TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
Lịch sử phát triển và một số đặc điểm của thông tin số
Các hệ thống thông tin số đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, thay thế hầu hết các hệ thống thông tin tương tự Tại Việt Nam, gần như tất cả các hệ thống chuyển mạch và truyền dẫn của ngành bưu điện đã được số hoá, với tiến trình số hoá diễn ra nhanh chóng Cuộc cách mạng khoa học công nghệ hiện nay được đánh dấu bởi sự ra đời và phát triển ồ ạt của máy tính và các phương tiện xử lý thông tin, đặc biệt là các hệ thống xử lý song song với tốc độ ngày càng cao Sự phát triển của các công cụ tín hiệu số cũng yêu cầu phát triển đồng bộ các phương pháp xử lý số hiện đại, trong đó bộ lọc là một trong những công cụ chính của kỹ thuật xử lý số.
Bộ lọc đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, đặc biệt trong các hệ thống số, nơi mà xuyên nhiễu giữa các dấu (ISI) ảnh hưởng lớn đến kênh truyền Để giảm thiểu ISI, các bộ lọc được sử dụng tại đầu thu và đầu phát Mặc dù vấn đề này đã được nghiên cứu sâu rộng, nhưng để hiểu rõ hơn về các bộ lọc và cách khắc phục ISI, tôi đã chọn đề tài “Xây dựng đặc tuyến bộ lọc số tối ưu cho kênh liên tục, băng thông hữu hạn” Đồ án sẽ được chia thành ba phần với nội dung cơ bản như sau.
Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin số
Chương 2 Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh có băng thông hữu hạn
Chương 3 Xây dựng bộ lọc thu và phát tối ưu cho kênh có băng thông hữu hạn Đồ án này được tìm hiểu dựa trên những tài liệu tiêu biểu về kỹ thuật truyền dẫn số và sự tận tình hướng dẫn của các thầy, cô trong khoa Điện tử Viễn thông có kinh nghiệm về lĩnh vực này Đồ án này có thể sử dụng như một tài liệu tham khảo trong học tập cũng như cho các bạn đang tìm hiểu về lĩnh vực này
Vinh, tháng 1 năm 2015 Sinh viên thực hiện:
Đồ án này nghiên cứu truyền dẫn tín hiệu số qua kênh băng thông hữu hạn, thiết kế bộ lọc phát và thu phù hợp Hai trường hợp được xem xét: đầu tiên, thiết kế cho tín hiệu có đặc tính cosin nâng; thứ hai, cho tín hiệu có đặc tính nhị phân đôi cái biên Đồ án cũng trình bày chi tiết về bộ lọc số lý tưởng và sử dụng phần mềm Matlap để mô phỏng các bộ lọc đã thiết kế.
This thesis explores various aspects of digital transmission over bandwidth-limited channels, focusing on the design of transmitter and receiver filters suitable for baseband-limited channels It examines two scenarios: one where the filters are designed to achieve zero intersymbol interference (ISI) and another where a specified amount of ISI is tolerated Additionally, the thesis provides insights into ideal filters and utilizes MATLAB software for simulating the designed filters.
DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT
ADM Adapting Điều chế delta tự thích nghi
Adaptive Digital Pulse Code Modulation (ADPCM) is a method used for efficient audio signal encoding, while Automatic Repeat reQuest (ARQ) ensures reliable data transmission by automatically requesting retransmission of lost packets Additionally, the Adaptive Time Domain Equalizer (ATDE) is a circuit designed to optimize signal quality by adjusting to varying conditions in real-time.
BPF Band-Pass Filter Bộ lọc thông giải
BS Base Station Trạm gốc
BO Back – Off Lùi công suất
Uỷ ban tư vấn cho Đài phát thanh quốc tế
CCITT Consultative Committee for International
Ban tư vấn cho các điện thoại quốc tế và điện báo CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
CRC Cyclic Redundancy Code mã độ dư chu trình
DM Modulator Delta Điều chế delta
DS Drect Sequence Chuỗi trực tiếp
DPCM Digital PCM Modem Kỹ thuật số PCM Modem
EFTPOS, or Electronic Funds Transfer at Point of Sale, refers to the electronic payment service that facilitates transactions directly at retail locations FDM, or Frequency Division Multiplex, is a method used to divide multiple signals over a single communication channel by assigning different frequency bands to each signal FSK, or Frequency Shift Keying, is a modulation technique that encodes data by varying the frequency of a carrier signal.
FH Frequency Hopping Nhảy tần
FIR Finite impulse response Đáp ứng xung hữu hạn
ISI Intersymbol Interference Nhiễu liên ký hiệu
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ
LO Local Oscillator Bộ dao động nội
LOS Line-Of-Sigh Hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số mặt đất trong tầm nhìn thẳng
MS Mobile Station Trạm di động
MOD Modulator Bộ điều chế
PCM Pulse Code Modulation Điều chế mã xung
PN Gen Bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiêu
PSK Phase Shift Keying Điều chế số theo pha tín hiệu
PG Processing Gain Tăng ích xử lý
QAM Quadrature amplitude modulation Điều chế biên độ cầu phương
S/P Serial/Parallel Nối tiếp/Song song
SNR Signal-to-Noise Ratio
TCP/IP Trasnmision Control Protocol / Internet
Giao thức điều khiển truyền vận/ Giao thức mạng
TDM Time Division Multiplex Ghép kênh theo thời gian
TV Television Máy vô tuyến truyền hình
T s Symbol Time-interval Thời gian của một ký tự
TWT Traveling Wave Tube Bộ khuếch đại công suất dùng đèn sóng chạy
WWW World Wide Web Mạng lưới toàn cầu
WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây XPIC CrossPolarization Interference Canceler Triệt xuyên nhiễu phân cực chéo XPD CrossPolarization Discrimination Độ phân biệt xuyên cực
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống thông tin số 5
Hình 1.2 Sơ đồ điều chế PCM 6
Hình 1.3 Lấy mẫu tín hiệu liên tục 7
Hình 1.4 Sơ đồ khối ghép kênh theo thời gian 10
Hình 1.5 Sơ đồ (a)điều chế và (b) giải điều chế 4-FSK 11
Hình 1.6 Sơ đồ điều chế(a)và giải điều chế (b) 4-PSK 12
Hình 1.7 Sơ đồ khối bộ điều chế M-QAM 13
Hình 1.8 Sơ đồ khối bộ giải điều chế QAM 13
Hình 2.1 Mô hình kênh liên tục 20
Hình 2.2 Dạng véc-tơ của cấu trúc thu tối ưu 23
Hình 2.3 Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung PAM 25
Hình 2.4.Đặc tính lọc được làm cong 27
Hình 2.5 Phản ứng xung của bộ lọc cosine nâng 28
Hình 2.7 Mô hình hệ thống truyền dẫn số có khuếch đại công suất phi tuyến 36
Hình 2.8 Đặc tuyến công suất và pha của bộ khuếch đại công suất dùng TWT 36
Hình 2.9 Mô hình cầu phương của bộ khuếch đại công suất 37
Hình 2.10 Mạch san bằng dạng tuyến giữ chậm từng khâu 50
Hình 2.11 Sơ đồ khối một bộ méo trước ở trung tần 53
Hình 2.12 Hệ thống trải phổ nhảy tần a/Máy phát/ b/ Máy thu 56
Hình 6.25 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống trải phổ DS 57
Hình 3.1 Đặc tính biên độ tần số của bộ lọc thông thấp lý tưởng 66
Hình 3.2 Đồ thị của đáp ứng biên độ của bộ lọc số thông cao lý tưởng 67
Hình 3.3 Đáp ứng biên độ của bộ lọc số thông tất 67
Hình 3.4 Đồ thị đáp ứng biên độ của bộ lọc số thông dải lý tưởng 68
Hình 3.5 Đồ thị của đáp ứng biên độ của bộ lọc số chắn giải lý tưởng 68
Hình 3.6 Sơ đồ khối bộ lọc số 70
Hình 3.7 Đáp ứng tần số cosine nâng với α = 0 71
Hình 3.8 Đáp ứng xung của bộ lọc nhị phân FIR căn cosine nâng α = 0.5 73
Hình 3.9 Đáp ứng tần số biên độ của bộ lọc FIR căn cosine nâng α = 0.5 73
Hình 3.10 Đáp ứng xung của bộ lọc FIR căn cosine nâng α = 1 74
Hình 3.11 Đáp ứng biên độ tần số của bộ lọc FIR căn cosine nâng α = 1 74
Hình 3.12 Xung tín hiệu nhị phân đôi 76
Hình 3.13 Xung tín hiệu nhị phân đôi cải biên 77
Hình 3.14 Đáp ứng xung tần số của bộ lọc thu và phát 78
Hình 3.15 Đáp ứng biên độ tần số của bộ lọc thu và phát 78
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
Chương 1 trình bày những khái niệm cơ bản nhất về mạng viễn thông, quá trình phát triển của viễn thông trong quá khứ, hiện tại và xu hướng phát triển trong tương lai Qua đó, chúng ta sẽ tìm hiểu một số đặc điểm của hệ thống thông tin số đang ngày càng một phát triển mạnh mẽ
1.2 Lịch sử phát triển của viễn thông và một số đặc điểm của thông tin số
Hiện nay, lĩnh vực viễn thông đã phát triển mạnh mẽ với nhiều công nghệ và dịch vụ hiện đại Trong số đó, dịch vụ điện thoại cố định đã được hoàn thiện, trong khi các dịch vụ điện thoại di động và internet đang bùng nổ và thu hút sự chú ý của người tiêu dùng.
Viễn thông là một nguồn tài nguyên chiến lược quan trọng cho các tập đoàn hiện đại, và vai trò của nó ngày càng tăng cao Trong môi trường viễn thông luôn thay đổi, chúng ta có nhiều lựa chọn mới, vì vậy việc hiểu biết sâu rộng về viễn thông là cần thiết để tận dụng tối đa những cơ hội hiện có.
Viễn thông là lĩnh vực liên quan đến việc truyền tải thông tin giữa các đối tượng qua khoảng cách, bao gồm các hoạt động phát và nhận tin tức như âm thanh, hình ảnh, chữ viết và dữ liệu qua các phương tiện truyền thông Lịch sử phát triển của viễn thông có thể chia thành bốn giai đoạn chính: Giai đoạn đầu tiên kéo dài khoảng 90 năm từ khi điện thoại ra đời; giai đoạn thứ hai đánh dấu sự xuất hiện của chuyển mạch SPC, truyền dẫn số và thông tin vệ tinh; giai đoạn ba đặc trưng bởi sự phát triển của các mạng dữ liệu và công nghệ chuyển mạch gói; và giai đoạn bốn liên quan đến việc kết nối mạng truyền thông.
- 1838-1866 Điện báo: Samuel Morse hoàn thiện hệ thống điện báo của chính mình; điện báo là dịch vụ viễn thông đầu tiên xuất hiện và năm 1844
- 1866-1899 Điện thoại: Alexander Graham Bell phát minh ra điện thoạn (1876); xuất hiện tổng đài điện thoạn đầu tiên với 8 đường dây; Almond Strowger sáng chế ra
2 tổng đài cơ điện kiểu từng nấc (1887)
- 1901 Marconi phát minh ra điện báo không dây
- 1920-1928 Carson, Nyquits, Johnson và Hartley giới thiệu thuyết truyền dẫn
- 1923-1938 Truyền hình: Hệ thống cơ hình ảnh được thực hiện; bắt đầu những thử nghiệm và thực nghiệm quảng bá
- 1937 Alec Reeves hình thành khái niện điều xung mã (PCM)
- 1938-1945 Các hệ thống radar và viba phát triển trong đại chiến thế giới thứ 2:
FM được sử dụng rộng khắc trong truyền thông quân sự
- 1948-1950 C.E Shannon phát hành các bài báo nền tảng về thuyết thông tin
- 1950 Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM ) đã được áp dụng vào điện thoại
- 1953 Các chuẩn Tivi màu được công bố ở Mỹ
- 1955 J.R Pierce đề xuất các hệ thống truyền thông vệ tinh
- 1962-1966 Dịch vụ truyền dữ liệu được thương mại; PCM chứng tỏ thích hợp cho truyền thoại và TV; lý thuyết truyền dẫn số được phát triển
- 1965 Mariner IV truyền những bức ảnh từ sao hỏa về trái đất
- 1966 Chuyển mạch gói được đưa vào sử dụng
- 1970 Mạng truyền dữ liệu cỡ trung bình được phát triển bởi ARPA/TYME
- 1970 LAN, MAN và WAN cũng được phát đưa vào sử dụng
- 1978 Bắt đầu nghiên cứu về GPS Navstar
- 1976 Ethernet LAN do Metcalfe và Broggs sáng chế
- 1970-1975 Chuẩn PCM được CCITT triể khai
- 1980-1983 Khởi động Internet toàn cầu đựa trên giao thức TCP/IP
Từ năm 1980 đến 1985, các mạng di động tế bào hiện đại đã cung cấp dịch vụ viễn thông, trong đó NMT được triển khai ở Bắc Âu và AMPS được sử dụng tại Mỹ Đồng thời, mô hình tham chiếu OSI cũng được tổ chức chuẩn hóa quốc tế định nghĩa, góp phần quan trọng vào sự phát triển của công nghệ mạng.
- 1989 Tim Berners –Lee (CERN) đề cử ban đầu cho văn kiện kết nối Web trên WWW (World Wide Web)
From 1990 to 1997, the first digital cellular system, known as the Global System for Mobile Communication (GSM), was commercialized and developed globally This period also saw rapid expansion in internet usage and services, fueled by the advent of the World Wide Web (WWW).
Giai đoạn 1997-2001 chứng kiến sự bãi bỏ quy định trong cộng đồng viễn thông, dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của ngành kinh doanh Mạng tế bào số, đặc biệt là GSM, đã mở rộng ra toàn cầu Đồng thời, việc áp dụng thương mại Internet cũng gia tăng, với một phần truyền thông thoại truyền thống chuyển từ mạng điện thoại chuyển mạch công cộng sang Internet Công nghệ Ethernet tiên tiến đã cải thiện chất lượng mạng LAN, đạt tốc độ lên tới Gigabit/s.
Từ năm 2001 đến 2005, truyền hình số đã dần thay thế truyền hình quảng bá tương tự, trong khi các hệ thống truy cập băng rộng mở rộng khả năng cung cấp dịch vụ Internet đa phương tiện cho mọi người Đồng thời, dịch vụ thoại đã trở thành dịch vụ truyền thông cá nhân nhờ vào sự gia tăng của các hệ thống tế bào và PCS.
Sơ đồ khối mạng thông tin số điển hình
Trong các hệ thống thông tin số hiện nay, độ dài T s là đồng nhất cho mọi phần tử tín hiệu Tuy nhiên, có nhiều loại hệ thống thông tin số khác nhau, phân biệt theo tần số cộng tác và dạng môi trường truyền dẫn Tùy thuộc vào loại hệ thống cụ thể, nhiều chức năng xử lý tín hiệu số có thể được áp dụng để tối ưu hóa việc truyền tải tín hiệu về mặt băng tần và công suất Các chức năng này được thể hiện qua các khối trong sơ đồ khối của hệ thống, mỗi khối đại diện cho một thuật toán xử lý tín hiệu Sơ đồ hình 1.1 minh họa quy trình xử lý tín hiệu và các thuật toán cơ bản liên quan.
TRẢI PHỔ ĐA TRUY NHẬP
GIẢI TRẢI PHỔ ĐA TRUY NHẬP
TỚI CÁC ĐÍCH NHẬN TIN KHÁC
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống thông tin số
Chuyển đổi tín hiệu tương tự thành chuỗi từ mã nhị phân được thực hiện qua các bộ điều chế như PCM, Log PCM, DPCM, ADPCM, DM và ADM Trong số đó, điều chế xung mã PCM là phương pháp phổ biến nhất Quy trình thực hiện điều chế xung mã PCM bao gồm bốn bước nguyên tắc cơ bản.
Lọc tín hiệu liên tục là cần thiết để hạn chế phổ tần số, vì biến đổi Fourier của các tín hiệu này là vô hạn do thời gian tồn tại hữu hạn Do đó, việc lọc giúp đảm bảo rằng các tín hiệu liên tục được truyền đạt một cách hiệu quả.
6 nhằm hạn chế phổ tới tần số cực đại W nào đó nhằm thỏa mãn tiền đề về băng tần hạn chế của định lý lấy mẫu
Tín hiệu liên tục sau khi lọc được chuyển đổi thành tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu bằng chuỗi xung nhịp có tần số fs, theo định lý lấy mẫu Quá trình này tạo ra các tín hiệu điều biên xung (PAM: Pulse Amplitude Modulation).
Lượng tử hóa là quá trình làm giảm số lượng giá trị có thể có của tín hiệu PAM sau khi lấy mẫu, nhằm hạn chế số bít cần thiết để mã hóa các giá trị của các xung PAM Do số giá trị có thể là vô hạn, mỗi giá trị PAM cần được làm tròn thành một trong các mức xác định, gọi là các mức lượng tử, với số lượng hữu hạn.
Mã hóa các giá trị mức lượng tử cho các xung PAM bằng tổ hợp mã nhị phân giúp truyền tải hiệu quả trên hệ thống truyền dẫn số.
Tín hiệu có băng hạn chế
Các xung PAM lượng tử hóa Tín hiệu
Lọc Lấy mẫu Lượng tử Mã hóa f s
Hình 1.2 Sơ đồ điều chế PCM
Quá trình khôi phục tín hiệu được thực hiện bằng cách giải mã chuỗi xung PAM đã được lượng tử hóa, sau đó tín hiệu này sẽ được đưa qua bộ lọc thông thấp với tần số cắt bằng một nửa tần số lấy mẫu.
Lọc phổ hạn băng trong tín hiệu điện thoại tập trung ở dải tần từ 0,3 đến 3,4 kHz Việc loại bỏ các thành phần tần số ngoài dải này không gây ra méo thụ cảm lớn, không ảnh hưởng đáng kể đến quá trình thông thoại Để hạn chế phổ tín hiệu, có thể sử dụng lọc thông thấp để loại bỏ các thành phần tần số lớn hơn 3,4 kHz.
Tín hiệu thoại có băng thông là 3,4 kHz, tuy nhiên, sai số do lọc hạn băng chủ yếu xuất phát từ việc không thể chế tạo mạch lọc thông thấp lý tưởng, mà chỉ có thể tạo ra các mạch lọc với đặc tính không dốc đứng tại tần số cắt.
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, tần số cắt của mạch lọc hạn băng cần được chọn cao hơn 3,4 kHz Trong thực tế, các mạch lọc tiêu chuẩn thường có tần số cắt gần 4 kHz.
Quá trình lấy mẫu tín hiệu thoại được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu liên tục với chuỗi xung nhịp có tần số f s ≥ 2W Việc chọn tần số nhịp lớn hơn hai lần băng tần W giúp mở rộng băng tần chiếm của tín hiệu số, đồng thời tần số nhịp cần được chọn sao cho không gây méo tín hiệu Sai số lấy mẫu do không thể lấy mẫu trong thời gian vô hạn thường không đáng kể và có thể được bù đắp bằng cách chọn f s lớn hơn 2W một chút Do ảnh hưởng của việc lọc hạn băng, tần số lấy mẫu tiêu chuẩn cho tín hiệu thoại được xác định là 8kHz.
Lượng tử hóa là quá trình chia giải động tín hiệu [-a,+a] thành Q mức cách đều, được gọi là lượng tử hóa đều Khoảng cách giữa các mức lượng tử là ∆*/Q, và các giá trị mẫu tín hiệu được làm tròn đến mức lượng tử gần nhất Sai số lượng tử của các giá trị mẫu, được ký hiệu là e q, là một biến ngẫu nhiên trong khoảng [-a/Q,+a/Q], được xem như tạp âm lượng tử Tạp âm này có thể được đánh giá thông qua công suất âm lượng tử s(t).
Mạch nhân Tín hiệu liên tục s(t)
Các tín hiệu xung PAM
Hình 1.3 Lấy mẫu tín hiệu liên tục
Do không xác định được phân bố thực sự của biên độ tín hiệu điện thoại trong khoảng giữa hai mức lượng tử sát nhau, cần giả thiết rằng tín hiệu điện thoại nhận các giá trị biên độ trong khoảng này với xác suất nhất định.
8 nhau Do đó tạp âm lượng tử được xem là biến ngẫy nhiên phân bố đều, tức là pdf(e q )=Q/2a Thay vào (1.1) chúng ta được
Khi tăng số mức lượng tử Q, công suất tạp âm lượng tử giảm; ví dụ, tăng số mức lên hai lần sẽ giảm công suất tạp âm 4 lần, tương đương với 6 dB Tuy nhiên, việc tăng số mức lượng tử quá mức có thể dẫn đến hai hệ quả: số bít mã hóa tăng, làm tăng tốc độ bít và chiếm phổ tín hiệu số; đồng thời, có thể dẫn đến sai sót trong việc khôi phục tín hiệu do tạp âm nhiệt trong mạch điện tử Nếu lượng tử hóa đều, việc chia các mức theo độ chính xác tối thiểu có thể gây ra sai số lớn ở các mức thấp, do tín hiệu thoại thường có mức thấp xảy ra nhiều hơn Giải pháp cho vấn đề này là áp dụng lượng tử hóa không đều, trong đó khoảng cách giữa các mức lượng tử lớn hơn cho tín hiệu lớn và nhỏ hơn cho tín hiệu nhỏ Mặc dù khó thực hiện, một giải pháp tương đương là lượng tử hóa đều các tín hiệu nén, sử dụng luật logarit trong điều chế xung mã tín hiệu điện thoại Tín hiệu lối ra biến thiên theo luật logarit của tín hiệu lối vào, và việc duy trì nén-giãn chính xác là rất quan trọng để tránh méo tín hiệu.
Mã hóa trong tuyến truyền PCM là yếu tố quan trọng trong kết nối quốc tế, yêu cầu rằng việc tích hợp tuyến truyền dẫn số không làm giảm chất lượng so với tuyến truyền dẫn analog Đặc biệt, các tiêu chuẩn về tạp âm cho kết nối đường dài quốc tế phải tuân theo các quy định của mạng tham chiếu được quy định trong khuyến nghị.
Mạng thông tin số
1.4.1 Dịch vụ viễn thông số
Các dịch vụ cơ bản của mạng thông tin số bao gồm điện thoại, số liệu và video, trong đó dịch vụ điện thoại vẫn chiếm ưu thế trong nhiều năm tới Tiếng nói số được truyền qua tín hiệu điều chế mã xung (PCM) với tần số lấy mẫu 8 kHz và tốc độ truyền dẫn 64 kb/s Các nghiên cứu cho thấy suy giảm chất lượng tín hiệu thoại bắt đầu xảy ra khi tỷ lệ lỗi vượt quá 10^-6, do đó giá trị này thường được áp dụng trong các tiêu chí chất lượng Mặc dù tín hiệu thoại ít nhạy cảm với jitter, nhưng vẫn có các phương pháp mã hóa tiếng nói hiệu quả hơn đang được đề xuất, như điều chế mã xung vi sai thích nghi (ADPCM) với tốc độ 32 kb/s, đặc biệt hữu ích cho các hệ thống băng thông hạn chế hoặc khi chi phí truyền dẫn cao.
Truyền số liệu đang trở thành dịch vụ phát triển nhanh chóng trong các mạng thông tin hiện nay Các nguồn lưu lượng số liệu chủ yếu, với tốc độ lên tới 64 kb/s, được tạo ra từ mạng máy tính cá nhân, dịch vụ chuyển khoản điện tử (EFTPOS), videotex và thư tín điện tử Một nguồn lưu lượng quan trọng khác là các tuyến báo hiệu giữa các tổng đài số Dữ liệu thường được truyền dẫn theo khối và áp dụng nhiều kỹ thuật sửa lỗi để khắc phục các lỗi nhỏ, với khả năng phát hiện lỗi tại máy thu thông qua kiểm tra mã độ dư chu trình (CRC).
Code), rồi tự động yêu cầu truyền lại (ARQ: Automatic ReQuest) các khối số liệu bị
Có 17 lỗi có thể được sửa bằng thuật toán sửa lỗi hướng đi (FEC: Forward Error Correction), trong đó các bít bổ sung cho phép phát hiện và sửa lỗi Yêu cầu chất lượng cho các mạch truyền số liệu thường liên quan đến thông lượng mạng (network throughput) và số giây không bị lỗi (error-free seconds), được chấp nhận như tham số tiêu chuẩn Đơn vị tính một giây là thời gian thỏa thuận để bao phủ toàn bộ độ dài khối số liệu cực đại hiện nay, tính tại tốc độ 64 kb/s.
Hình thức tối ưu để truyền tín hiệu số truyền hình vẫn đang được xem xét, với mã hóa số đơn giản cho tín hiệu hình màu động đạt tốc độ truyền dẫn cao khoảng 140 Mb/s Điều này đã thúc đẩy nỗ lực phát triển các bộ mã hóa hiệu quả hơn, tận dụng độ dư thừa trong tín hiệu video Đối với tiêu chuẩn Châu Âu, tốc độ truyền dẫn tín hiệu truyền hình màu là một yếu tố quan trọng cần được chú ý.
34 Mb/s dựa trên các bộ mã hoá tốc độ bít suy giảm (reduced bit-rate codec) và tốc độ
45 Mb/s là tiêu chuẩn đối với hệ Mỹ nhờ sử dụng điều chế mã xung vi sai (DPCM:
Mã hóa Differential Pulse Code Modulation (DPCM) kết hợp với mã sửa lỗi có ảnh hưởng lớn đến chất lượng hình ảnh trong truyền dẫn truyền hình, với tỷ lệ lỗi cho phép từ 10^-4 đến 10^-9 Tuy nhiên, các lỗi nghiêm trọng hoặc gián đoạn ngắn tới 500 µs có thể dẫn đến suy giảm chất lượng nghiêm trọng do mất đồng bộ khung hình, vì tín hiệu truyền hình rất nhạy cảm với jitter Hiện nay, hầu hết các mạng thông tin được thiết kế để hỗ trợ nhiều loại dịch vụ, đòi hỏi sự cân bằng giữa việc đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt cho từng dịch vụ và việc tối ưu hóa cho loại dịch vụ chính, thông qua việc áp dụng các kỹ thuật truyền dẫn mà các dịch vụ khác có thể chịu đựng tốt hơn trước các yếu tố cản trở.
1.4.2 Mạng thông tin số hiện đại
Cấu hình điển hình của mạng viễn thông số hiện đại bao gồm các thành phần chính như mạng người sử dụng (khách hàng), hệ thống chuyển mạch, hệ thống truyền dẫn, hệ thống báo hiệu, hệ thống quản trị mạng (network management system) và hệ thống đồng bộ mạng.
Viễn thông quốc tế hiện nay đang mở rộng khoảng cách liên lạc lên tới nhiều ngàn km thông qua nhiều môi trường truyền dẫn khác nhau Chất lượng của từng thành phần kết nối được thiết lập để đáp ứng các cuộc gọi từ đầu cuối đến đầu cuối Phần quốc tế của kết nối bao gồm cáp đồng trục, cáp sợi quang, vệ tinh viễn thông và các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số Thiết kế các hệ thống này nhằm đạt chỉ tiêu chất lượng tối đa thường mang lại tính kinh tế cao Phần quốc tế được xem là cao cấp, trong khi các hệ thống mạng quốc gia hoạt động với tốc độ truyền dẫn từ thấp đến cao, thường bao gồm nhiều tổ hợp cáp và hệ thống vô tuyến Ở các nước nhỏ, chất lượng truyền dẫn không đồng đều, dẫn đến mạng quốc gia được xem là trung cấp Ngược lại, ở các nước lớn, chất lượng kết nối quốc gia thường được xác định bởi các mạch cao cấp, tạo nên chất lượng cao cấp cho toàn bộ mạng quốc gia.
Mạng nội hạt bao gồm nhiều kết nối với cự ly thường dưới 10 km, yêu cầu đầu tư lớn nhưng sử dụng kém hiệu quả Do đó, các hệ thống truyền dẫn cần có chi phí thấp và thiết kế đơn giản để giảm thiểu suy giảm chất lượng Hiện tại, truyền dẫn chủ yếu sử dụng dây kim loại, nhưng bị hạn chế bởi nhiễu, ảnh hưởng đến tốc độ và chất lượng Mặc dù có cơ hội cho truyền dẫn nội hạt bằng vô tuyến số, nhưng hiệu quả chi phí vẫn chưa cao Các hệ thống vô tuyến số điểm tới điểm và điểm tới đa điểm đang ngày càng được phát triển.
Năm 19, chúng tôi cung cấp dịch vụ số tốc độ cao trực tiếp tới các thuê bao, với kế hoạch phát triển linh hoạt hơn và thời gian cung cấp dịch vụ nhanh chóng, thay vì phải lắp đặt cáp mới.
Trong tương lai, hai loại môi trường truyền dẫn số chính sẽ là hệ thống sợi quang đơn mode và vô tuyến chuyển tiếp mặt đất, cùng với vô tuyến qua vệ tinh Các hệ thống cáp xoắn đôi và cáp đồng trục thuộc về lớp hệ thống hữu tuyến, trong khi cáp sợi quang đang trở nên ngày càng hấp dẫn về mặt kinh tế nhờ vào sự giảm giá thành và nâng cao dung lượng, khoảng cách các trạm lặp Mặc dù vậy, các hệ thống truyền dẫn vô tuyến chuyển tiếp số vẫn sẽ đáp ứng một phần quan trọng các yêu cầu truyền dẫn của mạng quốc gia trong tương lai gần.
Các hệ thống sợi quang thường hoạt động ổn định với mức suy giảm vài dB, nhờ vào đặc tính truyền dẫn ít biến đổi theo thời gian, dẫn đến chất lượng lỗi đồng đều Ngược lại, hệ thống vô tuyến chuyển tiếp thường gặp phải hiện tượng pha-đing, gây ra suy giảm chất lượng tập trung trong một số ngày nhất định Chất lượng truyền dẫn số qua vệ tinh thường có tỷ lệ lỗi nền thấp, nhưng có thể suy giảm do điều kiện thời tiết xấu như mưa hoặc nhiễu từ các hệ thống khác Các khác biệt trong chất lượng giữa ba loại môi trường này đã được đề cập trong khuyến nghị của CCITT và CCIR.
TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU SỐ TRÊN KÊNH CÓ BĂNG THÔNG HỮU HẠN
Giới thiệu chương
Trong chương 1, chúng ta đã khám phá lịch sử và những ưu, nhược điểm của hệ thống thông tin số Chương này sẽ tập trung phân tích việc truyền dẫn tín hiệu số qua kênh liên tục với băng thông hữu hạn, đồng thời xem xét các ảnh hưởng của kênh truyền và các biện pháp khắc phục những ảnh hưởng này.
Truyền dẫn trên kênh có băng thông vô hạn
2.2.1 Mô hình kênh liên tục truyền tín hiệu số
Khi tín hiệu s i (t) được phát qua một kênh liên tục, nó sẽ chịu ảnh hưởng từ méo, tạp âm và can nhiễu, dẫn đến tín hiệu nhận được r(t) có thể khác biệt đáng kể so với tín hiệu gốc Điều này có thể gây ra sai lệch trong việc đánh giá của máy thu về tín hiệu đã phát đi Một kênh liên tục như vậy có thể được mô hình hóa theo sơ đồ khối, thể hiện rõ các tác động của kênh đến quá trình truyền dẫn số.
Các tín hiệu nhiễu f 0 ≈ f c f 1 f N n(t) tạp âm
Hình 2.1 Mô hình kênh liên tục
Các nguồn nhiễu trong hệ thống vô tuyến, được mô tả bởi các tín hiệu z i (t), có thể có tần số trùng hoặc khác với tần số tín hiệu hữu ích Những nguồn nhiễu này, với phổ xác định bởi các đặc tính lọc của hệ thống gây nhiễu T i (f), có thể bao gồm các kênh vô tuyến cùng tần số nhưng khác phân cực trong các hệ thống tái sử dụng tần số, hoặc các kênh lân cận trong cùng một hệ thống lớn, cũng như các nguồn nhiễu từ các hệ thống vô tuyến khác loại Sự tác động của lọc nhiễu và triệt nhiễu là rất quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất truyền thông.
Các nguồn nhiễu trong kênh truyền chính được xem là tác động tiêu cực thông qua các khối tổn hao A i Kênh truyền chính được hình thành từ các khối thể hiện đặc tính tần số của phần phát T(f), phần thu R(f) và môi trường truyền F(f) Đặc tính đường truyền dẫn F(f) có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng truyền dẫn, đặc biệt là trong việc chọn lọc tần số pha trong các hệ thống vi ba số có dung lượng.
Các hệ thống truyền dẫn không hạn chế phổ tần có đặc tính tần số tổng cộng phẳng trên toàn bộ trục tần số, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ ≥70Mb/s Tuy nhiên, trong thực tế, không có hệ thống nào đạt được điều này do nhiều nguyên nhân khác nhau.
Các môi trường truyền dẫn, như khoảng không gian vũ trụ và sợi quang học, đều có đặc tính không đồng nhất trên toàn bộ trục tần số Mặc dù sợi quang học được coi là có băng thông rất lớn, nhưng thực tế, không có môi trường nào có băng tần truyền dẫn thực sự vô hạn.
Trong các hệ thống truyền dẫn số, việc truyền nhiều luồng tín hiệu trên cùng một tuyến mà không gây ảnh hưởng lẫn nhau là điều cần thiết Để đạt được điều này, các luồng tín hiệu thường được phân biệt bằng tần số thông qua các thiết bị có đặc tính chọn lọc tần số Do đó, các hệ thống truyền dẫn số thực tế có thể được coi là hệ thống có băng tần truyền dẫn bị hạn chế Các đặc tính tần số T(f), R(f), và T i (f) thể hiện dạng đặc tính lọc với tần số trung tâm là tần số sóng mạng f c và f i tương ứng.
2.2.2 Cấu trúc tối ưu tín hiệu số
Cấu trúc thu tối ưu là thuật toán quyết định tín hiệu nhằm tối thiểu hóa xác suất thu lỗi trung bình trên tất cả các tín hiệu Mỗi véc-tơ tín hiệu s_i có xác suất xuất hiện P(s_i), được gọi là xác suất tiên nghiệm Các xác suất này cùng với tập véc-tơ tín hiệu đã được biết trước tại máy thu Khi máy thu nhận véc-tơ r, nó phải quyết định véc-tơ tín hiệu nào đã được phát đi Quá trình quyết định diễn ra bằng cách chia không gian véc-tơ tín hiệu thành M miền, mỗi miền gán cho một tín hiệu, với các biên quyết định phân định giữa chúng Nếu véc-tơ r rơi vào miền thứ k, máy thu sẽ xác định tín hiệu s_k đã được phát đi, từ đó tin m_k sẽ được chuyển tới bộ nhận tin Xác suất thu lỗi sẽ được tối thiểu hóa khi không gian tín hiệu được chia hợp lý.
23 miền thỏa mãn điều kiện là đối với miền thứ k nào đó thì khi r rơi vào miền đó ta sẽ có :
Xác suất véc-tơ s j được phát với điều kiện véc-tơ r, ký hiệu là P[s k |r], lớn hơn xác suất của bất kỳ véc-tơ nào khác s i với i≠k, theo công thức (2.1) Điều này cho thấy P[s k |r] là xác suất hậu nghiệm của véc-tơ s j Do đó, cấu trúc thu tối ưu là cấu trúc có xác suất hậu nghiệm cực đại, tức là thực hiện thuật toán cực đại hàm quyết định P[s j |r] Theo định lý Bayes về xác suất điều kiện, cấu trúc thu tối ưu cần phải áp dụng thuật toán cực đại hóa hàm quyết định này.
Trong công thức P[s i |r]=P(s i ).p(r|s i ) với mọi I (2.2), ta lưu ý rằng r=n+s i, trong đó s i là một véc-tơ xác định Điều này cho thấy hàm xác suất điều kiện p(r|s i) chính là hàm mật độ xác suất của n với kỳ vọng là s i Do đó, vế phải của (2.2) có thể được diễn giải như sau:
Thuật toán thu tối ưu sử dụng véc-tơ n để tính toán giá trị của biểu thức (2.3) cho mọi chỉ số i Bộ tách tín hiệu sẽ chọn giá trị lớn nhất từ các kết quả này, xác định rằng tín hiệu có chỉ số i tương ứng với giá trị lớn nhất của (2.3) là tín hiệu đã được phát đi Việc tối đa hóa giá trị của (2.3) tương đương với việc tối thiểu hóa biểu thức liên quan.
Khai triển biểu thức (2.4) và r 2 không phụ thuộc vào i, việc cực tiểu hóa (2.4) sẽ dẫn đến cực đại hóa biểu thức sau: r.s i +1/2[N 0 lnP(s i )-|s i | 2 ] (2.5)
Hình 2.2 Dạng véc-tơ của cấu trúc thu tối ưu Chú ý : Nếu các tín hiệu s i (t) đồng xác suất tiên nghiệm P(s i ) là như nhau với mọi i
Theo công thức P(s i )=1/M, năng lượng N 0 lnP(s i ) là như nhau cho mọi i, dẫn đến cấu trúc thu tối ưu sẽ quyết định s i đã được phát đi khi véc-tơ nhận được r gần nhất với véc-tơ s i Điều này chỉ ra rằng cách chia tối ưu không gian tín hiệu là biên quyết định giữa các kênh liền kề, được xác định bởi đường trung trực nối các mút véc-tơ tín hiệu Từ đó, chúng ta có thể xây dựng dạng véc-tơ của cấu trúc thu tối ưu như trong hình 2.2.
2.2.3 Xác suất thu lỗi với máy thu tối ưu
Khi véc tơ tín hiệu thu được r rơi vào miền i của không gian tín hiệu, máy thu sẽ xác định rằng tin m i đã được phát đi Quyết định này là chính xác nếu tin phát đi thực sự là m i hoặc tín hiệu phát đi là s i (t) Ngược lại, quyết định sẽ sai nếu tin đã gửi là m j nào đó với i≠j Xác suất thu đúng tín hiệu thứ i được tính theo công thức: Ci i.
Do đó xác suất thu đúng trung bình của máy thu tối ưu là :
Trong đó E[.] ký hiệu kỳ vọng hay giá trị trung bình Xác suất thu sai trung bình của một máy thu tối ưu do đó sẽ là :
Khi tạp âm là AWGN ta sẽ có hàm mật độ xác suất điều kiện bên trong dấu tích phân xác định theo:
Xác suất thu lỗi của máy thu tối ưu không phụ thuộc vào dạng sóng cụ thể mà chỉ phụ thuộc vào các véc tơ tín hiệu được chọn, đặc biệt là phân bố các mút véc tơ tín hiệu trong không gian tín hiệu Bản đồ phân bố này được gọi là biểu đồ sao tín hiệu hay constellation Do đó, chất lượng của hệ thống truyền dẫn số với máy thu tối ưu chỉ phụ thuộc vào constellation, không phải vào dạng sóng cụ thể của các tín hiệu.
25 tính chất đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống truyền dẫn tín hiệu số [2].
Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh có băng thông hữu hạn
Mỗi symbol được tạo thành từ k bít và có thời gian tồn tại gấp k lần thời gian của một bít, dẫn đến độ dài sóng điều chế bằng k bít: T_s = kT_b Các dạng sóng này có độ dài hữu hạn, khiến phổ của chúng trải ra vô hạn trong miền tần số Việc truyền tín hiệu sóng có phổ rộng trên kênh liên tục không gặp vấn đề nếu băng tần truyền dẫn không bị hạn chế, với đặc tính biên độ tần số phẳng và đặc tính pha-tần tuyến tính Tuy nhiên, băng tần truyền dẫn thực tế là hữu hạn và phải được chia sẻ giữa nhiều đối tượng sử dụng Để tăng số hệ thống hoạt động trên một băng sóng nhất định, các mạch lọc được sử dụng nhằm hạn chế phổ tần Do đó, hàm truyền của hệ thống truyền dẫn số có đặc tính như mạch lọc, dẫn đến tín hiệu thu được bị hạn chế và trải ra vô hạn về thời gian Hiện tượng này gây ra sự chồng lấn giữa các symbol, dẫn đến nhiễu giữa các dấu (ISI: InterSymbol Interference).
Sự tồn tại của ISI có thể gây méo tín hiệu thu được, dẫn đến việc nhận sai thông tin tại thời điểm lấy mẫu t = kT Giá trị tín hiệu ở đầu ra của mạch lấy mẫu có thể vượt ngưỡng quyết định, dẫn đến quyết định sai Câu hỏi đặt ra là liệu có thể truyền chuỗi tín hiệu số với phổ không hạn chế trên kênh băng tần hạn chế mà không gặp ISI hay không, và trong trường hợp đó, đặc tính tổng thể của hệ thống sẽ cần có những đặc điểm như thế nào.
2.3.1 Các đặc tính lọc nhằm truyền dẫn không có ISI
Các tín hiệu băng gốc sẽ được ưu tiên xem xét, cho phép khảo sát hệ thống truyền dẫn qua hệ thống tương đương thông thấp Kết quả từ nghiên cứu này sẽ được tổng quát hóa cho các hệ thống điều chế QAM, không có hệ thống điều chế nào khác được áp dụng.
PSK có thể được coi là một trường hợp đặc biệt của QAM, điều này được chứng minh qua việc biểu diễn phần tử tín hiệu PSK dưới dạng e^jφ = cosφ + jsinφ Biểu thức này giúp chúng ta hiểu rõ về biên độ của các thành phần đồng pha và vuông pha trong quá trình truyền tín hiệu.
Trong mô hình được khảo sát ở hình 2.3, tín hiệu từ nguồn bao gồm M phần tử, nhưng chúng ta sẽ chỉ tập trung vào trường hợp các phần tử s_i(t) của tập tín hiệu khác nhau về biên độ Điều này dẫn đến việc xem xét hệ thống điều chế biên xung PAM (Pulse Amplitude Modulation) Hệ thống này có thể hiểu là gán cho mỗi tin m_k một hằng số a_k, mà biên độ của xung đầu ra từ bộ tạo xung sẽ được nhân với hằng số này.
Nguồn Tin Tạo Tín Hiệu Tách tín hiệu Nhận tin n(t)
Hình 2.3 Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung PAM
Giả sử bộ tạo xung phát ra các xung Dirac tại thời điểm t = kT s, với biên độ thay đổi theo giá trị m k Các xung này sẽ được truyền qua bộ lọc T(ω) tới kênh truyền Máy thu tối ưu trong hình 2.3 thực hiện việc lọc phối hợp, với mạch quyết định thực hiện lấy mẫu và so ngưỡng Hàm truyền tổng cộng của hệ thống, hay đặc tính tần số tổng cộng, là tích của hai đặc tính của hai bộ lọc C(ω), đảm bảo rằng việc truyền chuỗi tín hiệu không xảy ra hiện tượng ISI Truyền được coi là không có ISI khi vào thời điểm quyết định tín hiệu thứ k, chỉ có phản ứng xung của tín hiệu thứ k khác không, trong khi phản ứng của các tín hiệu trước và sau đều bằng không.
Theo tiêu chuẩn Nyquist, băng tần tối thiểu cần thiết để truyền tín hiệu mà không bị méo là B = 1/2T, trong đó B đại diện cho độ rộng băng tần và T là khoảng thời gian của tín hiệu Độ rộng băng tần này xác định giải tần mà ngoài nó, giá trị hàm truyền sẽ bằng không Tần số 1/2T (hay π/T theo tần số góc) là điểm quan trọng trong việc thiết lập khả năng truyền tải tín hiệu Đặc tính của bộ lọc thông thấp lý tưởng, C(ω), có đáp ứng pha tuyến tính và đáp ứng biên độ |C(ω)| được xác định rõ ràng.
Bộ lọc này xung tín hiệu là :
Có giá trị cực đại bằng 1 tại t=0 và có giá trị bằng không tại t=kπ/ω 0
Giả sử tín hiệu đầu vào của bộ lọc lý tưởng được tạo ra bởi bộ tạo xung, như hình 2.3, thì tín hiệu vào bộ lọc T(ω) được biểu diễn bởi s'(t) a(t - kT) với k là số nguyên.
Trong trường hợp này, phản ứng xung đầu ra không gây ra ISI nếu tần số cắt của bộ lọc là f₀ = ω₀/2π = 1/2T Mặc dù bộ lọc lý tưởng không thể chế tạo thực tế, chúng ta sẽ xem xét các bộ lọc có độ rộng băng thông lớn hơn 1/2T với đặc tuyến thoải hơn ở hai biên, giúp dễ chế tạo hơn nhưng vẫn đảm bảo phản ứng xung bằng không tại các thời điểm t = kT Theo lý thuyết lấy mẫu, các bộ lọc có đặc tính C(ω) phải thỏa mãn quan hệ eq k.
C_eq là đặc tính tương đương của bộ lọc, với các phản ứng xung cắt tại các thời điểm t=nT (n≠0) Đặc tính này được tạo ra bằng cách chia trục ω thành các đoạn dài 2π/T, dịch các đoạn của hàm C(ω) ±π/T và lấy tổng trên tất cả các đoạn Tất cả bộ lọc thỏa mãn hệ (2.13) được gọi là tiêu chuẩn Nyquits thứ nhất, có phản ứng xung bằng không tại t=nT (n≠0), cho phép truyền chuỗi tín hiệu số PAM mà không có ISI Trong số các bộ lọc này, bộ lọc có độ rộng giải lớn hơn tần số Nyquits nhưng nhỏ hơn 2 lần tần số Nyquits là đáng chú ý nhất, mang lại hiệu quả sử dụng phổ tốt Để thỏa mãn (2.13), các bộ lọc này cần có hàm truyền tổng của hàm truyền bộ lọc lý tưởng (2.10) và một hàm làm cong (roll-off) xác định trong khoảng (0.1/T), đối xứng qua tần số 1/2T, với hàm truyền tổng cộng có dạng như hình 2.4.c.
Trong phân tích các bộ lọc, hàm số cosine cong thường được ưa chuộng do đơn giản trong tính toán Hàm truyền tổng cộng của bộ lọc sẽ có dạng đặc trưng, giúp dễ dàng nhận diện và ứng dụng trong các nghiên cứu.
Và xung tín hiệu có dạng :
Trong đó, α là tham số làm cong, hay còn gọi là hệ số uốn lọc (roll-off factor), có giá trị trong khoảng [0,1] Bộ lọc có đặc tính này được gọi là bộ lọc cosine nâng (raised cosine filter) vì phần biên của đặc tính tần số có dạng hàm cosine được nâng lên Khi α càng lớn, phổ tần chiến của tín hiệu càng mở rộng Ngoài các điểm giá trị bằng không như bộ lọc Nyquist lý tưởng, phản ứng cung của bộ lọc cosine nâng còn chứa cả các điểm không khác Đặc biệt, khi α=0, bộ lọc cosine nâng trở thành bộ lọc Nyquist lý tưởng.
Hàm truyền Nyquits lý tưởng ω a)
Hàm truyền bộ lọc được làm cong
Hình 2.4 Đặc tính lọc được làm cong
Khi xem xét các bộ lọc lý tưởng và bộ lọc cosine nâng, cần lưu ý rằng chúng khó có thể thực hiện trong thực tế do phản ứng xung của chúng khác không với các giá trị t