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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





Đặng Trần Chiến






NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG
VÀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU SỐ






Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Trương Vũ Bằng Giang











Hà Nội – 2009

i





MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ iii
TỪ VIẾT TẮT vi
LỜI CAM KẾT 1
MỞ ĐẦU 2
CHƢƠNG 1 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU SỐ 3
1.1. Phân tích dạng xung cơ bản 3
1.1.1. Cơ bản về xung băng tần cơ sở 3
1.1.2. Các tham số băng tần cơ sở 9

1.1.3. Phân tích dạng xung tín hiệu 12
1.1.4. Phân tích mẫu mắt 17
1.2. Phân tích vector tín hiệu điều chế số 23
1.2.1. Cơ bản về điều chế tín hiệu số 23
1.2.2. Nguyên lý phân tích vector tín hiệu điều chế 32
1.2.3. Kết quả phân tích vector tín hiệu số 35
1.3. Phân tích phổ tần số 40
1.3.1. Chuyển đổi giữa miền thời gian và miền tần số 40
1.3.2. Nguyên lý máy phân tích phổ tín hiệu 43
1.3.3. Kết quả phân tích phổ 48
CHƢƠNG 2 51
CÁC QUY TRÌNH ĐO LƢỜNG 51
2.1. Đo dạng xung 51
2.1.1. Máy đo dạng xung 51
2.1.2. Quy trình đo dạng xung 53
2.2. Đo mẫu mắt tín hiệu 56
2.2.1. Các máy đo mẫu mắt 56

ii




2.2.2. Quy trình đo mẫu mắt tín hiệu 58
2.3. Phân tích vector tín hiệu điều chế 60
2.3.1. Các thiết bị phân tích vector 60
2.3.2. Quy trình phân tích vector 61
2.4. Phân tích phổ tín hiệu 65
2.4.1. Các thiết bị phân tích phổ tín hiệu 65
2.4.2. Quy trình phân tích phổ tín tín hiệu 68

CHƢƠNG 3 73
MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐO 73
3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng OptiSystem 7.0 73
3.2. Phân tích kết quả đo dạng xung 76
3.3. Phân tích kết quả đo mẫu mắt 76
3.4. Phân tích kết quả phân tích vector 77
3.5. Phân tích kết quả phân tích phổ 80
ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 83
Ƣu điểm và hạn chế của từng kỹ thuật phân tích 83
- Phƣơng pháp phân tích dạng xung 83
- Phƣơng pháp phân tích mẫu mắt tín hiệu 83
- Phƣơng pháp phân tích phổ tín hiệu 83
- Phƣơng pháp phân tích vector tín hiệu 84
Kết luận 84
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO XC
PHỤ LỤC II

iii




DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn tín hiệu số 3
Hình 1.2: Lấy mẫu tín hiệu với các tần số khác nhau 4
Hình 1.3: Các mức lượng tử hóa đồng nhất 5
Hình 1.4: Lượng tử hóa đồng nhất tín hiệu hình sin 5
Hình 1.5: Lỗi lượng tử hóa 6
Hình 1.6: Giản đồ các loại mã đường truyền 9

Hình 1.7: Mặt nạ xung chuẩn tốc độ 2048kbit/s 12
Hình 1.8: Phổ công suất của một số loại mã đường 11
Hình 1.9: Sơ đồ cấu tạo máy hiện dao động (osilloscope) 14
Hình 1.10: Sơ đồ khối chức năng máy hiện sóng tín hiệu số 15
Hình 1.11: Dạng xung tín hiệu tại đầu thu 16
Hình 1.12: Kết quả của phép phân tích mẫu mắt tín hiệu 18
Hình 1.13: Độ rộng mắt truyền dẫn 19
Hình 1.14: Kết quả hiển thị độ mở mắt tín hiệu 21
Hình 1.15: Mẫu mắt tín hiệu và các giá trị mức “1”, “0” 22
Hình 1.16: Kết quả minh họa rung pha tín hiệu 23
Hình 1.17: Sơ đồ khối điều chế ASK 24
Hình 1.18: Dạng tín hiệu khi điều chế khóa dịch biên độ ASK 25
Hình 1.19a: Sơ đồ khối giải điều chế không kết hợp tín hiệu ASK 25
Hình 1.19b: Sơ đồ khối giải điều chế kết hợp tín hiệu ASK 25
Hình 1.20: Sơ đồ khối điều chế FSK 27
Hình 1.21: Sơ đồ khối giải điều chế FSK 27
Hình 1.22: Sơ đồ khối giải điều chế FSK 28
Hình 1.23: Giản đồ chòm sao với tín hiệu 2, 4, 16 và 256-QAM 29
Hình 1.24: Sơ đồ khối chức năng bộ điều chế QAM 30
Hình 1.25: Sơ đồ khối chức năng bộ giải điêu chế QAM 31
Hình 1.26: Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động thiết bị phân tích vector tín hiệu số 32

iv




Hình 1.27: Sự chồng phổ các kí hiệu 33
Hình 1.28: Sử dụng băng thông dự trữ để loại bỏ chồng phổ 34
Hình 1.29: Kết quả đo vector lỗi 35

Hình 1.30: Kết quả đo vùng vector lỗi 36
Hình 1.31: Kết quả lỗi pha điều chế 36
Hình 1.32: Lỗi dịch gốc I/Q tín hiệu điều chế 37
Hình 1.33: Đồ thị biểu diễn hệ số không cân bằng 38
Hình 1.34: Lỗi mất cân bằng cầu phương 38
Hình 1.35: Giản đồ vector mất cân bằng cầu phương 39
Hình 1.36: Đồ thị méo pha tín hiệu 39
Hình 1.37: Giản đồ chòm sao thể hiện tín hiệu nhiễu tín hiệu 40
Hình 1.38: So sánh số phép tính phải thực hiện của DFT, FFT và SDFT 43
Hình 1.39: Sơ khối chức năng máy phân tích phổ tín hiệu số 43
Hình 1.40: Sơ đồ chức năng khối thích ứng tín hiệu 44
Hình 1.41: Dạng xung tín hiệu của tần số tín hiệu, tần số quét và tần IF 45
Hình 1.42: Sơ đồ khối chức năng máy phân tích quang phổ 46
Hình 1.43: Phương pháp phân tích cố định được sử dụng để đo PMD 47
Hình 1.44: Nguyên lý đo CD 47
Hình 1.45: Các đường cong thu được với phương pháp xấp xỉ bậc hai 48
Hình 1.46: Biểu diễn SNR của tín hiệu 49
Hình 2.1: Thiết bị Puma 4300 của hãng Consultronics 51
Hình 2.2: Thiết bị dao động ký số GAO PS1042M 52
Hình 2.3: Thiết bị E20C của hãng SunriseTelecom 52
Hình 2.5: Kết nối trực tiếp đo dạng xung tín hiệu 54
Hình 2.6: Kết nối cầu (bridge) đo giám sát dạng xung 54
Hình 2.7: Kết nối thiết bị đo với cổng đo điểm đo của hệ thống 54
Hình 2.8: Màn hình thiết lập phép đo của máy EST-125-Acterna 55
Hình 2.9: Kết quả phân tích dạng xung tín hiệu ở dạng đồ thị và bảng 55

v

Hình 2.10: Thiết bị AT7000 56
Hình 2.11: Thiết bị GPIB 57
Hình 2.12: Thiết bị WaveExpert 57
Hình 2.13: Thiết bị đo mắt truyền dẫn MP1026B hãng Anritsu 57
Hình 2.14: Kết nối xung đồng hồ cho thiết bị đo 59
Hình 2.15: Thiết bị phân tích vector tín hiệu số Agilent 1680 60
Hình 2.16: Thiết bị FSQ-K70 của hãng Rohde-Schwarz 61
Hình 2.18: Sơ đồ kết nối thiết bị qua bộ chia 62
Hình 2.19: Sơ đồ kết nối trực tiếp 62
Hình 2.23: Thiết bị MTS-8000, hãng sản xuất JDSU 66
Hình 2.27: Sơ đồ kết nối thực hiện đo 69
Hình 3.1: Giao diện khởi động phần mềm OptiSystem 7.0 73
Hình 3.2: Giao diện cửa sổ làm việc của phần mềm 74
Hình 3.3: Chọn thiết bị và thiết kế hệ thống 75
Hình 3.4: Chạy mô phỏng hệ thống 75
Hình 3.5: Kết quả đo trên phần mềm 75
Hình 3.6: Kết quả đo dạng xung tín hiệu tiêu chuẩn T1 76
Hình 3.7: Kết quả hiển thị mẫu mắt tín hiệu cảu thiết bị Inritsu 77
Hình 3.9: Pha của tín hiệu GSM 78
Hình 3.10: Kết quả phân tích vectortín hiệu dịch vụ GSM 78
Hình 3.11: Kết quả đo biên độ các thành phần I/Q khi phân tích vector tín hiệu 79
Hình 3.12: Kết quả phân tích lỗi điều chế tín hiệu 8-PSK của dịch vụ EDGE 79
Hình 3.13: Kết quả phân tích phổ tín hiệu quang hệ thống DWDM 80
Hình 3.14: Kết quả phân tích phổ quang hệ thống DWDM 81

vi

TỪ VIẾT TẮT
ADC
: Analog Digital Converter
ASK
: Amplitue
BER
: Bit Error Ratio
BPSK
: Binary Phase Shift Keying
CD
: Color Dispersion
CDMA
: Code Division Multiple Access
DFT
: Discrete Fourier Transform
DGD
: Differential Group Delay
DWDM
: Dense Wavelength Division Multiplexing
EDGE
: Enhanced Data Rates for GSM Evolution
FIFO
: First In First Out
FSK
: Frequency Shift Keying
GSM
: Global System for Mobile
I/Q
: Inphase/Quadrature

IDFT
: Inverse Discrete Fourier Transform
IF
: Intermediate Frequency
IFFT
: Inverse Fast Fourier Transform
ITU-T
: International Telecommunication Union - Telecommunication
MSK
: Minimum Shift Keying
OSNR
: Optical Signal to Noise Ratio
PDH
: Plesiochronous Digital Hierarchy
PLL
: Phase Lock Loop
PMD
: Polarization Mode Dispersion
PSK
: Phase Shift Keying
QAM
: Quadrture Amplitude Modulated
QPSK
: Quadature Phase Shift Keying
RBW
: Resolution Bandwidth
RF
: Radio Frequency
SDFT
: Sliding Discrete Fourier Transform

SDH
: Synchronous Digital Hierachy
SNR
: Signal to Noise Ratio

1




LỜI CAM KẾT
Tôi cam đoan bản luận văn “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đo lường và phân tích
tín hiệu số” là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS, TS.
Trương Vũ Bằng Giang. Toàn bộ các kiến thức được trích lược từ các tài liệu được liệt
kê đầy đủ và chi tiết. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sai phạm quyền tác
giả.


Ngƣời làm cam đoan



Đặng Trần Chiến



2

MỞ ĐẦU
Các công nghệ viễn thông ngày càng phát triển kéo theo nhu cầu sử dụng và các
yêu cầu về chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng ngày càng cao. Do đó việc đo
lường, đánh giá các tham số chất lượng truyền dẫn thông tin là một yêu cầu cấp thiết
với các nhà cung cấp dịch vụ nhằm khẳng định được thương hiệu và cũng để đáp ứng
được yêu cầu của khách hàng ngày một tốt hơn. Để làm chủ được các hệ thống đo
kiểm thì trước hết phải nắm vững được cơ sở lý thuyết về tín hiệu cần đo kiểm, sau đó
là nguyên lý của kỹ thuật đo vì vậy em đã chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kỹ
thuật đo lƣờng và phân tích tín hiệu số” làm luận văn tốt nghiệp cao học. Luận văn
sẽ tập trung vào nghiên cứu bốn kỹ thuật phân tích tín hiệu số được sử dụng phổ biến
là kỹ thuật phân tích dạng xung, kỹ thuật phân tích mắt truyền dẫn, kỹ thuật phân tích
phổ và kỹ thuật phân tích vector tín hiệu điều chế số.Với mỗi phương pháp đo kiểm
cần phải biết là đo được tham số nào, ý nghĩa của các tham số đó, quy trình thực hiện
các phép đo để sao cho kết quả đo là chính xác và đáng tín cậy nhất.
Nội dung luận văn “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đo lƣờng và phân tích tín
hiệu số” bao gồm:
- Chƣơng 1: Các cơ sở lý thuyết về phân tích tín hiệu số. Nội dung của chương
trình bày cơ sở lý thuyết về phân tích tín hiệu số. Luận văn tập trung vào bốn phương
pháp phân tích tín hiệu số được dùng phổ biến hiện nay là phân tích tín dạng xung,
phân tích mẫu mắt tín hiệu, phân tích phổ và phân tích vector tín hiệu điều chế số. Mỗi
kỹ thuật phân tích đều tóm tắt cơ sở lý thuyết về dạng tín hiệu được phân tích, về
nguyên lý của kỹ thuật phân tích và các tham số thu được khi thực hiện phép đo.
- Chƣơng 2: Các quy trình đo lường. Nội dung của chương trình bày về quy trình
thực hiện các kỹ thuật đo kiểm. Với mỗi kỹ thuât đo sẽ giới thiệu một vài thiết bị đo
kiểm phổ biến hiện tại, giới thiệu quy trình thực hiện phép đo và các tham số cần thiết
lập cho phép đo.
- Chƣơng 3: Giới thiệu phần mềm mô phỏng và phân tích ví dụ kết quả đo.
Chương bốn giới thiệu về phần mềm mô phỏng thiết kế các tuyến truyền dẫn và phân
tích một số kết quả đo của từng kỹ thuật đo kiểm.

- Đánh giá và kết luận: Tổng kết các ưu điểm, nhược điểm về các kỹ thuật phân
tích tín hiệu số và một số đề xuất của cá nhân em sau khi hoàn thành luận văn.

3




CHƢƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU SỐ
1.1. Phân tích dạng xung cơ bản
1.1.1. Cơ bản về xung băng tần cơ sở
Trong tự nhiên, các tín hiệu âm thanh đều là các tín hiệu tương tự. Giọng nói con
người, các âm thanh là các tín hiệu tương tự do vậy các dịch vụ viễn thông hiện nay
chủ yếu là nhằm truyền tải các tín hiệu tương tự. Vì các đặc tính về suy hao, xuyên
nhiễu, môi trường truyền, băng thông truyền mà tín hiệu tương tự không thể truyền đi
xa được. Do đó các kỹ thuật số hóa tín hiệu tương tự ra đời nhằm đáp ứng được các
yêu cầu về truyền tải thông tin. Qúa trình biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự để
truyền đi xa gồm các bước cơ bản: lấy mẫu, lượng tử hóa, mã hóa/giải mã và điều
chế/giải điều chế.

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn tín hiệu số
a, Nguyên lý lấy mẫu
Tín hiệu tương tự liên tục theo thời gian nhưng trong quá trình xử lý tín hiệu, để xử
lý được tín hiệu liên tục cần bộ nhớ rất lớn và tốc độ xử lý cao vì vậy thông thường ta
xử lý trên tín hiệu số. Do đó cần phải thực hiện chuyển đổi tín hiệu liên tục thành tín
hiệu rời rạc để xử lý. Quá trình này gọi là lấy mẫu tín hiệu (sampling), đó là thay tín
hiệu liên tục bằng biên độ của nó ở những thời điểm cách đều nhau, gọi là chu kỳ lấy
Tín hiệu
tương tự

A/D
Mã hóa
Mã hóa
kênh
Điều
chế
Môi trường
truyền tín hiệu
Khuếch đại
công suất
Khuếch đại
công suất
Giải điều
chế
Giải mã
kênh
Giải mã
Thuê
bao số
D/A
Thuê bao
tương tự

4




mẫu. Các giá trị này sẽ được chuyển thành số nhị phân để có thể xử lý được. Vấn đề ở
đây là phải lấy mẫu như thế nào để có thể khôi phục lại tín hiệu gốc. Tín hiệu lấy mẫu

của tín hiệu gốc s(t) biểu diễn là s(nT) với T là chu kỳ lấy mẫu [1].
s(nT) = s(t).u(t)
(1-1)
trong đó u(t) là chuỗi xung Dirac, chính là lúc lấy mẫu của tín hiệu tương tự. Tần
số của chuỗi xung Dirac chính là tần số lấy mẫu tín hiệu.

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

f
s
= 16f
f
s
= 8f

f
s
= 4f
f
s
= 2f
Hình 1.2: Lấy mẫu tín hiệu với các tần số khác nhau
Như vậy, ta thấy rằng nếu tần số lấy mẫu càng cao thì dạng của tín hiệu càng có
khả năng khôi phục giống như tín hiệu gốc. Tuy nhiên, nếu tần số càng cao thì
cần phải dùng dung lượng lớn hơn để lưu trữ và đồng thời tốc độ xử lý sẽ chậm lại
do cần xử lý số lượng dữ liệu lớn. Từ đó, ta cần xác định tần số lấy mẫu sao cho có
thể khôi phục lại gần đúng dạng tín hiệu với yêu cầu tốc độ xử lý giới hạn trong mức
cho phép.
Định lý lấy mẫu xác định điều kiện để một tập mẫu có thể cho phép khôi phục

lại chính xác tín hiệu trước khi lấy mẫu. Như khảo sát ở trên (hình 1.2), phổ của
tín hiệu lấy mẫu là phổ vạch của tín hiệu có chu kỳ trên miền tần số. Để khôi phục
lại dạng của tín hiệu, ta chỉ cần giới hạn phổ tần của tín hiệu. Quá trình này có thể
thực hiện bằng một mạch lọc thông thấp với hàm truyền.
b, Lƣợng tử hoá

5




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

Hình 1.3: Các mức lượng tử hóa đồng nhất
Quá trình lượng tử có thể thực hiện bằng cách định nghĩa giá trị trung tâm của hàm
lượng tử. Ví dụ như trong hình trên, các giá trị trong khoảng từ (n – ½)q đến (n + ½)q
sẽ được làm tròn là n. Phương pháp này sẽ cực tiểu hóa công suất của tín hiệu lỗi.
Một phương pháp khác có thể sử dụng là dùng hàm cắt, nghĩa là các giá trị trong
khoảng [nq,(n+1)q] sẽ làm tròn thành n.

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

6

Hình 1.5: Lỗi lượng tử hóa
Như vậy, quá trình lượng tử hóa sẽ làm méo dạng tín hiệu và xem như tồn tại một
tín hiệu nhiễu. Sự méo dạng này gọi là méo lượng tử hay còn gọi là nhiễu lượng tử.
s(n) = sq(n) + e(n)
(1-2)
Biên độ của tín hiệu nhiễu lượng tử sẽ nằm trong khoảng (-q/2,q/2). Do sai số
lượng tử không biết trước nên việc mô tả sai số lượng tử mang tính thống kê. Tổng
quát, ta có thể xem e(n) là chuỗi các biến ngẫu nhiên trong đó:
+ Thống kê của e(n) không thay đổi theo thời gian (nhiễu lượng tử hóa là quá
trình ngẫu nhiên dừng).
+ Nhiễu lượng tử e(n) là chuỗi các biến ngẫu nhiên không tương quan.
+ Nhiễu lượng tử e(n) không tương quan với tín hiệu ngõ vào s(n).
+ Hàm mật độ xác suất của e(n) phân bố đều trên tầm các giá trị của sai số lượng
tử.
Như vậy, nhiễu lượng tử được phân bố đều trên khoảng (-q/2,q/2) và có phương
sai (công suất nhiễu lượng tử) là:
12
2
2
q
e



(1-3)
Tín hiệu được lấy mẫu và lượng tử hóa bao gồm một tập hợp các số và được lưu
trữ ở dạng nhị phân. Đối với số nhị phân N bit sẽ có tối đa 2
N
giá trị khác nhau ứng
với 2

N
mức lượng tử khác nhau. Như vậy, phạm vi lượng tử sẽ bị giới hạn trong
khoảng từ q đến 2
N
q, bất kỳ biên độ tín hiệu nào vượt quá giá trị này thì sẽ bị cắt bỏ.
Giả sử tín hiệu mã hóa có biên độ trong khoảng [-A
m
,A
m
]
2
.2
q
A
N
m


(1-4)
c, Các loại mã đƣờng truyền
Dưới đây giới thiệu một số dạng mã thông dụng và được sử dụng cho các mục
đích khác nhau tùy vào các yêu cầu cụ thể về các tính chất của đường truyền [3]:
- Nonreturn - to - zero - Level (NRZ - L)
0 = mức cao
1 = mức thấp

7

Đây là dạng mã đơn giản nhất, hai giá trị điện thế cùng dấu (đơn cực) biểu diễn hai
trạng thái logic. Loại mã này thường được dùng trong việc ghi dữ liệu lên băng từ, đĩa
từ
- Nonreturn - to - zero inverted (NRZI)
0 = chuyển mức điện thế ở đầu bit
1 = không chuyển mức điện thế ở đầu bit
NRZI là một thí dụ của mã vi phân: sự mã hóa tùy vào sự thay đổi trạng thái của
các bit liên tiếp chứ không tùy thuộc vào bản thân bit đó. Loại mã này có ưu điểm là
khi giải mã máy thu chỉ cần dò sự thay đổi trạng thái của tín hiệu thì có thể phục hồi
dữ liệu thay vì phải so sánh tín hiệu với một trị ngưỡng để xác định trạng thái logic
của tín hiệu đó. Kết quả là các loại mã vi phân cho độ tin cậy cao hơn.
- Bipolar - AMI
0 = không tín hiệu (hiệu thế = 0)
1 = hiệu thế âm hoặc dương, luân phiên thay đổi với chuỗi bit 1 liên tiếp
- Pseudoternary
0 = hiệu thế âm hoặc dương, luân phiên thay đổi với chuỗi bit 0 liên tiếp
1 = không tín hiệu (hiệu thế = 0)
Hai loại mã có cùng tính chất là sử dụng nhiều mức điện thế để tạo mã
(Multilevel Binary), cụ thể là 3 mức: âm, dương và không. Lợi điểm của loại mã này
là:
+ Dễ tạo đồng bộ ở máy thu do có sự thay đổi trạng thái của tín hiệu điện mặc dù
các trạng thái logic không đổi (tuy nhiên điều này chỉ thực hiện đối với một loại bit,
còn loại bit thứ hai sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật ngẫu nhiên hóa)
+ Có điều kiện tốt để dò sai do sự thay đổi mức điện thế của các bit liên tiếp
giống nhau nên khi có nhiễu xâm nhập sẽ tạo ra một sự vi phạm mà máy thu có thể
phát hiện dễ dàng.
+ Một khuyết điểm của loại mã này là hiệu suất truyền tin kém do phải sử dụng
3 mức điện thế.
- Manchester

“0” = Chuyển từ cao xuống thấp ở giữa bit
“1” = Chuyển từ thấp lên cao ở giữa bit
- Differential Manchester
Luôn có chuyển mức ở giữa bit
“0” = chuyển mức ở đầu bit
“1” = không chuyển mức ở đầu bit
Hai mã Manchester và Differential Manchester có cùng tính chất: mỗi bit được đặc
trưng bởi hai pha điện thế (Biphase) nên luôn có sự thay đổi mức điện thế ở từng bit

8




do đó tạo điều kiện cho máy thu phục hồi xung đồng hồ để tạo đồng bộ. Do có khả
năng tự thực hiện đồng bộ nên loại mã này có tên Self Clocking Codes. Mỗi bit được
mã bởi 2 pha điện thế nên vận tốc điều chế (Modulation rate) của loại mã này tăng gấp
đôi so với các loại mã khác, cụ thể, giả sử thời gian của 1 bit là T thì vận tốc điều chế
tối đa (ứng với chuỗi xung 1 hoặc 0 liên tiếp) là 2/T.
Để khắc phục khuyết điểm của loại mã AMI là cho một mức điện thế không đổi
khi có một chuỗi nhiều bit 0 liên tiếp, người ta dùng kỹ thuật ngẫu nhiên hóa. Nguyên
tắc của kỹ thuật này là tạo ra một sự thay đổi điện thế bằng cách thay thế một chuỗi bit
“0” bởi một chuỗi tín hiệu có mức điện thế thay đổi, dĩ nhiên sự thay thế này sẽ đưa
đến các vi phạm luật biến đổi của bit 1, nhưng chính nhờ các bit vi phạm này mà máy
thu nhận ra để có biện pháp giải mã thích hợp. Dưới đây giới thiệu hai dạng mã đã
được ngẫu nhiên hóa và được dùng rất nhiều trong các hệ thông tin với khoảng cách
rất xa và vận tốc bit khá lớn.
- B8ZS
Là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi 8 bit 0 liên tục được thay bởi một chuỗi 8 bit
có cả bit 0 và 1 với 2 mã vi phạm luật đảo bit 1.

+ Nếu trước chuỗi 8 bit 0 là xung dương, các bit 0 này được thay thế bởi 000 + - 0
- +
+ Nếu trước chuỗi 8 bit 0 là xung âm, các bit 0 này được thay thế bởi 000 - + 0 + -
Nhận xét bảng mã thay thế ta thấy có sự vi phạm luật đảo bit ở 2 vị trí thứ 4 và thứ
7 của chuỗi 8 bit.
- HDB3
Là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi 4 bit 0 liên tục được thay bởi một chuỗi 4 bit
có cả bit 0 và 1 với 1 mã vi phạm luật đảo bit 1
Sự thay thế chuỗi 4 bít của mã HDB3 còn theo qui tắc sau:

Cực tính của xung trước đó
Số bít 1 từ lần thay thế cuối
cùng

Lẻ
chẵn

-

+

000- +00+
000+ -00-

Sự vi phạm luật đảo bit xảy ra ở bit thứ 4 trong chuỗi 4 bit.
Ngoài ra hệ thống Telco còn có hai loại mã là B6ZS và B3ZS dựa theo qui luật
sau:
- B6ZS

9

Thay chuỗi 6 bit 0 bởi 0 - + 0 + - hay 0 + - 0 - + sao cho sự vi phạm xảy ra ở bit
thứ 2 và thứ 5.
- B3ZS
Thay chuỗi 3 bit 0 bởi một trong các chuỗi: 00 +, 00 -, - 0 - hay + 0 +, tùy theo cực
tính và số bit 1 trước đó (tương tự như HDB3).

Hình 1.6: Giản đồ các loại mã đường truyền
1.1.2. Các tham số băng tần cơ sở
Khi cần phân tích một tín hiệu băng tần cơ sở, người phân tích cần quan tâm tới
các tham số sau:
- Dạng của xung
Là hình dạng của tín hiệu được tạo ra nhằm truyền tải các dữ liệu có mức logic “1”
và “0”. Mỗi loại mã đường truyền sẽ có một dạng tín hiệu đặc trưng, có các yêu cầu
tham số kỹ thụật đặc trưng riêng.
- Phổ của tín hiệu băng tần cơ sở

10




Phổ của tín hiệu băng tần cơ sở là phổ mật độ công suất. Dạng của phổ tín hiệu
băng cơ sở thường có dạng là đường liên tục do tín hiệu băng tần cơ sở là tín hiệu rời
rạc [3].
- Điện áp đỉnh của tín hiệu
Là điện áp cực đại của xung tín hiệu được phát ra và được thu lại tại điểm thu. Giá

trị điện áp đỉnh với mỗi loại xung được khuyến nghị trong tiêu chuẩm G.703 của ITU-
T [4].
- Sườn lên của xung
Là khoảng thời gian để tín hiệu chuyển từ dữ liệu có mức logic “0” tới mức lôgic
“1”. Thông thường các mức tín hiệu “1” và “0” được quy định theo điện áp. Khi điện
áp cao hơn giá trị điện áp mức cao thì xung dó được hiểu là tín hiệu mức logic “1” và
ngược lại khi điện áp tín hiệu thấp hơn giá trị ngưỡng mức thấp thì đó là tín hiệu logic
“0”.
- Sườn xuống của xung
Là khoảng thời gian để tín hiệu chuyển từ mức điện áp cao ứng với dữ liệu có
mức logic “1” xuống mức mức điện áp thấp ứng với tín hiệu mức logic “0”.
- Rung pha tín hiệu số
Là những biến đổi trong khoảng thời gian ngắn của tín hiệu số so với thời gian
chuẩn của một xung. Những biến đổi trong khoảng thời gian ngắn là những biến đổi
có tần số lớn hơn hoặc bằng 10 Hz (theo TCN68-171, [2]).
- Trôi pha tín hiệu số
Là những biến đổi trong khoảng thời gian dài, mang tính chất tích lũy của tín hiệu
số so với tín hiệu chuẩn. Những biến đổi trong khoảng thời gian dài đó là những biến
đổi có tần số nhỏ hơn 10Hz [2].
- Lỗi bit
Là hiện tượng phía đầu thu thu được bit khác với bit tín hiệu được phát đi từ đầu
phát. Các nguyên nhân gây lỗi bit có thể là do suy hao tín hiệu khi truyền dẫn, làm cho
công suất tín hiệu không đủ qua ngưỡng của bộ quyết định, hoặc do các bộ điều chế
và giải điều chế chạy sai làm cho tín hiệu thu và tín hiệu phát không mang cùng một
thông tin [8].
- Giao diện vật lý
Là giao diện kết nối giữa các thiết bị, giữa các card, modul nhằm truyền tín hiệu từ
trạm phát tới trạm thu. Giao diện vật lý có thể là các giao diện: giao diện không cân
bằng BNC 75 Ohm, giao diện cân bằng 120 Ohm, giao diện quang, ….

11





Hình 1.7: Phổ công suất của một số loại mã đường

12




1.1.3. Phân tích dạng xung tín hiệu
a, Định nghĩa
Trong truyền thông, tín hiệu phải đi qua nhiều phần tử truyền dẫn, qua nhiều môi
trường. Một tiêu chuẩn được đưa ra để đảm bảo tính tin cậy của thông tin nhận được
đó là hình dạng của xung tín hiệu thu được phải đảm bảo nằm trong một khoảng giới
hạn xác định. Mặt nạ xung là tiêu chuẩn xác định khoảng dung sai về định thời
(timing) và biên độ của xung thu được sau quá trình truyền dẫn. Mặt nạ xung cho biết
các giới hạn tham số vật lý như sườn xung, độ rộng xung, biên độ, điểm quá hạn
(overshoot), điểm dưới ngưỡng (undershoot) của một xung tín hiệu. Hình 1.7 thể hiện
mặt nạ xung của tín hiệu tốc độ 2048kbps với các ngưỡng được khuyến nghị trong tiêu
chuẩn G.703 của ITU-T [4].

Hình 1.8: Mặt nạ xung chuẩn tốc độ 2048kbit/s
Phần không gian nằm giữa hai đường biên trong và ngoài là phần giới hạn tin cậy
của tín hiệu tại phía đầu thu. Khi tín hiệu thu được có dạng xung nằm trọn trong
khoảng giới hạn của hai biên thì tín hiệu đó mới đảm bảo cho các bộ quyết định biết
được bit đó là “0” hay “1”. Mặt khác, dạng xung còn là căn cứ để đánh giá chất lượng

của một mạng truyền dẫn. Căn cứ vào việc đối chiếu các tham số khi phân tích dạng
xung với mặt nạ xung tiêu chuẩn người ta có thể đánh giá đạt/không đạt (pass/fail) cho
một mạng truyền dẫn. Mỗi tốc độ bit, mỗi loại mã đường truyền sẽ có một dạng xung

13




đặc trưng riêng. Do đó, khi đánh giá chất lượng của mạng truyền dẫn cần phải chọn
mặt nạ xung tiêu chuẩn phù hợp [3].
b, Nguyên lý đo dạng xung tín hiệu
Nguyên lý đo dạng xung dựa trên nguyên lý của dao động ký. Khi tín hiệu đi qua
bộ phân tích, nhiều chu kỳ tín hiệu sẽ được chập lại để cho ra một dạng sóng đứng của
tín hiệu, đó chính là hình dạng của xung.
Để đo dạng xung của tín hiệu, thông thường ta sử dụng thiết bị hiện sóng
(oscilloscope). Máy hiện sóng tín hiệu về cơ bản là một thiết bị hiển thị đồ thị được sử
dụng để vẽ ra đồ thị của một tín hiệu. Trong hầu hết các ứng dụng, đồ thị chỉ ra tín
hiệu thay đối thế nào theo thời gian: trục dọc (Y) biểu diễn điện áp và trục ngang (X)
biểu diễn thời gian. Cường độ hay độ sáng của sự hiển thị đôi khi được gọi là trục (Z).
Cấu tạo của một oscilloscope giống như một màn hình ti vi. Một oscilloscope cũng
gồm một đèn điện tử (Cathode Ray Tube), mặc dù kích thước và hình dạng khác nhau
nhưng nguyên lí hoạt động thì giống nhau. Bên trong ống là chân không. Chùm điện
tử được phát ra từ cathode được làm nóng ở phía sau ống chân không được gia tốc và
làm cho hội tụ bởi một hay nhiều anodes đập vào phía trước ống làm một điểm trên
màn hình phủ photpho của ống phát sáng.
Chùm điện tử được bẻ cong, được làm lệch nhờ điện áp đặt vào các bản cực cố
đình trong ống chân không. Các bản cực lái theo chiều ngang hay các bản cực X tạo ra
chuyển động của chùm điện tử theo phương ngang. Như sơ mô tả trong sơ đồ chức
năng, chúng được liên kết với một khối hệ thống gọi là “chu kì cơ sở”. Khối này tạo ra

một sóng dạng răng cưa nhìn thấy được trên màn hình oscillocope. Trong khi tăng pha
của xung răng cưa, điểm sáng được điều khiển ở cùng tốc độ từ trái tới phải ra phía
trước của màn hình. Trong suốt quá trình giảm pha, chùm điện tử quay lại nhanh
chóng từ trái qua phải và điểm trên màn hình được để trắng để không hiển thị lên màn
hình. Theo cách này, “chu kì cơ sở” tạo ra trục X của đồ thị tín hiệu trên màn hình của
oscilloscope.
Độ dốc của sự sai pha thay đổi theo tần số của xung răng cưa và được điều
chỉnh sử dụng núm điêu khiển TIME/DIV để thay đổi thang đo của trục X. Việc màn
hình chia thành các ô vuông cho phép thang đo trục ngang có thể được biểu diễn theo
giây, mili giây hay micro giây trên môt phép chia (đơn vị chia).

14





Hình 1.9: Sơ đồ cấu tạo máy hiện dao động (osilloscope)
Tín hiệu được hiển thị được kết nối với đầu vào. Chuyển mạch DC/AC thường
được giữ ở vị trí DC để có sự kết nối trực tiếp với bộ khuếch đại Y.
Ở vị trí AC chuyển mạch mở một tụ điện được đặt ở đường dẫn tín hiệu ngăn cản
tín hiệu một chiều qua nó nhưng lại cho phép tín hiệu xoay chiều đi qua.
Bộ khuếch đại Y được nối vào các bản cực Y để mà tạo ra trục Y trên đồ thị của
tín hiệu hiển thị trên màn hình của oscilloscope. Bộ khuếch đại Y có thể được điều
chỉnh thông qua núm điều chỉnh VOLTS/DIV để kết quả hiển thị hoặc quá bé hoặc
quá lớn làm cho phù hợp với màn hình và có thể được nhìn thấy rõ ràng. Thang đo
thường sử dụng là V/DIV hay là mV/DIV.
Mạch kích được sử đụng để làm trễ tín hiệu “chu kì cơ sở” để đồng bộ phần của tín
hiệu ra hiển thị trên màn hình mỗi lần vết chuyển động qua. Hiệu ứng này cho ta hình
ảnh ổn định trên màn hình làm cho nó dễ dàng được đo và giải thích tín hiệu.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị hiện sóng tương tự và thiết bị hiện
sóng số về cơ bản là giống nhau. Nguyên lý hiện sóng là giống nhau. Osilloscope số
khác osilloscope tương tự là nó có thêm bộ xử lý tín hiệu số nên quá trình xử lý tín
hiệu có phần phức tạp hơn.
- Sơ đồ khối chức năng của một thiết bị hiện sóng số như sau:

15





Hình 1.10: Sơ đồ khối chức năng máy hiện sóng tín hiệu số
- Quá trình xử lý tín hiệu trong thiết bị hiện sóng như sau:
Khi nối đầu dò của máy oscilloscope số vào mạch điện; hệ thống dọc sẽ điều chỉnh
biên độ của tín hiệu.
Tiếp tới, bộ chuyển đổi tương tự/số trong hệ thống thu thập lấy mẫu tín hiệu ở các
thời điểm rời rạc và chuyển đổi điện áp tín hiệu ở các điểm này thành giá trị số, gọi là
các điểm lấy mẫu. Xung lấy mẫu của hệ thống ngang quy định bộ ADC lấy mẫu bao
nhiên lần. Tốc độ mà ở đó xung “ticks” được gọi là tốc độ lấy mẫu và đươc đo bằng
số mẫu trên giây.
Các điểm mẫu từ ADC được lưu trữ trong bộ nhớ như là các điểm dạng sóng. Có
nhiều hơn một điểm mẫu có thể cấu thành nên một điểm dạng sóng.
Các điểm dạng sóng cấu thành nên một bản ghi dạng sóng. Số điểm sóng được
dùng để tạo nên một bản ghi dạng sóng được gọi là độ dài bản ghi. Hệ thống kích khởi
quy định điểm bắt đầu và điểm kết thúc bản ghi. Màn hình nhận các điểm bản ghi này
sau khi chúng được lưu trữ trong bộ nhớ.
Tùy thuộc vào khả năng của máy oscilloscope, việc xử lý thêm các điểm mẫu có
thể được tiến hành để làm nâng cao chất lượng hiển thị. Bộ tiền kích khởi có thể hữu
ích cho phép xem các sự kiện trước điểm kích.

c, Các kết quả khi phân tích dạng xung
Phép phân tích dạng xung thông thường sẽ hiển thị cho biết các tham số như sau:
- Đánh giá chất lượng xung tín hiệu

16




Khi thực hiện đo dạng xung của một tín hiệu tức là mang so sánh tín hiệu cần đo
kiểm với một tiêu chuẩn nào đó thì kết quả đầu tiên ta quan tâm là tín hiệu đó có đạt
tiêu chuẩn hay không. Nếu xung của tín hiệu nằm trọn giữa hai đường biên giới hạn
của mặt nạ xung thì có nghĩa là xung của tín hiệu cần đo kiểm đạt các giá trị mà tiêu
chuẩn đã khuyến nghị (khuyến nghị G.703 ITU-T). Trong trường hợp còn lại, khi
xung tín hiệu có phần nằm ngoài hai đường giới hạn của mặt nạ xung tiêu chuẩn thì có
nghĩa là xung tín hiệu chất lượng không tốt.
- Hiển thị thời gian sườn lên và sườn xuống của xung tín hiệu
Cho biết thời gian kéo dài của sườn lên và sườn dưới của xung tín hiệu. Theo lý
thuyết thì mỗi bit thông tin được biểu diễn bằng một xung tín hiệu, đó là các xung
vuông. Tuy nhiên, vì môi trường truyền dẫn là không lý tưởng, cùng với các yếu tố
gây nhiễu khác mà xung tín hiệu không còn là xung vuông mà có dạng xung như sau:

Hình 1.11: Dạng xung tín hiệu tại đầu thu
Khi xung tín hiệu thay đổi trạng thái ứng với các mức logic “1” và “0” thì gọi là
sườn xung. Phép phân tích dạng xung sẽ tham chiếu dạng xung tín hiệu cần đo kiểm
với xung tiêu chuẩn tương ứng. Nếu sườn của xung tín hiệu vẫn nằm trọn trong hai
đường giới hạn tiêu chuẩn thì có thể kết luận xung đó đạt tiêu chuẩn.
- Biên độ đỉnh của xung
Là điện áp cao nhất ứng với trạng thái logic “1” của tín hiệu. Mỗi loại mã đường
truyền khác nhau thì có mức điện áp danh định khác nhau.

17




- Độ rộng xung tín hiệu
Cho biết độ rộng của xung tín hiệu tại điểm có điện áp bằng ½ điện áp đỉnh danh
định
- Phần trăm diện tích xung vượt ngưỡng định mức
Cho biết tỉ lệ phần trăm diện tích xung có biên độ vượt ra khỏi ngưỡng danh định
của từng loại xung. Bao gồm phần trăm diện tích nằm cao hơn ngưỡng (overshoot) và
phần trăm xung nằm thấp hơn ngưỡng (undershoot). Khái niệm “overshoot” là chỉ
phần diện tích xung nằm ngoài giá trị danh định, undershoot là phần diện tích chưa
chạm tới ngưỡng danh định. Giả sử với xung tín hiệu HDB3 có biên độ trên danh định
là 2.73V thì phần diện tích cao hơn 2.73V là “overshoot”.
1.1.4. Phân tích mẫu mắt
a, Định nghĩa mẫu mắt
Tín hiệu băng gốc khôi phục lại ở đầu thu nếu được đưa vào một máy hiện sóng có
tốc độ quét ngang đúng bằng tốc độ symbol thì các xung băng gốc sẽ đứng lại trên
màn hình, chồng lên nhau và có dạng của một mắt người nên gọi là mẫu mắt (eye
pattern).
Ở đầu ra phần băng gốc của hệ thống (sau lọc thu băng gốc, trước lấy mẫu quyết
định bít truyền là “1” hay “0”), các hệ thống luôn có một điểm đo, từ đó dẫn tín hiệu
vào một oscilloscope. Nếu tần số quét của oscilloscope bằng với tốc độ bít (hay
symbol nếu là tín hiệu nhiều mức) của tín hiệu thì trên màn hiển thị của oscilloscope,
các tín hiệu sẽ đứng "dừng" lại, trùng lên nhau. Nếu xem tín hiệu mức dương là mí
mắt bên trên, tín hiệu mức âm là mí mắt bên dưới, ta sẽ được một ảnh như một mắt
người mở. Mẫu mắt với vô số tín hiệu đi vào oscilloscope thì chồng lên nhau và cho
phép chúng ta nói về mức độ méo của tín hiệu và độ dự trữ tạp âm.

Gọi giá trị đỉnh dương của tín hiệu không méo lý tưởng là 1 còn giá trị đỉnh âm
của tín hiệu không méo lý tưởng là -1 thì độ mở mẫu mắt (eye opening) lý tưởng sẽ là
(2/2)x100% = 100%, trong trường hợp thực tế thì độ mở mẫu mắt sẽ là khoảng trắng
lớn nhất giữa các đường cong tín hiệu âm và dương, chia 2 và tính theo phần trăm.
Mẫu mắt càng mở (số % càng lớn) thì chất lượng tín hiệu càng tốt. Ngược với “mắt
mở” được gọi là “mắt đóng”.
Mẫu mắt được gọi là còn mở nếu độ “mở mắt” (eye opening) còn lớn hơn 0. Mẫu
mắt được gọi là đóng nếu độ mở của mắt bằng 0, khi đó dự trữ tạp âm bằng 0. Khi
mẫu mắt nhỏ hơn một giá trị ngưỡng dưới (thí dụ: độ mở < 20-30%, tùy theo hệ thống
có mã chống nhiễu hay không, tín hiệu nhị phân hay nhiều mức ) thì hệ thống sẽ mất
dịch vụ. Mẫu mắt được xem là bình thường, chấp nhận được nếu độ mở > 50%, trong
thực tế thì còn yêu cầu lớn hơn nữa, thí dụ độ mở > 75-80% [5].
b, Nguyên lý phân tích mẫu mắt

18




Nguyên lý phân tích mẫu mắt xung tín hiệu được dựa trên cơ sở của nguyên lý
máy hiện sóng. Trong máy dao động ký, có một bộ
c, Kết quả phân tích mẫu mắt
Thông thường, khi phân tích một kết quả của đo mẫu mắt sẽ cho biết về các tham
số sau [5, 6]:
 Biên độ mẫu mắt
 Biên độ mở của mắt
 Phần trăm mở của mẫu mắt
 Chiều cao đỉnh mẫu mắt
 Tỉ số lỗi bít BER (Bit Error Ratio)
 Chỉ số chất lượng Q của tín hiệu

 Rung pha của tín hiệu (Jitter)
 Độ mở ngang của mắt tín hiệu
Kết quả của hiển thị của thiết bị phân tích mẫu mắt tín hiệu hiển thị như hình
vẽ:

Hình 1.12: Kết quả của phép phân tích mẫu mắt tín hiệu
Theo kết quả hiển thị của thiết bị đo phân tích mẫu mắt tín hiệu ta có thể phân tích
được các tham số về tín hiệu như sau:
- Độ rộng mắt