Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
1 Các hệ thống truyền thông số

1 Các hệ thống truyền thông số

Tải bản đầy đủ - 0trang

Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa : Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật

điều chế số



Hình 1.1: Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số cơ bản

Trung gian truyền phát thường được gọi là kênh, tại đó tạp âm cộng vào tín hiệu

và các ảnh hưởng của fading với suy hao xuất hiện như hệ số nhân lên tín hiệu.

Thuật ngữ tạp âm ở đây là thuật ngữ nghĩa rộng, bao gồm tất cả những nhiễu

loạn điện ngẫu nhiên từ ngồi và trong hệ thống. Kênh nói chung cũng có băng

thơng tần số hữu hạn do đó nó có thể được xem như một bộ lọc. Tại máy thu,

hầu như việc xử lí tín hiệu ngược lại xảy ra. Trước tiên, tín hiệu nhận rất yếu

được khuếch đại (và hạ tần nếu cần thiết) sau đó được giải điều chế. Sau đó

phần dư thừa được loại bỏ bằng bộ giải mã kênh và bộ giải mã nguồn thực hiện

khôi phục tín hiệu về dạng nguyên gốc trước khi được gửi tới người sử dụng.

Một bộ biến đổi số-tương tự (D/A) được sử dụng cho các tín hiệu tương tự.

Sơ đồ khối cho trong trong hình 1.1 chỉ là cấu hình một hệ thống kinh

điển. Một cấu hình hệ thống thực có thể phức tạp hơn. Với một hệ thống nhiều

người sử dụng, một khối dồn kênh được chèn vào trước khối điều chế. Với hệ

thống đa trạm, một khối điều khiển đa truy nhập được chèn vào trước máy phát.

Các thiết bị khác như trải tần và mữa hóa cũng có thể được thêm vào hệ thống.

Một hệ thống thực cũng có thể đơn giản hơn. Mã hóa nguồn và mã hóa kênh

cũng có thể khơng cần thiết trong một hệ thống đơn giản. Trên thực tế, chỉ có

khối điều chế, kênh, giải điều chế, và các bộ khuếch đại là nhất thiết trong mọi

hệ thống truyền thông (với các anten cho các hệ thống khơng dây).

Với mục đích mơ tả các kĩ thuật điều chế và giải điều chế và phân tích

chất lượng của chúng, biểu đồ hệ thống đơn giản hóa trong hình 1.2 sẽ được sử

dụng thường xuyên.



5



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa : Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật

điều chế số



Hình 1.2: Sơ đồ điều chế đơn giản

Mơ hình này loại trừ các khối khơng hợp lí với quan điểm điều chế sao

cho các khối hợp lí được thấy rõ ràng. Tuy nhiên, các kĩ thuật modem (điều chế

và giải điều chế) được phát triển gần đây kết hợp điều chế và mã hóa kênh lại

với nhau. Trong các trường hợp này, các bộ mã hóa kênh là một phần của bộ

điều chế và các bộ giải mã kênh là một phần của bộ giải điều chế. Từ hình 1.2,

tín hiệu nhận được tại đầu vào của bộ giải điều chế có thể được viết như sau:

r (t )  A(t )  s (t ) * h(t )   n(t )



(1.1)



Trong đó * chỉ phép chập. Trong hình 1.2 kênh được mơ tả bởi 3 yếu tố.

Thứ nhất là bộ lọc kênh. Do thực tế là bộ lọc s(t) từ bộ điều chế phải qua máy

phát, kênh (trung gian truyền phát) và máy thu trước khi nó có thể tới bộ giải

điều chế, bộ lọc kênh do đó là một bộ lọc hỗn hợp với hàm truyền là:

H ( f )  HT ( f ) H C ( f ) H R ( f )



(1.2)



Trong đó H T ( f ) , H C ( f ) , H R ( f ) là các hàm truyền của máy phát, kênh và máy

thu. Cũng như vậy, đáp ứng xung của bộ lọc kênh là:

h(t )  hT (t )* hC (t ) * hR (t )



(1.3)



Trong đó hT (t ) , hC (t ) và hR (t ) là các đáp ứng xung của máy phát, kênh và máy

thu. Nhân tố thứ hai là hệ số A(t) mà nói chung là phức. Hệ số này biểu diễn

fading trong một số dạng kênh, như là kênh vô tuyến di động. Nhân tố thứ ba là

nhiễu cộng và số hạng nhiễu n(t). Chúng ta sẽ thảo luận về fading và nhiễu chi

tiết hơn trong mục sau. Mơ hình kênh trong hình 1.2 là mơ hình chung. Nó có

thể được đơn giản hóa trong một số tình huống như sẽ thấy trong mục tiếp theo.



1.2. Các kênh truyền thông



6



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa : Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật

điều chế số



Đặc tính kênh đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu, lựa chọn và

thiết kế các trình tự điều chế. Các trình tự điều chế được nghiên cứu cho các

kênh khác nhau để biết chất lượng của chúng trong các kênh này. Các trình tự

điều chế được lựa chọn hoặc thiết kế tương ứng với đặc tính kênh để tối ưu chất

lượng của chúng. Trong mục này ta sẽ thảo luận một số mơ hình kênh quan

trọng trong truyền thông.



1.2.1 Kênh nhiễu trắng Gauss cộng (Additive White Gaussian Noise ChannelAWGN channel)

Kênh AWGN là một mô hình phổ biến để phân tích các trình tự điều chế.

Trong mơ hình này, kênh khơng làm việc gì ngồi cộng thêm một nhiễu Gauss

trắng vào tín hiệu đi qua nó. Điều này nhấn mạnh rằng đáp ứng tần số biên độ

của kênh là phẳng (dù với băng thông giới hạn hay ko giới hạn) và đáp ứng tần

số pha của kênh là tuyến tính cho mọi tần số sao cho các tín hiệu đã điều chế khi

đi qua nó mà không mất biên độ và méo pha hay các thành phần tần số. Fading

không tồn tại. Méo duy nhất được tạo ra bởi AWGN. Tín hiệu nhận được trong

1.1 được đơn giản hóa còn:

r (t )  s (t )  n(t )



(1.4)



Với n(t) là nhiễu AWGN.

Tính “trắng” của n(t) nhấn mạnh rằng có một q trình ngẫu nhiên tĩnh

với mật độ phổ công suất phẳng (PSD) cho tất cả các tần số. Có một quy ước

giả thiết rằng PSD của nó bằng

N ( f )  N0 / 2



� f  �



(1.6)



Điều này nhấn mạnh rằng một quá trình trắng có cơng suất hữu hạn. Điều

này dĩ nhiên mang tính lí tưởng về mặt tốn học. Ứng với định lí WienerKhinchine, hàm tự tương quan của nhiễu AWGN là

R ( )  E{n(t )n(t   )} 







N ( f )e





�











N0



�2



�



e j 2 f  df 



j 2 f 



df



(1.7)



N0

 ( )

2



Trong đó  ( ) là hàm delta Dirac. Điều này chỉ ra các mẫu nhiễu là không

tự tương quan cho dù hiệu thời gian nhỏ tới đâu chăng nữa. Các mẫu cũng độc

lập do quá trình là quá trình Gauss.



7



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa : Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật

điều chế số



Tại mỗi điểm thời gian, biên độ của n(t) tuân theo hàm mật độ xác suất

Gauss cho bởi:

p ( ) 



1

2 2



exp{



2

}

2 2



(1.7)



Trong đó  được dùng để biểu diễn các giá trị của quá trình ngẫu nhiên

2

n(t) và  là độ lệch của q trình ngẫu nhiên. Có một điểm thú vị cần lưu ý là

 2  � với quá trình AWGN do  2 là công suất của nhiễu, là bất định do tính

“trắng” của nó.

Tuy nhiên, khi r(t) được lấy tương quan với hàm trực giao  (t) , thì nhiễu

trong đầu ra có độ lệch hữu hạn. Trên thực tế:

r







r (t ) (t )dt  s  n





�



Trong đó

s







n(t ) (t )dt





�





n







s (t ) (t )dt





�



Độ lệch của n bằng:

2





��

��



E{n }  E ���

n(t ) (t ) dt ��

�

��



��

2



�� �



 E ��

n

(

t

)



(

t

)

n

(



)



(



)

dtd







���





� �



E{n(t ) (t )}n( ) ( )dtd

��



��







� �



N0



��2  (t   ) (t ) ( )dtd



��



N

 0

2







 (t )dt 



2



�



N0

2



(1.18)



Khi đó hàm mật độ xác suất (PDF) của n có thể viết như sau:

8



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa : Điện- Điện tử



p (n ) 



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật

điều chế số



1

n2

exp{ }

N0

 N0



(1.19)



Kết quả này sẽ được sử dụng thường xuyên trong cuốn sách.

Nói một cách khác, kênh AWGN khơng hề tồn tại do khơng hề có kênh

truyền nào có thể có băng thơng là vơ định. Tuy nhiên, khi băng thơng tín hiệu

là nhỏ hơn so với băng thơng kênh, một số kênh thực tế có thể xấp xỉ với kênh

AWGN. Chẳng hạn, các kênh vô tuyến thẳng tuyến LOS (line of sight), bao

gồm các kết nối microwave (ND: sóng cực ngắn) mặt đất cố định và các kết nối

vệ tinh cố định, xấp xỉ với các kênh AWGN khi thời tiết tốt. Các cáp đồng trục

băng rộng cũng xấp xỉ kênh AWGN do đó khơng tồn tại nhiễu nào khác ngoài

nhiễu Gauss.

Trong cuốn sách này, tất cả các trình tự điều chế đều được nghiên cứu

trong kênh AWGN. Có hai lí do cho việc này. Thứ nhất, một số kênh vốn xấp xỉ

kênh AWGN, các kết quả có thể được sử dụng trực tiếp. Thứ hai, nhiễu Gauss

cộng được biểu diễn cho dù có tồn tại hay không những nhân tố làm suy yếu

khác của kênh như băng thông hạn chế, fading, đa đường, và các nhiễu khác.

Vậy kênh AWGN là kênh tốt nhất mà một hệ thống có thể có. Chất lượng của

trình tự điều chế xác định trong kênh này là biên trên của chất lượng. Khi có các

nhân tố suy giảm khác của kênh, chất lượng hệ thống sẽ giảm. Chất lượng trong

AWGN có thể sử dụng như chuẩn trong định giá sự suy giảm cũng như tính

hiệu quả của các kĩ thuật chống suy giảm chất lượng.



1.2.2 Kênh giới hạn băng thơng

Khi băng thơng kênh nhỏ hơn băng thơng tín hiệu, kênh gọi là có băng

thơng hạn chế. Sự giới hạn băng thơng phục vụ gây nên nhiễu liên kí hiệu ISI

(chẳng hạn, các xung số sẽ mở rộng thời gian truyền (chu kỳ kí hiệu Ts )) và gây

nhiễu lên kí hiệu tiếp theo, hay thậm chí là cả kí hiệu tiếp theo nữa. ISI gây tăng

xác suất lỗi bit ( Pb ) hay tỉ lệ lỗi bit BER, như nó vẫn được gọi. Khi việc tăng

băng thơng kênh truyền là điều không thể hoặc không hiệu quả kinh tế, các kĩ

thuật cân bằng kênh được sử dụng để chống lại ISI. Qua nhiều năm, một số

lượng lớn các kĩ thuật cân bằng đã được phát minh và sử dụng. Các kĩ thuật cân

bằng mới xuất hiện liên tục. Chúng ra sẽ không bao trùm chúng trong cuốn sách

này. Về hướng các kĩ thuật cân bằng kênh, bạn đọc được khuyên xem [1.chương

6] hay bất kì những sách về các hệ thống thông tin.



9



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa : Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật

điều chế số



1.2.3 Kênh fading

Fading là một hiện tượng xảy ra khi biên độ và pha của tín hiệu vơ tuyến biến

đổi nhanh trong một khoảng thời gian ngắn hay khoảng lan truyền ngắn. Fading

được tạo nên bởi nhiễu giữa hai hay nhiều phiên bản của tín hiệu phát khi chúng

tới máy thu ở những thời điểm khác nhau một chút. Các sóng này, gọi là các

sóng đa đường, kết hợp với nhau tại anten cho một tín hiệu tổng mà có thể biến

đổi rất rộng về cả biên độ và tần số. Nếu các thời gian trễ của các tín hiệu đa

đường dài hơn chu kì kí hiệu (symbol) (ND: hay cũng có thể gọi là mẫu tín

hiệu), các tín hiệu đa đường đó phải được xem như tín hiệu khác. Trong trường

hợp này, ta có các tín hiệu đa đường độc lập.

Trong các kênh thông tin di động, như kênh di động mặt đất và kênh di

động vệ tinh, nhiễu fading và đa đường được tạo nên bởi những phản hồi từ các

cơng trình bao quanh và các địa hình. Thêm vào đó, sự di chuyển tương đối giữa

máy phát và máy thu cho kết quả là điều chế tần số ngẫu nhiên trong tín hiệu do

mức dịch tần Doppler khác nhau trên mỗi thành phần đa đường. Sự di động của

các đối lượng bao quanh, như xe tải, cũng tạo nên một mức dịch tần Doppler

trên thành phần đa đường. Tuy nhiên, nếu các đối tượng bao quanh di chuyển ở

tốc độ nhỏ hơn tốc độ của di động, thì hiệu ứng của chúng có thể được bỏ qua.

Nhiễu fading và đa đường cũng tồn tại trong các kết nối microwave LOS

(ND: như đã nói ở trên, LOS=tuyến thẳng) [3]. Trong những buổi hè trời trong

và êm, sự hỗn loạn áp suất thông thường là nhỏ. Tầng đối lưu xếp thành tầng

với những phân phối của nhiệt độ và hơi ẩm không đồng đều. Sự phân lớp của

tầng áp suất thấp hơn tạo nên các gradien chỉ số khúc xạ đột ngột để tạo nên các

đường đa tín hiệu với các biên độ và các trễ khá khác nhau.

Fading tạo nên các biến đổi nhanh về biên độ và những độ lệch pha trong

các tín hiệu nhận. Đa đường tạo nên nhiễu liên kí hiệu. Dịch tần Doppler tạo

nên sự trơi tần số sóng mang và trải băng thơng tín hiệu. Tất cả điều đó dẫn tới

sự suy hao chất lượng của điều chế. Việc phân tích chất lượng điều chế trong

các kênh fading sẽ được thảo luận chi tiết hơn.



1.3 Các công cụ điều chế cơ bản

Điều chế số là một quá trình nén một kí hiệu số lên một tín hiệu thích hợp để

truyền phát. Với những truyền phát khoảng cách ngắn, điều chế băng gốc

thường được sử dụng. Điều chế băng gốc thường được gọi là mã đường. Một

chuỗi các kí hiệu số thường được sử dụng để tạo nên dạng sóng xung vng với

một số đặc điểm nào đó để biểu diễn mỗi dạng kí hiệu mà khơng có sự nhập

10



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa : Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật

điều chế số



nhằng sao cho chúng có thể được khơi phục trong lúc thu. Hình 1.3 cho một số

dạng sóng điều chế băng gốc. Dạng đầu tiên là điều chế non-return zero-level

(NRZ-L) thực hiện biểu diễn một kí hiệu 1 bởi một xung vuông dương với độ

dài T và kí hiệu 0 bởi một xung vng âm với độ dài T.



Hình 1.3: Các thí dụ về điều chế số băng gốc.

Dạng thứ hai là dạng điều chế unipolar return to zero với một xung dương độ

dài T/2 biểu diễn kí hiệu 1 và giá trị 0 biểu diễn cho kí hiệu 0. Dạng thứ 3 là

dạng mức 3 pha (biphase level) hay còn gọi là Manchester, sau khi phát minh ra

dạng này, việc điều chế sử dụng dạng sóng gồm một xung T/2 dương và xung

T/2 âm cho 1 và dạng sóng đảo ngược cho 0. Trình tự điều chế này và các trình

tự khác sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong chương 2.

Với các truyền phát đường dài và không dây, điều chế thông dải thường

được sử dụng. Điều chế thông dải cũng được gọi điều chế sóng mang. Một

chuỗi các kí hiệu số được sử dụng để làm thay đổi các thông số của một tín hiệu

hình sin tần số cao gọi là sóng mang. Nói chung, một tín hiệu hình sin có 3

thơng số: biên độ, tần số và pha. Vậy điều chế biên độ, điều chế tần số, và diều

chế pha và là ba công cụ điều chế cơ bản trong điều chế thơng dải. Hình 1.4 cho

ba dạng điều chế sóng mang nhị phân cơ bản. Đó là khóa dịch biên độ (ASK),

khóa dịch tần số (FSK), và khóa dịch pha (PSK). Trong ASK, bộ điều chế đẩy

ra một bó sóng mang cho mỗi kí hiệu 1, và khơng tín hiệu nào cho mỗi kí hiệu

0. Trình tự này cũng được gọi là khóa bật-tắt (OOK). Trong khóa ASK thơng

thường, biên độ cho kí hiệu 0 khơng thực sự là 0. Trong FSK, với kí hiệu 1, một



11



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

1 Các hệ thống truyền thông số

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×