đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vo tuyến sử dụng phần mềm matlab

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔỈ CHỦ NGHĨA VIỆT NA
M
TR ƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
Độc lập - Tự do - Hạnh phú c
NHIỆM VỤ ĐÒ ÁN TÓT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Lê Nhân Toàn

Mã số sinh viên: 0851080311

Ngành:

Khoá: 49

Điện tử - Viễn thông

2. Các sổ liệu và dữ liệu ban

đầu:

3. Nội dung các phần thuyết minh và tỉnh

toán:

4. Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước

bản vẽ):

ThS. Phạm Mạnh Toàn
Họ tên giảng viên hướng
dẫn:

...../ /20
...../ /20
Ngày....tháng......năm 2013

TRƯỞNG Bộ MÔN

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày...tháng......năm 2013


BỌ GIA o DỤC VA ĐAO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BẢN NHẬN XÉT ĐÓ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Lê Nhân Toàn

Mã số sinh viên: 0851080311

Ngành:

Khoá: 49

Điện tử - Viễn thông

Giảng viên hướng dẫn:

ThS. Phạm Mạnh Toàn

2. Nhận xét của cản hộ phản hiện:

Trang
LỜI NÓI ĐÂU....................................................................................................i
TÓM TẤT ĐÔ ÁN.............................................................................................ii
DA NH MỤC HÌNH VẼ..................................................................................iii
CẢc THUẶT NGỮ VIẾT TẮT........................................................................V
CHƯƠNG I. TÔNG QUAN VÊ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYÊN...1
1.1. Giới thiệu chương...................................................................................1
1.2. Khái niệm................................................................................................1
1.3. Lịch sử phát triển hệ thống thông tin vô..........................................tuyến

2
1.4. Khái niệm kênh truyền vô tuyến.............................................................3
1.5. Các đặc tính của kênh vô tuyến...............................................................4
1.6. Truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyềndẫnở băng thông........................ố
1.7. Mộ số kỹ thuật xử lý tín hiệu.................................................................6
1.8. Điều chế................................................................................................10
1.8.1. Khái niệm điều chế số................................................................... 10
1.8.2. Tại sao phải dùng điều chế số........................................................ 11
1.8.3. Điều chế tín hiệu nhiều mức nhằm nâng cao hiệu quả phổ........... 11
1.8.4. Lựa chọn tối ưu tập tín hiệu........................................................... 13
1.9. Sự phân chia tài nguyên vô tuyến..........................................................14
1.10. Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến.................................................16
1.11. Kết luận chương..................................................................................18

CHƯƠNG II. TR UYÊN DẪN TRÊN KÊNH VÔ TUYẾN SÔ.................... 19
2.1. Giới thiệu chương.................................................................................19
2.2. Lý thuyết về kênh vô tuyến...................................................................19
2.2.1. Truyền dẫn phân tập đa đường...................................................... 19
2.2.2. Kênh không phụ thuộc thời gian................................................... 19
2.2.3. Hiệu ứng Doppler và kênh phụ thuộc thời gian.............................20

2.2.4. Be rộng độ ống định về thời gian của kênh...................................22
2.2.5. Các mô hình kênh cơ bản...............................................................22


2.3.1. Tạp âm cộng trắng chuẩn...............................................................22
2.3.2. Nhiễu xuyên kênh...........................................................................23
2.3.3. Nhiễu đồng kênh............................................................................23
2.3.4. Nhiễu đa truy nhập.........................................................................24
2.4. Méo tuyến tính......................................................................................25
2.4.1. Khái niệm.......................................................................................25
2.4.2. Các biện pháp khắc phục................................................................26
2.5. Méo phi tuyến.......................................................................................28
2.5.1. Khái niệm.......................................................................................28
2.5.2. Các biện pháp khắc phục................................................................29
2.6. Fading....................................................................................................31
2.6.1. Khái niệm.......................................................................................31
2.6.2. Phân loại fading..............................................................................31
2.6.3. Mô hình toán học của fading..........................................................32
2.6.4. Sự ảnh hưởng của chuyên động MS...............................................33
2.6.5. Hậu quả của truyền sóng fading đa đường.....................................35
2.6.6. Các loại kênh fading.......................................................................37
2.6.7. Các biện pháp khắc phục ảnh hưởng của íading............................40
2.7. Hiện tượng xuyên nhiễu giữa các kí hiệu (ISI: Inter Synbol

Interference)44
2.7.1. Khái niệm.......................................................................................44
2.7.2. Ảnh hưởng......................................................................................44
2.7.3. Điều kiện truyền không có ISI.......................................................44
2.7.4. Giảm nhiễu ISI sử dụng phương pháp lọc.....................................45
2.8. Ket luận chương....................................................................................52

CHƯƠNG III. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT L ƯỢNG HỆ THÔNG
THÔNG TIN VÔ TUYẾN BẰNG PHẢN MÈM MA TLAB................53
3.1. Giới thiệu chương.................................................................................53
3.2. Sơ lược phần mềm Matlab....................................................................53
3.3. Vai trò của mô phỏng............................................................................54
3.4. Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến bằng mô phỏng......55
3.5. Kênh truyền AWGN..............................................................................56


3.5.1. BPSK qua kênh truyền AWGN......................................................57
3.5.2. QPSK qua kênh AWGN.................................................................60
3.6. Kênh Fading..........................................................................................65
3.6.1. M-PSK qua kênh fading Rayleigh..................................................66
3.6.2. ỌAM qua kênh fading Rayleigh.....................................................71
3.6.3. Mô phỏng so sánh giữa AWGN với Fading Rayleigh của các kỳ

thuật điều chế.............................................................................................74
3.7. Kết luận chương....................................................................................78

KÉT LUẬN.......................................................................................................79
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................80
PHÂN PHỤ LỤC............................................................................................81


LỜI NÓI ĐẦU
So với các lĩnh vực truyền thông khác, thông tin vô tuyến có sự tăng
trưởng
nhanh chóng trong những năm gần đây. Kênh truyền vô tuyến chịu nhiều tác
động phức tạp như: AWGN, fading, hiện tượng Doppler, ISI, méo. Nên việc

phân tích, tính toán, đánh giá chất lượng hệ thống trở nên khó khăn hơn so với
kênh truyền hữu tuyến. Đe tài “Đánh giá chất lượng hệ thong thông tin vô
tuyến sử dụng phần mềm Matlab” là phương tiện biếu đạt mới, sử dụng mô
phỏng thay thế hệ thống thực, cho phép người học có cái nhìn trực quan sâu
sắc
hơn về những vấn đề kỳ thuật phức tạp. Nội dung đồ án được chia thành 3
chương:

Sinh viên
Lê Nhân Toàn

1


TÓM TẮT ĐỎ ÁN
Đồ án tìm hiếu, lich sử phát triển, cấu trúc, đặc tính kênh truyền của hệ
thống thông tin vô tuyến. Phân tích các tác động của kênh truyền vô tuyến đối
với chất lượng hệ thống. Đe đơn giản quá trình tính toán thiết kế hệ thống. Các
giả định lý tưởng được đặt ra: Băng tần truyền dẫn là vô hạn, kênh truyền là
tuyến tính và chiêu tác động của tạp âm cộng trắng chuấn và các tác động phức
tạp khác như fading, ISI, hiệu ứng Doppler, méo tín hiệu được phân tích xem
xét, từ đó bổ xung các thiết bị, phương pháp khắc phục ảnh hưởng của các hiện
tượng đó. Đồ án sử dụng phần mềm Matlab mô phỏng và đánh giá chất lượng
hệ
thống trong trường hợp kênh chỉ chiêu tác động của AWGN và kênh chiêu tác
ABSTRẢCT
The project explores the history of development, structure, channel
characteristics of wireless communication System. Analysis of the impact of
radio channels for System quality. To simplify the calculation process of
System

design. ĩdeal assumptions set out: Transmission band is inTinite, channel is
linear
and is affected by parasitic noise plus Standard white and other complex eííects
such as fading, ISI, Doppler effect, distortion is analyzed to consider, from
there

11


DA NH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1

Trang
Sơ đồ khối đơn giản hệ thống thông tin vô tuyến..............................1

Hình 1.2

Sơ đồ khối hệ thống thông tin vô tuyến số.........................................6

Hình 2.1

Hàm truyền đạt của kênh..................................................................21

Hình 2.2

Sự lan truyền của đường 1 tới một trạm MS....................................33

Hình 2.3

Đáp ứng xung của một bộ lọc xung có chiều dài hữu hạn...............36

Hình 2.4

Hàm phân bố Rayleigh với ơ2 = 1...................................................38

Hình 2.5

Hàm phân bố Rice cho các giá trị khác nhau của K với Ap = 1......39

Hình 2.6

Phân tập không gian sử dụng 4 anten...............................................42

Hình 2.7

Phân tập không gian và tần số sử dụng 3 anten...............................43

Hình 2.8

Chuyển mạch bảo vệ bằng kênh dự phòng......................................43

Hình 2.9

Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung đơn vị................46

Hình 2.10 Dạng xung khi qua bộ lọc lý tưởng.................................................47
Hình 2.11 Hàm truyên bộ lọc tông cộng..........................................................48
Hình 3.1

Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn trên kênh AWGN................................57

Hình 3.2

Giao diện bắt đầu vào mô phỏng các kỹ thuật điều chế...................59

Hình 3.3

Giao diện chương trình ‘chuongtrinh’.............................................59

Hình 3.4

Môphỏng BER của điềuchế BPSK qua kênh AWGN......................60

Hình 3.5

Môphỏng BER của điềuchế QPSK qua kênh AWGN......................62

Hình 3.6

Mô phỏng BER của điều chế 4-QAM qua kênh AWGN.................64

Hình 3.7

Mô phỏng BER của điều chế 16-QAM qua kênh AWGN...............65

Hình 3.8

Mô hình truyền sóng đa đường........................................................66

Hình 3.9

Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn MPSK qua kênh íading sử dụng tách
tín hiệu đồng bộ (coherent detection)..............................................66

Hình 3.10 Sơ đồ phân bố tín hiệu (signai constellation) của tín hiệu...............67
Hình 3.11 Môphỏng BER của điềuchế BPSK qua kênh Fading.......................69
Hình 3.12 Môphỏng BER của điềuchế ỌPSK qua kênh Fading......................70
Hình 3.13 Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn MỌAM qua kênh fading sử dụng
tách tín hiệu đồng bộ (coherent detection)......................................71
Hình 3.14 Mô phỏng BER của điều chế 4-QAM qua kênh Fading...................73
iii


Amplitude Shift Keying
Hình 3.15

Điều chế khóa chuyển

Hình 3.17

Môphỏng BER của điều chế 16-QAM qua kênh Fading.............74
CẢc THƯẬT
NGỮ
VIẾT TÃT
Môphỏng BER
của điều chế
BPSK..............................................75

Hình 3.18

Môphỏng BER của điều chế QPSK..............................................76

Hình 3.19

Môphỏng BER của điều chế 4-QAM...........................................76

Hình 3.20

Môphỏng BER của điều chế 16-QAM.........................................77

Hình 3.21 Mô phỏng BER điều chế của các kỹ thuật điều chế qua kênh
AWGN............................................................................................77
Hình 3.22 Mô phỏng BER điều chế của các kỹ thuật điều chế qua kênh
Code Division Multiplexing Access
Đa truy nhập phân chia
Fading.............................................................................................78
Discrete Memoryless Source
Gián
đoạn
không

Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia

Frequence Division Multiplexing

Đa truy nhập phân chia

Inter Symbol Interference

Nhiễu giao thoa giữa

International

Tố chức viễn thông

Telecommunication

V
IV
Orthogonal Frequency Division


Peak to Average Power Ratio

Quadrature

Tần số thấp

Amplitude

Ọuadrature Phase-Shift Keying

Tia trực tiếp

Radio Regulations
Giao diện đa truy nhập
Tần sổ trung bình

Signal

to

Noise

Ratio

Tách sóng hợp lẽ tối ưu

Time Division Multiplexing
Time

Division

Điều chế - Giải điều chế

Multiplexing

Trạm di động
Khóa dịc tối thiếu
Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao
Điều chế biên xung
Tỷ sổ công suất đỉnh trên
công suất trung bình
Điều chế xung mã
Điều chế pha

VI

CHƯƠNG I. TỎNG QUÁN VÈ HỆ THÔNG THÔNG TIN VÔ TUY ÉN
ỈA. Giới thiệu chương
Chương 1 tìm hiếu lịch sử phát triến, cấu trúc hệ thống, đặc tính kênh
truyền và sự phân chia phổ tài nguyên vô tuyến.
1.2. Khái niệm

Thông tin vô tuyến là hệ thống thông tin sử dụng khoảng không gian
tự do làm môi trường truyền dẫn. Phương pháp thông tin là phía phát bức xạ
các tín hiệu thông tin bằng sóng điện từ, phía thu nhận sóng điện từ và tách lấy
tín hiệu gốc.
Mặc dù không gian tự do hàm ý là chân không, nhưng sự truyền sóng
qua khí quyển trái đất vẫn thường được coi là truyền sóng trong không gian
tự do. Sự khác nhau chủ yếu là ở chỗ khí quyển trái đất gây nên các tổn thất đối
với tín hiệu, còn trong chân không thì không có tổn thất. Không thế lý giải đầy

Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống thông tin vô tuyến
Nguồn tin trước hết được mã hóa nguồn để giảm bớt các thông tin dư thừa,
sau đó mã kênh đế chống lại các lỗi do kênh truyền gây ra. Tiếp tục, đế truyền
đi
xa tín hiệu phải được điều chế, các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện
của
kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy
1


Chất lượng tín hiệu thu được phụ thuộc phương pháp mã kênh, điều kiện
kênh truyền và băng thông tín hiệu.
1.3. Lịch sử phát trỉên hệ thông thông tin vô tuyến

về lịch sử của thông tin vô tuyến, vào đầu thế kỷ 19 Marconi thành công
trong việc liên lạc vô tuyến qua Đại Tây dương, Kenelly và Heaviside phát hiện
một yếu tố là tầng điện ly hiện diện ở tầng phía trên của khí quyển có thế dùng
làm vật phản xạ sóng điện từ. Những yếu tố đó đã mở ra một kỷ nguyên thông
tinvô tuyến cao tần đại qui mô. Gần 40 năm sau Marconi, thông tin vô tuyến
cao
tần là phương thức thông tin vô tuyến duy nhất sử dụng phản xạ của tầng đối
lưu,
nhưng nó hầu như không đáp ứng nổi nhu cầu thông tin ngày càng gia tăng [3].
Chiến tranh thế giới lần thứ hai là một bước ngoặt trong thông tin vô
tuyến. Thông tin tầm nhìn thang - lĩnh vục thông tin sử dụng băng tần số cực
cao
(VHF: Very High Frequences) và đã được nghiên cứu liên tục sau chiến tranh
thế
giới - đã trở thành hiện thực nhờ sự phát triên các linh kiện điện tử dùng cho
(HF:
High Frequences) và (UHF: Ultra High Frequences), chủ yếu là để phát triển
ngành rađa. Với sự gia tăng không ngừng của lưu lượng truyền thông, tần số
của
thông tin vô tuyến đã vươn tới các băng tần siêu cao (SHF: Super High
Frequences) và cực kỳ cao (EHF: Extremely High Frequences). Vào những
năm
1960, phương pháp chuyển tiếp qua vệ tinh đã được thực hiện và phương pháp
chuyến tiếp bằng tán xạ qua tầng đối lưu của khí quyến đã xuất hiện. Do
những đặc tính ưu việt của mình, chẳng hạn như dung lượng lớn, phạm vi thu
2


phân bố lại dải tần số sóng ngắn đê sử dụng vào năm 1967, Hội nghị về bô sung

qui
chế tần số vô tuyến cho thông tin vũ trụ vào năm 1971, và Hội nghị về phân bố
lại
tần số vô tuyến của thông tin di động hàng hải cho mục đích kinh doanh vào
năm
1974. Tại Hội nghị của ITU năm 1979, dải tần số vô tuyến phân bố đã được mở
rộng từ 9 kHz đến 400 GHz và đã xem xét lại và bố sung cho Qui chế thông tin
vô
tuyến điện (RR). Để giảm bớt can nhiễu của thông tin vô tuyến, ITU tiếp tục
nghiên
cứu những vấn đề sau đây đế bố sung vào sự sắp xếp chính xác khoảng cách
giữa
các sóng mang trong.
Qui chế thông tin vô tuyến:
- Dùng cách che chắn thích hợp trong khi lựa chọn trạm.
- Cải thiện hướng tính của anten; nhận dạng bằng sóng phân cực chéo.
- Tăng cường độ ghép kênh.
- Chấp nhận sử dụng phương pháp điều chế chống lại can nhiễu...

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin khác
như
thông tin di động, vi ba số, cáp quang, thông tin vệ tinh...v.v, thông tin vô tuyến
vẫn
tiếp tục đóng vai trò quan trọng và được phát triển ngày càng hoàn thiện với
những công nghệ cao đáp úng được nhũng đòi hỏi không những về mặt kết cấu
3


- Kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín
hiệu

phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến.
Do vậy, trước khi thiết kế hệ thống việc nghiên cứu các đặc tính kênh
truyền

là

nhiệm vụ quan trọng. Dựa trên kết quả đó người ta mới lựa chọn các kỹ thuật
mã
hóa kênh, kỹ thuật điều chế tín hiệu cũng như các phương pháp cân bằng kênh,
lọc
nhiễu và các kỹ thuật khác.
1.5. Các đặc tính của kênh vó tuyến
a. Kênh thông tin vô tuyến có độ suy hao rất lớn, thường đạt tới 140

đến
160 dB

Công suất tín hiệu ở lối vào phần thu của kênh thường có giá trị nằm trong
khoảng 10-10 đến 10-14 w trong khi đó lại cần công suất hàng w hoặc lớn hơn
ở
lối ra đế thiết bị cuối làm việc tin cậy. Nghĩa là thiết bị thu của kênh phải có hệ
số
khuếch đại theo công suất ít nhất là 1010 đến 1014 hay 105 đến 107 lần theo
điện
áp. Vấn đề khuếch đại tín hiệu không chỉ khó ở chỗ hệ số khuếch đại phải cao
mà
còn khó ở chỗ mức tín hiệu ở lối vào thiết bị thu so sánh được với tạp âm
thăng giáng. Tạp âm thăng giáng lẫn vào tín hiệu và không thể tách riêng được
[3].

4


c. Độ suy giảm của kênh thông tin vô tuyến biến đối còn do sự thay đối

của
các tham số khỉ quyến quả đất

Sự thay đổi này thấy rõ hơn ở dải sóng ngắn, khi tiến hành thông tin bằng
các
sóng phản xạ từ tầng ion. Trước hết do những thay đôi chậm theo ngày đêm của
mức độ ion hoá các miền khác nhau của tầng khí quyến mà xuất hiện các dao
động
theo ngày đêm của mức tín hiệu. Ngoài ra việc thu các sóng phản xạ từ tầng ion
kèm
theo những íading thường xuyên và khá nhanh của tín hiệu do sự giao thoa của
các
tia đến được điếm thu bằng những con đường khác nhau [3].
d. Kênh thông tin, nếu hạn chế chỉ là môi trường truyền sóng, thì về

mặt vật lỷ là chung cho tất cả các phương tiện thông tin vô tuyến đang tồn
tại,

các

đài phát thanh, dẫn đường vô tuyến....

Khả năng phát đồng thời một số lượng lớn các tin trên vô tuyến dựa trên
cơ

sở

phân tách tín hiệu theo tần số. Tuy nhiên, vì việc sử dụng một cách có tố chức
dải
tần mà cự ly truyền sóng không bị giới hạn như song ngắn, là cực kỳ khó khăn,
trong khi nhu cầu ở một số đoạn tần lại vượt quá dung lượng vật lý của chúng
thì

dễ

dàng rút ra kết luận về khả năng và sự không tránh khỏi của việc gây nhiễu lẫn
nhau
khi phát tin, dẫn tới sự mật mát nào đó của tin tức [3].
5


Tóm lại: Khác với kênh hữu tuyến, kênh vô tuyến được đặc trưng bởi dải
rộng
của những thay đối nhanh và chậm của độ suy hao và bởi sự tác động số lượng
lớn
các nhiễu từ nguồn ngoài.
1.6. Truyền dân ở băng tần cơ sở và truyền dân ở băng thông

Tín hiệu băng cơ sở là tín hiệu mà phố tần của nó với năng lượng tập
trung

ở

vùng tần số thấp quanh gốc tọa độ, coi gần đúng là tín hiệu có tần số từ 0 đến
Fmax nào đó. Ví dụ tín hiệu băng tần thoại tập trung năng lượng trong dải tần

từ
0.3-3.4 Khz.
Tín hiệu băng cơ sở hay băng gốc được tạo ra bởi các nguồn thông tin
khác
nhau, không phù hợp kênh truyền và không thể truyền đi xa được. Đe dễ dàng
truyền đi tín hiệu cần phải trải qua quá trình điều chế. Trong quá trình này tín
hiệu

Tới các đích nhận tin khác

6


Trong sơ đồ khối hình 1.2 thực chất là sơ đồ mô tả lưu đồ xử lý tín hiệu,
các
thuật toán cơ bản xử lý tín hiệu (song không phải trong hệ thống thông tin số
nào
cũng nhất thiết phải thực hiện đầy đủ các thuật toán cơ bản này) bao gồm [3]:
- Định dạng hấu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số (tiếng nói,

hình
ảnh, âm thanh...) là tín hiệu tương tự nên ta cần có khối định dạng đế chuyển
đổi
tín hiệu từ tương tự sang dãy từ mã số. Các từ mã này được biểu diễn bằng các
bit
nhị phân, rồi tùy ứng dụng cụ thê mà biễu diễn các bit hay nhóm bit ở dạng
thức
thích hợp.
- Giải định dạng có nhiệm vụ là chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự.

Việc
số hóa tín hiệu tương tự làm tăng băng thông truyền dẫn của tín hiệu nhưng
cho
phép bộ thu hoạt động ở tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp hơn.
- Mã hoá nguồn và giải mã nguồn tín hiệu, thực hiện nén và giải nén tin

nhằm
giảm tốc độ bít để giảm phố chiếm của tín hiệu số. cụ thể là trong một đơn vị
thời
gian khối mã hóa nén bớt một số bít mà không làm mất thông tin
- Mã và giải mã mật, thực hiện mã và giải mã chuỗi bít theo một khoá

xác
7


tần được thực hiện khá dễ dàng. Vì vậy trong các hệ thông truyền dẫn tương tự
việc
ghép kênh thường được thực hiện theo phưong pháp ghép kênh theo tần số dù
về
nguyên tắc phưong pháp ghép kênh theo thời gian cũng có thể áp dụng được
vói

các

tín hiệu tưong tự. Đối với tín hiệu số vì các xung tín hiệu có thời gian tồn tại
hữu
hạn, thòi gian tồn tại phụ thuộc vào độ rộng xung có thể tạo ra và xử lý được.
Khoảng cách giữa các phần tử kế tiếp nhau của cùng một nguồn tin là một đại
lượng

cố định gọi là độ dài của khung tín hiệu. Khi độ rộng xung tín hiệu khá nhỏ
hơn

độ

dài khung tín hiệu vào cùng một khung tín hiệu, tín hiệu từ mỗi nguồn tin như
vậy
được truyền đi trên khe thời gian riêng biệt. Với hệ thống truyền dẫn số, thực
hiện
ghép kênh khá thuận lợi. Khi cần phát một luồn số trên kênh vô tuyến, cần phải
điều
chế luồng số này ở một song mang có độ rộng băng tần hữu hạn dành cho một
kênh.
Luồng số này có thể là tín hiệu ban đầu của máy tính hay luồng số (PCM:
Pluse
Code Mudulation) được tạo ra từ tiếng nói hay hình ảnh đã số hóa.
- Điều chế và giải điều chế số, thường gọi tắt là (MODEM: Modulatỉon

Denodulation). Là khối giao diện thực hiện hai chức năng:
• Ghép k bít thành một Symbol đế nâng cao hiệu quả sử dụng đường truyền.
• Ánh xạ tập Symbol thành tập dạng sóng đế truyền tín hiệu đi xa.


của tín hiệu sóng mang sử dụng trong điều chế số. Đe làm đuợc điều này thì
bên
phát phải thông báo cho bên thu biết các thong tin đó và hệ thống thực hiện
chức
năng này gọi là hệ thống đồng bộ
- Đồng bộ, bao gồm đồng bộ nhịp đồng hồ, đồng bộ bít, đồng bộ Symbol,

đồng
bộ khung, đồng bộ mạng và đồng bộ pha sóng mang đối với các hệ thống
thông

tin

liên kết.
- Máy phát thực hiện trộn tần, khuếch đại tần số và lọc tần số. Cụ thế là

trộn
tần tín hiệu từ tần số trung tâm lên tần số vô tuyến.
- Kênh truyền vô tuyến là môi trường giữa điểm phát và điểm thu. Kênh

truyền là môi trường vô tuyến. Mọi kênh truyền đều gây ra độ suy hao hay là
độ

tổn

thất truyền dẫn. Vì thế cường độ tín hiệu bị suy giảm dẫn theo khoảng cách
truyền.
Có rất nhieu ảnh hưởng không mong muốn xuất hiện trong quá trình truyền
dẫn

tín

hiệu. Suy hao là một ảnh hưởng không mong muốn do nó gây ra suy giảm
cường

độ

tín hiệu tại máy thu. Các hiệu ứng khác như méo nhiễu tạp âm làm cho dạng tín
hiệu bị thay đôi do đó có ảnh hưởng nghiêm trọng hon. Méo là là hiện tượng
ảnh
hưởng đến dạng sóng tín hiệu gây ra bởi đáp ứng không lý tưởng của hệ thống
như
mong muốn. Không giống như nhiễu và can nhiễu, khi không có tín hiệu thì
9


Trên sơ đồ hình 1.2 các khối nhánh bên dưới (phần thu) thực hiện các
thuật
toán xử lý ngược với các khối tương ứng ở nhánh trên (phần phát).
Trong số các chức năng nói trên thì các chức năng tạo khuôn tín hiệu số,
điều
chế và giải điều chế số là không thế thiếu đối với mọi loại hệ thống thông tin
số.

về

mặt thuật toán mà nói, khối điều chế số là một khối giao diện, thực hiện biến
đổi

tín

hiệu số thành các tín hiệu liên tục phù hợp với việc truyền đưa tín hiệu đi xa.
Máy
phát đầu cuối chỉ thực hiện các thuật toán trộn tần nhằm đưa tín hiệu lên tới tần
số
thích hợp, khuếch đại, lọc và phát xạ tín hiệu vào môi trường truyền dẫn (bằng
hệ

thống ăng-ten và phi-đơ trong các hệ thống vô tuyến chẳng hạn). Đối với một
hệ
thống thông tin số thì MODEM đóng vai trò như bộ não còn máy thu phát thì
chỉ
như cơ bắp mà thôi. Các khối chức năng còn lại không phải là bắt buộc đối với
tất
cả mọi hệ thống thông tin số mà chỉ có mặt trong tùng loại hệ thống cụ thể và
do
vậy trên hình 1.2 chúng được diễn tả bằng các khối đút nét.
Các thuật toán xử lý tín hiệu trong sơ đồ khối hình 1.2 có thế phân thành
hai
nhóm chính:
- Các thuật toán xử lý tín hiệu băng gốc bao gồm các thuật toán tù’ tạo

10


thay đôi theo một sóng điêu chê [4].
Ngoài ra đế tăng dung lượng đường truyền dẫn số khi băng tần của kênh
vô
tuyến có hạn người ta sử dụng điều chế khóa pha và khóa biên kết hợp và
phương
pháp này được gọi là điều chế cầu phương vuông góc (QAM: Quadrature
Ampliud
Modulation) [4].
1.8.2. Tại sao phải dùng điều chế số

Vì năng lượng của tín hiệu phát ra ở máy phát không đủ đế có thế truyền
tín
hiệu ở khoảng cách xa, do đó cần phải sử dụng điều chế đế nhờ năng lượng của

sóng điều chế mang tín hiệu truyền đi trên đường truyền.
Điều chế số đã dần dần thay thế điều chế tương tự bởi một số lợi thế riêng
của
nó như: khi chuyến sang điều chế số thì dung lượng thông tin mang đi sẽ nhiều
hơn,
tương thích với các dịch vụ dữ liệu số, bảo mật cao hơn, chất lượng kết nối hệ
thống
tốt hơn, và tính sẵn sàng của hệ thống nhanh hơn.
Phố vô tuyến được chia sẽ, và hằng ngày có thêm nhiều người dùng mới
sử
dụng pho này đe dùng các dịch vụ, do đó quy hoạch về tài nguyên vô tuyến là
điều
hết sức cần thiết. Khi sử dụng điều chế số thì dung lượng mang tin sẽ lớn hơn
11


số, đây là trường hợp đối với các tín hiệu một hay hai chiều (thí dụ BPSK:
Binary
Phase Shift Keying, M-PSK, M-QAM...), thì các tín hiệu số được tạo thành là
các

tố

hợp tuyến tính của các tín hiệu cơ sở cũng sẽ có chung tần số và do vậy cho
phép
việc thu chúng sử dụng chung một loại mạch lọc. Ket quả là tập tín hiệu tông
cộng
cũng chiếm giải tần như của một tín hiệu đơn (là 1/TS chưa kể vài chục phần
trăm
mở rộng đã nói ở trên đây) [3].

Đối với trường hợp các tín hiệu cơ sở trực giao của không gian tín hiệu có
các
tần số khác nhau (trường hợp điều chế tần số số FSK, MSK...) thì khoảng cách
tần
số giữa các tần số đó phải không nhỏ hơn 1/TS. Phổ của cả tập tín hiệu sẽ
chiếm

tới

M/TS và vì số chiều của tín hiệu trong trường hợp này D = M nên có thế thấy
được
ngay rằng khi số chiều tín hiệu tăng thì bề rộng phô chiếm của cả tập tín hiệu
cũng
sẽ tăng một cách tỷ lệ [3].
Hiệu quả phố của tín hiệu được đánh giá bằng tốc độ truyền tin cho phép
trên
một đơn vị bề rộng phô tần số (có đơn vị là b/s/Hz). Việc điều chế M mức sẽ
làm
tăng TS lên log2M lần so với độ rộng một bít, cho phép giảm mạnh phố chiếm
của
tín hiệu, do vậy tăng được hiệu quả phố so với trường họp nhị phân [3].
12


hợp điều chế pha nhị phân (BPSK), do đó xác suất thu lỗi đối với M-PSK sẽ
lớn
hơn đối với BPSK. Đe bảo đảm duy trì xác suất thu lỗi nhu của trường họp
BPSK,
1_____
cần phải tăng khoảng cách từ điểm tín hiệu

tới 22"
biên quyết định cho trường hợp
(1.1)
n.sin2(;r/2n) Mĩ

trong đó PM và PB lần lượt là công suất cần thiết đối với M-PSK và
BPSK

để

có được cùng một xác suất thu lỗi như nhau, n = log2M. [3]
1.8.4. Lựa chọn tối ưu tập tín hiệu

Việc lựa chọn tập tín hiệu (lựa chọn phương pháp điều chế) nhằm đạt được
một hiệu quả sử dụng phổ theo yêu cầu với công suất tín hiệu nhỏ nhất mà vẫn
bảo
đảm được xác suất thu lỗi đã cho. Chang hạn chúng ta có bài toán: Hệ thống
truyền
dẫn cần có dung lượng B [b/s], hãy xác định loại tín hiệu (loại điều chế) cần sử
dụng đế truyền với một xác suất lỗi xác định nào đó trên một kênh có bề rộng
băng
tần w [Hz], Wthế
sử dụng được nên chúng ta nhất thiết phải sử dụng điều chế nhiều mức. Do điều
chế
FSK không tăng được hiệu quả sử dụng phố so với trường hợp nhị phân nên
chúng
ta sẽ không xét tới. Các loại điều chế thông thường có hiệu quả sử dụng phố cao
M
13

(1.2a)


w v v V2(VM-1)

và

dQ=VV i_ ---------(1.2b)
trong đó EP, EỌ lần lượt là năng lượng của tín hiệu PSK và QAM.
Cho dP=dQ, ta thu được:
EQ/Ep = 2(VM-l)2.sin2^

(1.3)

Như vậy, với M>8, EQ sẽ nhỏ hơn EP cần thiết đế đạt được cùng một BER
đã
cho (với M = 16, điều chế QAM sẽ lợi 1.64 dB về công suất hơn so với PSK,
với
M=64 độ lợi này sẽ đạt tới 6,27 dB). cần phải nói thêm rằng, EQ được sử dụng
trong các biểu thức (1.2a, b) và (1.3) là năng lượng của tín hiệu QAM có năng
lượng lớn nhất. Năng lượng trung bình của tín hiệu M-QAM còn nhỏ hơn nữa,
tức
là giá trị độ lợi về công suất trên đây sẽ còn lớn hơn nữa nếu tính theo công suất
trung bình). Có nghĩa là nếu M>8, sơ đồ điều chế M-QAM sẽ lợi hơn M-PSK về
công suất. Khi 4của
(1.3) bằng 1, tức là 4-ỌAM tương đương với 4-PSK [3].
Như vậy, với các hệ thống dung lượng lớn (có tốc độ bít lớn), để tiết kiệm
phố

tần người ta thường sử dụng các sơ đồ điều chế với M cao và do hệ thống MQAM
là hệ thống lợi hơn về công suất nên thường được sử dụng trong thực tế. Khi
dung
lượng hệ thống vừa hoặc nhỏ, số mức điều chế M không cần lớn thì người ta
thường sử dụng điều chế PSK vừa lợi về công suất, vừa ít nhạy cảm với méo phi
tuyến gây bởi bộ khuếch đại công suất phát [3].

14


Các tần số cực là thấp (ELF: Extremely Low Frequencies). Có giá trị
nằm Các tần số hồng ngoại. Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3THz -ỉ- 300THz,
nói
gọi là sóng
dụngmạng
trongAC
hệ thống
tìm lường
nhiệt,
trong phạmchung
vi 30không
-ỉ- 300Hz,
chứavô
cảtuyến.
tần sốSửđiện
và cácdần
tínđường
hiệu đo
chụp
điện tử và thiên văn học.

từ xa ảnh
tần thấp.
Các
sáng
nhìn
giá Frequencies).
trị nằm trong Có
phạm
vi nằm
0,3PHz-K3PHz,
Các ánh
tần số
tiếng
nóithấy.
(VF:Có
Voice
giá trị
trong phạm
dùng
vi
Bảng
1.1
Các băng sóng sử dụng trong thông tin vô tuyến
trong
hệ-K3kHz,
thống
sợichứa
quang.
300 Hz
các tần số kênh thoại tiêu chuấn.

Các tần số rất thấp (VLF: Very Low Frequencies). Có giá trị nằm trong
phạm
vi 3^-30kHz, 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). Có giá trị nằm trong phạm vi 30
-ỉ-

300kHz

(thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không.
Các tần số trung bình (MF: Medium Frequencies). Có giá trị nằm trong
phạm
vi 300kHz 3MHz (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
hàng1.10.

Phân loại hệ thong thông tin vô tuyến
và hàng không.

hải

Một cách tưong đối, dải tần vô tuyến có thế phân chia thành thông tin cao
tần Các tần số cao (HF: High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3
+- thông tin siêu cao tần.
và
30MHz (thường gọi là sóng ngắn). Phần lớn các thông tin vô tuyến 2 chiều sử
16

15