Nghiên cứu và mô phỏng nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin OFDM (MCOFDM) với điều chế đa tần trực giao bằng IDFTDFT

1

LỜI CẢM ƠN
Em xin trân trọng cảm ơn giảng viên ThS. Phan Thị Thu Hằng đã giới
thiệu, cung cấp tài liệu và tận tình hướng dẫn em hoàn thành tốt đồ án này.
Em cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử
trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ em
trong suốt quá rình học tập và hoàn thành chương trình đào tạo.
Để hoàn thành đồ án này ngoài ngoài nỗ lực của bản thân, yêu cầu về thời
gian và năng lực là cần thiết. Bước đầu làm quen với công tác nghiên cứu
khoa học, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được
ý kiến đóng góp của quý các thầy cô giáo để em bổ sung kiến thức cho bản
thân.

Em xin trân trọng cảm ơn!!!
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Huyền Trang


2

MỤC LỤC
..........................................................................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................................1
MỤC LỤC...........................................................................................................................................2
CÁC TỪ VIẾT TẮT...............................................................................................................................5
LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................................................6
Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin.........................................................................................8
1.1.Tổng quan...................................................................................................................................8
1.1.1. Lịch sử phát triển của thông tin điện tử..................................................................................9
1.1.2.Thông tin tương tự và thông tin số........................................................................................10

1.1.3.Truyền tin số...........................................................................................................................11
1.1.4. Kênh truyền tin......................................................................................................................13
1.2.Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin số.......................................................................15
1.3.Các tham số đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số...........................................................19
1.4.Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thông dải thông qua điều chế sóng mang.............................22
1.5.Các phương pháp điều chế số...................................................................................................23
1.6.Tổng kết chương.......................................................................................................................25
2.1.Tổng quan hệ thống OFDM.......................................................................................................26
2.1.1. Khái niệm...............................................................................................................................26
2.1.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM...................................................................................................26
2.1.3. Các nguyên lí cơ bản của OFDM............................................................................................28
2.2. Hệ thống truyền dẫn đa sóng mang ........................................................................................30
2.2.1. Sự trực giao trong OFDM......................................................................................................30
2.2.2. Kĩ thuật ghép kênh theo tần số trực giao..............................................................................31
2.2.3. Truyền dẫn đa sóng mang.....................................................................................................32
2.2.4. Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.....................................................................33
2.3. Các nhân tố ảnh hưởng lên hệ thống truyền dẫn đa sóng mang..............................................39
2.3.1 Nhiễu ISI và cách khắc phục...................................................................................................39
2.3.2. Nhiễu ICI và cách khắc phục.................................................................................................40


3
2.4. Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống.........................................................................................41
2.4.1.Ước lượng tham số kênh.......................................................................................................41
2.4.2.Đồng bộ trong OFDM.............................................................................................................42
Nhiễu pha sóng mang..............................................................................................................43
2.Đồng bộ tần số sóng mang...................................................................................................43
Lỗi tần số.................................................................................................................................43
Ước lượng tần số.....................................................................................................................43
3.Đồng bộ tần số lấy mẫu........................................................................................................44

2.4.3. Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio)..........................................................................44
2.5. Ưu điểm hệ thống OFDM.........................................................................................................45
2.6.Nhược điểm hệ thống OFDM....................................................................................................46
2.7.Tổng kết chương.......................................................................................................................46
3.1. Phép biến đổi Fourier...............................................................................................................47
3.2. Thuật toán biến đổi Fourier nhanh của tín hiệu rời rạc (FT : Fourier Tranform).......................48
3.2.1. Định nghĩa.............................................................................................................................48
3.2.2. Các phương pháp biểu diễn ..................................................................................................48
3.2.3. Điều kiện để tồn tại biến đổi Fourier.....................................................................................50
3.3. Thuật toán biến đổi Fourier nhanh ngược ( IFT : Inverse Fourier Tranform )...........................50
3.4. Các tính chất cơ bản của FT......................................................................................................52
3.4.1. Tính chất tuyến tính..............................................................................................................52
3.4.2. Tính chất trễ .........................................................................................................................52
3.4.3. Vi phân trong miền tần số.....................................................................................................52
3.4.4. Trễ tần số...............................................................................................................................52
3.4.5. Tích chập của hai dãy.............................................................................................................53
3.4.6. Tích của hai dãy.....................................................................................................................53
3.5. Ứng dụng của phép biến đổi Fourier.......................................................................................53
3.6. Nghiên cứu phần mềm mô phỏng Matlab................................................................................54
3.6.1. Giới thiệu chung về phần mềm matlab.................................................................................54
3.6.2. Hệ thống Matlab....................................................................................................................55
3.6.3. Làm quen với Matlab.............................................................................................................56


4
3.6.3. Các cửa sổ làm việc trong Matlab..........................................................................................57
3.6.4. Thanh công cụ trong Matlab.................................................................................................60
3.6.5. Các thao tác trong Matlab.....................................................................................................61
Chương 4: Chương trình mô phỏng nguyên lý hoạt động hệ thống OFDM bằng Matlab................69
4.1. Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM điều chế đa tần trực giao bằng IDFT/DFT...............69

4.2. Nguyên lí hoạt động và các dạng tín hiệu trong hệ thống OFDM điều chế đa sóng mang trực
giao IDFT/DFT..................................................................................................................................70
4.2.1. Mô phỏng tín hiệu phía phát của hệ thống OFDM................................................................70
4.2.2. Mô phỏng tín hiệu phía thu của hệ thống OFDM..................................................................73
4.2.3. Mô phỏng tín hiệu bị tác động bởi nhiễu trắng AWGN trên kênh truyền.............................77
4.3. Kết luận chương.......................................................................................................................79
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI......................................................................................80
Tài liệu tham khảo...........................................................................................................................81


5

CÁC TỪ VIẾT TẮT
AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gauss trắng cộng

BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bit

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Số bit trên một ký hiệu

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân vuông góc

CCI

Co-channel interference

Nhiễu đồng kênh

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

ASK

Amplitude Shift Keying

Điều chế biên độ

PSK

Phase Shift Keying

Điều chế pha

FSK

Frequency Shift Keying

Điều chế tần số

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

MATLAB Matrix Laboratory

Thư viện ma trận

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

ICI

Inter-Carrier Interference

Nhiễu giao thoa giữa các sóng mang

IFFT

Inverse Fast Fourier Trasform

Biến đổi Fourier ngược nhanh

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu giao thoa liên kí tự

OFDM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao

PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất
trung bình

PSAM

Pilot Symbol Assisted
Modulation

Điều chế được hỗ trợ bởi ký hiệu

hoa tiêu

QAM

Quadrature Amplitude
Modualtion

Điều chế biên độ cầu phương


6

LỜI NÓI ĐẦU
Như chúng ta đã biết, hệ thống thông tin được sử dụng để truyền tin tức từ
nơi này tới nơi khác. Theo xu thế phát triển của viễn thông hiện nay thì việc
thay thế toàn bộ hệ thống thông tin tương tự bằng hệ thống thông tin số là rất
cần thiết. Vì vậy, việc nghiên cứu các hệ thống thông tin số đã trở thành nội
dung quan trọng trong chương trình đào tạo của ngành Điện Tử - Viễn Thông.
Các dịch vụ viễn thông càng phát triển thì nhu cầu cho các hệ thống truyền
dẫn thông tin càng lớn. Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật và chất lượng dịch vụ là
rất cao xong cần có các giải pháp thích hợp để thực hiện. Trước yêu cầu đó thì
hệ thống thông tin sử dụng kĩ thuật đa sóng mang trực giao được coi là giải
pháp tiên tiến để giải quyết vấn đề trên.
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một phương
pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chất
lượng thấp. OFDM đã được sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đường
dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây. Với các ưu điểm
của mình, OFDM đang tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh
vực khác như truyền thông qua đường dây tải điện, thông tin di động,
Wireless ATM …

OFDM nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật này
phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang
khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu
tốc độ thấp. Tập hợp các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu
tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng
mang là họ sóng mang trực giao. Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các
sóng mang do đó sử dụng giải thông một cách có hiệu quả. Ngoài ra sử dụng
họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi ích kỹ thuật khác, do đó các


7
hệ thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang đa trực giao và
gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM.
Bên cạnh những lợi ích rất lớn của OFDM, thì mặt hạn chế của nó là vấn
đề lỗi đồng bộ (SFO,CFO) và kênh truyền biến đổi theo thời gian. Hoạt động
của OFDM rất nhạy với lỗi đồng bộ ở bộ thu. Lỗi đồng bộ tạo ra nhiễu giao
thoa liên sóng mang (ICI), nó sẽ phá hủy tính trực giao giữa các sóng mang
OFDM.
Trong đồ án này đã tập trung nghiên cứu về hệ thống truyền dẫn đa sóng
mang trực giao và “Nghiên cứu và mô phỏng nguyên lý hoạt động hệ thống
thông tin OFDM

(MC-OFDM) với điều chế đa tần trực giao bằng

IDFT/DFT”.
Nội dung chính bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin
Chương 2: Hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực
giao OFDM (MC-OFDM).
Chương 3: Nghiên cứu phép biến đổi DFT/IDFT và phần mềm mô phỏng

Matlab.
Chương 4: Chương trình mô phỏng nguyên lý hoạt động hệ thống OFDM
bằng Matlab.


8

Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin
1.1.Tổng quan
Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền đưa tin tức từ nơi này đến
nơi khác. Tin tức được truyền đưa từ nguồn tin tới bộ nhận tin dưới dạng các
văn bản. Bản tin là dạng hình thức chứa đựng một lượng thông tin nào đó.
Các bản tin được tạo ra từ nguồn có thể ở dạng liên tục hay rời rạc, tương ứng
chúng có nguồn tin liên tục hay rời rạc. Đối với các nguồn tin liên tục, các
bản tin là một tập vô hạn, còn đối với nguồn tin rời rạc tập các bản tin có thể
là một tập hữu hạn.
Biểu diễn vật lí của một bản tin được gọi là tín hiệu. Có nhiều loại tín hiệu
khác nhau tùy thuộc đại lượng vật lí được sử dụng để biểu diễn tín hiệu như
cường độ dòng điện, điện áp, cường độ ánh sáng….. Tùy theo dạng tín hiệu
được sử dụng để truyền tải tin tức trong các hệ thống truyền tin là các tín hiệu
tương tự (analog) hay các tín hiệu số (digital) và tương ứng sẽ có các hệ thống
thông tin tương tự hay hệ thống thông tin số.
Hình vẽ dưới đây trình bày sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin
nói chung.
Thiết bị
vào

Thiết bị
phát

Môi
trường
truyền

Thiết bị
thu

Thiết bị
ra

Hình 1.1: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin chung
Thông tin vào được nhập vào hệ thống thông qua thiết bị vào, sau đó chúng
được đưa tới thiết bị phát để tạo thành tín hiệu phát thích hợp với môi trường
truyền. Như vậy thông tin được hiểu là nội dung cần trao đổi, còn bản tin là
phương tiện để biểu diễn, mô tả thông tin ở một dạng thích hợp cho việc trao
đổi, xử lí, cảm nhận…bởi con người hay máy móc.


9
Do ảnh hưởng của môi trường truyền như nhiễu tạp, suy hao… nên ở đầu
thu ta nhận được tín hiệu thu có thể khác biệt so với tín hiệu phát. Sau khi
được giải điều chế ở thiết bị thu, dữ liệu hay tín hiệu ra sẽ đượcc đưa tới thiết
bị ra để lấy ra thông tin có ích.
1.1.1. Lịch sử phát triển của thông tin điện tử
Trong suốt lịch sử phát triển của loài người, việc phát minh ra ngôn ngữ là
cuộc cách mạng truyền thông lớn nhất. Sau đó ít lâu đã phát minh ra tín hiệu
băng lửa có khả năng truyền đạt thông tin và nhanh chóng đến vùng xa.
Cuộc phát minh lớn nữa của con người là làm thế nào để ghi lại suy nghĩ và
tư tưởng của mình bằng chữ viết. Với khả năng này con người có thể truyển
thông tin mà không bị giới hạn bởi không gian và thời gian. Đồng thời đã đưa

ra các dịch vụ đưa thư và điện báo.
Năm

Sự kiện

Xuất xứ

Kiểu thông
tin

1837
1875
1897
1901
1905
1907
1918
1921
1928
1928
1931
1933
1934
1937
1939
1943
1945
1946
1948
1955

1960
1962
1966
1966
1970
1970

Hoàn thiện dạng điện báo bằng dây
Phát minh điện thoại
Chuyển mạch trao đổi tự động theo từng nấc
Điện báo không dây
Giới thiệu về điện thoại không dây
Truyền thanh vô tuyến dạng chuẩn đầu tiên
Phát minh ra máy thu vô tuyến đổi tần
Xuất hiện di động cá nhân
Giới thiệu các dạng truyền hình điện tử
Lý thuyết truyền tin điện báo
Truyền dẫn thông tin
Điện báo
Giới thiệu điều chế tần số
Giới thiệu ra-đa(vô tuyến định vị)
Thương mại hóa dịch vụ truyền hình quảng bá
Phát minh ra bộ lọc thích ứng
Phát minh vệ tinh địa tĩnh
Phát triển các hệ thống ARQ
Lý thuyết toán học cho thông tin
Chuyển tiếp viba mặt đấy
Giới thiệu đầu tiên về laze
Triển khai thông tin vệ tinh
Phát minh cáp quang

Chuyển mạch gói
Mạng truyền dữ liệu cỡ trung bình
LAN,MAN và WAN

Morse
Bell
Stronger
Marconi
Fessenden
Usa
Amstrong
Detroit police
Farnsworth
Nyquist
Harley
Amstrong
Kuhnold
Reeves
BBC
North
Clarke
Duuren
Shannon
RCA
Maiman
TELSTAR 1
Kao&hockman
ARPA/TYMNE

Số

Tương tự
Tương tự
Số
Tương tự
Tương tự
Tương
Tương tự
Tương tự
Số
Số
Số
Tương tự
Số
Số
Tương tự
Tương tự
Số
Số
Số
Số


10
1974
1978
1978
1980
1981
1985
1986

1991
1993
1994

Internet
Vô tuyến tế bào
Bắt đầu nghiên cứu về GPS Navstar
Mô hình tham chiếu 7 lớp OSI
Giới thiệu truyền hình độ phân giải cao
Truy cập tốc độ cơ sở ở UK
Giới thiệu SONET/SDH
Hệ thống tế bào GSM
Đưa ra khái niệm PCN
Phát minh CDMA IS-95

CCITT
Cerf & kahn
Global
ISO
NHK,Nhật Bản
BT
Châu âu
Toàn cầu
Quanlcom

Số
Tương tự
Số
Số
Số

Số
Số
Số
Số
Số

1.1.2.Thông tin tương tự và thông tin số
Tín hiệu tương tự là tín hiệu có thể nhận vô số giá trị, có thời gian tồn tại
không xác định cụ thể, phụ thuộc vào thời gian tồn tại của bản tin do nguồn
tin sinh ra. Tín hiệu analog có thể là tín hiệu liên tục hay rời rạc tùy theo tín
hiệu là một hàm liên tục hay rời rạc theo thời gian. Ví dụ: tín hiệu điện thoại ở
lối ra của micro là tín hiệu tương tự liên tục, tín hiệu điều chế xung PAM của
chính tín hiệu lối ra micro nói trên là tín hiệu analog rời rạc.
Tín hiệu số là tín hiệu được biểu diễn bằng các con số ( các kí hiệu gọi tắt
là các symbol). Tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị và có thời gian
tồn tại xã định thường được gọi là hằng số kí hiệu là Ts.
So với các hệ thống thông tin tương tự, các hệ thống thông tin số có một số
ưu điểm sau:
- Do có khả năng tái sinh tín hiệu theo ngưỡng qua sau từng cự li nhất
định nên tạp âm tích lũy có thể được loại trừ, tức là các tín hiệu số khỏe
hơn đối với tạp âm so với tín hiệu tương tự.
Tái sinh là quá trình trong đó một tín hiệu bị méo và suy hao được tái
tạo lại thành biên độ và dạng sóng như ban đầu. Quá trình được thực
hiện qua bộ lặp số.
………….


11
Trong đó:

: nhiễu

: bộ lặp số

: méo

Hình 1.2: Kênh thông tin số gồm nhiều trạm lặp
- Do sử dụng tín hiệu số, tương thích với các hệ thống điều khiển và xử lí
hiện đại, nên có khả năng khai thác, quản trị và bảo trì một cách tự
động cao độ.
- Tín hiệu số có thể dễ dàng truyền các loại bản tin rời rạc hay liên tục,
tạo tiền đề cho việc hợp nhất các mạng thông tin truyền đưa các loại
dịch vụ hay số liệu thành một mạng duy nhất.
Nhược điểm của hệ thống thông tin số so với hệ thống thông tin tương tự là
phổ của tín hiệu số khi truyền các bản tin liên tục tương đối lớn so với phổ tín
hiệu analog. Tuy nhiên trong tương lai khi các kĩ thuật số hóa phát triển thì
phổ của tín hiệu số có thể so sánh được với phổ của tín hiệu liên tục.

1.1.3.Truyền tin số
Truyền tin số có nhiều ưu điểm hơn kỹ thuật tương tự, trong đó chỉ sử dụng
một số hữu hạn các dạng sóng để truyền tin. Mỗi dạng sóng truyền trong một
khoảng thời gian xác định gọi là chu kì kí hiệu và là đại diện truyền của một
dữ liệu tin ( hay một tổ hợp bit) còn gọi là báo hiệu (signalings). Kỹ thuật này
có ưu điểm nổi bật là: chống nhiễu trên đường truyền tốt (vì nếu nhiễu không
đủ mạnh mẽ sẽ không thể làm méo dạng sóng này thành dạng sóng kia, gây
nên nhầm lẫn ở nơi thu), song đòi hỏi bản tin nguồn cũng phải số hóa ( biểu
diễn chỉ bằng một số hữu hạn các kí hiệu). Ví dụ văn bản Tiếng Việt dùng 24
chữ cái, bộ đếm dùng 10 số, bản nhạc dùng 7 nốt và vài ký hiệu bổ sung...
Việc số hóa một bản tin tương tự phải trả giá bằng một sai số nào đó ( Gọi
là sai số lượng tử, tuy nhiên sai số này có thể điều khiển được). So sánh với kĩ

thuật truyền tin tương tự , ở đó bản tin không mắc sai số khi số hóa, song do
dùng vô số dạng sóng ( tín hiệu liên tục) trên đường truyền nên can nhiễu sẽ


12
làm thay đổi dạng sóng, gây nên sai số khi quyết định ở nơi thu mà ở góc độ
nào đó khó điều khiển được. Ngoài ra, việc số hóa kĩ thuật truyền tin còn tạo
nên những tiêu chuẩn có thể thay đổi linh hoạt bằng chương trình phần mềm
và tạo ra các dịch vụ chưa từng có trong truyền hình tương tự. Bên cạnh đó thì
kỹ thuật truyền tin tương tự đã có những đỉnh cao vĩ đại như tạo ra truyền
hình màu hay điều khiển đưa người lên mặt trăng và hiện nay trong một số kĩ
thuật điều khiển tốc độ cực nhanh vẫn dùng đến kĩ thuật tương tự.
Khi vận dụng lí thuyết thông tin vào truyền hình số thường có những vấn
đề sau đây đặt ra:
- Bản tin phải được biểu diễn ( mã nguồn) với một số ít kí tự nhất, theo
mã nhị phân thì tức cần ít bit nhất. Lý thuyết thông tin cho một giới hạn
dưới về một số bit tối thiểu cần để biểu diễn. Tức là nếu ít hơn số bit tối
thiểu không thể biểu diễn đầy đủ bản tin (làm méo bản tin)
- Khi truyền tin mã nguồn cần được bổ xung thêm các bit dư thừa), mà
điều này làm tăng tốc độ bit, để có thể giảm được lỗi truyền bản tin
( gọi là kĩ thuật mã kênh điều khiển lỗi), song có một giới hạn trên về
tốc độ truyền mà vượt qua nó không thể điều khiển lỗi được, đó là dung
năng kênh quy định bởi độ rộng băng tần kênh truyền và tỉ số tín hiệu
trên tạp âm:
Trong đó: B là độ rộng băng tần kênh truyền
S/N là tỷ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm
C là giới hạn trên đối với tốc độ truyền tin cậy (b/s)
Đơn vị : (bit/s)
Công thức trên cho ta thấy có sự chuyển đổi giữa B và SNR. Đồng thời cả
3 yếu tố: công suất, độ rộng băng tần và ồn kênh cùng tham gia quy định mức

độ “nhanh” của truyền tin. Công suất phát đi càng lớn, thì càng truyền tin đi
xa. Băng tần truyền dẫn càng rộng thì tốc độ thông tin càng nhanh và cuối
cùng càng ít can nhiễu và ít lỗi truyền tin xảy ra.
Đây là công thức rất điển hình đặc trưng cho một hệ thống truyền số.


13
1.1.4. Kênh truyền tin
Kênh truyền tin ta nói đến ở đây là môi trường vật lí để truyền sóng điện từ
mang tin, là vấn đề trung tâm của một hệ truyền tin. Nó xác định dung lượng
truyền thông tin của hệ thống cũng như chất lượng dịch vụ truyền tin.
Có 6 loại kênh tiêu biểu trên thực tế: + Đường điện thoại
+ Cáp đồng trục
+ Sợi quang
+ Kênh viba
+ Kênh vô tuyến di động
+ kênh vệ tinh


14
1. Đường điện thoại di động:
Là đường truyền tín hiệu điện, tuyến tính, băng giới hạn, thích hợp cho
truyền tiếng nói băng cơ sở hoặc thông dải ( độ rộng từ 300-3100Hz) có tỉ số
tín hiệu trên tạp âm sấp xỉ 30dB. Kênh truyền này có đáp ứng độ lớn tần số
bằng phẳng, không chú ý đến đáp pha theo tần số ( do tai người không nhạy
với trễ pha), song khi truyền ảnh hay dữ liệu thì phải chú ý đến điều này và
cần dùng bộ cân bằng thích nghi kết hợp phương pháp điều chế có hiệu suất
phổ cao.
2. Cáp đồng trục
Có sợi dẫn ở trung tâm cách điện có vỏ xung quanh, vỏ cũng là vật liệu

dẫn điện. Cáp đồng trục có hai ưu điểm lớn là độ rộng băng tần lớn và chống
được can nhiễu từ bên ngoài. Song cáp trục cần những bộ phát lặp gần nhau
vì suy giảm nhanh ( ở tốc độ khoảng 274Mb/s thì khoảng cách lặp là 1km).
3. Sợi quang
Gồm lõi là thủy tinh, lớp vỏ xung quanh cũng là thủy tinh đồng tâm có
hệ số phản xạ nhỏ hơn một chút. Tính chất cơ bản của sợi quang là khi tia
sáng đi từ môi trường có hệ số phản xạ cao sang môi trường có hệ số phản xạ
thấp thì sẽ bị lệch về phía môi trường có hệ số phản xạ cao, nên ánh sáng
được truyền đi trong sợi quang.
Sợi quang là vật liệu cách điện, chỉ truyền dẫn ánh sáng. Dùng tần số sóng
mang ánh sáng khoảng 2.1014 Hz sẽ cho độ rộng băng tần cỡ 10%= 2.10 13 Hz.
Mất mát trong sợi quang nhỏ: 0,2 dB/km và không chịu ảnh hưởng của giao
thoa sóng điện từ.
4. Kênh vi ba
Hoạt động ở dải tần 1-30 GHz cho 2 anten nhìn thấy nhau. Anten phải
đặt ở vị trí có độ cao đủ thỏa mãn điều kiện có thể coi là tĩnh, kênh truyền này


15
tin cậy. Tuy nhiên khi điều kiện khí tượng thay đổi có thể làm giảm chất
lượng đường truyền.
5. Kênh di động
Đây là kênh kết nối với người dùng di động. Kênh có tính chất tuyến
tính thay đổi ttheo thời gian cùng hiệu ứng đa đường gây nên sự đồng pha,
hoặc ngược pha của các tín hiệu thành phần làm tín hiệu tổng cộng suy giảm.
Đây là loại kênh phức tạp nhất trong truyền thông vô tuyến.
6. Kênh vệ tinh
Độ cao vệ tinh địa tĩnh 22300 dặm ( 30 000 km). Tần số thường dùng
cho phát lên là 6Ghz và phát xuống là 4Ghz. Độ rộng băng tần của kênh
truyền lớn cỡ 500MHz chia thành các dải do 12 bộ phát trong vệ tinh đảm

nhiệm, mỗi bộ phát dùng 36MHz truyền được ít nhất một chương trình truyền
hình màu, 1200 mạch thoại, tốc độ dữ liệu ít nhất 50Mbit.
Ngoài cách phân loại cụ thể trên có thể phân loại kênh truyền theo tính chất
sau:
- Kênh tuyến tính hay phi tuyến : Kênh điện thoại là tuyến tính trong khi
kênh vệ tinh thường là phi tuyến ( trừ một số trường hợp ngoại lệ).
- Kênh bất biến hay thay đổi theo thời gian: Sợi quang bất biến trong khi
kênh di động là thay đổi theo thời gian.
- Kênh băng tần giới hạn hay công suất giới hạn: Đường điện thoại là
kênh băng tần giới hạn trong khi cáp quang và vệ tinh là công suất giới
hạn.
1.2.Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin số
Trong thực tế có rất nhiều loại hệ thống thông tin số khác nhau, phân biệt
theo tần số hoạt động, môi trường truyền dẫn... Tùy theo loại hệ thống thông
tin số thực tế, hàng loạt các chức năng xử lí tín hiệu số khác nhau có thể được
sử dụng nhằm truyền đưa các tín hiệu số một cách có hiệu quả. Các chức năng
xử lí tín hiệu như thế được mô tả bởi các khối trong sơ đồ khối hệ thống. Mỗi


16
khối mô tả một thuật toán xử lí tín hiệu. Sơ đồ khối tiêu biểu của một hệ
thống thông tin số được mô tả dưới đây thể hiện tất cả các chức năng xử lí tín
hiệu chính nhất có thể có của hệ thống thông tin số hiện nay.

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống truyền tin số
Chức năng các thành phần và các khối trong hệ thống:
1. Nguồn tin
Nguồn tin là nơi sản sinh ra tin:
2.
3.

-

Nếu tin tức là hữu hạn thì nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn rời rạc.
Nếu tin tức là vô hạn thì nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn liên tục.
Ví dụ : thoại, audio, video, dữ liệu........
Máy phát
Là thiết bị biến đổi tin tức thành tập tín hiệu tương ứng.
Chuyển phổ tín hiệu từ trung tần lên cao tần.
Lọc để loại bỏ nhiễu.
Khuếch đại tín hiệu để bù trừ suy hao.
Bức xạ tín hiệu vào môi trường truyền.
Đường truyền tin
Là môi trường vật lí, trong đó tín hiệu truyền đi từ máy phát sang máy
thu. Trên đường truyền có những tác động làm mất năng lượng, thông
tin của tín hiệu.


17
4. Máy thu
- Máy thu thực hiện phép biến đổi ngược lại với máy phát, biến đổi tín
hiệu thu được thành tín hiệu tin tức tương ứng.
- Lọc để loại bỏ nhiễu.
- Khuếch đại tín hiệu.
5. Nhận tin
Có 3 chức năng là:
- Ghi giữ tin ( ví dụ: bộ nhớ máy tính, băng ghi âm, ghi hình...)
- Biểu thị tin: làm cho các giác quan của con người hoặc các bộ phận
cảm biến của máy thu cảm thụ được để xử lí tin ( ví dụ: băng ghi âm,
chữ số, hình ảnh...).
- Xử lí tin: biến đổi tin để đưa nó về dạng dễ sử dụng. Chức năng này có

thể được thực hiện bởi con người hoặc máy.
6. Kênh truyền tin
- Là tập hợp các kĩ thuật thiết bị phục vụ cho việc truyền tin từ nguồn
đến nơi nhận tin.
7. Nhiễu
- Là mọi yếu tố ngẫu nhiên có ảnh hưởng xấu đến việc thu tin. Những
yếu tố này tác động xấu đến tin truyền đi từ bên phát đến bên thu.
8. Định dạng số
- Thực hiện biến đổi tin tức cần truyền ở dạng tín hiệu liên tục hay số
thành chuỗi các bít nhị phân.
9. Mã hóa nguồn và giải mã nguồn
- Tin tức có thể được đưa trực tiếp vào kênh để truyền đi, nhưng trong
thực tế, tin này thường được biến đổi rồi đưa vào kênh truyền. Ví dụ:
tin là một văn bản chữ, nguồn tin có 40 kí tự (symbol) khác nhau, gồm
các mẫu alphalet, con số, dấu chấm câu.... về nguyên tắc ta có thể sử
dụng 40 dạng sóng điện áp khác nhau để biểu thị 40 kí tự này. Tuy
nhiên, phương pháp này quá khó để thực hiện hay không thể thực hiện
được vì:
+ Kênh truyền không phù hợp về mặt vật lí để có thể mang nhiều kí tự
khác nhau.
+ Dải tần yêu cầu sẽ rất rộng.


18
+ Việc lưu trữ hay xử lí tín hiệu trước khi truyền sẽ rất khó, trong khi nếu
chuyển sang nhị phân thì mọi việc sẽ dễ dàng hơn.
Vậy ta thấy cần phải thay đổi dạng của tín hiệu ban đầu do nguồn cung
cấp. Công việc thay đổi dạng tín hiệu này được gọi là mã hóa ( encoding).
Mã hóa nguồn nhằm loại bỏ độ dư thừa trong các kí tự dùng để mã
hóa, làm cho việc truyền và lưu trữ thông tin trở nên hiệu quả hơn.

10.Mã hóa mật và giải mã mật
- Thực hiện mã hóa và giải mã chuỗi bít theo một khóa xác định nhằm
bảo mật tin tức.
11.Mã hóa kênh và giải mã kênh
- Nhằm chống nhiễu và các tác động xấu khác của đường truyền dẫn.
12.Ghép kênh và phân kênh
- Tập hợp các tín hiệu từ băng gốc số và phân chia tín hiệu số từ tín hiệu
băng gốc số. Thực hiện việc truyền tin từ nguồn tin khác nhau tới các
đích khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn.
13.Điều chế và giải điều chế
- Tác động lên các dòng xung nhị phân để thông tin nó mang có thể
truyền qua một thiết bị vật lí nào đó, ở một tốc độ nào đó, với độ méo
có thể chấp nhận được, trong dải tần xác định hay được phân bố.
- Bộ điều chế có thể thay đổi các mức điện áp riêng lẻ, các bit, sửa dạng
xung tín hiệu lọc để giới hạn độ rộng dải thông và cần thay đổi phù hợp
với băng tần cho phép. Vì vậy đầu vào của bộ điều chế là tín hiệu số ở
dải gốc trong khi đầu ra thường là dạng sóng thông giải.
- Bộ giải điều chế bên thu chuyển đổi từ dạng sóng thu được thành tín
hiệu ở dải gốc.
14.Trải phổ
- Cơ sở của kĩ thuật trải phổ cũng dựa trên định lí về thông lượng kênh
của Shannon-hartley.
- Khi phổ rất lớn với cùng một dung lượng kênh, người ta có thể truyền
dữ liệu với tỉ lệ lỗi rất thấp. Nhờ kỹ thuật trải phổ ta có thể phát tín hiệu
với công suất nhỏ nhằm mục đích che giấu tín hiệu vào trong nhiễu,
nhờ đó đối phương không phát hiện được khi nào thì truyền tin. Kỹ


19
thuật này dùng mã ngẫu nhiên để trải phổ nên rất khó để giải mã thông

tin.
- Đặc điểm của hệ thống thông tin trải phổ:
+ Phổ rộng.
+ Độ bảo mật thông tin cao.
+ Cho phép chống fading đa đường rất tốt.
15.Đa truy nhập
- Cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập mạng thông tin để sử dụng
hệ thống truyền dẫn theo nhu cầu.
16.Lọc để hạn phổ
- Loại bỏ năng lượng thấp để chống nhiễu cho hệ thống bên cạnh và lọc
thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gay bởi đường truyền.
+ Trộn để đưa tín hiệu lên tần số công tác.
+ Khuếch đại công suất để bù đắp tổn hao của môi trường.
+ Bức xạ ra môi trường.
17.Đồng bộ
- Bao gồm đồng bộ nhịp và đồng bộ sóng mang đối với các hệ thống
thông tin liên kết.
- Các khối tương ứng ở phía thu thực hiện ngược lại ở phía phát.
- Đối với hệ thống thông tin số thì MODEM đóng vai trò như một bộ não
của con người. Các khối chức năng còn lại không phải là bắt buộc đối
với mọi hệ thống thông tin.
1.3.Các tham số đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số
Trong viễn thông, khi truyền thông tin có hai hạn chế : hạn chế về mặt dải
thông và hạn chế về tạp âm. Phải có một dải thông đủ rộng để truyền được
thông tin trong thời gian ngắn, đặc biệt là các hệ thống thông tin trong thời
gian thực. Tuy nhiên nếu dải thông quá lớn sẽ gây lãng phí băng tần mà băng
tần là một nguồn tài nguyên quý giá vô hạn. Mặt khác các yếu tố cơ bản tác
động tới quá trình truyền dẫn tín hiệu số trên các loại kênh truyền dẫn là luôn

20
xảy ra như: xuyên nhiễu giữa các dấu (ISI), méo tín hiệu, sai pha đồng hồ, sai
pha sóng mang, can nhiễu, hiệu ứng dopler do các máy đầu cuối thu, phát di
động so với nhau và sự biến đổi theo thời gian của kênh truyền, nhiễu kênh
lân cận.
Đối với hệ thống thông tin số, chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống là
xác suất lỗi bit (BER) và Jintter ( rung pha hay trôi pha). Tùy thuộc vào từng
loại dịch vụ mà các hệ thống viba có những đòi hỏi khác nhau về BER và
Jitter.
BER (Bit Error Ratio) thường được hiểu là tỉ lệ giữa số bit nhận bị lỗi trên
tổng số bit đã truyền trong một khoảng thời gian xác định. Khi thời gian quan
sát tiến đến vô hạn thì tỉ lệ này tiến tới xác suất lỗi bit.
Trong thực tế thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỉ lệ lỗi bit chỉ
gần bằng với xác suất lỗi bit, tuy nhiên trong nhiều trường hợp thực tế người
ta cũng xem BER là xác suất lỗi bit. Trong nhiều trường hợp, ứng với các loại
dịch vụ nhất định, các tham số phát sinh về độ chính xác truyền tin thường
được xét đến là các giây bị lỗi trầm trọng. Trong một số hệ thống thông tin số
sử dụng các biện pháp mã hóa hiệu quả tiếng nói như đối với điện thoại di
động thì độ chính xác truyền tin cũng được thể hiện qua tham số chất lượng
tiếng nói xét về khía cạnh chất lượng dịch vụ.
Khả năng truyền tin nhanh chóng của hệ thống thông tin số thường được
đáng giá qua dung lượng tổng cộng B của hệ thống. Dung lượng của hệ thống
tùy thuộc vào băng tần truyền dẫn của hệ thống, sơ đồ điều chế và mức độ tạp
nhiễu…
Đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện tại, các tín hiệu số nhận giá trị
trong một tập hợp hữu hạn các giá trị và có thời gian tồn tại hữu hạn. Khi tập
các giá trị bao gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống đó được gọi là nhị phân và
tín hiệu khi đó được gọi là bit. Khi số giá trị có thể có là M (M # 2) thì hệ
thống được gọi là hệ thống M mức và tín hiệu được gọi là kí hiệu (symbol).

21
Gọi giá trị của symbol thứ k là D và thời gian tồn tại của nó là T.
Ở đầu thu tín hiệu khôi phục là D1 và độ rộng là T1.
Nếu D1 # D thì tín hiệu thứ k được gọi là bị lỗi.
Nếu T1 # T thì tín hiệu thứ k được gọi là có Jitter.
Đối với hệ thống nhị phân, BER được định nghĩa là:
BER = P ( D1 # D) với P là xác suất
Trong trường hợp hệ thống truyền dẫn nhiều mức thì P được gọi là tỷ lệ lỗi
symbol.
+ Đối với các hệ thống truyền tín hiệu thoại, yêu cầu BER < 10 -6 và do thọi ít
nhạy với Jitter nên có thể cho phép Jitter khá cao.
+ Đối với tín hiệu truyền hình, nếu sử dụng điều xung mã (PCM) thì BER đòi
hỏi cũng như tín hiệu thoại song cần chú ý tốc độ của truyền hình là khá cao.
Khi sử dụng ADPCM (điều chế xung mã vi sai tự thích nghi) để truyền tín
hiệu truyền hình thì yêu cầu BER < 10 -9, thậm chí yêu cầu BER < 10-12. Nói
chung các tín hiệu truyền hình rất nhạy cảm với Jitter.
+ Đối với truyền số liệu thì BER từ 10-11 – 10-13.
Khi BER > 10-13 thì hệ thống được xem như là gián đoạn vì khi đó dịch vụ
telex là loại hình dịch vụ cho phép truyền dẫn kém nhất cũng không thể
truyền được.
Trên thực tế người ta còn sử dụng một số thông số như các chỉ tiêu về xác
suất gián đoạn thông tin, các chỉ tiêu tỉ số lỗi thấp, chỉ số lỗi cao, các chỉ tiêu
các giây không lỗi trong một thời gian dài, các chỉ tiêu đột biến, tính khả dụng
của hệ thống…để đánh giá chất lượng hệ thống.


22
1.4.Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thông dải thông qua điều chế sóng
mang

Thuật ngữ băng cơ sở chỉ miền tần số của tín hiệu bản tin và thường đó là
tín hiệu băng thông thấp. Tín hiệu băng cơ sở có thể ở dạng số hoặc tương tự.
Ví dụ tín hiệu ở lối ra của máy tính có thể coi là tín hiệu số băng cơ sở.
Để truyền dẫn tín hiệu bản tin phải chuyển thành tín hiệu phát có tính chất
phù hợp với kênh truyền.
Trong truyền dẫn băng cơ sở, băng tần kênh hỗ trợ phù hợp với băng tần
tín hiệu bản tin, nên có thể truyền trực tiếp tín hiệu bản tin,
Trong truyền dẫn băng thông dải, băng tần của kênh có tần số trung tâm
lớn hơn nhiều tần số cao nhất của tín hiệu bản tin. Khi đó tín hiệu được phát
đi là tín hiệu băng thông dải (phù hợp với kênh truyền) mang thông tin của tín
hiệu bản tin. Việc tạo ra tín hiệu băng thông dải được gọi là điều chế.
Sóng mang với tần số thích hợp có thể truyền đi xa trong môi trường
truyền dẫn (như dây đồng, cáp đồng trục, khoảng không….). Dựa trên việc
biến đổi các tham số của sóng mang (biên độ, tần số, pha) mà thông tin có thể
truyền đi xa theo yêu cầu truyền tin được gọi là kỹ thuật điều chế sóng mang.
Sau khi điều chế tín hiệu tin tức ở vùng tần số thấp sẽ được truyền lên vùng
tần số cao để truyền đi xa.

Hình 1.4: Sơ đồ điều chế sóng mang


23
Khi truyền tín hiệu đi xa, do ảnh hưởng của đường truyền và các tác động
không mong muốn tham gia vào quá trình xử lí và truyền dẫn tín hiệu nên cần
tốn một năng lượng nhất định. Để xây dựng một hệ thống số với xác suất nhất
định cho trước, với dung lượng truyền dẫn theo yêu cầu nào đó thì cần lưu ý
rằng độ rộng băng tần sử dụng và công suất tín hiệu là hai tham số ngược
nhau. Nếu sử dụng băng tần nhỏ để tăng dung lượng hệ thồng thì phải tăng
công suất tín hiệu, ngược lại nếu muốn công suất tín hiệu nhỏ thì băng tần
truyền dẫn phải lớn. Công suất tín hiệu phải nhỏ nhất là một trong những tiêu

chí truyền dẫn. Mặt khác, băng tần truyền dẫn là một tài nguyên quý hiếm cần
phải chia sẻ cho nhiều người dùng cùng sử dụng nên việc hạn chế băng tần tối
thiểu cho mỗi hệ thống cũng là một tiêu chí tối ưu. Bài toán tối ưu của hệ
thống truyền dẫn số xác định những nguyên lí cơ bản xoay quanh các bài toán
xác định cấu trúc hệ thống, Thực tế của bài toán là việc lựa chọn tập tín hiệu
hay phương thức điều chế nhằm đạt được hiệu quả phổ theo yêu cầu với công
suất tín hiệu nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được xác suất thu lỗi đã cho.
Việc xử lí tín hiệu băng gốc số thành dạng thích hợp để truyền trên kênh
thông tin phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn, do các loại kênh thông tin có
các đặc tính và hạn chế riêng. Muốn xác định sơ đồ điều chế thích hợp cần
xem xét tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm ứng với tỷ lệ lỗi bít cho trước, hiệu suất sử
dụng đo bằng b/sHz và tính phức tạp của hệ thống cũng như giá thành thiết bị.
1.5.Các phương pháp điều chế số
Điều chế sóng mang là quá trình gắn tin tức lên một tải tin (sóng mang) có
tần số phù hợp với môi trường truyền. Tải tin là sóng mang hình sin với tham
số có thể thay đổi được theo quy luật của tín hiệu là biên độ, tần số và góc
pha.
Biểu diễn của tín hiệu điều chế:

Trong đó

A: là biên độ sóng mang


24
fc : là tần số sóng mang
: là pha sóng mang
Nếu tín hiệu đưa đến điều chế các thông số nói trên là tín hiệu liên tục thì
ta có điều chế tương tự. nếu tín hiệu đưa đến là tín hiệu số thì ta có điều chế
số.

Trong thông tin số, tín hiệu đưa đến để điều chế là tín hiệu nhị phân hay
dạng mã hóa M mức của luồng tín hiệu nhị phân này. Trong trường hợp điều
chế số thì tín hiệu điều chế cũng làm thay đổi biên độ, pha và tần số của sóng
mang. Tương ứng ta có các phương pháp điều chế khác nhau.
Các kỹ thuật điều chế sóng mang số được phân loại cơ bản như sau:
Điều chế đồng bộ bao gồm
- Đồng bộ nhị phân : ASK, FSK, PSK
- Đồng bộ hạng M : ASK hạng M, PSK hạng M, FSK hạng M nhơ
QPSK, QAM.
Điều chế không đồng bộ bao gồm:
- Không đồng bộ nhị phân: ASK không đồng bộ, FSK không đồng bộ.
Với PSK không có đồng bộ (vì không đồng bộ nghĩa là không có thông
tin về pha), nhưng thay vào đó DPSK không đồng bộ.
- Không đồng bộ hạng M cũng có với ASK, FSK, DPSK nhưng phức
tạp.
Trong máy phát, tín hiệu tin tức được điều chế tín hiệu sóng mang. Tín
hiệu sóng mang sau khi được điều chế sẽ được gửi tới máy thu nơi giải điều
chế sóng mang xảy ra để khôi phục tin tức tín hiệu. Thực hiện giải điều chế ở
máy thu có thể dùng tách sóng kết hợp hoặc không kết hợp. Tồn tại nhiều sơ
đồ tách sóng cho người thiết kế hệ thống thông tin số để truyền trên kênh
thông dải. Mỗi sơ đồ có những ưu nhược điểm riêng nên việc chọn sẽ ưu tiên
sơ đồ có tốc độ số liệu cực đại, xác suất lỗi symbol cực tiểu, công suất phát


25
cực tiểu, độ rộng kênh cực tiểu, khả năng chống nhiễu cực đại, mức độ phức
tạp của thiết bị cực tiểu…. Tuy nhiên cần lưu ý một số tiêu chuẩn trên đối lập
nhau, nên phải lựa chọn một giải pháp dung hòa để thỏa mãn càng nhiều tiêu
chí trên càng tốt.
1.6.Tổng kết chương

Trong chương 1 đã nghiên cứu và tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông
tin và sâu hơn là hệ thống thông tin số. Nguyên lí hoạt động, các phương pháp
điều chế của hệ thống thông tin số đã được làm rõ ở chương này.