Bài giảng Kỹ thuật Audio và Video số - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:227

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật Audio và Video số cung cấp cho người học các kiến thức: Tổng quan về hệ thống thông tin số, Số hóa tín hiệu audio, Số hóa tín hiệu video. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung của bài giảng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật Audio và Video số - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Lêi nãi ®Çu TËp bµi gi¶ng “Kü thuËt audio vµ video sè” lµ tµi liÖu tiÕp theo cña gi¸o tr×nh Kü thuËt audio vµ video t¬ng tù. §©y lµ mét trong nh÷ng m«n häc chuyªn nghµnh trong ch¬ng tr×nh ®µo t¹o kü s chuyªn ngµnh C«ng nghÖ Kü thuËt §iÖn, §iÖn tö cña trêng §¹i häc S ph¹m Kü thuËt Nam §Þnh. Tµi liÖu nµy tr×nh bµy nh÷ng vÊn ®Ò c¬ b¶n nhÊt vÒ Kü thuËt Audio vµ Video sè, bao gåm ba ch¬ng. Ch¬ng mét giíi thiÖu tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin sè nãi chung vµ truyÒn h×nh sè nãi riªng. Trong ®ã cã nªu c¸c ®Æc ®iÓm cña th«ng tin sè, c¸c ¶nh hëng cña kªnh truyÒn dÉn liªn tôc, c¸c u ®iÓm næi bËt cña tÝn hiÖu sè so víi tÝn hiÖu t¬ng tù vµ c¸c chuÈn ph¸t thanh truyÒn h×nh sè. Ch¬ng hai tr×nh bµy nh÷ng vÊn ®Ò c¬ b¶n cña sè hãa tÝn hiÖu audio. Trong ®ã m« t¶ c¸c bíc cña qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi tÝn hiÖu audio t¬ng tù sang tÝn hiÖu audio sè. Trong ph¬ng ph¸p m· hãa, giíi thiÖu t¬ng ®èi chi tiÕt ph¬ng ph¸p m· hãa theo tiªu chuÈn AES/EBU. Cuèi ch¬ng giíi thiÖu vÒ c¸c tiªu chuÈn nÐn tÝn hiÖu audio, nh MPEG-1, MPEG - 2, AC - 3 vµ ®Æc biÖt lµ c¸c kü thuËt nÐn audio chÊt lîng cao MP3 vµ ACC. Ch¬ng ba tr×nh bµy c¸c vÊn ®Ò c¬ b¶n vÒ sè hãa tÝn hiÖu vdeo. Trong ®ã bao gåm c¶ sè hãa tÝn hiÖu video tæng hîp vµ sè hãa tÝn hiÖu video thµnh phÇn. Mçi ph¬ng ph¸p l¹i ®a ra mét tiªu chuÈn lÊy mÉu riªng biÖt víi c¸c cÊu tróc lÊy mÉu t¬ng øng. Mçi chuÈn ®Òu ph©n tÝch mèi quan hÖ gi÷a tÝn hiÖu t¬ng tù víi tÝn hiÖu sè trong c¸c dßng, mµnh tÝch cùc vµ trong kho¶ng xãa dßng, xãa mµnh. Trong ch¬ng nµy cßn giíi thiÖu c¸c kü thuËt nÐn tÝn hiÖu video, kü thuËt ®iÒu chÕ sè c¬ së, kh¸i qu¸t vÒ tiªu chuÈn truyÒn h×nh sè mÆt ®Êt DVB-T vµ dù kiÕn lé tr×nh chuyÓn ®æi c«ng nghÖ truyÒn h×nh sè cña ViÖt Nam. Cuèi ch¬ng giíi thiÖu vÒ c¸c ph¬ng ph¸p truyÒn dÉn truyÒn h×nh sè. TËp bµi gi¶ng ®îc biªn so¹n dùa trªn nh÷ng tµi liÖu kh¸ tiªu biÓu vÒ kü thuËt audio vµ video sè nh môc tµi liÖu tham kh¶o ®· liÖt kª. Trong qu¸ tr×nh biªn so¹n tµi liÖu, kh«ng thÓ tr¸nh khái c¸c thiÕu sãt. Nhãm biªn so¹n xin ch©n thµnh c¶m ¬n vµ tiÕp thu c¸c ý kiÕn ®ãng ghãp cña c¸c ®ång nghiÖp vµ b¹n ®äc. Chñ biªn Th.s TrÇn Th¸i S¬n 1
Môc lôc Lêi nãi ®Çu ........................................................................................................... 1 Ch¬ng 1. Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin sè ................................................ 5 1.1. C¸c ®Æc ®iÓm cña th«ng tin sè .................................................................... 5 1.2. S¬ ®å khèi tiªu biÓu cña hÖ thèng th«ng tin sè .......................................... 6 1.3. C¸c ¶nh hëng cña kªnh liªn tôc................................................................ 8 1.3.1. HiÖn tîng xuyªn nhiÔu gi÷a c¸c dÊu (ISI) .................................................. 9 1.3.2. MÐo tuyÕn tÝnh ............................................................................................ 12 1.3.3. MÐo phi tuyÕn ............................................................................................. 14 1.3.4. Pha-®ing ..................................................................................................... 16 1.3.5. Can nhiÔu vµ mét sè t¸c ®éng kh¸c cña ®êng truyÒn. ............................. 18 1.4. ¦u nhîc ®iÓm cña tÝn hiÖu sè................................................................. 21 1.4.1. ¦u ®iÓm ...................................................................................................... 21 1.4.2. Nhîc ®iÓm................................................................................................. 21 1.5. C¸c chuÈn ph¸t thanh- truyÒn h×nh sè ...................................................... 22 1.6. C¸c tham sè c¬ b¶n cña hÖ thèng th«ng tin sè ......................................... 22 1.7. DÞch vô, m¹ng viÔn th«ng vµ m«i trêng truyÒn ...................................... 25 1.7.1. C¸c dÞch vô ................................................................................................. 25 1.7.2. M¹ng viÔn th«ng ......................................................................................... 26 1.7.3. C¸c m«i trêng truyÒn ................................................................................ 28 C©u hái «n tËp ch¬ng 1 ...................................................................................... 29 Ch¬ng 2. Sè ho¸ tÝn hiÖu audio ...................................................................... 30 2.1. Kh¸i qu¸t vÒ audio sè .............................................................................. 30 2.1.1. §Æc ®iÓm ..................................................................................................... 30 2.1.2. ¦u ®iÓm cña tÝn hiÖu Audio sè ................................................................... 31 2.1.3. C¸c th«ng sè kü thuËt ................................................................................. 31 2.1.4. S¬ ®å khèi hÖ thèng audio sè ...................................................................... 32 2.2. Nguyªn t¾c chuyÓn ®æi A/D ..................................................................... 33 2.2.1. S¬ ®å khèi ................................................................................................... 33 2.2.2. LÊy mÉu ...................................................................................................... 33 2.2.3. Lîng tö ho¸ .............................................................................................. 37 2
2.2.4. M· hãa ........................................................................................................41 2.3. §ång bé audio .......................................................................................... 50 2.3.1. §ång bé gi÷a c¸c tÝn hiÖu audio sè .............................................................51 2.3.2. §ång bé gi÷a tÝn hiÖu audio sè vµ tÝn hiÖu video sè. ..................................52 2.4. C¸c chuÈn nÐn Audio sè ........................................................................... 57 2.4.1. C¬ së nÐn audio sè ......................................................................................57 2.4.2. Kü thuËt nÐn sè liÖu audio ..........................................................................58 2.4.3. C¸c tiªu chuÈn nÐn ......................................................................................60 2.4.4. C¸c kü thuËt nÐn audio chÊt lîng cao MP3 vµ ACC .................................68 C©u hái «n tËp ch¬ng 2 ...................................................................................... 75 Ch¬ng 3. Sè ho¸ tÝn hiÖu video....................................................................... 76 3.1. Giíi thiÖu truyÒn h×nh sè vµ ¶nh sè .......................................................... 76 3.1.1. HÖ thèng truyÒn h×nh sè ..............................................................................76 3.1.2. §Æc ®iÓm truyÒn h×nh sè .............................................................................78 3.1.3. ¶nh sè .........................................................................................................80 3.2. ChuyÓn ®æi tÝn hiÖu t¬ng tù - sè (A/D) .............................................. 82 3.2.1. Nguyªn t¾c cña bé chuyÓn ®æi A/D ...........................................................82 3.2.2. C¸c ph¬ng ph¸p chuyÓn ®æi A/D...............................................................84 3.3. Sè hãa tÝn hiÖu video ................................................................................ 91 3.3.1. LÊy mÉu tÝn hiÖu video ................................................................................91 3.3.2. Lîng tö ho¸ tÝn hiÖu video ........................................................................98 3.3.3. M· ho¸ ..................................................................................................... 102 3.4. Sè ho¸ tÝn hiÖu video tæng hîp ............................................................... 111 3.4.1. Kh¸i qu¸t .................................................................................................. 111 3.4.2. Tiªu chuÈn 4fsc NTSC ............................................................................... 112 3.4.3. Tiªu chuÈn 4fsc PAL ................................................................................. 119 3.5. Sè ho¸ tÝn hiÖu video thµnh phÇn............................................................ 127 3.5.1. Kh¸i qu¸t ................................................................................................. 127 3.5.2. C¸c chuÈn lÊy mÉu ................................................................................... 128 3.5.3. LÊy mÉu tÝn hiÖu video thµnh phÇn .......................................................... 132 3.5.4. Thang lîng tö vµ c¸c møc lîng tö ........................................................ 136 3
3.5.5. CÊu tróc lÊy mÉu ....................................................................................... 141 3.5.6. GhÐp dßng sè liÖu ph©n chia theo thêi gian.............................................. 144 3.5.7. TÝn hiÖu chuÈn thêi gian .......................................................................... 147 3.5.8. D÷ liÖu phô ............................................................................................... 151 3.5.9 Tiªu chuÈn truyÒn h×nh sè c¬ b¶n CCIR-601 ............................................ 152 3.6. Kü thuËt nÐn tÝn hiÖu video ................................................................... 154 3.6.1. Kh¸i qu¸t vÒ nÐn tèc ®é dßng bit .............................................................. 154 3.6.2. M« h×nh nÐn video .................................................................................... 155 3.6.3. C¸c tham sè............................................................................................... 155 3.6.4. C¸c ph¬ng ph¸p nÐn video ...................................................................... 160 3.6.5. C¸c chuÈn nÐn video ................................................................................. 191 3.7. Kü thuËt ®iÒu chÕ sè c¬ së..................................................................... 200 3.7.1. Kü thuËt ®iÒu chÕ M-PSK ........................................................................ 200 3.7.2. Kü thuËt ®iÒu chÕ M-QAM ....................................................................... 202 3.8. Tiªu chuÈn truyÒn h×nh sè mÆt ®Êt DVB-T ............................................ 204 3.8.1. Dù kiÕn lé tr×nh chuyÓn ®æi c«ng nghÖ truyÒn h×nh sè cña ViÖt Nam ..... 204 3.8.2. Tiªu chuÈn DVB-T.................................................................................... 208 3.8.3. Kh¸i qu¸t OFDM ...................................................................................... 210 3.9. C¸c ph¬ng thøc truyÒn dÉn truyÒn h×nh sè ........................................... 216 3.9.1. TruyÒn h×nh c¸p ........................................................................................ 216 3.9.2.TruyÒn h×nh sè mÆt ®Êt .............................................................................. 217 3.9.3. TruyÒn h×nh sè qua vÖ tinh ....................................................................... 218 3.9.4. TruyÒn h×nh vµ ®a truyÒn th«ng ................................................................ 219 C©u hái «n tËp ch¬ng 3 .................................................................................... 223 Tµi liÖu tham kh¶o ............................................................................................. 225 4
Ch¬ng 1 tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin sè 1.1. C¸c ®Æc ®iÓm cña th«ng tin sè C¸c hÖ thèng th«ng tin ®îc sö dông ®Ó truyÒn tin tøc tõ n¬i nµy ®Õn n¬i kh¸c. Tin tøc ®îc truyÒn ®a tõ nguån tin (lµ n¬i sinh ra tin tøc) tíi bé nhËn tin (lµ ®Ých mµ tin tøc cÇn ®îc chuyÓn tíi) díi d¹ng c¸c b¶n tin. B¶n tin lµ d¹ng h×nh thøc chøa ®ùng mét lîng th«ng tin nµo ®ã. C¸c b¶n tin ®îc t¹o ra tõ nguån cã thÓ ë d¹ng liªn tôc hoÆc rêi r¹c, t¬ng øng chóng ta cã c¸c nguån tin liªn tôc hay rêi r¹c. §èi víi nguån tin liªn tôc, tËp c¸c b¶n tin lµ mét tËp v« h¹n, cßn ®èi víi nguån tin rêi r¹c tËp c¸c b¶n tin cã thÓ lµ mét tËp h÷u h¹n. BiÓu diÔn vËt lý cña mét b¶n tin ®îc gäi lµ tÝn hiÖu. Cã rÊt nhiÒu lo¹i tÝn hiÖu kh¸c nhau tuú theo ®¹i lîng vËt lý ®îc sö dông ®Ó biÓu diÔn tÝn hiÖu, thÝ dô nh cêng ®é dßng ®iÖn, ®iÖn ¸p, cêng ®é ¸nh s¸ng... Tuú theo d¹ng cña c¸c tÝn hiÖu ®îc sö dông ®Ó truyÒn t¶i tin tøc trong c¸c hÖ thèng truyÒn tin lµ c¸c tÝn hiÖu t¬ng tù (analog) hay sè (digital) vµ t¬ng øng sÏ cã c¸c hÖ thèng th«ng tin t¬ng tù hay th«ng tin sè. §Æc ®iÓm c¨n b¶n cña mét hÖ thèng tÝn hiÖu t¬ng tù (®¹i lîng vËt lý ®îc sö dông lµm tÝn hiÖu cã quy luËt biÕn thiªn t¬ng tù víi b¶n tin nh nã ®· ®îc s¶n sinh ra tõ nguån tin) lµ tÝn hiÖu cã thÓ nhËn v« sè gi¸ trÞ, lÊp ®Çy liªn tôc mét gi¶i nµo ®ã. Thªm vµo ®ã, thêi gian tån t¹i cña c¸c tÝn hiÖu t¬ng tù lµ mét gi¸ trÞ kh«ng x¸c ®Þnh cô thÓ, phô thuéc vµo thêi gian tån t¹i cña b¶n tin do nguån tin sinh ra. TÝn hiÖu analog cã thÓ lµ tÝn hiÖu liªn tôc hay rêi r¹c tuú theo theo tÝn hiÖu lµ mét hµm liªn tôc hay rêi r¹c cña biÕn thêi gian. TÝn hiÖu ®iÖn tho¹i ë lèi ra cña mét micro lµ mét thÝ dô ®iÓn h×nh vÒ tÝn hiÖu t¬ng tù liªn tôc, trong khi ®ã tÝn hiÖu ®iÒu chÕ theo ph¬ng ph¸p ®iÒu biªn xung (PAM: Pulse Amplytude Modulation) cña chÝnh tÝn hiÖu tõ lèi ra micro nãi trªn lµ mét tÝn hiÖu t¬ng tù rêi r¹c. Trong trêng hîp nguån tin chØ gåm mét sè h÷u h¹n (M) c¸c tin th× c¸c b¶n tin nµy cã thÓ ®¸nh sè ®îc vµ do vËy thay v× truyÒn ®i c¸c b¶n tin ta chØ cÇn truyÒn ®i c¸c ký hiÖu (symbol) lµ c¸c con sè t¬ng øng víi c¸c b¶n tin ®ã. TÝn hiÖu khi ®ã chØ biÓu diÔn c¸c con sè (c¸c ký hiÖu) vµ ®îc gäi lµ tÝn hiÖu sè. §Æc trng c¨n b¶n cña tÝn hiÖu sè lµ:  TÝn hiÖu sè chØ nhËn mét sè h÷u h¹n c¸c gi¸ trÞ 5
 TÝn hiÖu sè cã thêi gian tån t¹i x¸c ®Þnh, thêng lµ mét h»ng sè ký hiÖu lµ TS (viÕt t¾t cña Symbol time - interval: Thêi gian cña mét ký hiÖu).  TÝn hiÖu sè cã thÓ nhËn M gi¸ trÞ kh¸c nhau. Trong trêng hîp M = 2 ta cã hÖ thèng th«ng tin nhÞ ph©n, trong trêng hîp tæng qu¸t ta cã hÖ thèng th«ng tin M møc.  So víi c¸c hÖ thèng th«ng tin t¬ng tù, c¸c hÖ thèng th«ng tin sè cã mét sè kh¶ n¨ng vît tréi. Thø nhÊt lµ cã kh¶ n¨ng t¸i sinh tÝn hiÖu theo ngìng sau tõng cù ly nhÊt ®Þnh nªn t¹p ©m tÝch lòy cã thÓ lo¹i trõ ®îc, nghÜa lµ c¸c tÝn hiÖu sè m¹nh h¬n ®èi víi t¹p ©m so víi tÝn hiÖu analog; Thø hai, tÝn hiÖu sè cã tÝnh t¬ng thÝch víi c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn vµ xö lý hiÖn ®¹i, nªn cã kh¶ n¨ng khai th¸c, qu¶n lý vµ b¶o tr× hÖ thèng mét c¸ch tù ®éng cao; Thø ba, tÝn hiÖu sè cã thÓ sö dông ®Ó truyÒn t¶i kh¸ dÔ dµng mäi lo¹i b¶n tin, rêi r¹c hay liªn tôc, t¹o tiÒn ®Ò cho viªc hîp nhÊt c¸c m¹ng th«ng tin tuyÒn ®a c¸c lo¹i dÞch vô tho¹i hay sè liÖu thµnh mét m¹ng duy nhÊt. Nhîc ®iÓm c¨n b¶n cña hÖ thèng th«ng tin sè lµ phæ chiÕm cña tÝn hiªô sè khi truyÒn c¸c b¶n tin liªn tôc t¬ng ®èi lín so víi phæ cña tÝn hiÖu t¬ng tù. Do c¸c h¹n chÕ vÒ kü thuËt hiÖn nay, phæ chiÕm cña c¸c tÝn hiÖu sè cßn t¬ng ®èi lín, tuy nhiªn trong t¬ng lai khi c¸c kü thuËt sè ho¸ tÝn hiÖu liªn tôc tiªn tiÕn h¬n ®îc ¸p dông th× phæ cña tÝn hiÖu sè cã thÓ so s¸nh ®îc víi phæ cña tÝn hiÖu liªn tôc. 1.2. S¬ ®å khèi tiªu biÓu cña hÖ thèng th«ng tin sè HÖ thèng th«ng tin sè lµ tËp hîp c¸c ph¬ng tiÖn bao gåm c¸c thiÕt bÞ phÇn cøng vµ phÇn mÒm ®îc sö dông ®Ó truyÒn tÝn hiÖu sè tõ lèi ra cña thiÕt bÞ t¹o khu«n ë phÇn ph¸t tíi ®Çu vµo thiÕt bÞ t¸i t¹o khu«n th«ng tin ë phÇn thu hÖ thèng th«ng tin sè. Cã rÊt nhiÒu hÖ thèng th«ng tin sè kh¸c nhau tuú thuéc m«i trêng truyÒn dÉn nh c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn sè qua vÖ tinh viÔn th«ng, c¸c hÖ thèng v« tuyÕn chuyÓn tiÕp sè mÆt ®Êt, c¸c hÖ thèng v« tuyÕn di ®éng, c¸c hÖ thèng th«ng tin dïng c¸p ®ång trôc, c¸p xo¾n hay c¸p sîi quang häc... §Æc trng c¬ b¶n cña hÖ thèng th«ng tin sè lµ c¸c tÝn hiÖu ®îc truyÒn vµ xö lý bëi hÖ thèng lµ c¸c tÝn hiÖu sè, nhËn c¸c gi¸ trÞ tõ mét tËp h÷u h¹n c¸c phÇn tö, thêng ®îc gäi lµ b¶ng ch÷ c¸i. C¸c phÇn tö tÝn hiÖu nµy cã ®é dµi h÷u h¹n x¸c ®Þnh TS, trong c¸c hÖ thèng th«ng tin sè hiÖn nay, nãi chung ®é dµi TS lµ nh nhau ®èi víi mäi phÇn tö tÝn hiÖu. Trong thùc tÕ cã rÊt nhiÒu lo¹i hÖ thèng th«ng tin sè kh¸c nhau, ph©n biÖt theo tÇn sè c«ng t¸c, m«i trêng truyÒn dÉn... Tuú theo lo¹i hÖ thèng th«ng tin sè thùc tÕ, hµng lo¹t chøc n¨ng xö lý tÝn hiÖu sè kh¸c nhau cã thÓ ®îc sö dông nh»m thùc 6
hiÖn viÖc truyÒn ®a tÝn hiÖu sè mét c¸ch hiÖu qu¶ vÒ ph¬ng diÖn b¨ng tÇn chiÕm còng nh c«ng suÊt tÝn hiÖu. Tõ c¸c nguån tin kh¸c V1 V2 V3 V4 V5 Tõ nguån tin M· M· M· §a T¹o GhÐp §iÒu Tr¶i M¸y ho¸ ho¸ ho¸ truy khu«n kªnh chÕ phæ ph¸t nguån mËt kªnh nhËp * * * * * * Chuçi bÝt Kªnh §ång Chuçi d¹ng sãng bé truyÒn Tíi bé nhËn * * * * * tin T¹o Gi¶i Gi¶i Gi¶i Gi¶i Gi¶i §a Ph©n M¸y m· m· m· ®iÒu tr¶i phæ truy khu«n kªnh thu nguån mËt kªnh chÕ nhËp Tíi c¸c ®Ých nhËn tin kh¸c H×nh 1. 1. S¬ ®å khèi tiªu biÓu hÖ thèng th«ng tin sè. C¸c chøc n¨ng xö lý tÝn hiÖu nh thÕ ®îc m« t¶ bëi c¸c khèi trong s¬ ®å khèi hÖ thèng (h×nh 1.1). Trong s¬ ®å khèi nµy, c¸c thuËt to¸n c¬ b¶n xö lý tÝn hiÖu bao gåm:  T¹o khu«n d¹ng tÝn hiÖu, thùc hiÖn biÕn ®æi tin tøc cÇn truyÒn thÓ hiÖn ë d¹ng tÝn hiÖu liªn tôc hay sè thµnh chuçi c¸c bÝt nhÞ ph©n (cã tèc ®é v1 “bÝt/s”).  M· ho¸ nguån tÝn hiÖu, thùc hiÖn nÐn tÝn hiÖu nh»m gi¶m tèc ®é bÝt ®Ó gi¶m phæ chiÕm cña tÝn hiÖu sè (tèc ®é v2v1).  M· ho¸ mËt, thùc hiÖn m· chuçi bÝt theo mét kho¸ x¸c ®Þnh nh»m b¶o mËt tin tøc (cã tèc ®é v3 = v2).  M· ho¸ kªnh nh»m chèng nhiÔu vµ c¸c t¸c ®éng xÊu kh¸c cña ®êng truyÒn dÉn ( cã tèc ®é v4v3).  GhÐp kªnh, nh»m t¨ng hiÖu qu¶ cña ®êng truyÒn vµ thùc hiÖn viÖc truyÒn tin tõ nhiÒu nguån tin kh¸c nhau tíi c¸c ®Ých nhËn tin kh¸c nhau trªn cïng mét hÖ thèng truyÒn dÉn (tèc ®é v5v4).  §iÒu chÕ sè, thùc hiÖn ¸nh x¹ chuçi bÝt ®Çu vµo thµnh chuçi tÝn hiÖu d¹ng sãng ®Ó truyÒn ®i xa.  Tr¶i phæ, nh»m chèng nhiÔu vµ b¶o mËt tin tøc. 7
 §a truy nhËp, cho phÐp nhiÒu ®èi tîng cã thÓ truy nhËp m¹ng th«ng tin ®Ó sö dông hÖ thèng truyÒn dÉn theo nhu cÇu.  M¸y ph¸t ®Çu cuèi, thùc hiÖn c¸c chøc n¨ng trén vµ ®a tÝn hiÖu lªn gi¶i tÇn sè c«ng t¸c (khuyÕch ®¹i bï ®¾p tæn hao, läc ®Ó chia xÎ b¨ng tÇn, chèng nhiÔu vµ bøc x¹ ra m«i trêng truyÒn).  M«i trêng truyÒn gåm c¸c lo¹i: V« tuyÕn hay h÷u tuyÕn (bao gåm c¸p ®ång trôc, c¸p xo¾n, c¸p quang).  §ång bé, bao gåm ®ång bé ®Þnh thêi (®ång bé ®ång hå) vµ ®ång bé sãng mang (®ång bé pha sãng mang thu, ph¸t) ®èi víi c¸c hÖ thèng th«ng tin liªn kÕt . C¸c khèi nh¸nh bªn díi (phÇn thu) thùc hiÖn c¸c thuËt to¸n xö lý ngîc víi c¸c khèi t¬ng øng ë nh¸nh trªn (phÇn ph¸t). 1.3. C¸c ¶nh hëng cña kªnh liªn tôc PhÇn trªn chóng ta ®· xem xÐt mét c¸ch tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin sè trªn kªnh liªn tôc víi c¸c gi¶ ®Þnh lý tëng. C¸c t¸c ®éng cña nhiÔu tõ bªn ngoµi ®îc bá qua vµ chØ xÐt tíi t¸c ®éng cña t¹p ©m nhiÖt tr¾ng chuÈn (AWGN) tån t¹i mét c¸ch cè h÷u trong kªnh. Trong thùc tÕ c¸c ¶nh hëng cña kªnh liªn tôc ®Õn hÖ thèng truyÒn dÉn sè, mµ c¸c t¸c ®éng cña chóng lµ rÊt phøc t¹p. Trong ®ã nh÷ng ¶nh hëng c¬ b¶n sÏ ®îc ®Ò cËp tíi lµ: Sù h¹n chÕ vÒ b¨ng tÇn truyÒn dÉn, mÐo tuyÕn tÝnh, mÐo phi tuyÕn, pha-®inh, can nhiÔu vµ c¸c t¸c ®éng kh¸c cña ®êng truyÒn. (AWGN) fo n(t) fo s t   s(t) HP T(f) Hc(f) R(f)  fo CCI Zo(t) To(f) A0 ACI f1 Z1(t) T1(f) A1 Tiªu hao b¨ng tr¾ng fN cña c¸c m¹ch läc ZN(t) AN TN(f) H×nh 1.2. M« h×nh kªnh liªn tôc. 8
Thùc tÕ khi truyÒn qua mét kªnh liªn tôc c¸c tÝn hiÖu s(t) ®îc ph¸t ®i tõ phÇn ph¸t chÞu t¸c ®éng cña c¶ mÐo lÉn t¹p ©m vµ can nhiÔu, do vËy tÝn hiÖu nhËn ®îc R(t) cã thÓ kh¸c rÊt ®¸ng kÓ so víi c¸c tÝn hiÖu ®· ®îc ph¸t ®i, dÉn ®Õn viÖc ®¸nh gi¸ cña m¸y thu vÒ tÝn hiÖu nµo ®· ®îc ph¸t ®i cã thÓ bÞ sai. Mét kªnh liªn tôc chÞu c¸c t¸c ®éng nh thÕ cã thÓ m« h×nh ho¸ theo s¬ ®å khèi h×nh 1.2, thÓ hiÖn mäi t¸c ®éng cña kªnh tíi qu¸ tr×nh truyÒn dÉn sè. Kªnh truyÒn chÝnh h×nh thµnh tõ c¸c khèi thÓ hiÖn c¸c ®Æc tÝnh tÇn sè phÇn ph¸t T(f), phÇn thu R(f) vµ m«i trêng truyÒn Hc(f). Trong ®ã ®Æc tÝnh ®êng truyÒn dÉn Hc(f) cã thÓ cã nh÷ng ¶nh hëng ®Æc biÖt ®èi víi chÊt lîng truyÒn dÉn nh pha-®inh chän läc tÇn sè trong c¸c hÖ thèng vi ba sè. C¸c t¸c ®éng c¬ b¶n cã thÓ kÓ ra lµ: C¸c tÇng d·y thø nhÊt g©y ra mÐo tuyÕn tÝnh (linear distortion); Bé c«ng suÊt HPA g©y ra mÐo phi tuyÕn (non linear distortion); C¸c tÇng tõ d·y thø hai trë ®i sÏ ph¸t sinh ra nhiÔu, trong ®ã cã hai lo¹i nhiÔu c¬ b¶n, ®ã lµ nhiÔu ®ång kªnh (CCI: Co Channel Interference) vµ nhiÔu kh¸c kªnh (ACI: Adjust Channel Interference). 1.3.1. HiÖn tîng xuyªn nhiÔu gi÷a c¸c dÊu (ISI) Nh trªn ®· ph©n tÝch, c¸c tÝn hiÖu sè (c¸c symbol) truyÒn trªn kªnh ®îc xem nh kh«ng ¶nh hëng lÉn nhau víi gi¶ ®Þnh b¨ng tÇn truyÒn dÉn cña kªnh liªn tôc lµ v« h¹n. Trong phÇn nµy chóng ta sÏ xem xÐt nh÷ng vÊn ®Ò n¶y sinh khi truyÒn dÉn chuçi tÝn hiÖu sè trªn c¸c kªnh cã b¨ng tÇn h¹n chÕ (h×nh 1.3). Trong thùc tÕ, b¨ng tÇn truyÒn dÉn kh«ng ph¶i lµ v« h¹n do con ngêi cha tËn dông ®îc hÕt trôc tÇn sè ®Ó truyÒn tÝn hiÖu sãng ®iÖn tõ. B¨ng tÇn truyÒn dÉn lµ mét tµi nguyªn quý vµ hiÕm hoi, buéc ph¶i chia sÎ cho nhiÒu ®èi tîng cïng sö dông. §Ó h¹n chÕ phæ tÇn nh»m t¨ng sè lîng hÖ thèng cã thÓ c«ng t¸c trªn mét b¨ng sãng cho tríc, ngêi ta sö dông c¸c m¹ch läc. n(t)  si t iM1 W(t) W(0)  M si iM1 Mod TXfilter Rxfilter So s¸nh, si i 1 T(f) T(f) quyÕt ®Þnh Läc phèi hîp LÊy mÉu T(f) M¸y thu tèi u H(f) H×nh 1.3. S¬ ®å khèi hÖ thèng cã b¨ng tÇn h¹n chÕ. 9
Mçi mét symbol ®îc h×nh thµnh tõ k bÝt vµ cã thêi gian tån t¹i b»ng k lÇn thêi gian tån t¹i cña mét bÝt, do vËy c¸c d¹ng sãng ®iÒu chÕ dïng ®Ó truyÒn chóng còng cã ®é dµi h÷u h¹n b»ng ®é dµi cña k bÝt: TS=kTb, trong ®ã TS vµ Tb lÇn lît lµ ®é dµi cña mét symbol vµ cña mét bÝt. Do d¹ng sãng cã ®é dµi h÷u h¹n, phæ cña chóng (nhËn ®îc th«ng qua biÕn ®æi Fourier) sÏ tr¶i ra v« h¹n trªn miÒn tÇn sè. Gi¶ thiÕt ®iÒu kiÖn m«i trêng truyÒn lµ lý tëng. XÐt trêng hîp ®¬n gi¶n song kh«ng mÊt ®i tÝnh tæng qu¸t, tÝn hiÖu lèi vµo bé läc ®îc cho bëi:  AK   t  KTS   s(t)= (1.1) K  Gi¶ thiÕt bé t¹o xung cho ra c¸c xung ®ir¾c vµ cã phæ nh h×nh 1.4 a. C¸c xung ®ir¾c nµy cã biªn ®é thay ®æi tuú theo sù thay ®æi c¸c gi¸ trÞ mk qua bé läc ph¸t tíi kªnh truyÒn. Hµm truyÒn tæng céng cña hÖ thèng lµ tÝch hai ®Æc tÝnh cña hai bé läc ph¸t vµ thu: H  f   T  f .R f  F hT t   hR t  (1.2) 1  W t    AK . t  KTS   ht    (1.3)     AK   (t  KTS ) * h(t )   AK h(t  KTS )   = (1.4)   T¹i t = 0, xÐt K = 0 th× tÝn hiÖu lèi ra cña tÇng lÊy mÉu sÏ lµ: W(0)=  AK .h0  KTS    AK .h KTS   A0 .h0   Ak .ht  kTS     (1.5)    Nh vËy, do ë ®Çu ra phæ tÝn hiÖu thu ®îc bÞ h¹n chÕ bëi ®Æc tÝnh läc cña hÖ thèng nªn tÝn hiÖu thu ®îc cña mét symbol (cha kÓ ®Õn t¹p ©m) sÏ tr¶i ra v« h¹n vÒ mÆt thêi gian. §iÒu ®ã dÉn ®Õn viÖc t¹i ®Çu thu c¸c symbol truyÒn kÕ tiÕp nhau sÏ chång lÊn lªn nhau vÒ thêi gian vµ g©y nhiÔu lÉn nhau. HiÖn tîng nµy trong truyÒn dÉn tÝn hiÖu sè ®îc gäi lµ xuyªn nhiÔu gi÷a c¸c dÊu (ISI: Inter Symbol Interference) vµ ®îc m« t¶ trªn h×nh 1.4 b. Sù tån t¹i cña ISI lµm cho tÝn hiÖu thu bÞ mÐo vµ tin tøc cã thÓ bÞ nhËn sai. T¹i thêi ®iÓm lÊy mÉu t = KTS gi¸ trÞ cña tÝn hiÖu thu ®îc ë lèi ra m¹ch lÊy mÉu cña m¸y thu cã thÓ vît ngìng quyÕt ®Þnh vµ tÝn hiÖu sÏ bÞ quyÕt ®Þnh nhÇm. VÊn ®Ò ®Æt ra lµ lµm thÕ nµo ®Ó cã thÓ truyÒn chuçi tÝn hiÖu sè trªn kªnh cã b¨ng tÇn h¹n chÕ mµ kh«ng cã ISI. §iÒu kiÖn ®Ó truyÒn tÝn hiÖu sè trªn kªnh kh«ng cã ISI lµ: 10
1, t  0, ( K  0) h(t)=  (1.6) 0, t  KTS , K  0 BiÓu thøc (1.6) ®îc gäi lµ tiªu chuÈn Nyquist thø nhÊt. Trong trêng hîp nµy ta cã ®å thÞ nh h×nh 1.4 c (kh«ng cßn hiÖn tîng chång lÊn lªn nhau vÒ thêi gian). NÕu mÊt ®ång bé sÏ sinh ra ISI. Díi t¸c ®éng cña ISI chßm sao tÝn hiÖu thu xuÊt hiÖn díi d¹ng M côm ®iÓm chø kh«ng ph¶i lµ M ®iÓm ®¬n nh phÇn ph¸t ( vµ ®îc m« t¶ chi tiÕt ë h×nh 1.9). 3(t-3TS) A2=3 1(t+TS) 1(t) (a). A0=1 1(t-4TS) A-1=1 A4=1 -2TS -TS 0 TS 2TS 3TS 4TS -1(t+2TS) -1(t-TS) A-2=-1 A1=- -3(t-3TS) 1 A3=-3 (b) 0 ISI (c) 0 H×nh 1.4. a) §¸p øng xung; b) Phæ tÝn hiÖu trong trêng hîp cã ISI; c) Phæ tÝn hiÖu trong trêng hîp kh«ng cã ISI. 11
1.3.2. MÐo tuyÕn tÝnh 1.3.2.1. Kh¸i qu¸t vÒ mÐo tuyÕn tÝnh MÐo tuyÕn tÝnh lµ mÐo tÝn hiÖu g©y nªn bëi c¸c phÇn tö tuyÕn tÝnh trªn kªnh. NhiÒu kªnh th«ng tin nh c¸c kªnh v« tuyÕn, kªnh tho¹i...cã thÓ ®îc ®Æc trng mét c¸ch tæng qu¸t nh c¸c bé läc tuyÕn tÝnh cã b¨ng th«ng h÷u h¹n. C¸c kªnh nµy ®îc m« t¶ b»ng hµm truyÒn cña chóng vµ ®îc biÓu diÔn nh sau: H ( f )  H ( f ) ei ( f ) (1.7) Trong ®ã H ( f ) ®îc gäi lµ ®¸p øng biªn ®é cßn  ( f ) ®îc gäi lµ ®¸p øng pha. Mét ®Æc trng kh¸c ®«i khi còng ®îc sö dông thay thÕ cho ®¸p øng pha lµ trÔ ®êng bao hay trÔ nhãm ®îc ®Þnh nghÜa: 1 d ( f ) D( f )   (1.8) 2 df Mét kªnh ®îc gäi lµ kh«ng mÐo hoÆc lý tëng nÕu | H ( f ) | lµ h»ng sè cßn  ( f ) lµ mét hµm tuyÕn tÝnh cña tÇn sè (hoÆc trÔ ®êng bao D ( f ) kh«ng ®æi) trong ®é réng b¨ng chiÕm bëi tÝn hiÖu ph¸t W. Ngîc l¹i, nÕu | H ( f ) | vµ D ( f ) kh«ng ph¶i lµ h»ng sè trong ®é réng b¨ng chiÕm bëi tÝn hiÖu ph¸t, kªnh sÏ g©y ra mÐo tÝn hiÖu. NÕu | H ( f ) | kh«ng ph¶i lµ h»ng sè, mÐo ®îc gäi lµ mÐo biªn ®é, cßn nÕu D ( f ) thay ®æi, mÐo ®èi víi tÝn hiÖu ®· truyÒn ®i ®îc gäi lµ mÐo trÔ. 1.3.2.2. C¸c nguån g©y mÐo tuyÕn tÝnh C¸c nguyªn nh©n g©y mÐo tuyÕn tÝnh c¬ b¶n ph¶i kÓ ®Õn lµ do chÕ t¹o c¸c m¹ch läc kh«ng hoµn h¶o vµ do t¸c ®éng cña m«i trêng truyÒn dÉn. 1). ¶nh hëng cña m¹ch läc Khi c¸c m¹ch läc chÕ t¹o kh«ng hoµn h¶o dÉn ®Õn: H T  f , H R  f   cos (1.9) Ký hiÖu  (f) lµ ®Æc tÝnh tiªu hao theo tÇn sè, nã ®îc x¸c ®Þnh bëi: P1  f   (f)= 10lg (1.10) P2  f  dB Hµm truyÒn HC(f) lµ mét hµm cã ®Æc tÝnh biªn ®é-tÇn sè kh«ng b»ng ph¼ng. U2  f  U12  f  P2  f  H C  f   20 lg  10lg dB  10lg    f  dB U1  f  f P1  f  (1.11) U 2 2 12
Gi¶ sö : H T  f   H R  f   H RC  f  (1.12) NÕu: H C  f   1 víi fW ta cã s¬ ®å hÖ thèng nh ë h×nh 1.5. n(t) N¬i Nguån nhËn tin So s¸nh tin HT (f) HC (f) HR (f) vµ QuyÕt ®Þnh H×nh 1.5. HÖ thèng truyÒn víi m¹ch läc chÕ t¹o kh«ng hoµn h¶o. Khi ®ã hµm truyÒn cña tæng hÖ thèng lµ: H  f   H T  f .H R  f .H C  f   H RC  f  (1.13) H RC  f  1 Trong ®ã HRC(f) lµ tÝch c¸c hµm truyÒn cña c¸c bé läc ph¸t vµ thu ®îc thiÕt kÕ tho¶ m·n tiªu chuÈn Nyquist 1. Khi HC(f)  1 th× ®¸p øng xung kh«ng c¾t 0 t¹i c¸c ®iÓm t = kTS, dÉn ®Õn sù tån t¹i cña ISI. XÐt c¸c m¹ch läc ta thÊy, c¸c m¹ch läc lý tëng cã ®Æc ®iÓm: + §Æc tuyÕn biªn ®é t¬ng ®èi b»ng ph¼ng + §Æc tuyÕn pha  ( f ) kh«ng ®æi. + §é trÔ nhãm: 1 d ( f ) D( f )   = const (1.14) 2 df C¸c m¹ch läc thùc tÕ th× cã ®Æc ®iÓm lµ: + §Æc tuyÕn biªn ®é thÊp dÇn vµ gîn sãng dÉn ®Õn mÐo trªn ®êng truyÒn. + §é trÔ nhãm D(f)  const lµm cho c¸c thµnh phÇn tÇn sè cã trong b¨ng tÝn hiÖu sÏ tíi ®Ých vµo c¸c thêi ®iÓm kh¸c nhau dÉn ®Õn mÐo trÔ do ®ã g©y ra mÐo tÝn hiÖu. 2). M«i trêng truyÒn Khi m«i trêng truyÒn dÉn lµ d©y kim lo¹i th× ®Æc tÝnh tæn hao lín, tÇn sè cña tÝn hiÖu truyÒn cµng cao th× tæn hao cµng nhiÒu. §èi víi c¸p sîi quang, vÒ mÆt lý thuyÕt ®é réng b¨ng tÇn lµ v« h¹n, nhng trªn thùc tÕ khi truyÒn ¸nh s¸ng vµo sîi quang th× sÏ x¶y ra hiÖn tîng t¸n s¾c. NÕu ta truyÒn liªn tôc c¸c xung Dirac (lµ lo¹i xung cã ®é 13
réng b»ng kh«ng vµ phæ cña nã tr¶i réng trªn miÒn tÇn sè) tõ ®Çu vµo, th× ë ®Çu ra c¸c xung sÏ lÊn sang nhau dÉn ®Õn viÖc h×nh thµnh ACI. NÕu truyÒn trong m«i trêng ch©n kh«ng hoÆc kh«ng gian tù do kh«ng cã ph¶n x¹ sãng, kh«ng cã chíng ng¹i che ch¾n th× b¨ng th«ng ®îc coi lµ v« h¹n. Khi truyÒn trong bÇu khÝ quyÓn s¸t mÆt ®Êt, do mËt ®é khÝ quyÓn gi¶m theo ®é cao dÉn ®Õn viÖc h×nh thµnh nh÷ng vi líp khÝ víi c¸c chØ sè chiÕt suÊt kh¸c nhau. §iÒu nµy dÉn ®Õn hiÖn tîng khóc x¹ lµm cho sãng ®i theo ®êng cong. Do sù biÕn ®æi theo thêi gian cña tÇng khÝ quyÓn lµm cho c¸c tia sãng còng bÞ biÕn ®æi theo thêi gian. MÆt kh¸c do cã sãng ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt, nªn c¶ hai nguyªn nh©n nµy kÕt hîp l¹i lµm cho sãng ®i theo nhiÒu ®êng kh¸c nhau, hiÖn tîng nµy ®îc gäi lµ truyÒn sãng ®a ®êng. TruyÒn sãng ®a ®êng g©y ra sù th¨ng gi¸ng ngÉu nhiªn cña cêng ®é ®iÖn trêng t¹i ®iÓm thu, cho nªn hiÖn tîng nµy cßn ®îc gäi lµ pha-®inh ®a ®êng. 1.3.3. MÐo phi tuyÕn 1.3.3.1. Nguån g©y mÐo phi tuyÕn P, φ out Uout Vout PS P -Uth  Vin 0 Uth Diode trén B Uin a)) b) c) H×nh 1.6. a) §Æc tuyÕn bé khuÕch ®¹i; b) bé trén; c) bé h¹n biªn. MÐo phi tuyÕn lµ mÐo d¹ng tÝn hiÖu g©y bëi c¸c phÇn tö phi tuyÕn trªn kªnh. TÝnh phi tuyÕn cña kªnh truyÒn cã thÓ g©y bëi nhiÒu lo¹i m¹ch ®iÖn trong hÖ thèng nh c¸c bé khuyÕch ®¹i, c¸c bé trén tÇn, h¹n biªn vµ nhiÒu lo¹i m¹ch kh¸c. Tõ ®Æc tuyÕn bé khuyÕch ®¹i trªn h×nh 1.6 a, ta thÊy c¸c ®Æc tuyÕn kh«ng ®ång ®Òu. §èi víi ®Æc tuyÕn biªn ®é th× khi biªn ®é cµng lín c«ng suÊt cµng gi¶m. Víi ®Æc tuyÕn pha th× biªn ®é cµng lín cµng mÐo pha. §èi víi c¸c bé khuyÕch ®¹i c«ng suÊt nhá vµ võa th× ®é phi tuyÕn kh«ng ®¸ng kÓ vµ hoµn toµn cã thÓ bá qua mÐo phi tuyÕn v× lóc nµy ®êng ®Æc tuyÕn t¬ng ®èi th¼ng. Trong khi ®ã c¸c bé khuyÕch ®¹i c«ng suÊt lín ®iÓm lµm viÖc lµ ®o¹n cong, do ®ã kh«ng thÓ bá qua mÐo phi tuyÕn. §èi víi m¹ch trén, ®Æc tuyÕn c«ng t¸c lµ ®êng gÊp khóc nh h×nh 1.6 b. Tuy nhiªn xÐt vÒ c«ng nghÖ chÕ t¹o 14
cho phÐp bá qua mÐo phi tuyÕn. Víi m¹ch h¹n biªn, khi ®Æc tuyÕn c«ng t¸c vît qu¸ ngìng th× biªn ®é lèi ra kh«ng thay ®æi còng sÏ dÉn ®Õn mÐo phi tuyÕn (h×nh 1.6 c). 1.3.3.2. T¸c ®éng cña mÐo phi tuyÕn tíi c¸c lo¹i tÝn hiÖu kh¸c nhau §èi víi c¸c tÝn hiÖu cã ®êng bao kh«ng ®æi (nh M-PSK: M-ary Phase Shift Keying vµ M-FSK: M-ary Frequency Shift Keying) th× Ýt nh¹y c¶m víi mÐo phi tuyÕn. §«i khi ngêi ta cßn lîi dông mÐo phi tuyÕn ®Ó n©ng cao chÊt lîng hÖ thèng. VÝ dô sö dông m¹ch h¹n biªn ë ®Çu thu nh»m lo¹i bá ®iÒu biªn ký sinh g©y ra bëi m«i trêng truyÒn. §èi víi tÝn hiÖu cã ®êng bao thay ®æi (nh M-QAM: M-ary Quadrrature Amplytude Modulation) th× mÐo phi tuyÕn g©y mÐo tÝn hiÖu rÊt trÇm träng, cô thÓ lµ lµm thay ®æi sù t¬ng quan vÒ biªn ®é. Do ®ã, dïng m¹ch h¹n biªn ë ®Çu thu th× sÏ lµm mÊt th«ng tin. T¸c ®éng thø hai lµ g©y mÐo chßm sao tÝn hiÖu thu. Do g©y mÐo chßm sao tÝn hiÖu thu dÉn ®Õn lµm gi¶m kho¶ng c¸ch cùc tiÓu d thµnh d / gi÷a c¸c ®iÓm tÝn hiÖu trong Constellation vµ kÕt qu¶ lµ lµm cho x¸c suÊt lçi bit (BER: Bit error Ratio) t¨ng lªn rÊt nhiÒu (h×nh 1.7). Q d I H×nh 1.7. Constellation tÝn hiÖu thu cña mét hÖ thèng 16-QAM díi t¸c ®éng cña mÐo phi tuyÕn. n(t) HPA N¬i nhËn Hc(f) tin Nguån T(f) R(f) tin H×nh 1.8. S¬ ®å hÖ thèng truyÒn dÉn sè sö dông HPA. 15
T¸c ®éng thø ba lµ g©y ra ISI phi tuyÕn. Tõ s¬ ®å hÖ thèng truyÒn dÉn sè sö dông HPA trªn h×nh 1.8 ta cã: H(f) = T(f). HC(f). R(f) ≠ HRC(f) (1.15) Do HPA kÑp gi÷a c¸c m¹ch läc ph¸t vµ m¹ch läc thu nªn nã ph¸ vì viÖc tho¶ m·n tiªu chuÈn Nyquist 1 cña hÖ thèng, dÉn ®Õn ISI. ¶nh hëng cña ISI ®îc minh ho¹ trªn h×nh 1.9. §èi víi 4-PSK th× biÓu ®å (Constellation) tÝn hiÖu thu cã d¹ng nh h×nh 1.9 a, cßn ®èi víi 16-QAM th× Constellation tÝn hiÖu thu cã d¹ng nh h×nh 1.9 b, (do tÝnh ®èi xøng ë ®©y chØ biÓu diÔn mét gãc phÇn t thø nhÊt cña kh«ng gian tÝn hiÖu). Im Q Re I (a) (b) H×nh 1.9. a) Constellation cña tÝn hiÖu thu 4-PSK. b) Constellation cña tÝn hiÖu thu 16-QAM. 1.3.4. Pha-®inh Pha-®inh lµ sù th¨ng gi¸ng mét c¸ch ngÉu nhiªn cña tÝn hiÖu t¹i ®iÓm thu ®èi víi c¸c hÖ thèng v« tuyÕn do t¸c ®éng cña m«i trêng truyÒn dÉn. 1.3.4.1. Pha-®inh trong c¸c hÖ thèng v« tuyÕn C¸c yÕu tè g©y pha-®inh ®èi víi c¸c hÖ thèng v« tuyÕn mÆt ®Êt bao gåm: + Sù th¨ng gi¸ng cña tÇng ®iÖn ly ®èi víi c¸c hÖ thèng sãng ng¾n. + Sù hÊp thô bëi c¸c ph©n tö khÝ, h¬i níc, ma... + Sù khóc x¹ g©y bëi sù kh«ng ®ång ®Òu cña mËt ®é kh«ng khÝ. + Sù ph¶n x¹ tõ bÒ mÆt tr¸i ®Êt, ®Æc biÖt khi cã bÒ mÆt níc vµ sù ph¶n x¹ sãng tõ c¸c bÊt ®ång nhÊt trong khÝ quyÓn dÉn tíi sù truyÒn lan ®a ®êng. Sù ph¶n x¹ t¸n x¹ vµ nhiÔu tõ c¸c chíng ng¹i trªn ®êng truyÒn lan sãng ®iÖn tõ, g©y nªn hiÖn tîng tr¶i trÔ vµ giao thoa sãng t¹i ®iÓm thu do tÝn hiÖu nhËn ®îc lµ tæng cña rÊt nhiÒu tÝn hiÖu truyÒn theo nhiÒu ®êng (vÝ dô nh th«ng tin di ®éng). 16
1.3.4.2. Pha-®inh ®a ®êng chän läc theo tÇn sè §èi víi c¸c hÖ thèng v« tuyÕn sè dung lîng t¬ng ®èi cao (>70 Mb/s), b¨ng tÇn tÝn hiÖu kh¸ réng, sù phô thuéc vµo tÇn sè cña suy hao pha-®inh ®a ®êng trong suèt ®é réng b¨ng tÝn hiÖu trë nªn râ rÖt vµ do vËy ®îc gäi lµ pha-®inh ®a ®êng chän läc theo tÇn sè. MÐo tÝn hÖu do pha-®inh ®a ®êng m¹nh cã thÓ t¹o ra ISI rÊt lín dÉn ®Õn gi¸n ®o¹n liªn l¹c (BER>10-3), thËm trÝ trong ®iÒu kiÖn kh«ng tÝnh ®Õn t¹p nhiÔu. H¬n n÷a, pha-®inh ®a ®êng trªn c¸c tuyÕn v« tuyÕn chuyÓn tiÕp sè LOS (Line Of Sight) x¶y ra kh¸ thêng xuyªn vµ trë nªn mét nguån chÝnh dÉn ®Õn gi¸n ®o¹n liªn l¹c. Lo¹i gi¸n ®o¹n liªn l¹c nµy, kh«ng thÓ lo¹i bá ®îc b»ng c¸ch t¨ng lîng dù tr÷ pha-®inh ph¼ng, tøc lµ kh«ng thÓ lo¹i bá b»ng c¸ch t¨ng c«ng suÊt ph¸t ®îc. Trêng hîp ®é réng b¨ng tÝn hiÖu lín dÉn ®Õn phæ tÝn hiÖu nhËn ®îc b»ng: f .H T  f .H R  f .H C  f   H RC  f  Do f  1 dÉn ®Õn sù tån t¹i cña ISI vµ lµm mÐo tÝn hiÖu. Nh vËy khi phæ tÝn hiÖu lín dÉn ®Õn pha-®inh chän läc theo tÇn sè vµ mÆc dï cã AGC ®i ch¨ng n÷a th× d¹ng phæ vÉn kh«ng ph¶i lµ d¹ng cosine n©ng dÉn ®Õn mÐo tÝn hiÖu. Trêng hîp w bÐ th× hµm truyÒn kªnh v« tuyÕn H C  f  xem nh lµ ph¼ng v× nã th¨ng gi¸ng nh nhau ®èi víi mäi thµnh phÇn tÇn sè vµ cã thÓ kh¾c phôc dÔ dµng b»ng m¹ch AGC. V× vËy kh«ng ph¸t sinh ra ISI. Do c¸c yÕu tè kÓ trªn, hÖ sè suy hao ®Æc trng cho qu¸ tr×nh truyÒn sãng cã thÓ biÓu diÔn ®îc díi d¹ng: a t , f    fs . At , f  (1.16) Trong ®ã a(t, f) lµ hÖ sè suy hao sãng v« tuyÕn trong khÝ quyÓn. A(t, f) ®Æc trng cho sù phô thuéc cña suy hao n¨ng lîng sãng ®iÖn tõ vµo c¸c hiÖn tîng khÝ quyÓn vµ ®îc gäi lµ hÖ sè suy hao do pha-®inh.  fs lµ hÖ sè suy hao trong kh«ng gian tù do. Nãi chung A(t, f) lµ mét qu¸ tr×nh ngÉu nhiªn. XÐt mét c¸ch chÆt chÏ, qu¸ tr×nh nµy lµ kh«ng dõng. Tuy nhiªn trong nhiÒu trêng hîp, ®Ó thuËn tiÖn cho viÖc kh¶o s¸t th× ngêi ta thêng gi¶ thiÕt A(t, f) lµ qu¸ tr×nh dõng. HÖ sè suy hao pha-®inh A(t, f) lµ hµm cña c¸c biÕn thêi gian t vµ tÇn sè f. Tuy nhiªn trong mét sè trêng hîp, sù phô thuéc tÇn sè lµ kh«ng ®¸ng kÓ (tøc lµ suy hao 17
pha-®ing hÇu nh lµ h»ng sè víi toµn bé b¨ng tÇn tÝn hiÖu dông cña tÝn hiÖu), khi ®ã pha-®inh ®îc gäi lµ pha-®inh ph¼ng (flat fading) hay pha-®inh kh«ng chän läc theo tÇn sè (nonselective fading). Trong c¸c hÖ thèng v« tuyÕn sè dung lîng lín, pha-®inh ®a ®êng chän läc theo tÇn sè lµ mét nguyªn nh©n g©y mÐo tuyÕn tÝnh ®Æc biÖt quan träng. §Æc tÝnh thèng kª cña pha-®inh ®a ®êng chän läc theo tÇn sè còng ®· ®îc nghiªn cøu rÊt kü trong chõng bèn thËp kû võa qua. C¸c m« h×nh kªnh pha-®inh nhiÒu tia tiªu biÓu lµ m« h×nh kªnh ba tia tæng qu¸t vµ m« h×nh kªnh ba tia ®¬n gi¶n ho¸ næi tiÕng, ®· ®îc chÊp nhËn sö dông réng r·i nhÊt trong thùc tÕ do Rummler ®a ra. 1.3.5. Can nhiÔu vµ mét sè t¸c ®éng kh¸c cña ®êng truyÒn. 1.3.5.1. Can nhiÔu Khi truyÒn dÉn tÝn hiÖu trªn kªnh liªn tôc th× hÖ thèng lu«n bÞ t¸c ®éng kh«ng mong muèn cña c¸c tÝn hiÖu l¹ tõ bªn ngoµi vµo, c¸c tÝn hiÖu nµy ®îc gäi lµ nhiÔu. C¸c can nhiÔu thêng ®îc m« t¶ nh mét t¸c ®éng cña kªnh truyÒn. Sù xuÊt hiÖn cña can nhiÔu lµm gi¶m chÊt lîng truyÒn dÉn. Can nhiÔu ®îc t¹o ra tõ nhiÒu nguån kh¸c nhau, nhng cã thÓ ph©n lo¹i thµnh hai nguån chÝnh lµ tù nhiªn vµ nh©n t¹o. Nguån can nhiÔu tù nhiªn gåm nhiÔu vò trô, x¸o ®éng khÝ quyÓn... Can nhiÔu nh©n t¹o xuÊt hiÖn tõ c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn kh¸c nh nhiÔu c«ng nghiÖp, nhiÔu tõ c¸c kªnh l©n cËn trªn cïng mét tuyÕn, nhiÔu tõ kªnh sö dông cïng tÇn sè. Ngoµi ra, chÊt lîng truyÒn dÉn cßn bÞ suy gi¶m bëi c¸c hµi cña nguån nu«i do c¸c thiÕt bÞ cã ®Æc tÝnh kh«ng hoµn h¶o, c¸c s¶n phÈm xuyªn ®iÒu chÕ do mÐo phi tuyÕn... Cã ba lo¹i nhiÔu quan träng nhÊt t¸c ®éng ®Õn hÖ thèng truyÒn dÉn lµ: NhiÔu ®ång kªnh, nhiÔu tõ c¸c kªnh l©n cËn vµ c¸c s¶n phÈm xuyªn ®iÒu chÕ . NhiÔu ®ång kªnh NhiÔu kªnh l©n cËn V (H ) f0 f f0 f1 f2 H (V ) H×nh 1.10. NhiÔu ®ång kªnh vµ nhiÔu kªnh l©n cËn. NhiÔu ®ång kªnh (CCI) lµ nhiÔu gi÷a c¸c tÝn hiÖu cã cïng tÇn sè (h×nh 1.10). §èi víi c¸c hÖ thèng h¹n hÑp vÒ phæ tÇn, ch¼ng h¹n nh c¸c hÖ thèng th«ng tin di 18
®éng, ®Ó tiÕt kiÖm phæ tÇn th× ngêi ta t¸i sö dông c¸c tÇn sè ë c¸c tÕ bµo kh¸c nhau. Khi ®ã th× nhiÔu gi÷a c¸c tÝn hiÖu cã cïng tÇn sè tõ c¸c tÕ bµo nµy g©y ra CCI. Trong khi ®ã ®èi víi c¸c hÖ thèng v« tuyÕn chuyÓn tiÕp sè, ngêi ta tiÕt kiÖm phæ b»ng c¸ch göi ®i c¸c tÝn hiÖu trªn hai ph©n cùc sãng kh¸c nhau ë cïng mét tÇn sè víi sù hç trî cña bé triÖt xuyªn nhiÔu ph©n cùc chÐo cã ®é ph©n biÖt ph©n cùc lín. Díi t¸c ®éng cña pha-®ing m¹nh, ®é ph©n biÖt ph©n cùc thêng gi¶m kh¸ m¹nh, ®©y còng lµ mét nguyªn nh©n g©y ra CCI. NhiÔu kªnh l©n cËn (ACI) lµ nhiÔu gi÷a c¸c tÝn hiÖu ë tÇn sè l©n cËn nhau trong cïng mét hÖ thèng lín hoÆc lµ nhiÔu tõ c¸c hÖ thèng v« tuyÕn kh¸c lo¹i. ACI cã thÓ ph©n lo¹i thµnh nhiÔu trong b¨ng (inband) hoÆc nhiÔu ngoµi b¨ng (out of band). NhiÔu trong b¨ng lµ nhiÔu mµ thµnh phÇn tÇn sè trung t©m cña b¨ng th«ng tÝn hiÖu nhiÔu r¬i vµo trong b¨ng th«ng cña tÝn hiÖu h÷u Ých. NhiÔu ngoµi b¨ng lµ nhiÔu mµ thµnh phÇn tÇn sè trung t©m cña b¨ng th«ng tÝn hiÖu nhiÔu r¬i ra ngoµi b¨ng th«ng cña tÝn hiÖu h÷u Ých. Nguyªn nh©n g©y ra ACI lµ do chÕ t¹o bé läc cña m¸y thu kh«ng hoµn h¶o cho phÐp c¸c tÇn sè l©n cËn lät vµo b¨ng th«ng cña tÝn hiÖu h÷u Ých. ACI lµm gi¶m tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p, do ®ã lµm gi¶m dung lîng vµ chÊt lîng dÞch vô cña hÖ thèng. NhiÔu xuyªn ®iÒu chÕ (IM: Interference Modulator) ®îc t¹o ra khi hai hay nhiÒu tÝn hiÖu kÕt hîp víi nhau t¹o thµnh c¸c tÝn hiÖu míi. Nguyªn nh©n g©y ra IM lµ do tÝnh phi tuyÕn cña c¸c m¹ch ®iÖn trong hÖ thèng truyÒn dÉn. Gi¶ sö ph¸t tÝn hiÖu gåm hai thµnh phÇn tÇn sè lµ f1 vµ f 2 , c¸c s¶n phÈm ®iÒu chÕ chÐo IM tiÒm n¨ng lµ: IM bËc 2 gåm c¸c thµnh phÇn 2 f1 , 2 f 2 , f1  f 2 , IM bËc 3 gåm c¸c thµnh phÇn f1 , f 2 , 2 f1  f 2 , 2 f1  f 2 vµ 2 f 2  f1 , 2 f 2  f1 ,3 f1 ,3 f 2 . Nh vËy sÏ cã nh÷ng s¶n phÈm IM r¬i vµo trong b¨ng tÝn hiÖu, lîng nµy t¬ng ®¬ng víi mét lîng t¹p ©m phi tuyÕn. Díi t¸c ®éng cña mÐo phi tuyÕn ®Õn bËc ba th× phæ cña tÝn hiÖu bÞ më réng qu·ng ba lÇn vµ cã thÓ g©y nhiÔu cho c¸c kªnh l©n cËn. 1.3.5.2. C¸c t¸c ®éng kh¸c cña ®êng truyÒn Trong c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn sè th× kªnh truyÒn cã ®Æc tÝnh phøc t¹p nhÊt lµ kªnh th«ng tin di ®éng. Kªnh nµy cã ®Æc tÝnh biÕn ®æi theo thêi gian do sù chuyÓn ®éng cña m¸y di ®éng vµ tèc ®é bÝt trong th«ng tin di ®éng lµ kh¸ nhá. Sè tia sãng truyÒn tíi ¨ng-ten m¸y di ®éng lín vµ nãi chung thêng kh«ng cã tia nh×n th¼ng (LOS) gi÷a m¸y ph¸t vµ m¸y thu, cho ®Õn nay vÉn cha cã m« h×nh hoµn h¶o nµo ®îc ®Ò 19
xuÊt cho kªnh v« tuyÕn di ®éng trong c¸c trêng hîp kh¸c nhau. Cã hai t¸c ®éng g©y ra bëi sù chuyÓn ®éng cña m¸y di ®éng lµ: HiÖu øng Doppler vµ tr¶i trÔ. 1).HiÖu øng Doppler HiÖu øng Doppler lµ sù thay ®æi tÇn sè cña tÝn hiÖu thu ®îc so víi tÝn hiÖu ®· ®îc ph¸t ®i. Khi m¸y ph¸t vµ m¸y thu chuyÓn ®éng t¬ng ®èi so víi nhau th× tÝn hiÖu thu bÞ thay ®æi tÇn sè, lîng thay ®æi nµy tû lÖ víi tèc ®é cña chuyÓn ®éng vµ tÇn sè sãng mang. Gi¶ sö ph¸t mét sãng mang kh«ng bÞ ®iÒu chÕ cã tÇn sè f c vµ m¸y thu chuyÓn ®éng víi vËn tèc v , ký hiÖu  i lµ gãc gi÷a híng cña chuyÓn ®éng vµ tia sãng tíi thø i . Khi ®ã, tÝn hiÖu thu ®îc theo tia sãng i cã tÇn sè bÞ dÞch ®i mét lîng dÞch tÇn Doppler: v  fc fd  cos  i (1.17) c Trong ®ã c  3 108 m / s lµ vËn tèc ¸nh s¸ng. Lîng dÞch tÇn Doppler lín nhÊt khi cos  i  1 vµ cµng lín khi tèc ®é lín, f d  0 khi cos  i  0 . HiÖu øng Doppler g©y më réng phæ cña tÝn hiÖu thu. i H×nh 1.11. HiÖu øng Doppler. 2).Tr¶i trÔ Trong m«i trêng truyÒn sãng ®a ®êng, c¸c phÇn tö tÝn hiÖu ®Õn ®iÓm thu tõ c¸c ®êng kh¸c nhau víi c¸c trÔ truyÒn dÉn kh¸c nhau. Tr¶i trÔ ®îc ®Þnh nghÜa lµ sù kh¸c nhau gi÷a trÔ lín nhÊt vµ trÔ nhá nhÊt cña c¸c phÇn tö ®a ®êng nµy. §é tr¶i trÔ cã thÓ xem nh ®é dµi cña mét tÝn hiÖu thu khi mét xung cùc hÑp ®îc truyÒn ®i. NÕu chóng ta tiÕp tôc t¨ng tèc ®é truyÒn sè liÖu lªn th× ®Õn mét lóc nµo ®ã mçi ký hiÖu sè liÖu sÏ tr¶i h¼n sang c¸c ký hiÖu sè liÖu l©n cËn, g©y ra xuyªn nhiÔu gi÷a c¸c ký hiÖu ISI. Tãm l¹i c¸c ¶nh hëng cña kªnh truyÒn dÉn nh xuyªn nhiÔu gi÷a c¸c dÊu, mÐo tÝn hiÖu, pha-®inh, can nhiÔu vµ c¸c t¸c ®éng kh¸c cña ®êng truyÒn nh hiÖu øng 20