn so với hệ thống tương tự làm giảm chi phí thiết bị, tăng độ tin cậy, tiết kiệm nguồn Ngoài ra, công suất phát nhỏ ít gây nhiễu cho các hệ thống khác [1]

tự thông tin vẫn tồn tại tuy chất lượng kém;

- Hệ thống này dễ bị ảnh hưởng của méo phi tuyến do các đặc tính bão hoà, do các linh kiện bán dẫn gây nên, đặc tính này không xảy ra cho hệ thống tương tự FM

Các vấn đề trên đã được khắc phục nhờ áp dụng các tiến bộ kỹ thuật mới như điều chế số nhiều mức, dùng thiết bị dự phòng (1+n) và sử dụng các mạch bảo vệ [1]

Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày tổng quan về hệ thống vi ba số, từ đây cho ta cái nhìn tổng quát về hệ thống vi ba số và cũng làm tiền đề cho việc thiết kế tuyến ở phần sau Ngoài ra, các phương thức điều chế và một số thiết bị vi ba

số cũng là một vấn đề cần quan tâm trong hệ thống vi ba số Do đó ở chương tiếp theo sẽ trình bày về các phương thức điều chế trong hệ thống vi ba số và một số thiết bị vi ba số

Chương 2 Các phương thức điều chế trong hệ

Điều chế số là phương thức điều chế đối với tín hiệu số mà trong đó một hay nhiều thông số của sóng mang được thay đổi theo sóng điều chế [1]

Thông qua quá trình điều chế gắn tín hiệu mang tin vào tín hiệu sóng mang có phổ thích hợp hơn để:

- Làm cho tín hiệu mang tin tương xứng với các đặc điểm của kênh truyền;

- Kết hợp các tín hiệu lại với nhau (sử dụng ghép kênh phân tần số) rồi truyền đi qua một môi trường vật lý chung;

- Bức xạ tín hiệu dùng các antenna có kích thước phù hợp thực tế;

- Định vị phổ vô tuyến nhằm giữ cho giao thoa giữa các hệ thống ở dưới mức cho phép [3]

Quá trình điều chế và giải điều chế được mô tả như Hình 2.1 [1]

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả quá trình điều chế và giải điều chế số

Tín hiệu băng tần vô tuyến

Máy thu Máy phát

Tín hiệu

băng tần gốc

Tín hiệu băng tần gốc

Bộ điều chế

Sóng mang

Bộ giải điều chế

Giả sử có 1 sóng mang hình sin như sau:

f0(t) =A cos( ω0t + ϕ ) (2.1)

Trong đó: + A : biên độ của sóng mang

+ ωo = 2πf o : tần số góc của sóng mang

+ f o : tần số của sóng mang

+ ϕ(t) : pha của sóng mang

Tuỳ theo tham số được sử dụng để mang tin: có thể là biên độ A, tần số

f o , pha ϕ(t) hay tổ hợp giữa chúng mà ta có các kiểu điều chế khác nhau:

+ Điều chế khóa dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying): Sóng điều biên được tạo ra bằng cách thay đổi biên độ của sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc

+ Điều chế khóa dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying): Sóng điều tần được tạo ra bằng cách thay đổi tần số sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc

+ Điều chế khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying): Sóng điều pha được tạo ra bằng cách thay đổi pha sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc

+ Điều chế biên độ và pha kết hợp hay điều chế cầu phương QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

Giải điều chế là quá trình ngược lại với quá trình điều chế, trong quá trình thu được có một trong những tham số: biên độ, tần số, pha của tín hiệu sóng mang được biến đổi theo tín hiệu điều chế và tuỳ theo phương thức điều chế mà ta có các phương thức giải điều chế thích hợp để lấy lại thông tin cần thiết [2]

2.1.2 Phương thức điều chế QPSK

a) Cơ sở toán học

Giả sử tín hiệu sóng mang được biểu diễn: f0(t) = cos( ω0t+ ϕ ) (2.2) Biểu thức tín hiệu băng gốc: s(t) là tín hiệu ở dạng nhị phân (0,1) hay là một dãy NRZ (Non-Return Zero)

Khi đó, tín hiệu điều pha PSK có dạng:

P(t) = cos{ ω0t+ ϕ + [s(t) ∆ φ ] / } (2.3)Trong đó: ∆φ = 2π/n là sự sai pha giữa các pha lân cận của tín hiệu.

Từ biểu thức (2.2), với n = 4, ∆φ = π/2 thì ta có kiểu điều chế 4-PSK

hay PSK cầu phương (QPSK) Tín hiệu QPSK có dạng:

4 ).

( cos{

Sơ đồ nguyên lý bộ điều chế QPSK sử dụng một trong 4 pha lệch nhau

90o, được trình bày như Hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu QPSK

Tín hiệu băng gốc được đưa vào bộ biến đổi nối tiếp thành song song, đầu ra được hai luồng số liệu có tốc độ bit giảm đi một nửa, đồng thời biến đổi tín hiệu đơn cực thành tín hiệu ±1 Hai sóng mang đưa tới hai bộ trộn làm lệch pha nhau 90o Tổng hợp tín hiệu đầu ra 2 bộ trộn ta được tín hiệu 4-PSK Tín hiệu ra ở 2 bộ trộn:

t t

a t

M1( ) = ( ) cos ω0 ; M2(t) =b(t) sin ω0t với a(t) = ±1, b(t) = ±1

Tín hiệu ra 4-PSK là: P(t) =a(t) cos ω0.t +b(t) sin ω0t (2.5)

Hình 2.4 Biểu đồ vector của

điều chế QPSK

c) Quá trình giải điều chế

Sơ đồ giải điều chế QPSK được trình bày như Hình 2.5

4 cos[

2 )

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý giải điều chế pha QPSK

Với ϕ(t) = nπ/2; n = 0,1,2,3 Và a(t) = ±1, b(t) = ±1.

Hai tín hiệu chuẩn vào bộ trộn:

) t cos(

) t (

P ref1 = 2 ω0

) t sin(

) t (

P ref2 = 2 ω0

Tín hiệu sau khi qua các bộ lọc:

) t ( a )

t ( a ] ) t ( cos[

) t (

P LPF = ϕ +π = = ± ⇒

2

1 2

4

) t ( b )

t ( b ] ) t ( sin[

) t (

P LPF = ϕ +π = = ± ⇒

2

1 2

4

2.1.3 Điều chế biên độ cầu phương QAM

Điều chế biên độ cầu phương QAM là phương pháp điều chế kết hợp giữa điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK Trong phương thức điều chế này, ta thực hiện điều chế biên độ nhiều mức 2 sóng mang mà 2 sóng mang này được dịch pha 1 góc 90o Tín hiệu tổng của 2 sóng mang này có dạng vừa điều biên vừa điều pha:

Q1(t) =a(t) cos[ ωo.t+ ϕ1(t)] và Q2(t) =b(t) sin[ ωo.t+ ϕ2(t)]

Tín hiệu s(t) là tổng của 2 thành phần s s (t) và s c (t) và được biểu diễn

như sau:

Q(t) =Q1(t) +Q2(t) =a(t) cos[ ωo t + ϕ1(t)] +b(t) sin[ ωo t+ ϕ2(t)] (2.7)Nhờ có biên độ thay đổi mà các trạng thái pha của sóng mang đã cách

xa nhau, do vậy khả năng mắc lỗi sẽ giảm, đây cũng chính là ưu điểm của QAM [1]

m chuỗi tín hiệu nhị phân