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

Header Page 1 of 237.

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

Footer Page 1 of 237.


Header Page 2 of 237.

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................................ IV
TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ Error! Bookmark not defined.
MỞ ĐẦU ........................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Đặt vấn đề ................................................................................... Error! Bookmark not defined.

Tóm tắt........................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Mục tiêu ...................................................................................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 1 .................................................................................... Error! Bookmark not defined.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU SỐ ................ Error! Bookmark not defined.
1.1. Phân tích dạng xung cơ bản ................................................. Error! Bookmark not defined.
1.1.1. Cơ bản về xung băng tần cơ sở .................................... Error! Bookmark not defined.
1.1.2. Các tham số băng tần cơ sở .......................................... Error! Bookmark not defined.
1.1.3. Phân tích dạng xung tín hiệu ........................................ Error! Bookmark not defined.
1.1.4. Phân tích mẫu mắt ........................................................ Error! Bookmark not defined.
1.2. Phân tích vector tín hiệu điều chế số ................................... Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Cơ bản về điều chế tín hiệu số ...................................... Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Nguyên lý phân tích vector tín hiệu điều chế ............... Error! Bookmark not defined.
1.2.3. Kết quả phân tích vector tín hiệu số ............................ Error! Bookmark not defined.
1.3. Phân tích phổ tần số ............................................................. Error! Bookmark not defined.
1.3.1. Chuyển đổi giữa miền thời gian và miền tần số ........... Error! Bookmark not defined.
1.3.2. Nguyên lý máy phân tích phổ tín hiệu ......................... Error! Bookmark not defined.
1.3.3. Kết quả phân tích phổ ................................................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2 .................................................................................... Error! Bookmark not defined.
CÁC QUY TRÌNH ĐO LƢỜNG ................................................... Error! Bookmark not defined.
2.1. Đo dạng xung ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.1. Máy đo dạng xung ....................................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.2. Quy trình đo dạng xung ............................................... Error! Bookmark not defined.
2.2. Đo mẫu mắt tín hiệu ........................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.1. Các máy đo mẫu mắt .................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2. Quy trình đo mẫu mắt tín hiệu ...................................... Error! Bookmark not defined.
2.3. Phân tích vector tín hiệu điều chế ........................................ Error! Bookmark not defined.
2.3.1. Các thiết bị phân tích vector ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.3.2. Quy trình phân tích vector ............................................ Error! Bookmark not defined.
2.4. Phân tích phổ tín hiệu .......................................................... Error! Bookmark not defined.
2.4.1. Các thiết bị phân tích phổ tín hiệu ................................ Error! Bookmark not defined.

2.4.2. Quy trình phân tích phổ tín tín hiệu.............................. Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3 .................................................................................... Error! Bookmark not defined.
MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐO ............................. Error! Bookmark not defined.
3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng OpticSystem 7.0 .............. Error! Bookmark not defined.
3.2. Phân tích kết quả đo dạng xung .......................................... Error! Bookmark not defined.
3.3. Phân tích kết quả đo mẫu mắt............................................. Error! Bookmark not defined.
3.4. Phân tích kết quả phân tích vector ...................................... Error! Bookmark not defined.
3.5. Phân tích kết quả phân tích phổ .......................................... Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN .................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Ƣu điểm và hạn chế của từng kỹ thuật phân tích ....................... Error! Bookmark not defined.
- Phương pháp phân tích dạng xung .......................................... Error! Bookmark not defined.
- Phương pháp phân tích mẫu mắt tín hiệu ................................ Error! Bookmark not defined.
- Phương pháp phân tích phổ tín hiệu ........................................ Error! Bookmark not defined.
- Phương pháp phân tích vector tín hiệu .................................... Error! Bookmark not defined.
Kết luận ...................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Đề xuất........................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Footer Page 2 of 237.


Header Page 3 of 237.

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .............................. Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................. Error! Bookmark not defined.

Footer Page 3 of 237.


Header Page 4 of 237.

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn tín hiệu số ....................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.2: Lấy mẫu tín hiệu với các tần số khác nhau ....................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3: Các mức lượng tử hóa đồng nhất ...................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.4: Lượng tử hóa đồng nhất tín hiệu hình sin ......................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.5: Lỗi lượng tử hóa .............................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.6: Giản đồ các loại mã đường truyền .................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.7: Mặt nạ xung chuẩn tốc độ 2048kbit/s ............................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.8: Phổ công suất của một số loại mã đường ......................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.9: Sơ đồ cấu tạo máy hiện dao động (osilloscope).............Error! Bookmark not defined.
Hình 1.10: Sơ đồ khối chức năng máy hiện sóng tín hiệu số .........Error! Bookmark not defined.
Hình 1.11: Dạng xung tín hiệu tại đầu thu .....................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.12: Kết quả của phép phân tích mẫu mắt tín hiệu ..............Error! Bookmark not defined.
Hình 1.13: Độ rộng mắt truyền dẫn ...............................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.14: Kết quả hiển thị độ mở mắt tín hiệu .............................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.15: Mẫu mắt tín hiệu và các giá trị mức “1”, “0” ............Error! Bookmark not defined.
Hình 1.16: Kết quả minh họa rung pha tín hiệu.............................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.17: Sơ đồ khối điều chế ASK ..............................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.18: Dạng tín hiệu khi điều chế khóa dịch biên độ ASK ......Error! Bookmark not defined.
Hình 1.19a: Sơ đồ khối giải điều chế không kết hợp tín hiệu ASK Error! Bookmark not defined.
Hình 1.19b: Sơ đồ khối giải điều chế kết hợp tín hiệu ASK ...........Error! Bookmark not defined.
Hình 1.20: Sơ đồ khối điều chế FSK ..............................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.21: Sơ đồ khối giải điều chế FSK .......................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.22: Sơ đồ khối giải điều chế FSK .......................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.23: Giản đồ chòm sao với tín hiệu 2, 4, 16 và 256-QAM ...Error! Bookmark not defined.
Hình 1.24: Sơ đồ khối chức năng bộ điều chế QAM ......................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.25: Sơ đồ khối chức năng bộ giải điêu chế QAM ...............Error! Bookmark not defined.
Hình 1.26: Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động thiết bị phân tích vector tín hiệu sốError! Bookmark not defi
Hình 1.27: Sự chồng phổ các kí hiệu..............................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.28: Sử dụng băng thông dự trữ để loại bỏ chồng phổ ........Error! Bookmark not defined.

Hình 1.29: Kết quả đo vector lỗi ....................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.30: Kết quả đo vùng vector lỗi ...........................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.31: Kết quả lỗi pha điều chế ...............................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.32: Lỗi dịch gốc I/Q tín hiệu điều chế ................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.33: Đồ thị biểu diễn hệ số không cân bằng ........................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.34: Lỗi mất cân bằng cầu phương ......................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.35: Giản đồ vector mất cân bằng cầu phương ...................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.36: Đồ thị méo pha tín hiệu ................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.37: Giản đồ chòm sao thể hiện tín hiệu nhiễu tín hiệu .......Error! Bookmark not defined.
Hình 1.38: So sánh số phép tính phải thực hiện của DFT, FFT và SDFTError! Bookmark not defined.
Hình 1.39: Sơ khối chức năng máy phân tích phổ tín hiệu số ........Error! Bookmark not defined.
Hình 1.40: Sơ đồ chức năng khối thích ứng tín hiệu ......................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.41: Dạng xung tín hiệu của tần số tín hiệu, tần số quét và tần IFError! Bookmark not defined.
Hình 1.42: Sơ đồ khối chức năng máy phân tích quang phổ .........Error! Bookmark not defined.
Hình 1.43: Phương pháp phân tích cố định được sử dụng để đo PMDError! Bookmark not defined.
Hình 1.44: Nguyên lý đo CD ..........................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.45: Các đường cong thu được với phương pháp xấp xỉ bậc haiError! Bookmark not defined.
Hình 1.46: Biểu diễn SNR của tín hiệu ...........................................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.1: Thiết bị Puma 4300 của hãng Consultronics .................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.2: Thiết bị dao động ký số GAO PS1042M ........................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.3: Thiết bị E20C của hãng SunriseTelecom .......................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5: Kết nối trực tiếp đo dạng xung tín hiệu ..........................Error! Bookmark not defined.
Footer Page 4 of 237.


Header Page 5 of 237.

Hình 2.6: Kết nối cầu (bridge) đo giám sát dạng xung ..................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.7: Kết nối thiết bị đo với cổng đo điểm đo của hệ thống ....Error! Bookmark not defined.
Hình 2.8: Màn hình thiết lập phép đo của máy EST-125-Acterna .Error! Bookmark not defined.

Hình 2.9: Kết quả phân tích dạng xung tín hiệu ở dạng đồ thị và bảngError! Bookmark not defined.
Hình 2.10: Thiết bị AT7000 ............................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.11: Thiết bị GPIB ...............................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.12: Thiết bị WaveExpert .....................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.13: Thiết bị đo mắt truyền dẫn MP1026B hãng Inritsu .....Error! Bookmark not defined.
Hình 2.14: Kết nối xung đồng hồ cho thiết bị đo ...........................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.15: Thiết bị phân tích vector tín hiệu số Agilent 1680 ......Error! Bookmark not defined.
Hình 2.16: Thiết bị FSQ-K70 của hãng Rohde-Schwarz ...............Error! Bookmark not defined.
Hình 2.18: Sơ đồ kết nối thiết bị qua bộ chia .................................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.19: Sơ đồ kết nối trực tiếp ..................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.23: Thiết bị MTS-8000, hãng sản xuất JDSU.....................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.27: Sơ đồ kết nối thực hiện đo ............................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1: Giao diện khởi động phần mềm OptiSystem 7.0 ............Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2: Giao diện cửa sổ làm việc của phần mềm ......................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.3: Chọn thiết bị và thiết kế hệ thống ...................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.4: Chạy mô phỏng hệ thống................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.5: Kết quả đo trên phần mềm .............................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.6: Kết quả đo dạng xung tín hiệu tiêu chuẩn T1 ................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.7: Kết quả hiển thị mẫu mắt tín hiệu cảu thiết bị Inritsu....Error! Bookmark not defined.
Hình 3.9: Pha của tín hiệu GSM ....................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.10: Kết quả phân tích vectortín hiệu dịch vụ GSM ............Error! Bookmark not defined.
Hình 3.11: Kết quả đo biên độ các thành phần I/Q khi phân tích vector tín hiệuError! Bookmark not def
Hình 3.12: Kết quả phân tích lỗi điều chế tín hiệu 8-PSK của dịch vụ EDGEError! Bookmark not define
Hình 3.13: Kết quả phân tích phổ tín hiệu quang hệ thống DWDMError! Bookmark not defined.
Hình 3.14: Kết quả phân tích phổ quang hệ thống DWDM ...........Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU
Các công nghệ viễn thông ngày càng phát triển kéo theo nhu cầu sử dụng và các
yêu cầu về chất lƣợng dịch vụ cung cấp cho khách hàng ngày càng cao. Do đó việc đo
lƣờng, đánh giá các tham số chất lƣợng truyền dẫn thông tin là một yêu cầu cấp thiết

với các nhà cung cấp dịch vụ nhằm khẳng định đƣợc thƣơng hiệu và cũng để đáp ứng
đƣợc yêu cầu của khách hàng ngày một tốt hơn. Để làm chủ đƣợc các hệ thống đo
kiểm thì trƣớc hết phải nắm vững đƣợc 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 lường 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 đƣợc 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 phƣơng pháp đo kiểm
cần phải biết là đo đƣợc 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 lường và phân tích tín
hiệu số” bao gồm:
- Chương 1: Các cơ sở lý thuyết về phân tích tín hiệu số. Nội dung của chƣơng
trình bày cơ sở lý thuyết về phân tích tín hiệu số. Luận văn tập trung vào bốn phƣơng
Footer Page 5 of 237.


Header Page 6 of 237.

pháp phân tích tín hiệu số đƣợc 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 đƣợc phân tích, về
nguyên lý của kỹ thuật phân tích và các tham số thu đƣợc khi thực hiện phép đo.
- Chương 2: Các quy trình đo lƣờng. Nội dung của chƣơng 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.
- Chương 3: Giới thiệu phần mềm mô phỏng và phân tích ví dụ kết quả đo.
Chƣơng 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 ƣu điểm, nhƣợc 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.

Footer Page 6 of 237.


Header Page 7 of 237.

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 tƣơng tự. Giọng nói con
ngƣời, các âm thanh là các tín hiệu tƣơng tự do vậy các dịch vụ viễn thông hiện nay
chủ yếu là nhằm truyền tải các tín hiệu tƣơng tự. Vì các đặc tính về suy hao, xuyên
nhiễu, môi trƣờng truyền, băng thông truyền mà tín hiệu tƣơng tự không thể truyền đi
xa đƣợc. Do đó các kỹ thuật số hóa tín hiệu tƣơng tự ra đời nhằm đáp ứng đƣợc các
yêu cầu về truyền tải thông tin. Qúa trình biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tƣơng tự để
truyền đi xa gồm các bƣớc cơ bản: lấy mẫu, lƣợng tử hóa, mã hóa/giải mã và điều
chế/giải điều chế.

Tín hiệu
tƣơng tự

A/D

Mã hóa

Mã hóa
kênh

Điều
chế

Khuếch đại
công suất

Môi trƣờng
truyền tín hiệu

Thuê bao
tƣơng tự

D/A

Giải mã

Giải mã
kênh

Giải điều
chế

Khuếch đại
công suất

Thuê
bao số

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn tín hiệu số

a, Nguyên lý lấy mẫu
Tín hiệu tƣơng tự liên tục theo thời gian nhƣng trong quá trình xử lý tín hiệu, để xử
lý đƣợc tín hiệu liên tục cần bộ nhớ rất lớn và tốc độ xử lý cao vì vậy thông thƣờng 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
mẫu. Các giá trị này sẽ đƣợc chuyển thành số nhị phân để có thể xử lý đƣợc. Vấn đề ở
Footer Page 7 of 237.


Header Page 8 of 237.

đây là phải lấy mẫu nhƣ 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 tƣơng 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:

fs = 16f

fs = 8f

fs = 4f

fs = 2f

Hình 1.2: Lấy mẫu tín hiệu với các tần số khác nhau

Nhƣ vậy, ta thấy rằng nếu tần số lấy mẫu càng cao thì dạng của tín hiệu càng có
khả năng khôi phục giống nhƣ tín hiệu gốc. Tuy nhiên, nếu tần số càng cao thì
cần phải dùng dung lƣợng lớn hơn để lƣu trữ và đồng thời tốc độ xử lý sẽ chậm lại
do cần xử lý số lƣợng 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 trƣớc khi lấy mẫu. Nhƣ 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, Lượng tử hoá

Footer Page 8 of 237.


Header Page 9 of 237.

Lƣợng 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 bƣớc lƣợng tử). Nếu q không thay đổi thì quá trình lƣợng tử
gọi là đồng nhất. Quá trình này thực hiện bằng hàm bậc thang mô tả nhƣ sau:

Hình 1.3: Các mức lượng tử hóa đồng nhất

Quá trình lƣợng tử có thể thực hiện bằng cách định nghĩa giá trị trung tâm của hàm
lƣợng tử. Ví dụ nhƣ trong hình trên, các giá trị trong khoảng từ (n – ½)q đến (n + ½)q

sẽ đƣợc làm tròn là n. Phƣơng pháp này sẽ cực tiểu hóa công suất của tín hiệu lỗi.
Một phƣơng 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

Footer Page 9 of 237.


Header Page 10 of 237.

Hình 1.5: Lỗi lượng tử hóa

Nhƣ vậy, quá trình lƣợng tử hóa sẽ làm méo dạng tín hiệu và xem nhƣ tồn tại một
tín hiệu nhiễu. Sự méo dạng này gọi là méo lƣợng tử hay còn gọi là nhiễu lƣợng tử.
s(n) = sq(n) + e(n)

(1-2)

Biên độ của tín hiệu nhiễu lƣợng tử sẽ nằm trong khoảng (-q/2,q/2). Do sai số
lƣợng tử không biết trƣớc nên việc mô tả sai số lƣợng 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 lƣợng tử hóa là quá
trình ngẫu nhiên dừng).
+ Nhiễu lƣợng tử e(n) là chuỗi các biến ngẫu nhiên không tƣơng quan.
+ Nhiễu lƣợng tử e(n) không tƣơng 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 lƣợng
tử.
Nhƣ vậy, nhiễu lƣợng tử đƣợc phân bố đều trên khoảng (-q/2,q/2) và có phƣơng
sai (công suất nhiễu lƣợng tử) là:

 e2 

(1-3)

q2
12

Tín hiệu đƣợc lấy mẫu và lƣợng tử hóa bao gồm một tập hợp các số và đƣợc lƣu
trữ ở dạng nhị phân. Đối với số nhị phân N bit sẽ có tối đa 2N giá trị khác nhau ứng
với 2N mức lƣợng tử khác nhau. Nhƣ vậy, phạm vi lƣợng tử sẽ bị giới hạn trong
khoảng từ q đến 2Nq, bất kỳ biên độ tín hiệu nào vƣợt quá giá trị này thì sẽ bị cắt bỏ.
Giả sử tín hiệu mã hóa có biên độ trong khoảng [-Am,Am ]
Am  2 N .

q
2

(1-4)

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

Footer Page 10 of 237.


Header Page 11 of 237.

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 thƣờng đƣợc 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 ƣu 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 ngƣỡng 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 dƣơng, luân phiên thay đổi với chuỗi bit 1 liên tiếp
- Pseudoternary
0 = hiệu thế âm hoặc dƣơng, 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, dƣơng 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 đƣợc 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 đƣợc đặc
trƣng bởi hai pha điện thế (Biphase) nên luôn có sự thay đổi mức điện thế ở từng bit
do đó tạo điều kiện cho máy thu phục hồi xung đồng hồ để tạo đồng bộ. Do có khả
Footer Page 11 of 237.


Header Page 12 of 237.

năng tự thực hiện đồng bộ nên loại mã này có tên Self Clocking Codes. Mỗi bit đƣợc
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, ngƣời 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 đƣa
đến các vi phạm luật biến đổi của bit 1, nhƣng chính nhờ các bit vi phạm này mà máy
thu nhận ra để có biện pháp giải mã thích hợp. Dƣới đây giới thiệu hai dạng mã đã
đƣợc ngẫu nhiên hóa và đƣợc 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 đƣợc thay bởi một chuỗi 8 bit
có cả bit 0 và 1 với 2 mã vi phạm luật đảo bit 1.
+ Nếu trƣớc chuỗi 8 bit 0 là xung dƣơng, các bit 0 này đƣợc thay thế bởi 000 + - 0

-+
+ Nếu trƣớc chuỗi 8 bit 0 là xung âm, các bit 0 này đƣợc 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 đƣợc 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 trƣớc đó
+

Số bít 1 từ lần thay thế cuối cùng
Lẻ
chẵn
000000+

+00+
-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
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
Footer Page 12 of 237.


Header Page 13 of 237.

Thay chuỗi 3 bit 0 bởi một trong các chuỗi: 00 +, 00 -, - 0 - hay + 0 +, tùy theo cực
tính và số bit 1 trƣớc đó (tƣơng tự nhƣ 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, ngƣời phân tích cần quan tâm tới
các tham số sau:
- Dạng của xung
Là hình dạng của tín hiệu đƣợc tạo ra nhằm truyền tải các dữ liệu có mức logic “1”
và “0”. Mỗi loại mã đƣờng truyền sẽ có một dạng tín hiệu đặc trƣng, có các yêu cầu
tham số kỹ thụật đặc trƣng riêng.
- Phổ của tín hiệu băng tần cơ sở
Phổ của tín hiệu băng tần cơ sở là phổ mật độ công suất. Dạng của phổ tín hiệu
băng cơ sở thƣờng có dạng là đƣờng liên tục do tín hiệu băng tần cơ sở là tín hiệu rời
rạc [3].
- Điện áp đỉnh của tín hiệu

Footer Page 13 of 237.


Header Page 14 of 237.

Là điện áp cực đại của xung tín hiệu đƣợc phát ra và đƣợc thu lại tại điểm thu. Giá
trị điện áp đỉnh với mỗi loại xung đƣợc khuyến nghị trong tiêu chuẩm G.703 của ITUT [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 thƣờng các mức tín hiệu “1” và “0” đƣợc quy định theo điện áp. Khi điện
áp cao hơn giá trị điện áp mức cao thì xung dó đƣợc hiểu là tín hiệu mức logic “1” và
ngƣợc lại khi điện áp tín hiệu thấp hơn giá trị ngƣỡng 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 tƣợng phía đầu thu thu đƣợc bit khác với bit tín hiệu đƣợc 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 ngƣỡng 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, ….

Footer Page 14 of 237.


Header Page 15 of 237.

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

Footer Page 15 of 237.


Header Page 16 of 237.

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
trƣờng. Một tiêu chuẩn đƣợc đƣa ra để đảm bảo tính tin cậy của thông tin nhận đƣợc
đó là hình dạng của xung tín hiệu thu đƣợc 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 đƣợc sau quá trình truyền dẫn. Mặt nạ xung cho biết
các giới hạn tham số vật lý nhƣ sƣờn xung, độ rộng xung, biên độ, điểm quá hạn
(overshoot), điểm dƣới ngƣỡng (undershoot) của một xung tín hiệu. Hình 1.7 thể hiện
mặt nạ xung của tín hiệu tốc độ 2048kbps với các ngƣỡng đƣợc 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 đƣờng biên trong và ngoài là phần giới hạn tin cậy
của tín hiệu tại phía đầu thu. Khi tín hiệu thu đƣợc 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
đƣợc bit đó là “0” hay “1”. Mặt khác, dạng xung còn là căn cứ để đánh giá chất lƣợng
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 ngƣời ta có thể đánh giá đạt/không đạt (pass/fail) cho
một mạng truyền dẫn. Mỗi tốc độ bit, mỗi loại mã đƣờng truyền sẽ có một dạng xung

Footer Page 16 of 237.

Header Page 17 of 237.

đặc trƣng riêng. Do đó, khi đánh giá chất lƣợng 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 đƣợc 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 thƣờng ta sử dụng thiết bị hiện sóng
(oscilloscope). Máy hiện sóng tín hiệu về cơ bản là một thiết bị hiển thị đồ thị đƣợc 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. Cƣờng độ hay độ sáng của sự hiển thị đôi khi đƣợc gọi là trục (Z).
Cấu tạo của một oscilloscope giống nhƣ một màn hình ti vi. Một oscilloscope cũng
gồm một đèn điện tử (Cathode Ray Tube), mặc dù kích thƣớc và hình dạng khác nhau
nhƣng nguyên lí hoạt động thì giống nhau. Bên trong ống là chân không. Chùm điện
tử đƣợc phát ra từ cathode đƣợc làm nóng ở phía sau ống chân không đƣợc gia tốc và
làm cho hội tụ bởi một hay nhiều anodes đập vào phía trƣớc ống làm một điểm trên
màn hình phủ photpho của ống phát sáng.
Chùm điện tử đƣợc bẻ cong, đƣợc 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 phƣơng ngang. Nhƣ sơ mô tả trong sơ đồ chức
năng, chúng đƣợc liên kết với một khối hệ thống gọi là “chu kì cơ sở”. Khối này tạo ra
một sóng dạng răng cƣa nhìn thấy đƣợc trên màn hình oscillocope. Trong khi tăng pha
của xung răng cƣa, điểm sáng đƣợc điều khiển ở cùng tốc độ từ trái tới phải ra phía
trƣớc 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 đƣợc 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 cƣa và đƣợc 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 đƣợc biểu diễn theo
giây, mili giây hay micro giây trên môt phép chia (đơn vị chia).

Footer Page 17 of 237.


Header Page 18 of 237.

Hình 1.9: Sơ đồ cấu tạo máy hiện dao động (osilloscope)

Tín hiệu đƣợc hiển thị đƣợc kết nối với đầu vào. Chuyển mạch DC/AC thƣờng
đƣợc 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 đƣợc đặt ở đƣờng dẫn tín hiệu ngăn cản
tín hiệu một chiều qua nó nhƣng lại cho phép tín hiệu xoay chiều đi qua.
Bộ khuếch đại Y đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc nhìn thấy rõ ràng. Thang đo
thƣờng sử dụng là V/DIV hay là mV/DIV.
Mạch kích đƣợc 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 đƣợc đo và giải thích tín hiệu.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị hiện sóng tƣơng tự và thiết bị hiện
sóng số về cơ bản là giống nhau. Nguyên lý hiện sóng là giống nhau. Osilloscope số
khác osilloscope tƣơng 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 nhƣ sau:

Footer Page 18 of 237.

Header Page 19 of 237.

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 nhƣ 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 tƣơng 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” đƣợc gọi là tốc độ lấy mẫu và đƣơc đo bằng
số mẫu trên giây.
Các điểm mẫu từ ADC đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ nhƣ 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 đƣợc
dùng để tạo nên một bản ghi dạng sóng đƣợc 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 đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ.
Tùy thuộc vào khả năng của máy oscilloscope, việc xử lý thêm các điểm mẫu có
thể đƣợc tiến hành để làm nâng cao chất lƣợng hiển thị. Bộ tiền kích khởi có thể hữu
ích cho phép xem các sự kiện trƣớc điểm kích.
c, Các kết quả khi phân tích dạng xung
Phép phân tích dạng xung thông thƣờng sẽ hiển thị cho biết các tham số nhƣ sau:
- Đánh giá chất lượng xung tín hiệu
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 đƣờng biên giới hạn
Footer Page 19 of 237.

Header Page 20 of 237.

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 trƣờng hợp còn lại, khi
xung tín hiệu có phần nằm ngoài hai đƣờng giới hạn của mặt nạ xung tiêu chuẩn thì có
nghĩa là xung tín hiệu chất lƣợng không tốt.
- Hiển thị thời gian sườn lên và sườn xuống của xung tín hiệu
Cho biết thời gian kéo dài của sƣờn lên và sƣờn dƣới của xung tín hiệu. Theo lý
thuyết thì mỗi bit thông tin đƣợc biểu diễn bằng một xung tín hiệu, đó là các xung
vuông. Tuy nhiên, vì môi trƣờng truyền dẫn là không lý tƣởng, cùng với các yếu tố
gây nhiễu khác mà xung tín hiệu không còn là xung vuông mà có dạng xung nhƣ 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
sƣờn xung. Phép phân tích dạng xung sẽ tham chiếu dạng xung tín hiệu cần đo kiểm
với xung tiêu chuẩn tƣơng ứng. Nếu sƣờn của xung tín hiệu vẫn nằm trọn trong hai
đƣờng 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 đƣờng
truyền khác nhau thì có mức điện áp danh định khác nhau.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Hồ Văn Sung (2007), Xử lý số tín hiệu, tr. 7, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.

Footer Page 20 of 237.

Header Page 21 of 237.

2. TCN 68-171 (1998), Đồng hồ chủ trong mạng đồng bộ, Vụ Khoa học công nghệ Hợp tác quốc tế, tr. 7.
Tiếng Anh
3. Fuqin Xiong (2006), Digital Modulation Techniques, second edition, Atech House,
pp 19-42, pp 99-270.
4. G.703 (10/1998), Physical/electrical characteristics of hierarchical digital
interface, ITU-T, pp 16-24- 42.
5. HP (2002), “Eye-Diagram Analysis User’s Guide”, Agilent Technologies, USA.
6. HP Application Note 243, The Fundamentals of signal analysis, Agilent
Technologies, USA.
7. HP Application Note 1550-4, Optical spectrum analysis basics, Agilent
Technologies, USA.
8. JDSU, “Q-factor”, Pocket guide, JDSU Eningen GmbH, Germany.
9. JDSU, Portable, modular platform designed for the construction, validation and
maintenance of optical fiber networks, User manual, JDSU Eningen GmbH,
Germany.
10. John G. Proakis & Dimitris G. Manolakis, Digital Signal Processing Principles,
Algirithms and Applications, Third Edition.
11. OptiSystem, Optical Communication System Design Software, Getting Started,
Optiwave, Canada.
12. R&S (2008), Vector Signal Analysis, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG, EU.
13. R&S (2008), R&S®FSQ Signal Analyzer, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG,
EU.

Footer Page 21 of 237.


Header Page 22 of 237.

Footer Page 22 of 237.