TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
Khái niệm về thông tin vô tuyến
Thông tin vô tuyến là hệ thống truyền tải thông tin sử dụng không gian tự do Phương pháp này bao gồm việc phát sóng thông tin qua các tín hiệu điện từ và thu nhận sóng để tách lấy tín hiệu gốc.
Mặc dù không gian tự do thường được hiểu là chân không, nhưng việc truyền sóng qua khí quyển trái đất vẫn được xem là truyền sóng trong không gian tự do Sự khác biệt chính nằm ở chỗ khí quyển gây ra tổn thất cho tín hiệu, trong khi chân không không có tổn thất Việc lý giải sóng vô tuyến không thể hoàn toàn dựa trên lý thuyết, vì nó bị ảnh hưởng bởi tầng đối lưu, tầng điện ly và các thiên thể như mặt trời Do đó, việc dự báo đường truyền sóng vô tuyến và khả năng liên lạc dựa trên dữ liệu lịch sử là vô cùng quan trọng.
Hình 1.1: Sơ đồ khối đơn giản hệ thống thông tin vô tuyến
Nguồn tin được mã hóa để loại bỏ thông tin thừa và mã kênh để chống lỗi do kênh truyền Tiếp theo, tín hiệu cần được điều chế để truyền xa, với các mức điều chế phù hợp với điều kiện kênh Tín hiệu phát ra từ máy phát sẽ được xử lý tại máy thu bằng các thuật toán ngược lại, và kết quả sẽ được giải mã tại máy thu.
Nguồn tin Mã nguồn tin
Mã kênh Điều chế Đích nhận tin
Giải điều chế Kênh vô tuyến
Chất lượng tín hiệu thu được phụ thuộc phương pháp mã kênh, điều kiện kênh truyền và băng thông tín hiệu.
Lịch sử phát triển hệ thống thông tin vô tuyến
Vào đầu thế kỷ 19, Marconi đã thành công trong việc thiết lập liên lạc vô tuyến qua Đại Tây Dương, trong khi Kenelly và Heaviside phát hiện ra rằng tầng điện ly ở phía trên khí quyển có thể phản xạ sóng điện từ, mở ra kỷ nguyên thông tin vô tuyến cao tần Gần 40 năm sau, thông tin vô tuyến cao tần trở thành phương thức duy nhất sử dụng phản xạ từ tầng đối lưu, nhưng không đáp ứng được nhu cầu thông tin ngày càng tăng Chiến tranh thế giới thứ hai đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực thông tin vô tuyến, đặc biệt là thông tin tầm nhìn thẳng, sử dụng băng tần số cực cao (VHF), nhờ vào sự phát triển của các linh kiện điện tử.
Tần số cao (HF) và tần số cực cao (UHF) chủ yếu được sử dụng để phát triển ngành radar Với lưu lượng truyền thông ngày càng tăng, tần số thông tin vô tuyến đã mở rộng đến các băng tần siêu cao (SHF) và cực kỳ cao (EHF).
Vào năm 1960, phương pháp chuyển tiếp qua vệ tinh đã được triển khai, cùng với sự xuất hiện của phương pháp chuyển tiếp bằng tán xạ qua tầng đối lưu của khí quyển Nhờ vào những ưu điểm vượt trội như dung lượng lớn, phạm vi thu rộng và hiệu quả kinh tế cao, thông tin vô tuyến đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm phát thanh truyền hình quảng bá, vô tuyến hàng hải, hàng không, quân sự, quan sát khí tượng, liên lạc sóng ngắn nghiệp dư, và thông tin vệ tinh - vũ trụ.
Sự can nhiễu trong lĩnh vực thông tin vô tuyến là điều khó tránh khỏi do việc sử dụng chung không gian truyền dẫn Để giải quyết vấn đề này, nhiều Hội nghị vô tuyến Quốc tế đã được tổ chức kể từ năm 1906 Tần số vô tuyến hiện nay được quy định theo thông tin vô tuyến (RR: Radio Regulations) tại hội nghị của ITU (Liên minh Viễn thông Quốc tế) ở Geneva vào năm 1959 Tiếp theo là các hội nghị về phân bổ lại dải tần số sóng ngắn vào năm 1967, bổ sung quy chế tần số vô tuyến cho thông tin vũ trụ vào năm 1971, và phân bổ lại tần số vô tuyến cho thông tin di động hàng hải phục vụ mục đích kinh doanh.
Năm 1974, tại Hội nghị của ITU năm 1979, dải tần số vô tuyến đã được mở rộng từ 9 kHz và bổ sung cho Quy chế thông tin vô tuyến điện (RR) Để giảm thiểu can nhiễu trong thông tin vô tuyến, ITU đã tiếp tục nghiên cứu các vấn đề nhằm cải thiện việc sắp xếp khoảng cách giữa các sóng mang.
Qui chế thông tin vô 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, thông tin vô tuyến vẫn giữ vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin, bên cạnh các công nghệ như thông tin di động, vi ba số, cáp quang và thông tin vệ tinh Công nghệ vô tuyến đang ngày càng hoàn thiện, đáp ứng tốt các yêu cầu về kết cấu, truyền dẫn, xử lý tín hiệu và bảo mật thông tin.
Khái niệm kênh truyền vô tuyến
Kênh truyền vô tuyến là yếu tố quyết định chất lượng hệ thống viễn thông, khác với kênh truyền hữu tuyến, kênh vô tuyến mang tính ngẫu nhiên và khó phân tích Tín hiệu phát đi qua kênh này thường bị cản trở bởi các vật cản như toà nhà, núi non và cây cối, dẫn đến hiện tượng phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ.
Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng có kích thước lớn so với bước sóng của tín hiệu tần số vô tuyến.
Nhiễu xạ xảy ra khi sóng truyền giữa nguồn phát và thiết bị thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng.
Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một bề mặt lớn và gồ ghề, dẫn đến việc năng lượng bị phân tán ra nhiều hướng khác nhau.
Kết quả thu được tại máy thu là nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến.
Trước khi thiết kế hệ thống, việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng Dựa trên những kết quả này, người ta có thể lựa chọn các kỹ thuật mã hóa kênh, điều chế tín hiệu, cũng như các phương pháp cân bằng kênh, lọc nhiễu và các kỹ thuật khác.
Các đặc tính của kênh vô tuyến
a Kênh thông tin vô tuyến có độ suy hao rất l n, t ường đạt t 140 đến
Công suất tín hiệu tại lối vào của kênh thu thường nằm trong khoảng 10^-10 đến 10^-14 W, trong khi lối ra cần công suất hàng W hoặc lớn hơn để đảm bảo thiết bị hoạt động tin cậy Điều này có nghĩa là thiết bị thu cần có hệ số khuếch đại ít nhất từ 10^10 đến 10^14, tương đương với 10^5 đến 10^7 lần theo điện áp Việc khuếch đại tín hiệu trở nên khó khăn không chỉ vì yêu cầu về hệ số khuếch đại cao mà còn do mức tín hiệu ở lối vào phải được so sánh với tạp âm thăng giáng, mà không thể tách rời khỏi tín hiệu Hơn nữa, độ suy hao của kênh vô tuyến thay đổi trong một phạm vi rộng, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu được.
Cường độ trường điện từ tại điểm thu tỉ lệ nghịch với bình phương quãng đường sóng đi qua, do đó, mức tín hiệu ở lối vào phần thu của kênh cần đạt từ 100 - 120 dB để đảm bảo thiết bị hoạt động bình thường Tuy nhiên, việc duy trì mức tín hiệu ra ổn định gặp nhiều khó khăn Độ suy hao thay đổi của kênh cũng gây trở ngại cho việc thiết lập hệ thống thông tin duplex, đặc biệt khi sử dụng sóng cực ngắn, vì sự biến động này phụ thuộc vào địa hình và có thể dẫn đến hiện tượng fading giao thoa khi gặp các vật thể phản xạ sóng vô tuyến Thêm vào đó, độ suy giảm của kênh thông tin vô tuyến còn bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của các tham số khí quyển.
Sự thay đổi trong dải sóng ngắn thể hiện rõ qua thông tin phản xạ từ tầng ion, với các dao động tín hiệu theo chu kỳ ngày đêm do biến đổi mức độ ion hóa trong các miền khí quyển Bên cạnh đó, việc thu sóng phản xạ từ tầng ion cũng gặp phải hiện tượng fading nhanh chóng, gây ra bởi sự giao thoa của các tia sóng đến điểm thu qua nhiều con đường khác nhau Nếu chỉ xem xét kênh thông tin như môi trường truyền sóng, thì về mặt vật lý, nó là chung cho tất cả các phương tiện thông tin vô tuyến hiện có, bao gồm các đài phát thanh và đường truyền vô tuyến.
Khả năng phát sóng đồng thời nhiều tín hiệu trên tần số vô tuyến phụ thuộc vào việc phân tách tín hiệu theo tần số Tuy nhiên, việc sử dụng dải tần một cách có tổ chức là rất khó khăn, đặc biệt là với sóng ngắn, khi mà khoảng cách truyền sóng không bị giới hạn Nhu cầu tại một số đoạn tần số thường vượt quá dung lượng vật lý, dẫn đến khả năng và sự không tránh khỏi của nhiễu lẫn nhau trong quá trình phát tin, gây ra sự mất mát thông tin.
Tình hình trở nên nghiêm trọng hơn do thiết bị kỹ thuật chưa hoàn thiện, dẫn đến việc phát tín hiệu thường xuyên bị nhiễu với các bức xạ phụ Hơn nữa, quá trình thu tín hiệu cũng gặp khó khăn khi tiếp nhận nhiễu từ các tần số lớn hơn nhiều so với dải tần của tín hiệu cần nhận, đặc biệt khi nguồn nhiễu gần khu vực thu.
Các nguồn nhiễu trong môi trường bao gồm các quá trình tự nhiên như phóng điện trong cơn giông, bức xạ vô tuyến từ mặt trời và thiên hà, cũng như các thiết bị điện trong công nghiệp và sinh hoạt Hầu hết các nhiễu này đều có nguồn gốc tự nhiên và công nghiệp, thường là nhiễu dải rộng, ảnh hưởng đến toàn bộ dải tần số Kênh vô tuyến có thể gây méo tín hiệu do hạn chế phổ tần của nó.
Trong các hệ thống thông tin, việc hạn chế phổ rộng vô hạn của tín hiệu có độ rộng hữu hạn là cần thiết, vì năng lượng của tín hiệu thường chỉ tập trung trong một dải tần hẹp Đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến, việc này còn quan trọng hơn do dung lượng dải tần hạn chế và để giảm nguy cơ nhiễu lạ xâm nhập vào dải thông của kênh.
Kênh vô tuyến khác với kênh hữu tuyến nhờ vào dải rộng của các biến đổi nhanh và chậm trong độ suy hao, đồng thời chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ nhiều nguồn nhiễu bên ngoài.
Truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông
Tín hiệu băng cơ sở là loại tín hiệu có phổ tần với năng lượng tập trung ở vùng tần số thấp gần gốc tọa độ, thường được coi là tín hiệu có tần số từ 0 đến Fmax nhất định Chẳng hạn, tín hiệu băng tần thoại có năng lượng tập trung trong dải tần từ 0.3 đến 3.4 kHz.
Tín hiệu băng cơ sở, hay còn gọi là băng gốc, được tạo ra từ các nguồn thông tin khác nhau nhưng không phù hợp với kênh truyền, do đó không thể truyền đi xa Để tín hiệu có thể được truyền đi hiệu quả, cần phải thực hiện quá trình điều chế, trong đó tín hiệu băng gốc sẽ biến đổi một số thông số của tín hiệu sóng mang cao tần Kết quả của quá trình này là tín hiệu băng thông, với phổ tần năng lượng tập trung quanh tần số sóng mang fc.
1.6 Một số kỹ thuật xử lý tín hiệu
Các chức năng xử lý tín hiệu trong hệ thống thông tin số được thể hiện qua các khối trong sơ đồ khối Mỗi khối đại diện cho một thuật toán xử lý tín hiệu cụ thể Hình 1.2 minh họa sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số, bao gồm tất cả các chức năng xử lý tín hiệu quan trọng hiện có trong các hệ thống này.
Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống thông tin vô tuyến số
Trải phổ Đa truy nhập
Giải trải phổ Đa truy nhập
Máy thu Đồng bộ Kênh truyền
Tới các đích nhận tin khác
Mã hóa nguồn Định dạng
Sơ đồ khối hình 1.2 mô tả lưu đồ xử lý tín hiệu, bao gồm các thuật toán cơ bản trong xử lý tín hiệu Tuy nhiên, không phải trong tất cả các hệ thống thông tin số đều cần thực hiện đầy đủ các thuật toán này.
Hầu hết tín hiệu được đưa vào hệ thống thông tin số, bao gồm tiếng nói, hình ảnh và âm thanh, đều là tín hiệu tương tự Do đó, cần có khối định dạng để chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang dãy từ mã số Các từ mã này được biểu diễn bằng các bit nhị phân và sẽ được định dạng phù hợp tùy theo ứng dụng cụ thể.
Giải định dạng có vai trò chuyển đổi tín hiệu từ dạng số sang dạng tương tự, giúp tăng băng thông truyền dẫn Việc số hóa tín hiệu tương tự không chỉ cải thiện khả năng truyền tải mà còn cho phép bộ thu hoạt động hiệu quả ở tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp hơn.
Mã hóa và giải mã nguồn tín hiệu giúp nén và giải nén thông tin, từ đó giảm tốc độ bít và giảm băng thông chiếm dụng của tín hiệu số Cụ thể, trong một khoảng thời gian nhất định, quá trình mã hóa nén sẽ loại bỏ một số bít mà không làm mất đi thông tin cần thiết.
Mã và giải mã mật là quá trình bảo mật thông tin bằng cách mã hóa chuỗi bít theo một khóa xác định, đồng thời đảm bảo tốc độ truyền bít không bị ảnh hưởng Để đạt được điều này, phương pháp xáo trộn vị trí ký hiệu trong bản tin thường được áp dụng, với nguyên tắc thống nhất giữa phần phát và phần thu.
Mã và giải mã kênh bao gồm hai loại chính là mã khối và mã chập, với nhiệm vụ kiểm soát lỗi và giảm thiểu tác động xấu trên đường truyền Để đảm bảo truyền dẫn thông tin số một cách tin cậy, các bít dư thường được chèn vào chuỗi tin ở phía phát Nhờ vào việc này, phía thu có khả năng thực hiện cả hai nhiệm vụ quan trọng là phát hiện và sửa lỗi.
Ghép-phân kênh là phương pháp truyền tin từ nhiều nguồn khác nhau đến các đích nhận khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn Trong kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, có ba phương pháp ghép kênh cơ bản, bao gồm ghép kênh theo tần số (FDM - Frequency Division Multiplexing) và ghép kênh theo thời gian (TDM - Time Division Multiplexing).
Ghép kênh trong truyền dẫn tín hiệu có thể thực hiện qua hai phương pháp chính: ghép kênh theo tần số (FDM) và ghép kênh theo mã (CDM) Tín hiệu tương tự thường có phổ hạn chế, vì vậy việc hạn chế phổ không ảnh hưởng lớn đến chất lượng liên lạc Trong hệ thống truyền dẫn tương tự, ghép kênh thường áp dụng phương pháp ghép kênh theo tần số, mặc dù ghép kênh theo thời gian cũng khả thi Đối với tín hiệu số, thời gian tồn tại của xung tín hiệu phụ thuộc vào độ rộng xung, với khoảng cách giữa các phần tử cố định gọi là độ dài khung tín hiệu Khi độ rộng xung nhỏ hơn độ dài khung, tín hiệu từ mỗi nguồn được truyền trên khe thời gian riêng biệt Hệ thống truyền dẫn số cho phép thực hiện ghép kênh dễ dàng, và khi phát luồng số trên kênh vô tuyến, cần điều chế luồng này ở một sóng mang có băng tần hữu hạn Luồng số có thể là tín hiệu từ máy tính hoặc tín hiệu PCM được tạo ra từ âm thanh hoặc 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 là phương pháp quan trọng nhằm chống nhiễu do kẻ địch gây ra và bảo mật thông tin Quá trình này bao gồm việc mở rộng phổ tín hiệu lên nhiều lần ở khối trải phổ và nén lại ở khối giải trải phổ Các hệ thống thông tin quân sự sử dụng kỹ thuật này để tăng cường khả năng chống nhiễu và che giấu tín hiệu bằng cách phát ở công suất thấp, giảm nguy cơ bị phát hiện Có hai loại trải phổ cơ bản là trải phổ chuỗi trực tiếp (DS) và trải phổ nhảy tần (FH) Liên quan đến trải phổ, có hai loại điều chế chính là khóa dịch pha (PSK) và khóa dịch tần số (FSK), sẽ được trình bày chi tiết trong chương hai.
Đa truy nhập cho phép nhiều đối tượng truy cập mạng thông tin và sử dụng hệ thống truyền dẫn theo nhu cầu Để khôi phục chính xác tín hiệu thu, cần biết thời gian tồn tại của một symbol (TS) trong tín hiệu số Trong các hệ thống truyền dẫn kết hợp, thông tin về pha của tín hiệu sóng mang cũng rất quan trọng trong quá trình điều chế số Do đó, bên phát phải thông báo cho bên thu về các thông tin này, và hệ thống thực hiện chức năng này được gọi là hệ thống đồng bộ.
Đồng bộ trong các hệ thống thông tin liên kết bao gồm nhiều khía cạnh quan trọng như đồng bộ nhịp đồng hồ, đồng bộ bít, đồng bộ symbol, đồng bộ khung, đồng bộ mạng và đồng bộ pha sóng mang Những yếu tố này đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong việc truyền tải thông tin.
Máy phát thực hiện các chức năng như trộn tần số, khuếch đại tần số và lọc tần số Cụ thể, nó trộn tần tín hiệu từ tần số trung tâm lên tần số vô tuyến, giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải thông tin.
Điều chế
1.7.1 Khái ni m đ ều chế số Điều chế là quá trình gửi thông tin vào các tham số của sóng mang vô tuyến với độ rộng băng tần cần thiết để truyền kênh vô tuyến Hay nói cách khác, điều chế được xem như là quá trình mà trong đó một đặc tính nào đó của sóng mang được thay đổi theo một sóng điều chế [4]
Để tối ưu hóa dung lượng đường truyền số trong điều kiện băng tần hạn chế của kênh vô tuyến, người ta áp dụng phương pháp điều chế khóa pha và khóa biên kết hợp, được gọi là điều chế cầu phương vuông góc (QAM: Quadrature Amplitude Modulation).
1.7.2 Tại sao phả dùng đ ều chế số
Để truyền tín hiệu ở khoảng cách xa, cần sử dụng điều chế vì năng lượng phát ra từ máy phát không đủ Điều chế số đã dần thay thế điều chế tương tự nhờ vào những lợi thế như tăng dung lượng thông tin, tương thích với dịch vụ dữ liệu số, bảo mật cao, chất lượng kết nối tốt hơn và tính sẵn sàng của hệ thống nhanh hơn.
Phổ vô tuyến ngày càng được chia sẻ rộng rãi, với nhiều người dùng mới tham gia mỗi ngày, điều này làm nổi bật sự cần thiết của quy hoạch tài nguyên vô tuyến Việc sử dụng điều chế số không chỉ giúp tăng dung lượng mang tin mà còn góp phần giải quyết vấn đề về tài nguyên vô tuyến hiện tại.
1.7.3 Đ ều chế tín hi u nhiều mức nhằm nâng cao hi u quả phổ
Hầu hết các nguồn tin số đều phát ra tín hiệu nhị phân, nhưng để tối ưu hóa phổ, các tín hiệu này thường được mã hóa thành tín hiệu nhiều mức Điều này cho phép tăng công suất của tín hiệu, từ đó giảm bề rộng phổ mà tín hiệu chiếm giữ.
Bề rộng phổ của tín hiệu số phụ thuộc vào số chiều của tín hiệu, và khi xem xét một tín hiệu đơn lẻ, phổ lý thuyết trải từ -∞ đến +∞ thông qua biến đổi Fourier Tuy nhiên, trong thực tế, bề rộng phổ của tín hiệu số được xác định bởi độ rộng băng tạp âm của bộ lọc, theo lý thuyết thông tin, là 1/TS (với TS là độ dài của một symbol) Do đó, độ rộng băng tần tối thiểu của tín hiệu số sẽ là 1/TS, nhưng thường lớn hơn giá trị này một vài chục phần trăm.
Nếu tất cả các tín hiệu cơ sở trực giao trong không gian tín hiệu đều có cùng một tần số, điều này xảy ra trong trường hợp tín hiệu một hoặc hai chiều, chẳng hạn như BPSK (Binary Phase Shift Keying).
Khi áp dụng các phương pháp điều chế như Phase Shift Keying (PSK), M-PSK, hay M-QAM, các tín hiệu số được tạo thành là tổ hợp tuyến tính của các tín hiệu cơ sở có cùng tần số, cho phép sử dụng chung một loại mạch lọc Kết quả là, băng tần của tập tín hiệu tổng cộng sẽ tương đương với băng tần của một tín hiệu đơn, chiếm khoảng 1/TS, chưa kể đến phần mở rộng Đối với các tín hiệu cơ sở trực giao với tần số khác nhau, như trong điều chế tần số (FSK, MSK), khoảng cách tần số giữa chúng cần lớn hơn hoặc bằng 1/TS Phổ của tập tín hiệu sẽ chiếm tới M/TS, và khi số chiều tín hiệu (D) tăng, bề rộng phổ chiếm của tập tín hiệu cũng sẽ tăng theo tỷ lệ.
Hiệu quả phổ của tín hiệu được đo bằng tốc độ truyền tin trên mỗi đơn vị bề rộng phổ tần số (b/s/Hz) Việc áp dụng điều chế M mức có thể tăng tốc độ truyền tin lên log2M lần so với việc sử dụng một bít, giúp giảm đáng kể bề rộng phổ chiếm dụng của tín hiệu và nâng cao hiệu quả phổ so với phương pháp nhị phân.
Các loại điều chế tần số, mặc dù dễ thực hiện và có ưu điểm về độ ổn định tín hiệu, nhưng không mang lại hiệu quả phổ tốt hơn so với tín hiệu nhị phân Do đó, chúng thường chỉ được sử dụng với số mức M nhỏ (thường không quá 4) và trong những trường hợp mà hiệu quả phổ không phải là ưu tiên hàng đầu Trong khi đó, các hệ thống yêu cầu hiệu quả phổ lớn, như hệ thống dung lượng lớn và vừa, thường sử dụng M-PSK hoặc M-QAM, vì chúng có khả năng tăng hiệu quả phổ gấp log2M lần so với tín hiệu nhị phân.
Để nâng cao hiệu quả phổ, cần tăng công suất tín hiệu, đặc biệt trong trường hợp tín hiệu M-PSK Khi công suất tín hiệu giống nhau, khoảng cách từ điểm tín hiệu đến biên quyết định của M-PSK (M>2) nhỏ hơn so với BPSK, dẫn đến xác suất thu lỗi của M-PSK cao hơn Để duy trì xác suất thu lỗi tương đương với BPSK, cần tăng khoảng cách từ điểm tín hiệu đến biên quyết định cho M-PSK, điều này đồng nghĩa với việc phải tăng công suất tín hiệu Tỷ lệ tăng công suất cho điều chế pha số M-PSK có thể xác định dễ dàng.
M (1.1) trong đó PM và PB lần lượt là công suất cần thiết đối với M-PSK và BPSK để có được cùng một xác suất thu lỗi như nhau, n = log2M [3]
1.7.4 L a chọn tố ưu tập tín hi u
Việc lựa chọn phương pháp điều chế tín hiệu là rất quan trọng để đạt hiệu quả sử dụng phổ tối ưu với công suất tín hiệu nhỏ nhất, đồng thời đảm bảo xác suất thu lỗi nhất định Trong trường hợp hệ thống truyền dẫn yêu cầu dung lượng B [b/s] trên kênh có bề rộng băng tần W [Hz] với W 8, EQ sẽ nhỏ hơn EP cần thiết để đạt cùng một BER đã cho, với M = 16, điều chế QAM có lợi 1.64 dB về công suất so với PSK, và với M, độ lợi này có thể đạt tới 6.27 dB EQ trong các biểu thức (1.2a, b) và (1.3) đại diện cho năng lượng tín hiệu QAM lớn nhất, trong khi năng lượng trung bình của tín hiệu M-QAM còn thấp hơn, cho thấy độ lợi công suất thực tế sẽ lớn hơn nếu tính theo công suất trung bình Điều này có nghĩa là với M > 8, sơ đồ điều chế M-QAM sẽ có lợi hơn so với M-PSK về công suất Ngược lại, khi 4 < M ≤ 8, điều chế M-PSK lại có lợi hơn M-QAM, và với M = 4, 4-QAM tương đương với 4-PSK.
Để tiết kiệm phổ tần trong các hệ thống dung lượng lớn với tốc độ bít cao, thường sử dụng các sơ đồ điều chế với M cao, trong đó hệ thống M-QAM được ưa chuộng do lợi thế về công suất Ngược lại, với dung lượng hệ thống vừa hoặc nhỏ, khi số mức điều chế M không cần lớn, điều chế PSK được lựa chọn vì vừa tiết kiệm công suất vừa ít nhạy cảm với méo phi tuyến do bộ khuếch đại công suất phát gây ra.
M-PSK thường sử dụng các mức điều chế M = 2, 4, 8, trong khi các hệ thống M-QAM truyền thống có M = 4, 16, 64 Đặc biệt, điều chế 4-QAM tương đương với 4-PSK vì constellation của chúng hoàn toàn giống nhau.
Sự phân chia tài nguyên vô tuyến
Thông tin vô tuyến sử dụng sóng điện từ để truyền tải dữ liệu xa, với môi trường truyền sóng bao gồm khí quyển, vũ trụ, nước và các lớp địa chất Việc phân kênh thông tin vô tuyến chủ yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số, trong khi phổ tần vô tuyến trải dài từ các tần số dưới âm thanh đến các tia vũ trụ (1012Hz).
Tần số cực kỳ thấp (ELF) nằm trong khoảng 30 đến 300Hz, bao gồm cả tần số điện lưới AC và các tín hiệu đo lường từ xa tần thấp.
Các tần số tiếng nói (VF: Voice Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi
300 Hz ÷3kHz, chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn
Các tần số rất thấp (VLF) nằm trong khoảng từ 3 đến 30 kHz, bao gồm phần trên của dải tần nghe được của tiếng nói Chúng được sử dụng trong các hệ thống an ninh, quân sự và các ứng dụng chuyên dụng của chính phủ, đặc biệt là trong việc truyền thông tin dưới nước giữa các tàu ngầm.
Các tần số thấp (LF: Low Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300kHz
(thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không
Tần số trung bình (MF) nằm trong khoảng 300 kHz đến 3 MHz, thường được gọi là sóng trung, chủ yếu được sử dụng cho phát thanh thương mại với dải tần từ 535 đến 1605 kHz Bên cạnh đó, tần số này cũng được áp dụng trong dẫn đường hàng hải và hàng không.
Các tần số cao (HF: High Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷
Sóng ngắn 30MHz được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin vô tuyến 2 chiều, phục vụ cho việc liên lạc ở cự ly xa, bao gồm liên lạc xuyên lục địa, hàng hải, hàng không, nghiệp dư và phát thanh quảng bá.
Tần số rất cao (VHF - Very High Frequencies) nằm trong khoảng 30 đến 300MHz, còn được gọi là sóng mét Tần số này thường được sử dụng cho các ứng dụng như vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không Ngoài ra, VHF cũng là tần số cho phát thanh FM thương mại (từ 88 đến 108MHz) và truyền hình thương mại với các kênh từ 2 đến 12, có tần số từ 54MHz đến 216MHz.
Tần số cực cao (UHF) nằm trong khoảng 300MHz đến 3GHz, còn được gọi là sóng đề xi mét Tần số này được sử dụng cho các kênh truyền hình thương mại, dịch vụ thông tin di động mặt đất, hệ thống điện thoại tế bào, một số hệ thống radar và dẫn đường, cũng như các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh.
Tần số siêu cao (SHF - Super High Frequencies) nằm trong khoảng 3 đến 30 GHz, thường được gọi là sóng centimet Tần số này chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực vi ba và truyền thông vệ tinh.
Các tần số cực kỳ cao (EHF: Extremely High Frequencies) nằm trong khoảng 30 đến 300 GHz, thường được gọi là sóng milimet, và ít được sử dụng trong thông tin vô tuyến.
Tần số hồng ngoại nằm trong khoảng từ 0,3THz đến 300THz và không được coi là sóng vô tuyến Tần số này được ứng dụng trong các hệ thống dẫn đường tìm nhiệt, chụp ảnh điện tử và trong lĩnh vực thiên văn học.
Các ánh sáng nhìn thấy Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3PHz÷3PHz, dùng trong hệ thống sợi quang
Các tia cực tím, tia X, tia gamma và tia vũ trụ thường ít được sử dụng để cung cấp thông tin Bên cạnh đó, các băng tần cũng được đánh số bằng các chữ cái, như đã trình bày trong bảng 1.1.
Bảng 1.1: Các băng sóng sử dụng trong thông tin vô tuyến
Băng sóng Dải tần số quy định (GHz)
Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến
Một cách tương đối, dải tần vô tuyến có thể phân chia thành thông tin cao tần và thông tin siêu cao tần a Thông tin cao tần
Dải sóng 3MHz đến 30MHz gọi là thông tin cao tần, ở dải sóng này:
- Sóng điện từ bị khúc xạ, nhiễu xạ, chịu ảnh hưởng của tạp âm công nghiệp và tạp âm khí quyển
- Tuy băng tần hẹp nhưng dải sóng này có khá nhiều thiết bị làm việc
Do dải tần chung hẹp, mỗi thiết bị chỉ được cấp một dải tần nhỏ, điều này đòi hỏi thiết bị phải có tần số làm việc ổn định Đồng thời, thiết bị cần có khả năng hoạt động hiệu quả trong toàn bộ dải tần, nhằm đảm bảo tìm được tần số làm việc tốt nhất trong mọi điều kiện.
Hệ thống này phù hợp cho việc truyền tín hiệu thoại đơn kênh và tổ chức thông tin đơn công, đồng thời cho phép truyền dữ liệu với tốc độ thấp mà không cần tách ghép kênh Nó cũng hỗ trợ truyền tải thông tin siêu cao tần một cách hiệu quả.
Dải 30MHz đến 30GHz gọi chung là thông tin siêu cao tần Do dải rộng, nên nó có khá nhiều ưu điểm:
- Khả năng truyền tín hiệu có dải rộng như thoại nhiều kênh, tín hiệu truyền hình, truyền số liệu tốc độ cao
- Tổ chức thông tin song công
- Sử dụng được điều chế tần số, điều pha khắc phục được ảnh hưởng của điều biên kí sinh
- Anten kích thước nhỏ, thuận lợi cho việc lắp đặt, tiết kiệm công suất và tăng độ bảo mật
- Ít chịu ảnh hưởng của tạp âm công nghiệp và tạp âm khí quyển
Dải sóng siêu cao tần có nhược điểm là tín hiệu suy giảm nhanh trong quá trình truyền, dẫn đến việc tín hiệu đến anten thu rất yếu Do đó, máy thu cần phải có độ nhạy cao để đảm bảo nhận tín hiệu hiệu quả.
Sóng siêu cao tần truyền lan thông qua hai phương thức chính: sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ đất cũng như từ tầng đối lưu Để đảm bảo thông tin được truyền tải hiệu quả, cần có đường truyền thẳng giữa anten phát và anten thu, không có vật cản Phương thức truyền thẳng này được gọi là „Vô tuyến trong tầm nhìn thẳng‟ hay „Vô tuyến trực thị‟ Tuy nhiên, do bề mặt trái đất cong và địa hình phức tạp, khoảng cách nhìn thấy trực tiếp bị giới hạn, thường nhỏ hơn 50Km Do đó, để thiết kế các tuyến thông tin, cần thiết lập các trạm trung gian để thu phát và chuyển tiếp tín hiệu, được gọi là vô tuyến chuyển tiếp hay vô tuyến tiếp sức, hiện nay thường được biết đến là thông tin viba.
Tóm lại, thông tin viba bao gồm:
- Thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp, các trạm chuyển tiếp được đặt trên vệ tinh ngoài Trái đất
Thông tin di động là hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp số, hoạt động trong giao diện vô tuyến giữa máy di động (MS) và trạm thu phát gốc (BTS).
- Thông tin viba mặt đất là hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp, trạm chuyển tiếp đặt trên mặt đất.
Kết luận
Hệ thống thông tin đang phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi kỹ sư điện tử viễn thông phải nghiên cứu sâu về cấu trúc hệ thống, kỹ thuật xử lý số tín hiệu và phân chia tài nguyên vô tuyến.
2 sẽ phân tích các tác động của kênh truyền đến chất lượng hệ thống.
