Điện tử viễn thông chapter 7 DRT NVD khotailieu

Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
Chương 7

THIẾT BỊ VÀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ
7.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Các chủ đề được trình bầy trong chương
√ Sơ đồ khối chung của một hệ thống thu phát số
√ Ngẫu nhiên hóa
√ Khôi phục sóng mang
√ Khôi phục định thời ký hiệu
√ Cân bằng miền thời gian và miền tần số
√ Bộ trộn
√ Các kiến trúc vô tuyến
√ Các vấn đề chung về quy họach tần số trong truyền dẫn vô tuyến số
√ Các cấu hình hệ thống truyền dẫn số
Mục đích chương
√ Hiểu sơ đồ khối chung của một thiết bị truyền dẫn vô tuyến số
√ Hiểu được hoạt động của các phần tử cơ bản trong thiết bị truyền dẫn số
√ Thiết kế đơn giản các phần tử của thiết bị vô tuyến số
√ Nắm được các vấn đề chung khi quy hoach tần số cho một hệ thống truyền dẫn số
√ Hiểu được hoạt động của các cấu hình vô tuyến số
√ Thiết kế cấu hình vô tuyến cho hoạt động cụ thể của một hệ thống vô tuyến số
7.2. CẤU HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ
Sơ đồ khối tổng quát của một hê thống thu phát vô tuyến số được cho trên hình 7.1,
hình này cho thấy một hệ thống vô tuyến số bao gồm các khối chính sau đây:
1. Ghép kênh
2. Khối băng tần gốc
3. Khối MODEM (điều chế và giải điều chế)
4. Khối khuyếch đại IF (trung tần)
5. Khối khuyếch đại RF (vô tuyến)
6. Khối ghép song công Duplexer

Tại phía phát: Các nguồn số phát Si được ghép chung ở bộ ghép luồng. Luồng ghép
được ghép chung với luồng điều khiển từ khối khai thác tại bộ Radio mux (ghép luồng vô
tuyến), sau đó luồng ghép chung được đưa lên bộ mã hóa kênh. Luồng số đầu ra bộ mã hóa
kênh được ngẫu nhiên hóa tại bộ ngẫu nhiên hóa (Scrambler). Sau ngẫu nhiên hóa luồng số
sẽ điều chế sóng mang ở trung tần phát (IF: intermediate frequency). Dao động sóng mang
được tạo ra bởi bộ dao động nội phát thứ nhất (TLO1). Tín hiệu điều chế trung tần được
khuyếch đại bởi bộ khuyếch đại trung tần phát, sau đó được chuyển đổi vào tín hiệu tần số
vô tuyến (RF: radio frequency) bởi bộ biến đổi nâng tần (Up converter). Tại đây tín hiệu
trung tần được trộn với tín hiệu đến từ bộ dao động nội phát TLO2 để được tín hiệu tần số
vô tuyến RF (gọi tắt là tín hiệu vô tuyến). Tiếp theo, tín hiệu vô tuyến được đưa lên bộ
khuyếch đại vô tuyến. Sau đó tín hiệu vô tuyến được đưa qua bộ cách ly siêu cao tần,
nhiệm vụ của bộ cách ly này là chống tín hiệu phản xạ ngược (tín hiệu phản xạ ngược có
-208-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
thể rất lớn nếu đầu ra của bộ khuyếch đại bị hở mạch và nó có thể làm hỏng bộ khuyếch
đại RF). Sau bộ cách ly tín hiệu vô tuyến được đưa qua bộ lọc phát siêu cao tần để đặt phổ
của tín hiệu vô tuyến vào băng thông quy định nhằm tránh gây nhiễu cho các thiết bị thu
phát khác. Để ghép chung vào một anten với tín hiệu thu, circulator được sử dụng.
Circulator là một van ferrit siêu cao tần, nó chỉ cho sóng siêu cao truyền theo một chiều
(chiều chỉ của mũi tên trên hình vẽ). Tín hiệu ở đầu ra của bộ lọc phát siêu cao tần sẽ đi
theo chiều mũi tên vào anten và phát xạ ra ngoài. Một phần tín hiệu có thể đi tiếp vào bộ
lọc SCT thu, tại đây nó bị phản xạ ngược trở lại vào đi tiếp theo chiều mũi tên đến điện trở
50Ω và bị hấp thụ tại điện trở này (điện trở 50Ω có giá trị bằng trở kháng sóng của cáp nối
tần số vô tuyến để đạt được phối hợp trở kháng).

Hình 7.1. Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thu phát vô tuyến số
Tại phía thu: Sóng vô tuyến được thu từ anten và được đi qua circulator theo chiều
mũi tên đưa đến bộ lọc thu siêu cao tần SCT. Sau bộ lọc thu SCT tín hiệu vô tuyến được

đưa đến bộ khuyếch đại tạp âm thấp (LNA: Low noise amplifier). Nhiệm vụ của LNA là
khuyếch đại tín hiệu thu nhưng làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR: signal to noise
ratio) ít nhất. Sau LNA, tín hiệu thu được đưa đến bộ biến đổi hạ tần (Down converter) để
chuyển tần số tín hiệu thu từ tần số vô tuyến RF vào tần số trung tần thu IF. Tại bộ biến đổi
-209-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
hạ tần tín hiệu thu RF được trộn với tín hiệu đến từ bộ dao động nội thu RLO2 để cho đầu
ra tín hiệu thu IF. Tiếp theo tín hiệu thu IF được đưa lên bộ khuyếch đại trung tần thu để
được khuyếch đại đến mức cần thiết cho các tầng sau. Để giảm ảnh hưởng do phađinh gây
ra tại đầu vào máy thu, bộ khuyếch đại IF thu có thể tự động điều chỉnh hệ số khuyếch đại
tùy theo mức tín hiệu đầu vào (dải điều chỉnh có thể lên đến 80dB). Quá trình tự động điều
chỉnh khuyếch đại này được gọi là tự điều khuyếch (AGC: Automatic Gain Control).
Ngoài ra, bộ khuyếch đại IF thu cũng có các mạch điều chỉnh méo pha và biên của tín hiệu
thu do méo đặc tính pha tần và biên tần của đường truyền dẫn gây ra. Sau bộ khuyếch đại
trung tần thu, tín hiệu thu được đưa lên bộ giải điều chế. Đầu ra bộ giải điều chế được đưa
lên bộ giải ngẫu nhiên (Descrambler). Sau đó luồng số thu được đưa lên bộ giải mã kênh,
bộ phân kênh vô tuyến (Radio Demux). Tại bộ phân kênh vô tuyến luồng lưu lượng và
luồng điều khiển được tách riêng. Luồng điều khiển được đưa lên khối khai thác để điều
hành hệ thống còn luồng lưu lượng được đưa đến bộ phân luồng. Bộ phân luồng sẽ phân
chia luồng tổng đến các nơi nhận (Di).
7.3. XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ CÁC PHẦN TỬ CỦA THIẾT BỊ VÔ TUYẾN SỐ
7.3.1. Ngẫu nhiên hóa
Ở vô tuyến số luồng số trước khi đưa lên điều chế sóng vô tuyến được ngẫu nhiên hoá
vì các lý do sau:
√ Tăng thêm các chuyển đổi mức ở luồng số để dễ dàng khôi phục lại đồng hồ từ tín
hiệu thu. Điều này hết sức cần thiết để tái sinh lại luồng số thu.
√ Làm cho phổ của tín hiệu vô tuyến sau điều chế tập trung đồng đều ở một vùng,
tránh tình trạng phổ vạch dẫn đến khoá pha nhầm ở đầu thu.

√ Trong một số trường hợp, ngẫu nhiên hoá các kênh vô tuyến khác nhau sẽ giảm
nhiễu giữa các kênh này khi chúng làm việc ở tần số gần nhau.
Ngẫu nhiên hoá được thực hiện theo hai phương pháp:
√ Ngẫu nhiên hoá đồng bộ (hay ngẫu nhiên hoá khởi động lại).
√ Ngẫu nhiên hoá dị bộ (hay còn gọi là ngẫu nhiên hoá tự đồng bộ).
Nguyên tắc chung của cả hai phương pháp ngẫu nhiên hoá nói trên là luồng số cần
phát được cộng modul-2 với luồng số nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBS: Pseudo Random
Binary Sequence) được tạo ra từ một bộ tạo mã giả ngẫu nhiên. Các bộ tạo mã giả ngẫu
nhiên được xây dựng trên cơ sở các đa thức tạo mã có cấu trúc là một chuỗi các flip-flop
mắc nối tiếp với nhau hay các thanh ghi dịch có dạng tổng quát được cho ở hình 7.2.

g1

g m −1

g2

gi = 1
gi = 0
Hình 7.2. Sơ đồ bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên
Bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên trên hình 7.2 được xác định bởi đa thức thức tạo mã sau:
g(x) = x m + g m−1x m −1 + ... +g1x + 1

(7.1)

-210-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
trong đó gi=0 hoặc 1 tùy thuộc vào vị trí khóa trên hình 7.2 mở hay đóng.

Số phần tử nhớ trong thanh ghi dịch xác định độ dài của chuỗi PRBS. Nếu đa thức tạo
mã được chọn hợp lý (đa thức nguyên thủy), thì độ dài của chuỗi PRBS sẽ đạt giá trị cực
đại và bằng:
N = 2m −1

Có hai sơ đồ ngẫu nhiên hóa: Ngẫu nhiên hóa đồng bộ (khởi động lại) và ngẫu nhiên
hóa dị bộ (tự đồng bộ)
Nguyên lý hoạt động của ngẫu nhiên hoá tự đồng bộ được cho ở hình 7.3.

g(x) = x m + x m −1 + 1

Hình 7.3. Ngẫu nhiên hóa tự đồng bộ
Trong ngẫu nhiên hoá tự đồng bộ cả luồng số phát và thu đều tham gia vào quá trình
tạo chuỗi giả ngẫu nhiên. Trên hình 7.3: A là luồng số cần phát; C là tín hiệu điều khiển
được tạo ra từ bộ tạo PRBS; S là luồng số sau ngẫu nhiên hoá và đa thức tạo mã có dạng:
g(x) =1 + x m −1 + x m

(Lưu ý + theo mod-2)

nên: C = S ( x m −1 + x m ) và tín hiệu sau ngẫu nhiên hoá có dạng

(

S = A + C = A + S x m −1 + x m

)

Nếu số liệu ổn định, thì sau khi qua bộ cộng modul-2 nó sẽ trở thành giả ngẫu nhiên.
Tuy nhiên, có một ngoại lệ: nếu số liệu giống chuỗi giả ngẫu nhiên thì kết quả cộng modul2 sẽ cho chuỗi ra toàn 0. Tất nhiên, xác suất xẩy ra trường hợp này là không lớn. Chẳng
hạn, nếu m=7 thì N=2m-1= 127, xẩy ra trường hợp này khi mẫu tín hiệu phải chứa 127 bit

giống chuỗi giả ngẫu nhiên. Xác suất xẩy ra trường hợp này là 1 trong số 2127 là rất nhỏ.
Trong một số trường hợp, để tránh trường hợp này thì bộ ngẫu nhiên hoá phải nhẩy đến
một tổ hợp khác của thanh ghi.
Ở phía thu ta nhận được luồng số sau giải ngẫu nhiên như sau:

(

A = S + C = S 1 + x m −1 + x m

)
-211-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
Vậy, nếu một bit của luồng thu S bị mắc lỗi thì lỗi này xẩy ra ba lần ở luồng số sau
giải ngẫu nhiên. Hiện tượng nhân lỗi này là nhược điểm của sơ đồ ngẫu nhiên hoá tự đồng
bộ. Ưu điểm của loại sơ đồ này là nó đơn giản hơn sơ đồ đồng bộ.
Sơ đồ ngẫu nhiên hoá đồng bộ được cho trên hình 7.4. Trong sơ đồ này, cả bộ tạo
PRBS ở phía phát lẫn phía thu đều được định kỳ khởi động lại.

g(x) = x m + x m −1 + 1

Hình 7.4. Ngẫu nhiên hóa đồng bộ
Nếu trong luồng số phát chứa một ký hiệu đồng bộ định kỳ, chẳng hạn tín hiệu đồng
bộ khung của luồng số, thì ta có thể dùng tín hiệu này làm tín hiệu khởi động lại cho bộ tạo
PRBS ở cả phía phát lẫn phía thu.
Khác với ngẫu nhiên hoá tự đồng bộ, ở bộ ngẫu nhiên hoá đồng bộ tín hiệu PBRS
được tạo ra một cách độc lập không có sự tham gia của luồng số được phát vì thế không
xẩy ra nhân lỗi.
Nhược điểm của bộ ngẫu nhiên hoá này là số liệu được truyền không trong “suốt” vì

phải có mốc đồng bộ. Ưu điểm của nó là tránh sự suy thoái của chuỗi nhị phân giả nhẫu
nhiên vào chuỗi toàn không và không xẩy ra nhân lỗi.
7.3.2. Khôi phục sóng mang
Trong phần này ta sẽ xét một số phương pháp khôi phục sóng mang để giải điều chế
nhất quán cho tín hiệu điều chế PSK.
Tồn tại hai phương pháp khôi phục sóng mang điển hình:
• Khoá pha vòng nhân pha
• Khoá pha vòng Costas.
Nguyên tắc chung của các mạch khôi phục sóng mang là: trước hết loại trừ sự phụ
thuộc pha của tín hiệu thu vào tín hiệu điều chế, sau đó dùng nó để khoá pha cho bộ dao
động nội.
7.3.2.1. Khóa pha vòng nhân pha

-212-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
Sơ đồ khối của bộ khôi phục sóng mang khoá pha vòng nhân pha cho tín hiệu BPSK
được cho ở hình 7.5.

2× ϕ
cos  2 × ( 2πf c t + θ ' ) 

cos ( 2πf c t + θ ' )

ϕ/2

2× ϕ

Hình 7.5. Sơ đồ khôi phục sóng mang cho điều chế BPSK bằng vòng khóa pha nhân 2

Tín hiệu BPSK thu Acos ( 2πf c t+(i-1)π + θ ) được đưa qua bộ lọc thông băng BPF được
nhân pha hai lần:
y′ ( t ) = A cos ( 4πf c t + 2 ( i − 1) π + 2θ ) = A cos ( 4πf c t + 2θ )

(7.2)

trong đó: i=1,2 và θ là góc pha ban đầu của tín hiệu thu và tín hiệu đưa đến từ bộ VCO.
Từ phương trình (7.2), cho thấy thành phần điều chế pha đã được loại bỏ. Sau bộ lọc
thông băng thứ hai nó được nhân với tín hiệu cũng được nhân pha hai lần từ bộ dao động
điều khiển bằng điện áp (VCO: voltage controlled oscillator):
y′′ ( t ) = A cos ( 4πf c t + 2θ ) .cos ( 4πf c t + 2θ′ )

= A / 2.cos ( 8πf c t + 2θ + 2θ′ ) + A / 2.cos 2 ( θ - θ′ )

(7.3)

trong đó θ' là góc pha ban đầu của tín hiệu VCO
Sau bộ lọc thông thấp ta được điện áp sai pha đưa lên hiệu chỉnh cho tần số của bộ
dao động nội VCO như sau:
Ve ( t ) = A / 2.cos2 ( θ - θ′ )

(7.4)

Quá trình điều chỉnh pha dẫn đến sai pha 2(θ-θ') tiến tới không và kết quả cuối cùng
có sóng mang được khôi phục có pha bằng với pha phía phát.
Có thể áp dụng sơ đồ trên cho M-PSK với vòng khoá pha nhân pha M lần (xem phụ
lục 3C).
7.3.2.2. Khôi phục sóng mang khoá pha vòng Costas
Sơ đồ khối của vòng khoá pha Costas được cho ở hình 7.6.

-213-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số

cos ( 2πf c t + θ ')

− sin ( 2πf c t + θ ')

Hình 7.6. Sơ đồ khôi phục sóng mang cho M-PSK bằng vòng khóa pha Costas
Khác với sơ đồ vòng nhân pha, ở sơ đồ này điện áp sai pha được tách ra ở xử lý băng
gốc sau khi thực hiện tách sóng. Tín hiệu sau các bộ lọc thông thấp LPF trong cho BPSK
(hình 7.6a) xác định như sau:
u1 ( t ) = A / 2.cos ( i-1) π + θ- θ′ 

(7.5)

u 2 ( t ) = A / 2.sin ( i-1) π + θ- θ′ 

(7.6)

trong đó i=1,2 và θ, θ' là góc pha ban đầu của tín hiệu thu và VCO.
Sau bộ nhân và bộ lọc vòng thông thấp điện áp sai pha được xác định như sau:
Ve ( t ) = A 2 / 8.sin  2 ( i-1) π + 2 ( θ- θ′ ) 
= A 2 / 8.sin  2 ( θ- θ′ ) 

(7.7)

Tín hiệu sai pha sẽ được đưa lên để đồng chỉnh lại bộ dao động VCO để sai pha trở
nên nhỏ nhất.

Từ (7.7) ta lại thấy rằng trong quá trình xử lý pha, thành phần pha điều chế được loại
bỏ nhờ nhân pha hai lần. Trong sơ đồ M-PSK và M-QAM (7.6b) thành phần này được loại
bỏ nhờ nhân pha bốn lần. So với sơ đồ nhân pha M lần, khoá pha vòng Costas được thực
hiện ở vùng tần số thấp nên có mạch điện đơn giản hơn, nhất là khi M tăng.
7.3.2.3. Mã hoá vi sai
Đảm bảo độ đánh giá chính xác pha cao là vấn đề rất khó ở các hai sơ đồ trên.
Phương pháp để giải quyết vấn đề này là mã hoá vi sai cho luồng số trước khi đưa lên điều
chế. Trong phương pháp này thông tin của luồng số được truyền đi không phải ở giá trị

-214-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
trạng thái pha tuyệt đối của sóng mang mà ở dạng "bước nhẩy pha". Để vậy, pha sóng
mang ở M-PSK và M-QAM được điều chế như sau:
θ ( t ) = θ ( t − T ) + ∆θ,

∆θ = θ ( t ) − θ ( t − T )

(7.8)

trong đó: θ(t-T) là trạng thái pha của tín hiệu được điều chế ở ký hiệu trước; θ(t) là trạng
thái pha của tín hiệu được điều chế hiện thời; T là độ rộng của ký hiệu; ∆θ là hiệu số pha
mang thông tin của luồng số được điều chế.
Tại phía thu bằng cách sử dụng bộ giải mã vi sai ta có thể lấy ra được hiệu số pha
chính xác:
∆θ = θ′ ( t ) − θ′ ( t − T )

(7.9)

trong đó θ'(t) và θ'(t-T) là ước tính pha ở thời điểm xét và thời điểm trước đó tại máy thu.
Nhờ vậy, ta có thể khôi phục lại chính xác luồng số mà không cần độ chính xác ước
tính pha cao.
Sơ đồ khối bộ mã hoá và giải mã vi sai cho QPSK được cho ở hình 7.7. Nguyên lý
hoạt động của các sơ đồ ở hình 7.7 dựa trên các bảng 7.1 và 7.2.

Hình 7.7. Sơ đồ bộ mã hóa và giả mã vi sai cho QPSK

A
0
0
1
1

Bảng 7.1
B
0
1
1
0

θ(t)
0
π/2
π
3π/2

u1(t)
0
0

1
1

Bảng 7.2
U2(t)
0
1
1
0

∆θ
0
π/2
π
3π/2

Các sơ đồ sử dụng các bộ mã hoá vi sai ở phía phát và giải mã vi sai ở phía thu cùng
với khôi phục sóng mang được gọi là điều chế vi sai nhất quán. Mã hoá vi sai làm tăng
thêm xác suất lỗi ký hiệu, vì việc xuất hiện lỗi ký hiệu ở thời điểm xét sẽ kéo theo lỗi ký
hiệu ở thời điểm sau.
7.3.3. Khôi phục định thời ký hiệu
Việc đồng bộ ký hiệu giữa phát và thu có thể thực hiện theo ba cách:
1. Phát riêng đồng hồ, tuy nhiên cách này tốn công suất và chiếm phổ.
-215-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
2. Dùng mạch tách sóng không nhất quán để lấy ra đồng hồ, vì đồng hồ thường ổn
định hơn sóng mang, cách này phức tạp.
3. Khôi phục đồng hồ sau giải điều chế, cách này tránh được nhựơc điểm của các

cách trên.
Dưới đây ta xét sơ đồ đồng bộ mở cổng sớm-muộn ở hình 7.8 làm ví dụ. Hình 7.8a
cho thấy sơ đồ đồng bộ gồm hai nhánh tính tương quan: nhánh trên được mở cổng sớm
bằng xung định thời s(t+δ) và nhánh dưới được mở cộng muộn bằng xung định thời s(t-δ).
Các nhánh được lấy mẫu tại thời điểm T. Sau bộ lấy giá trị tuyệt đối, ta được đầu ra của hai
nhánh tính tương quan như sau:
T

y1 = ∫ s(t + δ)d(t ± τ)dt

(7.10)

0
T

y 2 = ∫ s(t − δ)d(t ± τ)dt

(7.11)

0

trong đó: s(t) là xung định thời; δ là dịch thời cho xung định thời để mở cổng sớm hay
muộn các nhánh tính tương quan; d(t) là số liệu nhận được từ khối xử lý băng tần gốc; τ là
dịch thời số liệu so với định thời (+ là định thời muộn, - là định thời sớm).
Khi định thời đúng τ=0 (xem hình 7.8b), trong trường hợp này ta có:
T

T −δ

0

0

T

T

0

δ

y1 = ∫ s(t + δ)d(t)dt =

∫ s(t + δ)d(t)dt =(T-δ)

y 2 = ∫ s(t − δ)d(t)dt = ∫ s(t − δ)d(t)dt =( T-δ)

(7.12)

Như vậy điện áp sai lỗi Ve= y1 − y 2 =0 (các hình gạch chéo trên hình 7.8b).
Nếu định thời sớm -τ≠0 (xem hình 7.8c), ta có:
T

T −δ

0

τ

y1 = ∫ s(t + δ)d(t − τ)dt =

T

y 2 = ∫ s(t − δ)d(t)dt =
0

∫ s(t + δ)d(t − τ)dt =(T-δ-τ)

T

∫ s(t − δ)d(t − τ)dt =( T-δ+τ)

(7.13)

δ−τ

Như vậy điện áp sai lỗi Ve= y1 − y 2 =-2τ (các hình gạch chéo trên hình 7.8c). Sau bộ
lọc vòng điện áp sai lỗi này sẽ điều chỉnh định thời muộn hơn cho bộ dao động điều chỉnh
bằng điện áp (VCO).

-216-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số

T

∫

(.)d t

0

T

∫

( .) d t

0

| y1 |

| y1 |

| y2 |

| y2 |

Hình 7.8. Sơ đồ bộ khôi phục đồng hồ bằng bộ mở cổng sớm-muộn (a); xung vào bộ lọc
phối hơp (b); xung ra bộ lọc phối hơp (c)
7.3.4. Các bộ cân bằng tín hiệu
Các bộ cân bằng tín hiệu như: Bộ cân bằng miền thời gian, bộ cân bằng miền tần số
được xét ở chương 6.
7.3.5. Các bộ trộn
Các bộ trộn là các phần tử chính trong các sơ đồ điều chế, giải điều chế và chuyển đổi
tần số. Tồn tại một số cấu hình bộ trộn, mỗi cấu hình có ưu điểm riêng và phù hợp với các
ứng dụng cụ thể. Trong phần này ta sẽ xét nguyên lý các bộ trộn và áp dụng bộ trộn cho bộ
biến đổi hạ tần có loại trừ tần số ảnh.
7.3.5.1. Nguyên lý chung
Các bộ trộn hoạt động dựa trên tính phi tuyến của đặc tính Vôn-Ampe (hình 7.9a).

Quan hệ giữa dòng điện ở diode với điện áp trên nó được xác định theo công thức:
i = α1v + α 2 v 2 + α3 v3 + ⋯

(7.14)

khi điện áp thuận (hình 7.9b), và
i = α1v − α 2 v 2 + α3 v3 −⋯

(7.15)

khi điện áp ngược (hình 7.9b),
trong đó:
v = VRF cos ( ωt ) ± VLO cos ( ωt )

(7.16)

-217-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
với dấu + hoặc dấu - phụ thuộc vào cực của các địên áp vô tuyến vRF và dao động nội vLO
đặt vào diode.

Hình 7.9. Nguyên lý hoạt động của bộ trộn diode
Các bộ trộn đơn chỉ sử dụng một diod có sơ đồ đơn giản nhất (hình 7.10)

f RF

f LO
Hình 7.10. Mạch trộn đơn

Sử dụng công thức (7.14) với v = VRFcos ( ωt ) + VLO cos ( ωt ) và giả sử tần số dao động
nội ωLO cao hơn tần số vô tuyến thu ωRF: ωLO=ωRF+ωIF, ta được dòng điện chẩy qua diod
với các thành phần sau:
i=

α2 2
(VRF + VLO2 ) + .....
2

thành phần một chiều

+ α1VRFcosωt+.......
+ α1VLOcosωt+......
+ α2VLOVRF cos(ωLO+ωRF)+......
+ α2VLOVRFcos(ωLO-ωRF)+......

thành phần tín hiệu vô tuyến
thành phần dao động nội
thành phần biên tần cao
thành phần trung tần

+

hài LO bậc 2

α2 2
VLO cos 2ωLO t +.......
2
α 2
+ 2 VRF

cos 2ωRF t +.......
2
3α 3 A12 A 2
+
cos(2ωLO − ωRF ) t
4

-218-

hài RF bậc 2
thành phần tần số ảnh

(7.17)


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
Thành phần tần số ảnh (thường được ký hiệu là ωI) là thành phần có tần số đối xứng
với thành phần có tần số ωRF theo kiểu ảnh gương (xem hình 7.11a). Tần số bộ lọc trung
tần tại đầu ra của bộ trộn có nhiêm vụ lọc ra thành phần trung tần của tín hiệu hữu ích để
đưa đến bộ khyếch đại trung tần. Trong trường hợp một tín hiệu nhiễu có tần số bằng tần
số ảnh thì hiệu số của nó với tín hiệu dao động nội có thể dẫn đến tín hiệu nhiễu trung tần
(xem hình 7.11a,b).

ωL 0 = ωRF + ωIF

ωRF

ωLO

ωIF

ωL 0 = ωRF − ωIF

ωI = 2ω LO − ωRF

ωI = 2ω LO − ωRF

ωIF

ωIF

ωRF

ωLO

ωIF

Hình 7.11. Tần số ảnh
Tín hiệu này có thể qua bộ lọc trung tần và ta không thể loại bỏ nó. Vì thế tín hiệu
nhiễu ảnh gương này phải được loại bỏ hoặc ở mạch vào máy thu hoặc trong quá trình biến
đổi từ RF và IF. Dưới đây ta xét bộ trộn cho phép loại trừ tần số ảnh thường được sử dụng
trong các bộ biến đổi hạ tần.
7.3.5.2. Bộ trộn loại trừ tần số ảnh
Theo định nghĩa tần số ảnh là tần số đối xứng với tần số vô tuyến thu fRF qua tần số
dao động nội thu fLO và cách tần số fLO một khoảng bằng tần số trung tần fIF. Nếu tần số
này lọt vào bộ khuyếch đại trung tần nó sẽ trở thành tín hiệu nhiễu và các bộ lọc trung tần
không thể loại được nó. Ở các máy thu vô tuyến số tần số ảnh thường được loại ở bộ trộn
hạ tần khi biến đổi tần số fRF vào fIF. Mạch trộn loại trừ tần số ảnh được xây dựng trên cơ
sở các mạch trộn cân bằng như ở hình 7.12.
Có thể giải thích hoạt động của bộ trộn loại trừ tần số ảnh như sau. Giả sử tín hiệu RF

gồm biên tần cao (USB: Upper Side Band) và biên tần thấp (LSB: Lower Side Band):
v RF = v U cos ( ωLO + ωIF ) t  + v L cos ( ωLO + ωIF ) t 

(7.18)

trong đó: VRF là tín hiệu vô tuyến; VU và VL là thành phần biên tần cao và thấp tương ứng;
ωLO là tần số dao động nội; ωIF là tần số trung tần.

Hình 7.12. Mạch trộn loại trừ tần số ảnh
-219-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
Khi này đầu vào của hai bộ trộn sẽ là:
A
VRF
=

B
VRF
=

VU
2

cos [ (ωLO + ωIF )t ] +

VL
cos [ (ωLO − ωIF )t ]
2

(7.19)

VU
V
cos (ωLO +ωIF )t + 900  + L cos (ωLO −ωIF )t + 900 
2
2

(7.20)

Sau khi trộn với tín hiệu LO sin(ωLOt), đầu ra IF bằng:
VIFA = kVU sin ( ωIF t ) − kVL sin ( ωIF t )

(7.21)

VIFB = kVU sin ( ωIF t + 900 ) − kVL sin ( ωIF t − 900 )

(7.22)

Kết hợp hai tín hiệu này ở cầu sai động 900 ở đầu ra của nhánh IF trên được tín hiệu:
V1 =

(

)

k 
VU sin ( ωIF t ) − VL sin ( ωIF t ) + VU sin ωIF t + 1800 − VL sin ( ωIF t ) 


2

= − 2kVL sin ( ωIF t )

(7.23)

là thành phần biên tần thấp LSB.
Đầu ra nhánh IF dưới được:
V2 =

(

)

(

)

(

)

(

)

k 
VU sin ωIF t − 900 − VL sin ωIF t − 900 + VU sin ωIF t + 900 − VL sin ωIF t − 900 
2

(7.24)

là thành phần biên tần cao. Thông thường đạt được sự loại bỏ tần số ảnh 30 dB
7.4. MÁY PHÁT THU VÔ TUYẾN VỚI GHÉP SONG CÔNG
Trong phần này ta xét các kiến trúc vô tuyến khác nhau được sử dụng trong các thiết
bi vô tuyến. Phần vô tuyến của một thiết bị vô tuyến số có thể sử dụng các các kiến trúc
sau: ghép song công phân chia theo tần số (FDD: Frequency Division Duplex), bán ghép
song công phân chia theo tần số (HFDD: Half Frequency Division Duplex) và ghép song
công phân chia theo thời gian (TDD: Time Division Duplex).
7.4.1. Kiến trúc FDD
Hình 7.13 minh họa kiến trúc FDD. Ta lưu ý rằng, các phần tô đậm là các phần đắt
nhất trong thiết bị vô tuyến.

Hình 7.13. Kiến trúc vô tuyến FDD
-220-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
Kiến trúc này cho phép loại bỏ triệt để nhiễu giữa tuyến phát và tuyến thu bằng cách
sử dụng bộ lọc song công. Việc phải sử dụng cả bộ lọc trên tuyến thu làm cho giá thành
của kiến trúc này cao hơn. Tuy nhiên, việc không phải sử dụng chuyển mạch siêu cao tần
như ở kiến trúc TDD dẫn đến cần phải giải quyết vấn đề đồng bộ thời gian vì thế thiết kế
cấu trúc này sẽ đơn giản hơn hơn. Phần mềm lớp MAC (Medium Access Control: điều
khiển truy nhập môi trường) sẽ đơn giản hơn vì không phải xử lý vấn đề đồng bộ thời gian.
7.4.2. Kiến trúc TDD
Kiến trúc TDD được minh họa trên hình 7.14. Các phần tô đậm là các phần đắt nhất
trong thiết bị vô tuyến. Các hệ thống TDD sử dụng cùng một băng tần cho cả phát và thu.
Vì thế chỉ cần một bộ dao động nội và một bộ lọc siêu cao tần cho cả phát thu. Bộ tổng hợp
tần số và bộ lọc siêu cao tần là các phần chính dẫn đến giá thành thiết bị vô tuyến bị đắt.
Ngoài ra nhờ việc giảm số lượng các phần tử này chỉ còn một nửa so với hệ thống FDD

nên kích thước của thiết bị cũng giảm đang kể (lưu ý rằng bộ giao động nội có kích thước
khá lớn do phải sử dụng khung cộng hưởng). Do khi thu tín hiệu, đường phát bị ngắt, nên
TDD loại bỏ nhiễu lọt từ phát vào thu. Nhược điểm của của TDD là giảm thông lượng số
liệu vì khi thu phải dừng phát. Phần mềm của lớp MAC cũng phức tạp hơn vì phải giải
quyết đồng bộ nhiều các khe thời gian của nhiều người sử dụng (đa truy nhập) trong cả chế
độ phát và thu.

Hình 7.14. Kiến trúc TDD

7.4.3. Kiến trúc HFDD
Kiến trúc HFDD được minh họa trên hình 7.15. Kiến trúc HFDD vẫn cho phép đạt
được ích lợi của hệ thống TDD nhưng vẫn cho phép sử dụng cơ chế FDD. Trong kiến trúc
này phân cách tần số phát thu được thực hiện trong khối vô tuyến đầu vào của thiết bị. Tuy
nhiên, bộ lọc trung tần được dùng chung cho phát và thu. Hai bộ dao động nội (tổng hợp
tần số) được sử dụng. Tuy nhiên, bộ tổng hợp tần số trung tần không cần thay đổi tần số
cho tuyến thu và phát.

-221-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số

Hình 7.15. Kiến trúc HFDD
7.5. KHAI THÁC, QUẢN LÝ, VÀ BẢO DƯỠNG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN VÔ
TUYẾN SỐ
7.5.1. Quy hoạch tần số
7.5.1.1. Các tổ chức liên quan đến việc hoạch định tần số
Để đảm bảo hoạt động có tổ chức cho các hệ thống vô tuyến khác nhau, các tổ chức
quốc tế nghiên cứu các quy định và luật lệ sử dụng các phương tiện vô tuyến đã được thành
lập. Ba tổ chức quốc tế lớn nhất nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến vô tuyến là: Liên

minh viễn thông quốc tế về vô tuyến (ITU-R: International Telecommunications UnionRadio Sector) thuộc Liên Hợp quốc; Uỷ ban thông tin liên bang cuả Mỹ (FCC: Federal
Communications Commision); Liên đoàn kinh doanh và công nghiệp vô tuyến của Nhật
(ARIB: Association of Radio Industry and Busines). Các khuyến nghị và luật lệ do các tổ
chức này quy định được áp dụng chung cho các thiết bị vô tuyến của châu Âu, Bắc Mỹ và
Nhật. Phần lớn các thiết bị vô tuyến sử dụng ở nước ta dựa trên các khuyến nghị của ITUR. Nhiệm vụ của tổ chức này là nghiên cứu các vấn đề khai thác và kỹ thuật đặc biệt liên
quan đến thông tin vô tuyến và phát hành các khuyến nghị về các vấn đề này trên quan
điểm tiêu chuẩn hoá viễn thông toàn cầu. ITU-R chia thành 11 nhóm nghiên cứu. Các
nhóm này thường tiến hành các nghiên cứu vấn đề mới trong nhiều năm. Bốn năm ITU-R
triệu tập hội nghị toàn thể một lần để thông qua các công trình nghiên cứu và đưa ra các
khuyến nghị mới. ITU-R đưa ra các văn bản thể hiện mục tiêu và kết quả của các công
trình nghiên cứu ở các dạng sau:
√ Nghị định: Văn bản đưa ra các hướng dẫn về tổ chức, về các phương pháp hay các
chương trình nghiên cứu của ITU-R; hầu hết các nghị định được chuẩn bị và thông
qua ở các hội nghị toàn thể.
√ Quyết định: Văn bản đưa ra các hướng dẫn về tổ chức công tác của các nhóm nghiên
cứu; hầu hết các văn bản quyết định xác định các điều khoản tham khảo của nhóm
công tác.
√ Đặt vấn đề: Văn bản phát biểu một vấn đề khai thác hay kỹ thuật để nhận được giải
đáp.
√ Chương trình nghiên cứu: Được sử dụng nếu cần để định nghĩa chính xác hơn một
bộ phận nhất định của công tác cần thiết để giải đáp vấn đề.
√ Báo cáo: Có thể là một phát biểu để thông báo về các nghiên cứu do một nhóm
nghiên cứu về một vấn đề nào đó thực hiện.
-222-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
√ Khuyến nghị: Giải đáp một vấn đề hay một chương trình nghiên cứu, được ITU-R
coi là đủ hoàn thiện để làm cơ sở cho cộng tác quốc tế.
Thông thường các nước đưa ra hoạch định tần số ở nước mình trên cơ sở các

khuyến nghị của các tổ chức quốc tế nói trên. Nước ta sử dụng các thiết bị vô tuyến của các
nước có các tổ chức nói trên nên các thiết bị vô tuyến sẽ sử dụng các tần số theo khuyến
nghị của các tổ chức này. Để có thể nhập một thiết bị vô tuyến sử dụng trong nước, trước
hết cơ quan sử dụng thiết bị vô tuyến phải nghiên cứu lựa chọn tần số theo khuyến nghị
quốc tế, sau đó phải xin đăng kiểm tần số ở Cục quản lý tần số thuộc Bộ Bưu chính Viễn
thông. Để tránh gây nhiễu đối với các nước láng riềng tần số của thiết bị vô tuyến được sử
dụng cũng cần phải thông báo với ITU-R. Trong các phần dưới đây ta sẽ nghiên cứu các
hoạch định tần số khác nhau dựa trên các khuyến nghị cuả các tổ chức nói trên.
7.5.1.2. Sơ đồ phân bố tần số
Để sử dụng hiệu quả nhất về dải tần vô tuyến và các kênh vô tuyến của các trạm vô
tuyến không gây nhiễu cho nhau Uỷ ban tư vấn về quốc tế về vô tuyến (ITU-R) đã nghiên
cứu đề xuất các khuyến nghị về phân bố tần số cho các hệ thống và thiết bị vô tuyến. Uỷ
ban quản lý tần số của từng nước dựa trên các khuyến nghị này để đưa ra các quy định về
sử dụng tần số ở mỗi nước.
Thông tin vô tuyến số thường sử dụng các băng tần từ 800 MHz trở lên. ITU-R đã
quy định việc sử dụng tần số cho các mục đích khác nhau: thông tin, đạo hàng... Các băng
tần chính được ấn định cho thông tin mặt đất và vệ tinh ở vùng tần số từ 1 GHz đến 13
GHz được cho ở bảng 7.3.
Bảng 7.3. Ấn định tần số chính cho thông tin mặt đất và vệ tinh ở tần số từ 1 GHz
đến 13 GHz
Mặt đất, f [GHz]

Vệ tinh, f[GHz]

1,427 – 1,535
1,7 – 2,7
3,3 – 3,5
3,3 – 4,2
4,4 – 5,0
5,85 – 5,925

5,925 – 6,245
6,245 – 7,110
7,110 – 7,250
7,300 – 7,975
8,025 – 8,5
10,7 – 11,7

2,5 – 2,535
2,655 – 2,690
3,4 – 3,7
3,7 – 4,2
4,4 – 4,7
5,85 – 5,925
5,925 – 6,245
7,25 – 7,30
7,975 – 8,025
8,025 – 3,4
10,95 – 11,2
11,45 – 11,7

11,7 – 13,25

12,5 – 12,75

Một số băng tần được nhiều hệ thống và thiết bị sử dụng, trong khi đó một số băng tần
khác được sử dụng ít hơn. Việc lựa chọn tần số phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tổn hao,
hệ số khuyếch đại anten, sự sử dụng trước đây, khả năng bị nhiễu, sự có sẵn thiết bị v.v...
Các tham số chính để lựa chọn tần số cho các đường thông tin tầm nhìn thẳng (LOS:
Line of Sight) là độ sâu phađinh và các đặc tính của phađinh, suy hao mưa, tổn hao phiđơ,

-223-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
hệ số khuyếch đại anten v.v.... Tổn hao đối với các đường truyền dẫn điểm đến điểm tỷ lệ
với bình phương khoảng cách do anten đặt cách xa mặt đất, còn tổn hao của các đường
truyền dẫn di động do anten không cách xa mặt đất nên tỷ lệ với khoảng cách mũ n>2. Hệ
số khuyếch đại anten cũng tỷ lệ với bình phương tần số. Tần số càng cao thì ảnh hưởng của
phađinh lên đường truyền dẫn càng lớn.

Hình 7.16. Sơ đồ tổ chức tần số cho các kênh song công phát thu FDD a) đơn cực; b)xen
cực; c) đồng kênh
Các thiết bị vô tuyến thường sử dụng chung anten cho thu và phát. Để tổ chức một
kênh vô tuyến song công (hai chiều) có hai cách. Cách thứ nhất chỉ cần một tần số cho cả
thu lẫn phát, tuy nhiên phát thu không gây nhiễu cho nhau phát và thu phải luân phiên theo
thời gian. Phương pháp này được gọi là ghép song công phân chia theo thời gian (TDD:
Time Division Duplexing). Đây là phương pháp thường được sử dụng ở hệ thống thông tin
di động hay đa truy nhập nhập vô tuyến với phân bổ kênh động. Cách thứ hai đòi hỏi phải
sử dụng hai tần số: một cho phát và một cho thu, phương pháp này được gọi là ghép song
công phân chia theo tần số (FDD: Frequency Division Duplexing), với cách này, băng tần
-224-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
khuyến nghị để sử dụng cho một hệ thống thông tin vô tuyến số thường được chia thành
hai nửa băng tần: nửa băng tần thấp và nửa băng tần cao. Tần số ở nửa băng cao được ký
hiệu là f’n, còn tần số ở nửa băng thấp được ký hiệu là fn. Tần số phát được chọn ở một nửa
băng, còn tần số thu được chọn ở một nửa băng kia. Khoảng cách giữa hai tần tần số phát
và thu của một kênh vô tuyến song công được gọi là khoảng cách phát thu hay song công
và được ký hiệu là ∆y. Khoảng cách giữa hai tần số cạnh nhau trong cùng một nửa băng

được gọi là khoảng cách giữa hai kênh lân cận và được ký hiệu là ∆x. Để tăng sự phân
cách giữa hai kênh lân cận hai tần số cạnh nhau có thể sử dụng các phân cực khác nhau:
phân cực ngang (H) hoặc đứng (V). Trường hợp này được gọi là phân bố đan xen cực
(hình 7.16b). Để tiết kiệm băng tần các kênh vô tuyến có thể sử dụng cùng tần số, nhưng
để đảm bảo phân cách giữa hai thiết bị vô tuyến sử dụng cùng tần số các thiết bị này phải
sử dụng các phân cực khác nhau: một sử dụng phân cực ngang H còn thiết bị kia sử dụng
phân cực đứng V chẳng hạn. Trường hợp này được gọi là phân bố đồng kênh (hình 7.16c).
Tổng quát, ta có thể biểu diễn phân bố tần số theo hai nửa băng tần như sau:
f n = f 0 − A + ∆x.n
f n′ = f n + ∆y

(7.25)

trong đó: fn, f’n là tần số phát/thu ở nửa băng tần thấp/cao tương ứng; ∆x là phân cách kênh
lân cận; ∆y là phân cách song công; A là hằng số phụ thuộc vào phân bố cụ thể; n là số thứ
tự kênh; f0 là tần số trung tâm.
Ở mỗi thiết bị thu phát của một trạm phát tín hiệu được thực hiện ở một tần số (nằm
trong một nửa băng tần) còn thu tín hiệu được thực hiện ở tần số khác (nằm trong nửa băng
tần khác) (hình 7.17).

f 1'
f 2'
f 3'

f 1'
f 2'
f 3'

f1
f2

f3

f1
f2
f3

Hình 7.17. Minh họa về phân bố tần số ở ba trạm vi ba ABC trong đó B là trạm trung gian
Nếu các tín hiệu tần số fn có cùng phân cực thì phát và thu một kênh vô tuyến được
thực hiện bằng anten phân cực đơn. Tuy nhiên bằng một anten có thể phát/thu các tín hiệu
này ở một phân cực (các tần số của các kênh chẵn chẳng hạn) và các tín hiệu khác ở phân
cực khác (kênh lẻ chẳng hạn) (hình 7.18).

Hình 7.18. Anten hai phân cực: V-phân cực đứng, H-phân cực ngang
7.5.2. Cấu hình hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
-225-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
Cấu hình hệ thống vô tuyến số phải đảm bảo các điều kiện khai thác tin cậy hệ thống.
Có thể liệt kê các nhân tố chính gây ra sự cố kênh truyền dẫn như sau:
1. Các nhân tố gây ra do phađinh có thể điều chỉnh được bởi thiết bị và thiết kế
tuyến
2. Các nhân tố gây ra do các hoạt đông khai thác (bảo dưỡng, mở rộng hệ thống...)
3. Các thảm họa (cháy, sự cố hệ thống fiđơ...).
Các sơ đồ bảo vệ và tổ chức phân tập cho phép giảm thiểu các sự cố nói trên.
7.5.2.1. Các dạng phân tập
Phađinh nhiều tia gây ảnh hưởng chính lên chất lượng truyền dẫn vô tuyến số. Các sơ
đồ phân tập cho phép giảm thiểu ảnh hưởng này. Phân tập được định nghĩa là truyền dẫn
thông tin trên nhiều kênh có tương quan pha đinh so với nhau nhỏ nhất hay nói độc lập với
nhau. Nhiều biện pháp phân tập khác nhau được sử dụng ở vô tuyến số để chống pha đinh

như: Phân tập tần số; Phân tập không gian; Phân tập phân cực; Phân tập góc; Phân tập thời
gian. Chúng được xét ở chương 6.
7.5.2.2. Cấu hình n+1 với chuyển mạch bảo vệ
Chuyển mạch bảo vệ ở các hệ thống truyền dẫn thực hiện hai nhiệm vụ:
1. Chuyển mạch bảo vệ thiết bị để chuyển thông tin truyền từ kênh truyền dẫn có
thiết bị bị sự cố sang kênh truyền dẫn dự phòng hoạt động bình thường.
2. Chuyển mạch bảo vệ đường truyền để chuyển thông tin truyền từ kênh truyền dẫn
có đường truyền sóng bị sự cố sang kênh truyền dẫn có đường truyền sóng bình
thường.
Đối với hệ thống chuyển mạch thứ nhất: hệ thống truyền dẫn phải có hai thiết bị giống
nhau trong đó một thiết bị bình thường để truyền thông tin được gọi là thiết bị công tác và
một thiết bị dự phòng. Khi thiết bị thứ nhất bị sự cố chuyển mạch sẽ chuyển thông tin sang
thiết bị thứ hai. Tuỳ thuộc vào tình trạng bật nguồn của thiết bị dự phòng người ta chia
thành: (1) Dự phòng ấm, khi chỉ có các bộ phận quan trọng của thiết bị dự phòng được cấp
nguồn (để tiết kiệm năng lượng); (2) Dự phòng nóng, khi toàn bộ thiết bị dự phòng được
cấp nguồn. Việc sử dụng loại dự phòng nào là tùy thuộc vào điều kện cấp điện nguồn và
tầm quan trọng của đường truyền dẫn. Ở các đường truyền dẫn quan trọng người ta thường
sử dụng dự phòng nóng.
Hệ thống chuyển mạch thứ hai: sử dụng các phương pháp phân tập để có ít nhất hai
đường truyền dẫn: một đường công tác (kênh công tác) và một đường dự phòng (kênh dự
phòng).
Hệ thống dự phòng với n kênh công tác chung nhau một kênh dự phòng được gọi là
hệ thống chuyển mạch bảo vệ n+1. Thông thường thuật ngữ "bảo vệ" và "phân tập" có thể
dùng lẫn cho nhau. Tuy nhiên, bảo vệ thường ngụ ý mức an toàn thông tin dài hạn (nhiều
hơn 10 giây SES/sự kiện) còn phân tập thường ngụ ý mức an toàn thông tin ngắn hạn (ít
hơn 10 giây mắc lỗi nghiêm trọng/sự kiện).
Khi sử dụng các sơ đồ bảo vệ dưới đây sẽ giảm đáng kể khả năng sự cố kênh truyền
dẫn dài han (có gián đoạn lưu lượng) gây ra do các sự kiện:
• Giảm cấp, sự cố thiết bị:
1+1, toàn bộ module được dự phòng (dự phòng nóng)

n+1, một module dự trữ cho hai hay nhiều module
• Mất đồng chỉnh hoặc sự cố hệ thống anten:
-226-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
•
•
•
•
•

Chuyển mạch các máy phân chia+kênh về
Phân tập tần số hai anten (nếu được phép)
Cấu hình xuyến tự sửa
Suy giảm công suất (mưa, mất nối ghép,...)
Xuyến tự sửa

Ngoài ra sự cố do khai thác và bảo dưỡng thiết bị sai có thể dẫn mất thông tin lâu.
Tổ chức phân tập tối ưu cho phép giảm đáng kể các sự cố mất thông tin do pha đinh
ngắn hạn ở các đường truyền vô tuyến số. Các cấu hình phân tập cũng có thể giảm bớt sự
giảm dự trữ pha đinh do nhiễu.
Hiệu quả hoạt động của các sơ đồ bảo vệ được phân chia theo mức sau:
• Mức 1 (tốt nhất): Chuyển mạch số liệu không bị lỗi khi phađinh hay sự cố thiết
bị, ngoài ra cũng thể hiện tính phân tập cao nhất.
• Mức 2: Thông thường chuyển mạch số liệu đồng bộ Hitless (đôi khi mất đồng
bộ) và kém hơn nhưng vẫn còn là chuyển mạch phân tập thu không lỗi.
• Mức 3: Chuyển mạch xuyến trục không đồng bộ non-hitless với thời gian gián
đoạn thấp nhất (khoảng 30-60 ms)
• Mức 4: Chuyển mạch xuyến trục không đồng bộ với thời gian gián đoạn dài

hơn.
• Mức 5: Chuyển mạch một phần (một chiều hay một anten)
• Mức 6: Không bảo vệ hoặc không phân tập.
Xét các sơ đồ bảo vệ sau:
• Dự phòng nóng (HS)
• Phân tập không gian (SD)
• Phân tập không gian kết hợp với các máy phát chia công suất (SD+ST)
• Phân tập không gian với kết hợp ở trung tần trên các hệ thống bảo vệ xuyến và
phân tập không gian với kết hợp trung tần ở hệ thống n+1
• Phân tập góc (AD)
• Phân tập tần số (FD)
• Phân tập lai ghép (HD)
Dự phòng nóng, HS
Sơ đồ dự phòng nóng được cho ở hình 7.19. Ở sơ đồ này các thiết bi thu phát A và B
đều được cấp nguồn. Các bộ cảm ứng đánh giá công suất đầu ra của các máy phát TxA và
TxB để quyết định chuyển mạch. Bộ chia công suất sẽ cho phần lớn công suất vào máy thu
RxA và một phần công suất thấp hơn vào máy thu RxB (với tỷ lệ chia 1/7 dB) chứ không sử
dụng tỷ lệ chia thông thường là 3/3 dB. Lý do sử dụng bộ chia không đối xứng là: nếu sử
dụng chia 3/3 dB thì tổn hao trên 2 dB làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm CNR quá lớn.
Chuyển mạch thu sẽ chọn thông tin ra từ máy thu cho chất lượng tốt hơn.

-227-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số

Hình 7.19. Cấu hình dự phòng nóng
Phân tập không gian kết hợp dự phòng nóng, SD+HS
Sơ đồ phân tập không gian kết hợp dự phòng nóng được cho ở hình 7.20. Sơ đồ sử
dụng hai anten đặt cách nhau theo chiều cao từ 3-30 m để đạt đươc sự không tương quan

giữa hai tín hiệu thu (khoảng cách này vào khoảng 150 λ, λ là bước sóng công tác).

Hình 7.20. Cấu hình phân tập không gian kết hợp dự phòng nóng
Phân tập không gian với các máy phát chia công suất, SD+ST
Sơ đồ phân tập không gian kết hợp với các máy phát chia công suất hình 7.21.
CM
TxA

Sè liÖu vµo

TxB

Anten
chÝnh
LÖnh RCS

RxA
Sè liÖu ra

Kho¶ng c¸ch
chiÒu cao 3-30m

CM
Anten
ph©n tËp

RxB

Hình 7.21. Cấu hình phân tập không gian kết hợp các máy phát chia công suất (SD+ST)
Trong sơ đồ này mỗi máy phát cùng với máy thu của mình được nối đến một trong hai

anten đặt cách nhau theo chiều cao. Trong hai anten thì một anten chính và một là anten
phân tập. Các máy thu được chuyển mạch hoặc không lỗi hoặc đồng bộ khi xẩy ra pha đinh
ngắn hạn hoặc máy thu bị sự cố. Nhưng các máy phát không chỉ chuyển mạch theo sự cố
hoặc giảm cấp của nó như ở sơ đồ dự phòng nóng thông thường mà còn chuyển mạch theo
sự giảm cấp của mức thu tín hiệu hoặc BER ở cả hai máy thu ở hai đầu đường truyền. Khi
xẩy ra các sự cố như: mất đồng chỉnh anten chính, truyền sóng kiểu ống dẫn, sự cố ống dẫn
sóng (lọt nước..) lệnh chuyển mạch kênh về (RCS) được máy thu đầu kia gửi trở lại để
-228-


Chng 7: Thit b v h thng truyn dn vụ tuyn s
chuyn mch t ng mỏy phỏt u ny sang anten tt. Cn lu ý rng nhiu nghiờn cu
cho thy phõn tp khụng gian t c cht lng cao hn khi hai anten c t cỏch
nhau khụng phi theo chiu cao m theo phng ngang. Do c im cỏc thỏp anten ng
nờn hai anten thng c t cỏch nhau theo chiu cao.
Phõn tp khụng gian bng cỏch kt hp trung tn
S t chc phõn tp khụng gian bng cỏch kt hp trung tn c cho hỡnh 7.22.
B kt hp trung tn thng c s dng thay cho chuyn mch khụng li hoc ng b
u ra ca cỏc mỏy thu chớnh v phõn tp. Kt hp trung tn m bo ci thin ngng 3
dB so vi chuyn mch s liu nu thit k phự hp vi cỏc c tớnh pha inh phõn tỏn ca
ng truyn.
Vào Rx
Các bộ trộn LNA

Luồng số
ra

Giải
điều
chế

IF

Bộ
kết
hợp
trung
tần

Anten
chính
Bộ dao
động nội

RF
Anten
phân tập

Hỡnh 7.22. Cu hỡnh phõn tp khụng gian vi kt hp trung tn
Phõn tp khụng gian dng phõn tỏn trong bng cc tiu
Phng phỏp thng c s dng nht phõn tp khụng gian l kt hp hai tớn hiu
thu hai anten nhn c tớn hiu thu cc i hay kt hp ng pha hai tớn hiu ny.
Tuy nhiờn phng phỏp ny khụng trit b hon ton c s phõn tỏn trong bng. ú l
do tớn hiu thu ngoi súng trc tip cũn cha cỏc súng giao thoa v cỏc tớn hiu giao thoa
ny cú mt thi gian tr nht nh so vi súng trc tip. Vỡ th gim thiu phõn tỏn
tớn hiu trong bng phõn tp khụng gian c thit sao cho cỏc súng giao thoa cú pha
ngc nhau. Phng phỏp ny c gi l phõn tp khụng gian dng phõn tỏn trong bng
cc tiu (MID-SD: Minimum in Band Dispersion type Space Diversity). Nguyờn lý v s
ca MID-SPD c xột chng 6.
Phõn tp tn s vi chuyn mch 1+1

T chc phõn tp tn s (FD) vi chuyn mch 1+1 c cho hỡnh 7.23. cu hỡnh
ny kờnh cụng tỏc v kờnh bo v s dng hai cp tn s khỏc nhau mt khong cỏch
ln trỏnh pha inh xy ra ng thi hai kờnh ny. Lung s cn phỏt c truyn c
hai kờnh, phớa thu thc hin ỏnh giỏ cht lng truyn dn. Nu cht lng truyn dn
thp hn ngng cho phộp, thỡ chuyn mch s thc hin chuyn lu lng t kờnh cụng
tỏc sang kờnh d phũng. Chuyn mch c thc hin hai mc: mc vi mch ( b gii
iu ch DEMOD) v mc Rle. B phõn phi lung s thc hin phõn phi cỏc lung s
u ra ca cỏc kờnh cụng tỏc v bo v n cỏc chuyn mch vi mch DEMOD v
Rle.

-229-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số

Hình 7.23. Cấu hình phân tập tần số chuyển mậch bảo vệ 1+1
Hệ thống chuyển mạch n+1 với phân tập tần số
Sơ đồ hệ thống chuyển mạch n+1 phân tập tần số với hai đầu phát thu được cho ở
hình 7.24. Ở hệ thống này n kênh công tác hoạt động ở n cặp tần số phân cách nhau chia sẻ
chung một kênh phân tập đươc gọi là kênh bảo vệ. Vì n kênh công tác cùng có chung một
kênh bảo vệ nên phải có quy định ưu tiên để tránh xung đột giữa các kênh này khi xẩy ra
nhu cầu chuyển mạch đồng thời từ nhiều kênh công tác. Hoạt động chuyển mạch xẩy ra
như sau. Chuyển mạch không mắc lỗi Erorrless và chuyển mạch đồng bộ Hitless bao giờ
cũng được khởi xướng từ phía thu. Phía thu đánh giá chất lượng truyền dẫn theo chỉ tiêu
đặt trước (BER chẳng hạn). Nếu giảm cấp vượt quá ngưỡng thì phía thu gửi theo đường
nghiệp vụ đến phía phát yêu cầu chuyển mạch. Phía phát kiểm tra kênh bảo vệ xem có rỗi
và đảm bảo chất lượng hay không. Đồng thời nó xem xét mức độ ưu tiên của kênh yêu cầu,
nếu đảm bảo các yêu cầu chuyển mạch thì phía phát sẽ thực hiện chuyển mạch bằng cách
chia công suất giữa kênh công tác và kênh bảo vệ (còn được gọi là đấu cầu). Lưu lượng sẽ
được phát đồng thời ở cả hai kênh này đến phía thu. Máy thu thực hiện đồng bộ hai luồng

số thu được từ hai kênh sau đó thực hiện chuyển mạch.

-230-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số
Luång sè vµo
CH 1

CH1
MOD

Chia

CH n
CH P

Chia

MOD

Chia

MOD

Tx

Tx P

CH n

M¹ng
Ph©n
nh¸nh
Tx

CH P
Tx P

CM Tx

Ph©n phèi
luång sè
Luång sè ra
CH 1

R¬ le

DEMOD

Rx 1

R¬ le

DEMOD

Rx 2

DEMOD

Rx P

CH n
CH P
R¬ le

CH 1

CH n

M¹ng
ph©n
nh¸nh
Rx

CH P

Ký hiÖu:
CH n: Kªnh c«ng t¸c; CH P: Kªnh b¶o vÖ
Tx: M¸y ph¸t; Rx: M¸y thu; CM: ChuyÓn m¹ch

Hình 7.24. Hệ thống chuyển mạch n+1 với phân tập tần số
Hệ thống chuyển mạch n+1 với phân tập không gian
Sơ đồ của hệ thống chuyển mạch n+1 sử dụng phân tập không gian hình 7.25.

Hình 7.25. Hệ thống chuyển mạch bảo vệ n+1 với phân tập không gian
-231-


Chương 7: Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số

Ở hệ thống này n kênh công tác làm việc ở n cặp tần số phân cách nhau chia sẻ chung
một kênh phân tập không gian đươc gọi là kênh bảo vệ. Vì n kênh công tác cùng có chung
một kênh bảo vệ nên phải có quy định ưu tiên để tránh xung đột giữa các kênh này khi xẩy
ra nhu cầu chuyển mạch đồng thời từ nhiều kênh công tác. Phân cấp ưu tiên phụ thuộc vào:
tầm quan trọng của kênh công tác, tình trạng giảm cấp của kênh công tác và thời điểm yêu
cầu chuyển mạch của kênh công tác.
Phân tập lai ghép, HD (SD+FD)
Phân tập lai ghép giữa phân tập không gian và phân tập tần số được cho ở hình 7.26.
Ở sơ đồ phân tập lai ghép này hai bộ phát thu A và B làm việc ở hai cặp tần số khác nhau.
Phía thu sẽ chọn luồng số ra có chất lượng tốt nhất từ hai kênh có tần số khác nhau hoặc
hai kênh đến từ hai anten phân tập không gian.

Hình 7.26. Cấu hình phân tập lai ghép SD+FD
Phân tập lai ghép kết hợp phân tập không gian và phân tập phân cực, SD+PD
Sơ đồ tổ chức phân tập lai ghép phân tập không gian với phân tập phân cực hình 7.27.

Hình 7.27. Cấu hình phân tập lai ghép SD+PD
Ở tổ chức phân tập lai ghép này một đầu người ta sử dụng một anten phân cực kép:
phân cực đứng và phân cực ngang, đầu kia người ta sử dụng hai anten phân cực đơn chéo
nhau: một phân cực đứng và một phân cực ngang đặt cách nhau theo chiều cao. Phía anten
phân cực kép phát đi luồng số ở hai phân cực, phía kia thu hai phân cực chéo ở hai anten
khác nhau và thực hiện chọn kênh cho chất lượng tốt hơn.
Phân tập không gian phát
Trong các phần trước ta chỉ xét phân tập không gian thu trên cơ sở sử dụng hai máy
thu tín hiệu từ hai điểm khác nhau trong không gian. Các công nghệ thông tin di động mới
-232-