Bài giảng tóm tắt hệ thống viễn thông

Hệ thống Viễn thơng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM

BÀI GIẢNG TÓM TẮT:

(File Powerpoint)

ThS Trần Duy Cường

2011
GV Trần Duy Cường

1


Hệ thống Viễn thơng

Môn học:
60 tiết

HỆ THỐNG VIỄN THÔNG 1

Điều kiện:
Lý thuyết thông tin, Mạch điện tử 3, Kỹ thuật siêu cao
tần.
Mục tiêu:
Tìm hiểu tổng quan về hệ thống truyền số, truyền tương
tự, các mơi trường truyền thơng.
Tìm hiểu các vấn đề về xử lý truyền thông, điều chế
tương tự và số.

Tài liệu:

[1] Hệ thống viễn thông.
TG: Vũ Đình Thành.
NXB: Khoa Học Kỹ Thuật,1997.

Chương 1:

[2] Principles of communication system.
TG: H.Taub and D.L.Schilling.
NXB: Mc.Graw Hill,1987.
[3] Systèmes de télécommunication.
TG: P.G.Pontolliet.
1
NXB: Dunod,1985.

KHÁI NIỆM CƠ BẢN

I- KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG VIỄN THÔNG:
1.1- KHÁI NIỆM VỀ TIN TỨC:
Nguồn
Một chiều

Đích
Đa chiều

TV, Radio, Đo từ xa, Phonelink

Hai chiều

- Hội nghị từ xa
- Đào tạo từ xa

- Thông tin đơn công (simplex): bộ đàm (không xảy ra đồng thời).
- Song công (full duplex).
- Bán song công (half-duplex): maùy fax.
2

GV Trần Duy Cường

2


Hệ thống Viễn thơng

® Tin tức là các đại lượng mà chúng ta không biết trước được.

Lượng tin của tin thứ i: Hi (information content ) của tin tức i laø:

 1 
H i  log 
   log[ P(i )]
P
(
i
)



Trong đó : p(i ) - là xác suất của tin i trong tập hợp các tin.

Đánh giá tin thứ i xem tin đó cao hay thấp. P(i) giảm thì H(i) tăng.
Entropy của nguồn tin (đánh giá chung nguồn tin):
N

H    P (i ). log P (i )

[ Shannon ]

i 1

==> Hmax khi P(i) = P = 1/N=const, với mọi i.

3

Các khái niệm:
Nguồn tin số tạo ra một tập hữu hạn các đọan tin có thể có. Máy đánh chữ là một ví
dụ điển hình về nguồn số. Có một số hữu hạn các kí tự (đoạn tin) được tạo ra từ nguồn
này.
Nguồn tin tương tự tạo ra các đoạn tin được xác định trên một dãy liên tục. Một
Microphone là một ví dụ điển hình. Điện áp đầu ra mô tả tin tức âm thanh và nó được
phân bố trên một khoảng liên tục các giá trị.
Symbol: là một kí hiệu trong nguồn tin. Ví dụ nguồn nhị phân BPSK có 2 symbol;
nguồn 4-PSK có 4 symbol; nguồn mã ASCII có 128 symbol chính là các kí tự.
Baud: là tốc độ truyền symbol hay số symbol truyền trong một đơn vị thời gian (1
giây). Ví dụ 100 baud =100 symbol/s
Bit: là đơn vị thơng tin, nó có thể nhận 2 giá trị là 0 hoặc 1. Là lượng tin được mang
bởi một symbol. Ví dụ trong nguồn tin 4-PSK, một symbol sẽ mang được 2 bit.
Bit rate: Là tốc độ truyền tin (bit/s ; bps) hay chính là số lượng bit truyền trong một
đơn vị thời gian là s.
Message: là một chuỗi symbol tạo nên lượng tin có nghĩa.

Encryption: Giúp bảo mật thơng tin bằng cách mã hóa tin tức truyền với các khóa mã.
Error Control Coding: Giúp phía thu phát hiện và sửa lỗi các tín tức nhận được.
Line Coding/Pulse Shaping: Đảm bảo dạng sóng tín hiệu truyền thích ứng với đặc
tính kênh truyền.
GV Trần Duy Cường

3


Hệ thống Viễn thơng

1.2- MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN CƠ BẢN:
Source encoder

Information
Source

1 0 0 1 1 0 0 1 ...

PCM, DM, DPCM, LPC

-Source decoder
-DeMultiplexing

-Source encoder
-Multiplexing

Voice
Audio
Video

Data

user

channel
decoder

channel
encoder

demodulator

modulator
channel
polar
10110

channel
encoder

1 0 1 1 0

on-off

Modulator

4

Nguoàn tin: Tin tức được chuyển thành tín hiệu điện và ngược lại bằng cách thông
qua các cảm biến (micro-loa, camera-màn hình, đầu dò –bộ phận thi hành ).

Mã hoá nguồn: Tín hiệu có xác suất cao thì được mã hóa thành ký tự ngắn, còn tín
hiệu có xác suất thấp được mã hóa thành ký tự dài, nhằm để:
- Nâng cao hiệu suất về sử dụng thông tin.
- Bảo mật thông tin.
Ghép kênh: Cho phép khả năng truyền tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau trên
cùng một kênh truyền.
Mã hoá kênh: Là phương thức biến đổi tín hiệu sao cho có dạng phù hợp với đặc
tính của kênh truyền, do đó, có khả năng chống nhiễu cho tín hiệu trên kênh.
Ngoài ra, mã hoá kênh còn có thể cho phép lập bộ mã phát hiện sai và sửa sai.
Điều chế số: Khi sử dụng đường truyền vô tuyến, phải chú ý đến đặc tính của
anten. Vì anten là một thiết bị băng hẹp, có kích thước phụ thuộc tần số hoạt
động nên để truyền tín hiệu số dãy nền (baseband) phải sử dụng kỹ thuật điều
chế số chuyển thành tín hiệu dãy thông (bandpass) cho phù hợp với đặc tính của
kênh truyền.
Trong thực tế kênh truyền còn chịu ảnh hưởng của các tác nhân sau:
+ Sự méo dạng, sự suy giảm của tín hiệu được truyền đi trong suốt chiều dài của kênh.
+ Nhiễu cộng và nhiễu nhân, nhiễu xuyên keânh.

GV Trần Duy Cường

5

4


Hệ thống Viễn thơng

1.3- CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN
1.3.1- Nguồn âm con người:
80Hz ÷ 12kHz

0

12kHz

f

Trong thực tế, phổ của âm thanh giọng nói con người trải dài từ 80Hz đến
12kHz, giảm nhanh ở vùng tần số cao.
Trong kỹ thuật điện thoại, nguồn âm có các đặc trưng sau:
- Dải phổ giới hạn trong khoảng 300-3400Hz, tuy không phải hết dải âm
tần nhưng đối với điện thoại, dải phổ này đủ cho nhận dạng thông tin.
- Biên độ thấp của nguồn âm ở các vùng tần số cao sẽ được nén dải cho
chống nhiễu.
- Sự lệch pha của âm không thể nhận biết bằng tai người.
Trong liên lạc điện thoại, những lúc nguồn ngưng phát âm (câu ngắt khi nói
chuyện), người ta còn có thể xen các cuộc đàm thoại khác vào, nhất là trong
các kênh thông tin cự ly xa hoặc chi phí cao.

6

7

GV Trần Duy Cường

5


Hệ thống Viễn thơng

1.3.2- Chất lượmh kênh thông tin.
Suy giảm trên kênh truyền:
Phát

Kênh

Thu

LE [dBm]
 [dB ]

dBm  mw; dB  lan

LR [dBm]

 Công suất phát: PE[mw]
Mức công suất phát:

L E [ dBm ]  10 log 10 PE [ mw ]

 Công suất thu: PR[mw]
Mức công suất thu:

L R[ dBm ]  10 log 10 PR[ mw ]

 Độ suy hao trên kênh truyền:
Dạng khác:



PE [ mw ]
PR[ mw ]

[lan ]

 dB  10 log 10  lan  10 log 10 PE [ mw ]  10 log 10 PR[ mw ]  L E [ dBm ]  L R[ dBm ]
8

Tín hiệu

GV Trần Duy Cường

6


Hệ thống Viễn thông

Suy hao

GV Trần Duy Cường

7


Hệ thống Viễn thơng

Méo dạng

Nhiễu

1.3.3- Thời gian trễ:



Phát

Thu

  400ms

Với thông thọai hai chiều, thời trễ có thể cảm nhận được khi lớn hơn
150ms cho mỗi chiều.
Nếu thời trễ trên một chiều nào đó lớn hơn 400ms, sẽ gây ra khó chịu
cho người nghe.

1.3.4- Méo Phi Tuyến:
ID

VD

D
 qV

KT

I D  f (V D )  I 0  e
 q 


I D  a 0  a1V D  a 2V D2  a3V D3  ...

Neáu VD  V1 cos 1t  V2 cos  2 t

I D  a 0  a1 (V1 cos 1t  V 2 cos  2 t )  a 2 (V1 cos 1t  V 2 cos  2 t ) 2  ...
GV Trần Duy Cường

8


Hệ thống Viễn thơng

1.4 ĐẶC TÍNH CHUNG TRONG KHÔNG GIAN THỜI GIAN
® Quan hệ giữ đáp ưng trong không gian tần số và thời gian.
Ui(f)

H(f)
H(f) của một đường truyền chiều

dài l phụ thuộc vào hằng số
truyền sóng

U0(f) =Ui(f).H(f)
u0(t)=ui(t)*h(t).


u o (t ) 

 u ( ).h (t   ) d 
i



® Sự ghép giữa các kênh truyền
UA(t)

Kênh 1

UB(t)

~
Near end
UC(t)

Far end
Kênh 2

UD(t)

Sự ghép giữa các kênh truyền xảy ra dựa trên ba nhân tố ghép:
- Ghép thông qua điện trở chung, nhất là với các điện trở đất dùng chung cho nhiều kênh
thông tin.
- Ghép dung tính do các tụ điện ký sinh giữa các đường.
- Ghép cảm tính do các hỗ cảm giữa các đường.
Các yếu tố trên đưa đến sự ghép xuyên kênh. Người ta phân biệt ra hai loại ghép xuyên
kênh ở hai đầu kênh thụ động:
► Xuyên kênh gần (near end crosstalk) => Tín hiệu Uo(0)
► Xuyên kênh xa (far end crosstalk) => Tín hiệu Uo (l)

GV Trần Duy Cường

9


Hệ thống Viễn thơng

1.5 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN:

GV Trần Duy Cường

10


Hệ thống Viễn thơng

1.6 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN HỮU TUYẾN:
a- Dây song hành đối xứng

► Điện trở đặc tính: R0
d

R0 
D

r

120

r

ln

2D
276
2D
[ ] 
log10
[ ]
d
d
r

:Chất điện môi của lớp vỏ.

► Dây song hành dễ bị hiệu ứng xuyên kênh (Crosstalk)

Để giảm: Xoắn kênh 1 và xoắn kênh 2, rồi sau đó xoắn hai kênh lại theo
chiều ngược lại và cứ thế ghép cho đường dây tập hợp kênh.
GV Trần Duy Cường

11


Hệ thống Viễn thơng

b- Cáp đồng trục
Điện môi

Dây dẫn

Lưới kim lọai

(nối mass)

Lớp nhựa bao ngoài

► Điện trở đặc tính: R0
R0 

d

D

60

r

D
 D  138
ln   
log 10
d
r
d 

[ ]

Độ dời pha tuyến tính:

 

r

C0

    .l

Độ lệch pha giữa hai đầu cable:
Tốc độ truyền trong cable:



V 

C0

r

b1- Hiệu ứng da (Skin effect):
Mật độ dòng điện
S
I

DC

J 

I[ A]
S[ m 2 ]

0  0
1
2

1   2

Nếu ta đặt vào dây một dòng điện AC với tần số càng lớn dẫn đến mật độ J
không còn đều nữa mà mật độ J lớn nhất là ở chu vi ngòai cùng còn càng
vào trong mật độ J càng giảm. Đối với dòng DC thì mật độ J ở mọi điểm
bằng nhau. Hiệu ứng trên gọi là hiệu ứng da.
Vậy tần số cao có thể làm dây rỗng (vì tần số càng cao mật độ dòng điện
gần tâm bằng không).

GV Trần Duy Cường

12


Hệ thống Viễn thông

GV Trần Duy Cường

13


Hệ thống Viễn thông

GV Trần Duy Cường

14


Hệ thống Viễn thông

GV Trần Duy Cường

15


Hệ thống Viễn thông

GV Trần Duy Cường

16


Hệ thống Viễn thông

GV Trần Duy Cường

17


Hệ thống Viễn thơng

PHỔ ĐIỆN TỪ

38

GV Trần Duy Cường

18

Hệ thống Viễn thơng

Chương 2:

XỬ LÝ TRUYỀN THÔNG

2.1 Đặc tính kênh truyền số:
Các kênh truyền số liệu (tín hiệu truyền đi theo kỹ thuật số)
được đặc trưng qua các thông số sau:
- Tốc độ bit D của nguồn, tính bằng bit/s hay bps (nguồn tin
phát ra bao nhiêu bit trong một đơn vị thời gian), tùy theo
nguồn tin khác nhau dẫn đến số bit khác nhau.
- Số moments m: Là số trạng thái vật lý được sử dụng của
tín hiệu ban đầu (m mức biên độ, m tần số, m pha …)
- Tốc độ moment của nguồn là M được tính bằng Baud
(KBaud, MBaud) thể hiện vận tốc vật lý truyền qua kênh cho
mỗi moment của mã được dùng.
1

Các thông số trên liên quan với nhau theo công thức sau:

D  M log 2 m

[bit/s] Neáu m=2 (“0”, “1”) ta có D=M.

 Liên quan giữa tốc độ bit và băng thoâng B.

M [ Baud ]  1.25 B[ Hz ]
 Thông lượng kênh: Thông lượng kênh C là tốc độ bit tối
đa mà kênh của chúng; ta có thể truyền tải được trong điều

kiện có nhiễu.

S
Tỉ số tín hiệu trên nhieãu (SNR) =  
N

C  2 B log 2 1    B log 2 1   
2

GV Trần Duy Cường

19


Hệ thống Viễn thơng

2.2 Điều chế tương tự và số:
Truyền qua băng tần gốc (truyền dải nền):
- Truyền tín hiệu qua băng tần gốc (baseband transmission)
nghóa là tín hiệu được truyền trực tiếp sau khi nó xuất phát
từ nguồn (không qua điều chế), ở tại băng tần gốc của nó.
Phương pháp truyền này đòi hỏi các môi trường truyền khác
nhau cho mỗi loại tín hiệu:
+ Kênh thoại: B =300Hz-3400Hz (dây song hành, phạm vi ngắn).
+ Kênh truyền hình: B = 50Hz - 5MHz, (Cáp đồng trục, phạm vi ngắn)
+ Kênh truyền số liệu: Cho các tín hiệu mã hóa, nối liền các terminals.

Dải tần gốc của tín hiệu: B = fmax - fmin .

fmin

fmax f
3

* Ưu điểm: đơn giản, đảm bảo nơi thu thu đúng băng thông
(không có méo dạng).
* Khuyết điểm: Tín hiệu dễ bị nhiễu, thông thường truyền dải
nền không thể truyền đi xa. Truyền dải nền không thể ghép
kênh.
Định nghóa và mục đích của sự điều chế
Điều chế là chuyển đổi dải nền sang một tín hiệu khác sao
cho không làm thay đổi về nội dung tin tức.
Điều chế nhằm các mục đích sau:
- Cho phép tín hiệu thích nghi với điều kiện truyền của môi
trường, ngay cả khi môi trường bị can nhiễu mà vẫn đảm bảo
chất lượng tín hiệu muốn truyền đi.
- Cho phép trộn nhiều kênh thông tin trên cùng một môi
trường truyền.
4

GV Trần Duy Cường

20


Hệ thống Viễn thơng

U1(t)

Điều chế

Loại tin tức

U2(t)

Dạng sóng mang

Media

U22(t)

Nhiễu

Thông số được điều chế

Analog
. Lời nói
. Nhạc
. Video

Điều chế
tương tự

Impulse

Digital
. Số liệu
. Văn bản

Điều chế

số

Analog »»»
»»» Digital

Loại điều chế
SSB (Single Side Band)

Frequency

FM (Frequency Modulation)

Phase

PM (Phase Modulation)

Amplitude

PAM (Pulse Amplitude Modulation)

Frequency

PFM (Pulse Frequency Modulation)

Phase

PPM (Pulse Position Modulation)

Width

PWM (Pulse Width Modulation)
ASK (Amplitude Shift Key)

Amplitude
Sine

U11(t)

AM (Amplitude Modulation)

Amplitude
Sine

Giải Điều
chế

OOK (On-Off Key)

Frequency

FSK (Frequency Shift Key)

Phase

PSK (Phase Shift Key)

Code

PCM (Pulse Code Modulation)
DPCM

(Differential
Modulation)

Clock signal
(tốc độ bit D)

Pulse

Code
5

DeltaM (Delta Modulation)

2.2.1 Điều chế xung:
Modulated
Pulse Signal

Analog
Message
Signal

Modulator

Pulse Signal

Peak
Amplitude
Period
a) Oscilloscope

GV Trần Duy Cường

Transmission
CHANNEL

Reconstructed
Message
Signal
Receiver

(Limited Bandwidth)

Noise

Power Level

Pulse
Width

Received
Signal

Harmonics

0Hz

Frequency

b) Spectrum Analyzer (Fouries Analysis)
6

21


Hệ thống Viễn thơng

•

Pulse-Amplitude Modulation (PAM)
- Với PAM, các mẫu của tín hiệu thông điệp thì thường được điều chế
thành biên độ xung khác nhau theo tín hiệu thông điệp, có độ rộng
xung là hằng số, vị trí xung hằng số.

Pulse-Width Modulation (P-Duration-M) (P-Length-M)
- Ở đây, các mẫu của tín hiệu thông điệp (tương tự) có độ rộng xung
(phần tích cực của chu kỳ) là tỷ lệ với biên độ của tín hiệu thông
điệp.

Pulse-Position Modulation (PPM)
- Với PPM, các mẫu của tín hiệu thông điệp thì thường được điều chế
thành vị trí xung khác nhau. Có độ rộng xung là hằng số, biên độ
xung cũng là hằng số.

Pulse-Code Modulation (PCM)
- Các mẫu của tín hiệu thông điệp PAM được chuyển đổi thành dãy số
nhị phân nối tiếp có chiều dài cố định.
7

2.2.2 Dạng sóng điều chế xung.

Tín hiệu thông điệp

a)
T
b)

Tín hiệu lấy mẫu

c)

Tín hiệu PAM

d)

Tín hiệu PWM

e)

Tín hiệu PPM

Ýù tưởng
So saùnh
8

GV Trần Duy Cường

22


Hệ thống Viễn thơng

Pulse Code Modulation (PCM)
Analog
Input
Signal
Sample
X
Quantize

ADC

XQ
Encode
100111010
Xk
Line
Code

PCM signal

Delta modulation (DM)

9

Ở điều chế delta (sử dụng mã PCM đơn bit) thay vì truyền
các đặc trưng được mã hóa của mẫu, ở đây chỉ truyền bit
đơn mà bit đó chỉ rõ là mẫu có giá trị lớn hơn hay bé hơn
mẫu trước ñoù.

14

GV Trần Duy Cường

23


Hệ thống Viễn thơng

Bộ phát điều chế Delta (DM)
Analog

Lấy mẫu

+

Tín hiệu PAM

So sánh

PCM:
100110111

_

Bộ chuyển đổi
số/Tương tự

Xung
lấy
mẫu

(DAC)

Xung nhịp

Bộ đếm
Lên/Xuống

U/D

“1”=lên
“0”=xuống
15

Bộ thu điều chế Delta (DM)
Tín hiệu PAM

Bộ chuyển đổi
số/Tương tự

Bộ lọc
thông thấp

Analog

(DAC)
Xung nhịp

Bộ đếm
Lên/Xuống

U/D

Tín hiệu vào
PCM: 100110111

17

GV Trần Duy Cường

24


Hệ thống Viễn thơng
Quá Tải Độ Dốc: Tín hiệu tương tự đầu vào nhanh hơn
so với khả năng của bộ DAC có thể duy trì (bám).



Tạp âm hạt: So tín hiệu phục hồi với tín hiệu nguyên thủy. Khi mà
biên độ của tín hiệu đầu vào có biên độ tương đối hằng số thì tín
hiệu phục hồi có những biến đổi không đại diện cho tín hiệu nguyên
thủy.

Điều chế Delta thích nghi: Là dạn g điều chế Delta trong
đó kích thước bước của bộ DAC được biến đổi một các h tự
độn g phụ thuộc vào đặc tính của tín hiệu tương tự đầu
vào .

19

Ở điều chế Delta thích nghi thì sau khi dãy liên tiếp các
số 1 hoặc số 0 được xác định, kích thước bước (bước
chuyển tiếp trạn g thái ) sẽ được giảm một các h tự độn g.
2.3. LẤY MẪU VÀ TRỘN KÊNH
X(f)

x(t)

t

-fmax

fmax

f
20

TS

0

- fs

t

2TS

xrr(t)

fs

0

f

fs  2fmax
- fs

t

fs

2fmax

f

Không bị aliasing (không bị chồng chập về phổ)
* Nhờ lấy mẫu:
- Công suất phát giảm.
- Trộn kênh theo thời gian.
- Số hóa tín hiệu.

fs  2fmax
- fs

2fmax

fs

f

Bị aliasing (bị chồng chập về phổ)

GV Trần Duy Cường

21

25