Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng phần mềm matlab

Tr-ờng đại học vinh
khoa điện tử viễn thông
=== ===

đồ án

tốt nghiệp đại học
Đề tài:

đánh giá chất l-ợng hệ thống thông
tin vô tuyến sử dụng phần mềm matlab

Ng ng d n : ThS. Phạm mạnh toàn
n v nt c
n : lê nhân toàn
p
: 49K - ĐTVT
Mó s sinh viờn
: 0851080311

nghÖ an - 01/2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:

Lê Nhân Toàn

Mã số sinh viên: 0851080311

Ngành:

Điện tử - Viễn thơng

Khố: 49

1. Đầu đề đồ án:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
4. Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thƣớc bản vẽ):
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
Họ tên giảng viên hướng dẫn:

1. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
2. Ngày hồn thành đồ án:

TRƯỞNG BỘ MƠN

ThS. Phạm Mạnh Tồn
....../....../20......
....../....../20......
Ngày...... tháng...... năm 2013
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

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


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
---------------------------

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:
Ngành:
Giảng viên hướng dẫn:
Cán bộ phản biện:

Lê Nhân Toàn
Điện tử - Viễn thơng

Mã số sinh viên: 0851080311
Khố: 49

ThS. Phạm Mạnh Tồn

1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
.............................................................................................................. ..............
............................................................................................................................
........................
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................. ...............
............................................................................................................................
..................................................................................................................... .......
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
Ngày

tháng

năm

Cán bộ phản biện
(Ký, ghi rõ họ và tên)


MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................... i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN............................................................................................ ii
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................... iii
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................v
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ......1
1.1. Giới thiệu chương ............................................................................................................1
1.2. Khái niệm ............................................................................................................................1
1.3. Lịch sử phát triển hệ thống thông tin vô tuyến ......................................................2
1.4. Khái niệm kênh truyền vơ tuyến .................................................................................3
1.5. Các đặc tính của kênh vô tuyến ..................................................................................4
1.6. Truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông .................................6
1.7. Mộ số kỹ thuật xử lý tín hiệu .......................................................................................6
1.8. Điều chế ............................................................................................................................10
1.8.1. Khái niệm điều chế số ...................................................................... 10
1.8.2. Tại sao phải dùng điều chế số ........................................................... 11
1.8.3. Điều chế tín hiệu nhiều mức nhằm nâng cao hiệu quả phổ ................ 11
1.8.4. Lựa chọn tối ưu tập tín hiệu .............................................................. 13
1.9. Sự phân chia tài nguyên vô tuyến ............................................................................14
1.10. Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến ..................................................................16
1.11. Kết luận chương ...........................................................................................................18
CHƢƠNG II. TRUYỀN DẪN TRÊN KÊNH VÔ TUYẾN SỐ ...................... 19
2.1. Giới thiệu chương ......................................................................................... 19
2.2. Lý thuyết về kênh vô tuyến .......................................................................... 19
2.2.1. Truyền dẫn phân tập đa đường .......................................................... 19

2.2.2. Kênh không phụ thuộc thời gian ....................................................... 19
2.2.3. Hiệu ứng Doppler và kênh phụ thuộc thời gian ................................. 20
2.2.4. Bề rộng độ ổng định về thời gian của kênh ....................................... 22
2.2.5. Các mơ hình kênh cơ bản .................................................................. 22
2.3. Nhiễu trong thông tin vô tuyến số ............................................................................22


2.3.1. Tạp âm cộng trắng chuẩn .................................................................. 22
2.3.2. Nhiễu xuyên kênh ............................................................................. 23
2.3.3. Nhiễu đồng kênh .............................................................................. 23
2.3.4. Nhiễu đa truy nhập ........................................................................... 24
2.4. Méo tuyến tính ................................................................................................................25
2.4.1. Khái niệm ......................................................................................... 25
2.4.2. Các biện pháp khắc phục .................................................................. 26
2.5. Méo phi tuyến .................................................................................................................28
2.5.1. Khái niệm ......................................................................................... 28
2.5.2. Các biện pháp khắc phục .................................................................. 29
2.6. Fading ................................................................................................................................31
2.6.1. Khái niệm ......................................................................................... 31
2.6.2. Phân loại fading ................................................................................ 31
2.6.3. Mơ hình tốn học của fading ............................................................ 32
2.6.4. Sự ảnh hưởng của chuyển động MS .................................................. 33
2.6.5. Hậu quả của truyền sóng fading đa đường ........................................ 35
2.6.6. Các loại kênh fading ......................................................................... 37
2.6.7. Các biện pháp khắc phục ảnh hưởng của fading................................ 40
2.7. Hiện tượng xuyên nhiễu giữa các kí hiệu (ISI: Inter Synbol Interference) 44
2.7.1. Khái niệm ......................................................................................... 44
2.7.2. Ảnh hưởng ........................................................................................ 44
2.7.3. Điều kiện truyền khơng có ISI .......................................................... 44
2.7.4. Giảm nhiễu ISI sử dụng phương pháp lọc ......................................... 45

2.8. Kết luận chương .............................................................................................................52
CHƢƠNG III. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG
THÔNG TIN VÔ TUYẾN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB .......................... 53
3.1. Giới thiệu chương ......................................................................................... 53
3.2. Sơ lược phần mềm Matlab ........................................................................... 53
3.3. Vai trị của mơ phỏng ................................................................................... 54
3.4. Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến bằng mô phỏng ............ 55
3.5. Kênh truyền AWGN ..................................................................................... 56


3.5.1. BPSK qua kênh truyền AWGN ......................................................... 57
3.5.2. QPSK qua kênh AWGN ................................................................... 60
3.6. Kênh Fading ....................................................................................................................65
3.6.1. M-PSK qua kênh fading Rayleigh..................................................... 66
3.6.2. QAM qua kênh fading Rayleigh ....................................................... 71
3.6.3. Mô phỏng so sánh giữa AWGN với Fading Rayleigh của các kỹ
thuật điều chế ............................................................................................. 74
3.7. Kết luận chương .............................................................................................................78
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 80
PHẦN PHỤ LỤC ............................................................................................. 81


LỜI NĨI ĐẦU
So với các lĩnh vực truyền thơng khác, thơng tin vơ tuyến có sự tăng trưởng
nhanh chóng trong những năm gần đây. Kênh truyền vô tuyến chịu nhiều tác
động phức tạp như: AWGN, fading, hiện tượng Doppler, ISI, méo. Nên việc
phân tích, tính tốn, đánh giá chất lượng hệ thống trở nên khó khăn hơn so với
kênh truyền hữu tuyến. Đề tài “Đán

g á c ất lượng h thống thông tin vô

tuyến sử dụng phần mềm Matlab” là phương tiện biểu đạt mới, sử dụng mô
phỏng thay thế hệ thống thực, cho phép người học có cái nhìn trực quan sâu sắc
hơn về những vấn đề kỹ thuật phức tạp. Nội dung đồ án được chia thành 3
chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vô tuyến
Chương 2: Truyền dẫn trên kênh vô tuyến số
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến
sử dụng phần mềm matlab
Xin trân trọng cảm ơn ThS. Phạm Mạnh Toàn đã giới thiệu, cung cấp tài liệu,
tận tình hướng dẫn về nội dung và phương pháp, giúp tơi hồn thành đồ án này.
Xin chân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử Viễn thông trường Đại học Vinh đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và hồn thành
chương trình đào tạo.

Sinh viên

Lê Nhân Toàn

i


TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án tìm hiểu, lich sử phát triển, cấu trúc, đặc tính kênh truyền của hệ
thống thơng tin vơ tuyến. Phân tích các tác động của kênh truyền vô tuyến đối
với chất lượng hệ thống. Để đơn giản q trình tính tốn thiết kế hệ thống. Các
giả định lý tưởng được đặt ra: Băng tần truyền dẫn là vơ hạn, kênh truyền là
tuyến tính và chiệu tác động của tạp âm cộng trắng chuẩn và các tác động phức
tạp khác như fading, ISI, hiệu ứng Doppler, méo tín hiệu được phân tích xem
xét, từ đó bổ xung các thiết bị, phương pháp khắc phục ảnh hưởng của các hiện

tượng đó. Đồ án sử dụng phần mềm Matlab mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ
thống trong trường hợp kênh chỉ chiệu tác động của AWGN và kênh chiệu tác
động của fading Rayleigh.

ABSTRACT
The project explores the history of development, structure, channel
characteristics of wireless communication system. Analysis of the impact of
radio channels for system quality. To simplify the calculation process of system
design. Ideal assumptions set out: Transmission band is infinite, channel is linear
and is affected by parasitic noise plus standard white and other complex effects
such as fading, ISI, Doppler effect, distortion is analyzed to consider, from there
additional devices, methods to overcome the effects of the phenomenon that. The
project uses simulation Matlab software and assess the quality of the system in
case only channel affected by AWGN and channels affected by Rayleigh fading.

ii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Trang
Sơ đồ khối đơn giản hệ thống thơng tin vơ tuyến .................................... 1

Hình 1.2

Sơ đồ khối hệ thống thơng tin vơ tuyến số .............................................. 6

Hình 2.1

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

Hình 2.2

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

Hình 2.3

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

Hình 2.4

Hàm phân bố Rayleigh với  2  1 ......................................................... 38

Hình 2.5

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

Hình 2.6

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

Hình 2.7

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

Hình 2.8

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

Hình 2.9

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

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

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

Hình 3.2

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

Hình 3.3

Giao diện chương trình „chuongtrinh‟ ................................................... 59

Hình 3.4

Mô phỏng BER của điều chế BPSK qua kênh AWGN ......................... 60

Hình 3.5

Mơ phỏng BER của điều chế QPSK qua kênh AWGN ......................... 62

Hình 3.6

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

Hình 3.7

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

Hình 3.8

Mơ hình truyền sóng đa đường .............................................................. 66

Hình 3.9

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

Hình 3.10

Sơ đồ phân bố tín hiệu (signai constellation) của tín hiệu .................... 67

Hình 3.11

Mơ phỏng BER của điều chế BPSK qua kênh Fading.......................... 69

Hình 3.12

Mơ phỏng BER của điều chế QPSK qua kênh Fading. ........................ 70

Hình 3.13

Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn MQAM qua kênh fading sử dụng
tách tín hiệu đồng bộ (coherent detection) ............................................ 71

Hình 3.14

Mô phỏng BER của điều chế 4-QAM qua kênh Fading ........................ 73
iii


Hình 3.15

Mơ phỏng BER của điều chế 16-QAM qua kênh Fading ...................... 74

Hình 3.17

Mơ phỏng BER của điều chế BPSK ...................................................... 75

Hình 3.18

Mơ phỏng BER của điều chế QPSK ...................................................... 76

Hình 3.19

Mơ phỏng BER của điều chế 4-QAM.................................................... 76

Hình 3.20

Mơ phỏng BER của điều chế 16-QAM.................................................. 77

Hình 3.21

Mơ phỏng BER điều chế của các kỹ thuật điều chế qua kênh
AWGN ................................................................................................... 77

Hình 3.22

Mơ phỏng BER điều chế của các kỹ thuật điều chế qua kênh
Fading ..................................................................................................... 78

iv


CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AM

Amplitude Modulation

ASK

Amplitude Shift Keying

ATDE
AWGN
BER
BO
BPSK
BS
BTS

CDM

Adaptive Time Domain Equalizer
Additive White Gaussian Noise

Bit Error Rate
Back Off
Binary Phase Shift Keying
Base Station
Base Transceiver Station
Committee Consultative International
de Radio
Code Division Multiplexing

CDMA

Code Division Multiplexing Access

DMS

Discrete Memoryless Source

DS
DS
CDMA
EHF
ELF

Direct Sequence
Direct Sequence Code Division
Multiplexing Access
Extremely High Frequencies
Extremely Low Frequencies

FDM

Frequency Division Multiplexing

CCIR

HF
HSB

Frequence Division Multiplexing
Access
Frequency Hopped
Finite Impulse Response
Frequency Shift Keying
Frequency Shift Keying
Global System for Mobile
Cpommunication
High Frequencies
Hot Standby

ISI

Inter Symbol Interference

ITU

International Telecommunication
Union

FDMA
FH

FIR
FSK
FSK
GSM

v

Điều điều chế biên độ
Điều chế khóa chuyển
biên
Thích nghi miền thời gian
Tạp âm Gauss trắng cộng
Tỷ số bit lỗi
Độ lùi cơng suất
Khóa dịch pha nhị phân
Trạm cơ sở
Trạm thu phát gốc
Uỷ ban tư vấn vô tuyến
điện quốc tế
Ghép kênh theo mã
Đa truy nhập phân chia
theo mã
Gián đoạn không không
nhớ
Trải phổ chuổi trực tiếp
Đa truy nhập phân chia
theo mã chuỗi trực tiếp
Tần số cực kì cao
Tần số cực kì thấp
Ghép kênh phân chia theo

tần số
Đa truy nhập phân chia
theo tần số
Trải phổ nhảy tần
Chiều dài hữu hạn
Khóa dịch tần số
Điều chế khóa chuyển tần
Mạng thơng tin di động
tồn cầu
Tần số cao
Dự phịng nóng
Nhiễu giao thoa giữa các
ký hiệu
Tổ chức viễn thơng quốc
tế


LF
LOS
MAI
MF
MLD
MODEM
MS
MSK

PAM

Low Frequencies
Line Of Sight

Multiple Access Interference
Medium Frequencies
Maximum Likelihood Detection
Modulation Demodulation
Mobile Station
Minimum Shift Keying
Orthogonal Frequency Division
Multiplex
Pulse Amplitude Modulation

PAPR

Peak to Average Power Ratio

PCM
PM
PSK

Pluse Code Mudulation
Phase Modulation
Phase-Shift Keying

QAM

Quadrature Amplitude Modualtion

QPSK

Quadrature Phase-Shift Keying

RR

Radio Regulations

SER
SHF
SNR

Symbol Error Rate
SuperHigh Frequencies
Signal to Noise Ratio

SNRD

Signal to Noise Ratio Degradation

TDM

Time Division Multiplexing

TDMA

Time Division Multiplexing Access

TWT
UHF
VF
VHF
VLF

Traveling Wave Tube
Ultra High Frequencies
Voice Frequencies
Very High Frequencies
Very Low Frequencies

OFDM

vi

Tần số thấp
Tia trực tiếp
Giao diện đa truy nhập
Tần số trung bình
Tách sóng hợp lẽ tối ưu
Điều chế - Giải điều chế
Trạm di động
Khóa dịc tối thiểu
Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao
Điều chế biên xung
Tỷ số cơng suất đỉnh trên
cơng suất trung bình
Điều chế xung mã
Điều chế pha
Khóa dịch pha
Điều chế biên độ cầu
phương
Khóa dịch biên độ cầu
phương

Qui định thông tin vô
tuyến
Lỗi ký tự
Tần số siêu cao
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
Suy thối tỷ số tín hiệu
trên tạp âm
Ghép kênh theo thời gian
Đa truy nhập phân chia
theo thời gian
Đèn sóng chạy
Tần số cực cao
Tần số tiếng nói
Tần số rất cao
Tần số rất thấp


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
1.1. Giới thiệu chƣơng
Chương 1 tìm hiểu lịch sử phát triển, cấu trúc hệ thống, đặc tính kênh
truyền và sự phân chia phổ tài nguyên vô tuyến.
1.2. Khái niệm
Thông tin vô tuyến là hệ thống thông tin sử dụng khoảng không gian
tự do làm môi trường truyền dẫn. Phương pháp thơng tin là phía phát bức xạ
các tín hiệu thơng tin bằng sóng điện từ, phía thu nhận sóng điện từ và tách lấy
tín hiệu gốc.
Mặc dù khơng gian tự do hàm ý là chân khơng, nhưng sự truyền sóng
qua khí quyển trái đất vẫn thường được coi là truyền sóng trong khơng gian
tự do. Sự khác nhau chủ yếu là ở chỗ khí quyển trái đất gây nên các tổn thất đối
với tín hiệu, cịn trong chân khơng thì khơng có tổn thất. Khơng thể lý giải đầy

đủ sóng vơ tuyến theo lý thuyết, bởi vì nó khơng chỉ bị ảnh hưởng bởi tầng đối
lưu và tầng điện ly mà còn bởi các thiên thể, kể cả mặt trời. Do vậy việc dự báo
đường truyền sóng vơ tuyến cũng như khả năng liên lạc dựa trên nhiều dữ liệu
trong quá khứ là hết sức quan trọng [3].
Nguồn tin

Mã nguồn
tin

Mã kênh

Điều chế

Kênh vơ
tuyến

Đích nhận
tin

Giải mã
nguồn tin

Giải mã
kênh

Giải điều
chế

Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống thông tin vô tuyến
Nguồn tin trước hết được mã hóa nguồn để giảm bớt các thơng tin dư thừa,

sau đó mã kênh để chống lại các lỗi do kênh truyền gây ra. Tiếp tục, để truyền đi
xa tín hiệu phải được điều chế, các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của
kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy
thu sẽ trải qua các thuật toán ngược lại với máy phát. Kết quả tín hược được giải
mã và thu được ở máy thu [3].
1


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

thanh truyền hình quảng bá, vơ tuyến hàng hải, hàng khơng, qn sự, quan sát khí
tượng, liên lạc sóng ngắn nghiệp dư, thông tin vệ tinh - vũ trụ...v.v [3].
Tuy nhiên, can nhiễu với lĩnh vực thông tin khác là điều không tránh khỏi,
bởi vì thơng tin vơ tuyến sử dụng chung phần khơng gian làm mơi trường truyền
dẫn. Để đối phó với vấn đề này, một loạt các cuộc Hội nghị vô tuyến Quốc tế đã
được tổ chức từ nǎm 1906. Tần số vô tuyến hiện nay đã được ấn định theo qui định
thông tin vô tuyến (RR: Radio Regulations) tại hội nghị (ITU: International
Telecommunication Union) ở Geneva nǎm 1959. Sau đó lần lượt là Hội nghị về
phân bố lại dải tần số sóng ngắn để sử dụng vào nǎm 1967, Hội nghị về bổ sung qui
2


chế tần số vô tuyến cho thông tin vũ trụ vào nǎm 1971, và Hội nghị về phân bố lại
tần số vô tuyến của thông tin di động hàng hải cho mục đích kinh doanh vào nǎm
1974. Tại Hội nghị của ITU nǎm 1979, dải tần số vô tuyến phân bố đã được mở
rộng từ 9 kHz đến

ại và bổ sung cho Qui chế thông tin vô

tuyến điện (RR). Để giảm bớt can nhiễu của thông tin vô tuyến, ITU tiếp tục nghiên
cứu những vấn đề sau đây để bổ sung vào sự sắp xếp chính xác khoảng cách giữa
các sóng mang trong.
Qui chế thơng tin vơ tuyến:
- Dùng cách che chắn thích hợp trong khi lựa chọn trạm.
- Cải thiện hướng tính của anten; nhận dạng bằng sóng phân cực chéo.
- Tǎng cường độ ghép kênh.
- Chấp nhận sử dụng phương pháp điều chế chống lại can nhiễu...
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin khác như
thông tin di động, vi ba số, cáp quang, thông tin vệ tinh...v.v, thông tin vô tuyến vẫn
tiếp tục đóng vai trị quan trọng và được phát triển ngày càng hồn thiện với

những cơng nghệ cao đáp ứng được những địi hỏi khơng những về mặt kết cấu mà
cả về mặt truyền dẫn, xử lý tín hiệu, bảo mật thông tin...
1.4. Khái niệm kênh truyền vô tuyến
Kênh truyền vơ tuyến là mơi trường truyền lan sóng vơ tuyến. Nó là phần tử cơ
bản nhất quyết định đến chất lượng hệ thống viễn thông. Không giống như kênh
truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đốn được, kênh truyền vơ tuyến là hồn
tồn ngẫu nhiên và khơng hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi,
qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ,
tán xạ, nhiễu xạ [3].
- Phản xạ xẩy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích
thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu của tần số vơ tuyến.
- Nhiễu xạ xẩy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi
một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng.
- Tán xạ xẩy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm
cho năng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng.
- Kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu

3


phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến.
Do vậy, trước khi thiết kế hệ thống việc nghiên cứu các đặc tính kênh truyền là
nhiệm vụ quan trọng. Dựa trên kết quả đó người ta mới lựa chọn các kỹ thuật mã
hóa kênh, kỹ thuật điều chế tín hiệu cũng như các phương pháp cân bằng kênh, lọc
nhiễu và các kỹ thuật khác.
1.5. Các đặc tính của kênh vơ tuyến
a. Kênh thơng tin vơ tuyến có độ suy hao rất l n, t ường đạt t

140 đến

160 dB
Cơng suất tín hiệu ở lối vào phần thu của kênh thường có giá trị nằm trong
khoảng 10-10 đến 10-14 W trong khi đó lại cần cơng suất hàng W hoặc lớn hơn ở
lối ra để thiết bị cuối làm việc tin cậy. Nghĩa là thiết bị thu của kênh phải có hệ số
khuếch đại theo cơng suất ít nhất là 1010 đến 1014 hay 105 đến 107 lần theo điện
áp. Vấn đề khuếch đại tín hiệu khơng chỉ khó ở chỗ hệ số khuếch đại phải cao mà
cịn khó ở chỗ mức tín hiệu ở lối vào thiết bị thu so sánh được với tạp âm
thăng giáng. Tạp âm thăng giáng lẫn vào tín hiệu và không thể tách riêng được [3].
b. Độ suy hao của kênh vô tuyến t ay đổi trong phạm vi rộng
Cường độ trường điện từ tại điểm thu tỉ lệ nghịch với bình phương của qng
đường mà sóng đi qua, vì vậy sự thay đổi mức tín hiệu ở lối vào phần thu của kênh
trong dải cự ly thông tin cần thiết đạt tới 100 - 120 dB. Có nghĩa là việc bảo đảm
mức tín hiệu ra khơng đổi (để thiết bị cuối hoạt động bình thường) gặp nhiều khó
khăn [3].
Độ suy hao thay đổi của kênh cịn gây khó khăn cho việc thành lập các hệ
thống thông tin duplex (song công), tương tự như hệ thống thông tin dây dẫn với lối
ra hai dây, nếu tham số mang tin của tín hiệu cao tần là biên độ vì khó tránh khỏi sự
mất ổn định tức là tăng khả năng tự kích). Độ suy hao kênh thay đổi lớn khi tiến
hành thông tin giữa các đối tượng cơ động nếu sử dụng các sóng cực ngắn vì sóng
cực ngắn lan truyền phụ thuộc vào địa hình. Điều kiện tiến hành thơng tin trở nên
không thuận lợi khi trên đường truyền gặp phải các đối tượng phản xạ sóng vơ
tuyến, vì sẽ gây nên hiện tượng fading giao thoa [3].

4


c. Độ suy giảm của kênh thông tin vô tuyến biến đổi còn do s t ay đổi của
các tham số khí quyển quả đất
Sự thay đổi này thấy rõ hơn ở dải sóng ngắn, khi tiến hành thơng tin bằng các
sóng phản xạ từ tầng ion. Trước hết do những thay đổi chậm theo ngày đêm của

mức độ ion hố các miền khác nhau của tầng khí quyển mà xuất hiện các dao động
theo ngày đêm của mức tín hiệu. Ngồi ra việc thu các sóng phản xạ từ tầng ion kèm
theo những fading thường xuyên và khá nhanh của tín hiệu do sự giao thoa của các
tia đến được điểm thu bằng những con đường khác nhau [3].
d. Kênh thông tin, nếu hạn chế chỉ là mô trường truyền sóng, thì về
mặt vật lý là chung cho tất cả các p ương t n thông tin vô tuyến đang tồn tại, các
đà p át t an , d n đường vô tuyến....
Khả năng phát đồng thời một số lượng lớn các tin trên vô tuyến dựa trên cơ sở
phân tách tín hiệu theo tần số. Tuy nhiên, vì việc sử dụng một cách có tổ chức dải
tần mà cự ly truyền sóng khơng bị giới hạn như song ngắn, là cực kỳ khó khăn,
trong khi nhu cầu ở một số đoạn tần lại vượt quá dung lượng vật lý của chúng thì dễ
dàng rút ra kết luận về khả năng và sự không tránh khỏi của việc gây nhiễu lẫn nhau
khi phát tin, dẫn tới sự mật mát nào đó của tin tức [3].
Tình hình lại càng tồi tệ hơn do sự khơng hồn thiện về mặt kỹ thuật của thiết
bị, thể hiện ở chỗ việc phát tín hiệu thường kèm theo các bức xạ phụ, còn việc thu
thì lại tiếp nhận cả các nhiễu từ miền tần số lớn hơn nhiều dải tần chiếm bởi tín hiệu
cần nhận, nhất là khi nguồn nhiễu ở gần ngay nơi thu [3].
Ngồi ra các nguồn nhiễu cịn là các q trình tự nhiên, như sự phóng điện cơn
giơng trong khí quyển, bức xạ vô tuyến của mặt trời và thiên hà. Nguồn
nhiễu cịn là các thiết bị điện trong cơng nghiệp và sinh hoạt. Đa số các nhiễu có
nguồn gốc tự nhiên và công nghiệp là các nhiễu dải rộng, bao trùm hầu hết tồn bộ
dải tần [3].
e. Kênh vơ tuyến gây méo tín hi u p át đ do s hạn chế phổ tần của nó
Người ta hạn chế phổ rộng vơ hạn của tín hiệu có độ rộng hữu hạn trong tất cả
các hệ thống thơng tin, vì năng lượng cơ bản của các tín hiệu chỉ tập trung trong dải
tương đối hẹp. Trong các hệ thống thông tin vơ tuyến, sự cần thiết phải hạn chế phổ
cịn do dung lượng không đủ của dải tần và giảm xác suất nhiễu lạ lọt vào dải thông
của kênh [3].
5

Tóm lại: Khác với kênh hữu tuyến, kênh vơ tuyến được đặc trưng bởi dải rộng
của những thay đổi nhanh và chậm của độ suy hao và bởi sự tác động số lượng lớn
các nhiễu từ nguồn ngoài.
1.6. Truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thơng
Tín hiệu băng cơ sở là tín hiệu mà phổ tần của nó với năng lượng tập trung ở
vùng tần số thấp quanh gốc tọa độ, coi gần đúng là tín hiệu có tần số từ 0 đến
Fmax nào đó. Ví dụ tín hiệu băng tần thoại tập trung năng lượng trong dải tần từ
0.3÷ 3.4 Khz.
Tín hiệu băng cơ sở hay băng gốc được tạo ra bởi các nguồn thông tin khác
nhau, không phù hợp kênh truyền và không thể truyền đi xa được. Để dễ dàng
truyền đi tín hiệu cần phải trải qua quá trình điều chế. Trong q trình này tín hiệu
băng gốc dùng để làm biến đổi một vài thơng số của tín hiệu sóng mang cao tần. Kết
quả tín hiệu băng cơ sở thành tín hiệu băng thơng mà phổ tần của nó với năng lượng
tập trung quanh tần số sóng mang fc [3].
1.7. Một số kỹ thuật xử lý tín hiệu
Các chức năng xử lý tín hiệu như thế được mơ tả bởi các khối trong sơ đồ khối
của hệ thống. Mỗi một khối mơ tả một thuật tốn xử lý tín hiệu. Sơ đồ khối tiêu
biểu của một hệ thống thông tin số được mơ tả trên hình 1.2, trong đó thể hiện tất cả
các chức năng xử lý tín hiệu chính nhất có thể có của các hệ thống thơng tin số hiện
Từ các nguồn khác
nay [3].
Định
dạng

Mã
hóa
nguồn
*

Mã
hóa
mật
*

Mã
hóa
kênh
*

Điều
chế

Ghép
kênh
*



*

Đa
truy
nhập

Trải
phổ




Đồng bộ

*: Chuỗi bít

Kênh truyền
Vơ tuyến

: Chuỗi dạng sóng
Giải
định
dạng

Giải
mã
nguồn
*

Giải
mã
mật
*

Giải
mã
kênh
*

Phân
kênh

*

Giải
điều
chế
*

Đa
truy
nhập

Giải
trải
phổ




Tới các đích nhận tin khác
Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin vô tuyến số
6

Máy
phát

Máy
thu


Trong sơ đồ khối hình 1.2 thực chất là sơ đồ mơ tả lưu đồ xử lý tín hiệu, các
thuật tốn cơ bản xử lý tín hiệu (song khơng phải trong hệ thống thông tin số nào
cũng nhất thiết phải thực hiện đầy đủ các thuật toán cơ bản này) bao gồm [3]:
- Định dạng hẩu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thơng tin số (tiếng nói, hình
ảnh, âm thanh...) là tín hiệu tương tự nên ta cần có khối định dạng để chuyển đổi
tín hiệu từ tương tự sang dãy từ mã số. Các từ mã này được biểu diễn bằng các bit
nhị phân, rồi tùy ứng dụng cụ thể mà biễu diễn các bit hay nhóm bit ở dạng thức
thích hợp.
- Giải định dạng có nhiệm vụ là chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự. Việc
số hóa tín hiệu tương tự làm tăng băng thơng truyền dẫn của tín hiệu nhưng cho
phép bộ thu hoạt động ở tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp hơn.
- Mã hố nguồn và giải mã nguồn tín hiệu, thực hiện nén và giải nén tin nhằm
giảm tốc độ bít để giảm phổ chiếm của tín hiệu số. cụ thể là trong một đơn vị thời
gian khối mã hóa nén bớt một số bít mà khơng làm mất thơng tin
- Mã và giải mã mật, thực hiện mã và giải mã chuỗi bít theo một khố xác
định nhằm bảo mật tin tức. Tuy nhiên yêu cầu đi kèm với bảo mật là bảo tồn tốc độ
bít. Vì vậy người ta thường dung phương pháp xáo trộn vị trí ký hiệu trong bản tin
theo nguyên tắc thống nhất giữa phần phát và phần thu
- Mã và giải mã kênh có hai loại là mã khối và mã chập, nhiệm vụ là kiểm
soát lỗi và các tác động xấu khác trên đường truyền, sửa lỗi để đảm bảo truyền dẫn
thông tin số tin cậy ở trên kênh thực tế. cụ thể người ta chèn thêm vào chuỗi tin ở
phía phát một lượng bít dư thường để kiểm sốt lỗi. nhờ vậy phía thu có thể thực
hiện hai nhiệm vụ là phát hiện lỗi và sửa lỗi
- Ghép-phân kênh, nhằm thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khác
nhau tới các đích nhận tin khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn. trong kĩ
thuật truyền dẫn tín hiệu, có ba phương pháp ghép kênh cơ bản là ghép kênh theo
tần số (FDM: Frequency Division Multiplexing) và ghép kênh theo thời gian (TDM:
TimeDivision Multiplexing) và ghép kênh theo mã (CDM: Code Division
Multiplexing). Các tín hiệu tương tự có phổ tương đối hạn chế, việc hạn phổ không
gây ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng liên lạc. Mặt khác việc chuyển phổ của tín

hiệu tương tự lên băng tần đường dây và sắp xếp chúng phân biệt nhau về mặt giải
7


tần được thực hiện khá dễ dàng. Vì vậy trong các hệ thông truyền dẫn tương tự việc
ghép kênh thường được thực hiện theo phương pháp ghép kênh theo tần số dù về
nguyên tắc phương pháp ghép kênh theo thời gian cũng có thể áp dụng được với các
tín hiệu tương tự. Đối với tín hiệu số vì các xung tín hiệu có thời gian tồn tại hữu
hạn, thời gian tồn tại phụ thuộc vào độ rộng xung có thể tạo ra và xử lý được.
Khoảng cách giữa các phần tử kế tiếp nhau của cùng một nguồn tin là một đại lượng
cố định gọi là độ dài của khung tín hiệu. Khi độ rộng xung tín hiệu khá nhỏ hơn độ
dài khung tín hiệu vào cùng một khung tín hiệu. tín hiệu từ mỗi nguồn tin như vậy
được truyền đi trên khe thời gian riêng biệt. Với hệ thống truyền dẫn số, thực hiện
ghép kênh khá thuận lợi. Khi cần phát một luồn số trên kênh vô tuyến, cần phải điều
chế luồng số này ở một song mang có độ rộng băng tần hữu hạn dành cho một kênh.
Luồng số này có thể là tín hiệu ban đầu của máy tính hay luồng số (PCM: Pluse
Code Mudulation) được tạo ra từ tiếng nói hay hình ảnh đã số hóa.
- Điều chế và giải điều chế số, thường gọi tắt là (MODEM: Modulation
Denodulation). Là khối giao diện thực hiện hai chức năng:
 Ghép k bít thành một symbol để nâng cao hiệu quả sử dụng đường truyền.
 Ánh xạ tập symbol thành tập dạng sóng để truyền tín hiệu đi xa.
- Trải và giải trải phổ, nhằm chống nhiễu (thường do kẻ địch cố ý gây ra để
phá liên lạc) và bảo mật tin tức. Thực hiện bằng cách mở rộng phổ chiếm của tín
hiệu lên giấp nhiều lần ở khối trải phổ và nén lại ở khối giải trải phổ. Các hệ thống
thơng tin thì trải phổ và giải trải phổ được phát triển ứng dung trong thông tin quân
sự để cung cấp khả năng chống lại việc gây nhiễu của địch, che dấu tín hiệu bằng
cách phát ở công suất thấp nhằm giảm khả năng bị phát hiện. Dùng cho tín hiệu
truyền tin có hai loại trải phổ cơ bản là trải phổ chuổi trực tiếp (DS: Direct
Sequence) và trải phổ nhảy tần (FH: Frequence hopped). Có hai loại điều chế liên
quan đến trải phổ đó là khóa dịch pha (PSK: Phase Shift Keying) và khóa dịch tần

số (FSK: Frequency Shift Keying) sẽ được làm rõ ở chương hai
- 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. Nhằm khơi phục chính xác tín hiệu thu
cần thiết biết thơng tin về thời gian tồn tại của một symbol là TS của tín hiệu số và
trong các hệ thống truyền dẫn kết hợp thì cịn phải biết chính xác thơng tin về pha
8


của tín hiệu sóng mang sử dụng trong điều chế số. Để làm được điều này thì bên
phát phải thơng báo cho bên thu biết các thong tin đó và hệ thống thực hiện chức
năng này gọi là hệ thống đồng bộ
- Đồng bộ, bao gồm đồng bộ nhịp đồng hồ, đồng bộ bít, đồng bộ symbol, đồng
bộ khung, đồng bộ mạng và đồng bộ pha sóng mang đối với các hệ thống thông tin
liên kết.
- Máy phát thực hiện trộn tần, khuếch đại tần số và lọc tần số. Cụ thể là trộn
tần tín hiệu từ tần số trung tâm lên tần số vô tuyến.
- Kênh truyền vô tuyến là môi trường giữa điểm phát và điểm thu. Kênh
truyền là môi trường vô tuyến. Mọi kênh truyền đều gây ra độ suy hao hay là độ tổn
thất truyền dẫn. Vì thế cường độ tín hiệu bị suy giảm dẫn theo khoảng cách truyền.
Có rất nhiểu ảnh hưởng khơng mong muốn xuất hiện trong q trình truyền dẫn tín
hiệu. Suy hao là một ảnh hưởng khơng mong muốn do nó gây ra suy giảm cường độ
tín hiệu tại máy thu. Các hiệu ứng khác như méo nhiễu tạp âm làm cho dạng tín
hiệu bị thay đổi do đó có ảnh hưởng nghiêm trọng hơn. Méo là là hiện tượng ảnh
hưởng đến dạng sóng tín hiệu gây ra bởi đáp ứng không lý tưởng của hệ thống như
mong muốn. Không giống như nhiễu và can nhiễu, khi khơng có tín hiệu thì khơng
có méo. Nếu kênh truyền là tuyến tính nhưng đáp ứng có méo thì méo này có thể
được sửa, hoặc có thể giảm thiểu bằng bộ lọc đặc biệt gọi là bộ cân bằng. Can nhiễu
là những tín hiệu tác động từ những nguồn tín hiệu khác vào tín hiệu cần truyền như
các máy phát khác, đường dây điện. Can nhiễu thường xuất hiện trong các hệ thống
vô tuyến do những anten thường thu nhiều loại tín hiệu đồng thời các bộ lọc thường

được sử dụng để loại bỏ can nhiễu có tẫn số ngồi dải tẫn của tín hiệu truyền dẫn
mong muốn. Nhiễu hay là các tín hiệu điện ngẫu nhiên sinh ra bởi các quá tình vật
lý trong hệ thống và cả từ bên ngoài. Khi nhiễu tác động vào tín hiệu truyền có thể
làm giảm chất lượng của tín hiệu hay có thể làm hỏng đường truyền. Bộ lọc dùng
để giảm nhiễu một phẫn nhưng nhiễu khơng thể loại bỏ hồn tồn. Nhiễu là một
thành phẫn cơ bản tạo ra những giới hạn trong hệ thống truyền thông.
- Lọc (được thực hiện tại máy thu phát đầu cuối), bao gồm lọc cố định nhằm
hạn chế phổ tần, chống tạp nhiễu và lọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gây bởi
đường truyền.
9


Trên sơ đồ hình 1.2 các khối nhánh bên dưới (phần thu) thực hiện các thuật
toán xử lý ngược với các khối tương ứng ở nhánh trên (phần phát).
Trong số các chức năng nói trên thì các chức năng tạo khn tín hiệu số, điều
chế và giải điều chế số là không thể thiếu đối với mọi loại hệ thống thơng tin số. Về
mặt thuật tốn mà nói, khối điều chế số là một khối giao diện, thực hiện biến đổi tín
hiệu số thành các tín hiệu liên tục phù hợp với việc truyền đưa tín hiệu đi xa. Máy
phát đầu cuối chỉ thực hiện các thuật toán trộn tần nhằm đưa tín hiệu lên tới tần số
thích hợp, khuếch đại, lọc và phát xạ tín hiệu vào mơi trường truyền dẫn (bằng hệ
thống ăng-ten và phi-đơ trong các hệ thống vô tuyến chẳng hạn). Đối với một hệ
thống thông tin số thì MODEM đóng vai trị như bộ não cịn máy thu phát thì chỉ
như cơ bắp mà thơi. Các khối chức năng cịn lại khơng phải là bắt buộc đối với tất
cả mọi hệ thống thông tin số mà chỉ có mặt trong từng loại hệ thống cụ thể và do
vậy trên hình 1.2 chúng được diễn tả bằng các khối đứt nét.
Các thuật tốn xử lý tín hiệu trong sơ đồ khối hình 1.2 có thể phân thành hai
nhóm chính:
- Các thuật tốn xử lý tín hiệu băng gốc bao gồm các thuật tốn từ tạo khn
tới điều chế số (và các khối có chức năng ngược lại ở phần thu).
- Các thuật tốn xử lý tín hiệu tần số cao hay tín hiệu thơng giải bao gồm các

thuật toán liên quan tới đa truy nhập, trải phổ và thuật tốn trộn tần nhằm
đưa tín hiệu lên tần số cao.
Trong phân tích, đánh giá và thiết kế hệ thống, các hệ thống hồn tồn có thể
xem xét được ở dạng băng gốc tương đương, trong đó:
- Mọi tín hiệu đều là tín hiệu băng gốc hoặc tín hiệu băng gốc tương đương
nhờ sử dụng tín hiệu đường bao phức hay cịn gọi là tín hiệu thơng thấp tương
đương của tín hiệu cao tần.
- Mọi khối đều là các mạch thông thấp hay thông thấp tương đương.
1.8. Điều chế
1.8.1. Khái ni m đ ều chế số
Điều chế là q trình gửi thơng tin vào các tham số của sóng mang vơ tuyến
với độ rộng băng tần cần thiết để truyền kênh vơ tuyến. Hay nói cách khác, điều chế
được xem như là q trình mà trong đó một đặc tính nào đó của sóng mang được
10


thay đổi theo một sóng điều chế [4].
Ngồi ra để tăng dung lượng đường truyền dẫn số khi băng tần của kênh vơ
tuyến có hạn người ta sử dụng điều chế khóa pha và khóa biên kết hợp và phương
pháp này được gọi là điều chế cầu phương vng góc (QAM: Quadrature Ampliud
Modulation) [4].
1.8.2. Tại sao phả dùng đ ều chế số
Vì năng lượng của tín hiệu phát ra ở máy phát khơng đủ để có thể truyền tín
hiệu ở khoảng cách xa, do đó cần phải sử dụng điều chế để nhờ năng lượng của
sóng điều chế mang tín hiệu truyền đi trên đường truyền.
Điều chế số đã dần dần thay thế điều chế tương tự bởi một số lợi thế riêng của
nó như: khi chuyển sang điều chế số thì dung lượng thơng tin mang đi sẽ nhiều hơn,
tương thích với các dịch vụ dữ liệu số, bảo mật cao hơn, chất lượng kết nối hệ thống
tốt hơn, và tính sẵn sàng của hệ thống nhanh hơn.
Phổ vơ tuyến được chia sẽ, và hằng ngày có thêm nhiều người dùng mới sử

dụng phổ này để dùng các dịch vụ, do đó quy hoạch về tài ngun vơ tuyến là điều
hết sức cần thiết. Khi sử dụng điều chế số thì dung lượng mang tin sẽ lớn hơn là sử
dụng điều chế tương tự, nên sẽ giải quyết một phần nào đó vấn đề này [4].
1.8.3. Đ ều chế tín hi u nhiều mức nhằm nâng cao hi u quả phổ
Trong thực tế, hầu hết các nguồn tin số đều tạo ra tín hiệu nhị phân. Để đạt
được hiệu quả phổ cao, các tín hiệu số nhị phân thường được mã thành các tín hiệu
nhiều mức (chức năng thứ nhất của bộ điều chế nhiều mức). Tức là chấp nhận tăng
cơng suất của tín hiệu nhằm giảm bề rộng phổ mà tín hiệu chiếm.
Bề rộng phổ tín hiệu số phụ thuộc vào số chiều của tín hiệu. Trước tiên chúng
ta sẽ xem xét độ rộng phổ đối với một tín hiệu đơn lẻ của tập tín hiệu. Về lý thuyết,
phổ của một tín hiệu số trải từ  tới , điều này nhận được thông qua biến đổi
Fourrier. Tuy nhiên trong thực tế bề rộng phổ chiếm của một tín hiệu số là giải được
xét như sau. Độ rộng băng tạp âm của bộ lọc phối hợp, theo lý thuyết thông tin,
bằng 1/TS (TS là độ dài của một symbol). Như vậy, độ rộng băng tần của một tín
hiệu số tối thiểu sẽ là 1/TS. Trong thực tế độ rộng băng tín hiệu số thường lớn hơn
giá trị này một vài chục phần trăm [3].
Nếu các tín hiệu cơ sở trực giao của khơng gian tín hiệu đều có chung một tần
11


số, đây là trường hợp đối với các tín hiệu một hay hai chiều (thí dụ BPSK: Binary
Phase Shift Keying, M-PSK, M-QAM...), thì các tín hiệu số được tạo thành là các tổ
hợp tuyến tính của các tín hiệu cơ sở cũng sẽ có chung tần số và do vậy cho phép
việc thu chúng sử dụng chung một loại mạch lọc. Kết quả là tập tín hiệu tổng cộng
cũng chiếm giải tần như của một tín hiệu đơn (là 1/TS chưa kể vài chục phần trăm
mở rộng đã nói ở trên đây) [3].
Đối với trường hợp các tín hiệu cơ sở trực giao của khơng gian tín hiệu có các
tần số khác nhau (trường hợp điều chế tần số số FSK, MSK...) thì khoảng cách tần
số giữa các tần số đó phải khơng nhỏ hơn 1/TS. Phổ của cả tập tín hiệu sẽ chiếm tới
M/TS và vì số chiều của tín hiệu trong trường hợp này D = M nên có thể thấy được

ngay rằng khi số chiều tín hiệu tăng thì bề rộng phổ chiếm của cả tập tín hiệu cũng
sẽ tăng một cách tỷ lệ [3].
Hiệu quả phổ của tín hiệu được đánh giá bằng tốc độ truyền tin cho phép trên
một đơn vị bề rộng phổ tần số (có đơn vị là b/s/Hz). Việc điều chế M mức sẽ làm
tăng TS lên log2M lần so với độ rộng một bít, cho phép giảm mạnh phổ chiếm của
tín hiệu, do vậy tăng được hiệu quả phổ so với trường hợp nhị phân [3].
Các loại điều chế tần số, mặc dù việc thực hiện là rất đơn giản và có những ưu
điểm nhất định do là tín hiệu có đường bao khơng đổi nên ít nhạy cảm với các méo
phi tuyến trên kênh, song không cho hiệu quả phổ tốt (không nâng được hiệu quả sử
dụng phổ so với trường hợp nhị phân). Vì thế, trong thực tế chúng chỉ được sử dụng
với M khá nhỏ (thường không quá 4) và thường chỉ áp dụng trong những trường
hợp khi hiệu quả phổ không phải là yêu cầu tối thượng trong khi đó các yêu cầu về
khả năng chịu méo phi tuyến, mức độ đơn giản thiết bị lại là những yêu cầu hàng
đầu. Đối với các hệ thống đòi hỏi hiệu quả phổ lớn như các hệ thống dung lượng
lớn và vừa chẳng hạn, các loại điều chế thường được sử dụng là M-PSK hay MQAM vì đối với các loại tín hiệu này hiệu quả phổ tăng log2M lần so với tín hiệu
nhị phân [3].
Trả giá đối với việc nâng cao được hiệu quả phổ là phải tăng cơng suất tín
hiệu. Chúng ta sẽ xét làm thí dụ đối với tín hiệu M-PSK. Với cùng một cơng suất tín
hiệu như nhau (các véc-tơ tín hiệu có độ dài như nhau), thì khoảng cách từ điểm tín
hiệu tới biên quyết định đối với trường hợp M-PSK (M>2) nhỏ hơn trong trường
12


hợp điều chế pha nhị phân (BPSK), do đó xác suất thu lỗi đối với M-PSK sẽ lớn
hơn đối với BPSK. Để bảo đảm duy trì xác suất thu lỗi như của trường hợp BPSK,
cần phải tăng khoảng cách từ điểm tín hiệu tới biên quyết định cho trường hợp MPSK. Điều này dẫn đến phải tăng công suất của tín hiệu. Tỷ lệ tăng cơng suất đối
với điều chế pha số M-PSK dễ dàng xác định được là [3]:
PM / PB 

1

2 2n

n. sin 2 ( / 2 n ) n 2

(1.1)

trong đó PM và PB lần lượt là cơng suất cần thiết đối với M-PSK và BPSK để
có được cùng một xác suất thu lỗi như nhau, n = log2M. [3]
1.8.4. L a chọn tố ưu tập tín hi u
Việc lựa chọn tập tín hiệu (lựa chọn phương pháp điều chế) nhằm đạt được
một hiệu quả sử dụng phổ theo u cầu với cơng suất tín hiệu nhỏ nhất mà vẫn bảo
đảm được xác suất thu lỗi đã cho. Chẳng hạn chúng ta có bài tốn: Hệ thống truyền
dẫn cần có dung lượng B [b/s], hãy xác định loại tín hiệu (loại điều chế) cần sử
dụng để truyền với một xác suất lỗi xác định nào đó trên một kênh có bề rộng băng
tần W [Hz], Wsử dụng được nên chúng ta nhất thiết phải sử dụng điều chế nhiều mức. Do điều chế
FSK không tăng được hiệu quả sử dụng phổ so với trường hợp nhị phân nên chúng
ta sẽ không xét tới. Các loại điều chế thơng thường có hiệu quả sử dụng phổ cao là
PSK và QAM do đó ở đây ta sẽ thực hiện so sánh hai loại điều chế này. Với cùng
một giá trị M, hiệu quả sử dụng phổ của cả hai cách điều chế này đều tăng như nhau
là log2M lần so với của trường hợp nhị phân. Vấn đề là loại điều chế nào địi hỏi
cơng suất tín hiệu nhỏ hơn. Như đã trình bày ở phần trước, xác suất thu lỗi của hệ
thống truyền dẫn số khơng phụ thuộc vào dạng sóng cụ thể của tín hiệu mà chỉ phụ
thuộc vào constellation của tín hiệu, cụ thể là phụ thuộc vào khoảng cách từ điểm
tín hiệu tới biên quyết định. Do đó ta sẽ so sánh M-PSK và M-QAM bằng
constellation của chúng. Để có được xác suất thu lỗi như nhau, ta phải có dP=dQ,
trong đó dP, dQ lần lượt là khoảng cách từ điểm tín hiệu tới biên quyết định đối với
M-PSK và M-QAM [3].
d p  E p . sin


M

13

(1.2a)