Tài liệu Kỹ thuật lưu lượng trong ofdm

Contents Më ®Çu..................................................................................................1 Ch¬ng 1 Giíi thiÖu vÒ truyÒn dÉn sè....................................3 1.1 TruyÒn dÉn ë b¨ng tÇn c¬ së BaseBand...........................................3 1.1.1 TÝn hiÖu sè................................................................................3 1.1.2 M· ®êng d©y Line Code...........................................................4 1.2 TruyÒn dÉn BroadBand....................................................................9 1.2.1 Amplitude Shift Keying............................................................9 1.2.2 Frequency Shift Keying..........................................................11 1.2.3 Phase Shift Keying.................................................................13 1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation........................................15 1.3 Giíi thiÖu vÒ OFDM......................................................................16 Ch¬ng 2 Nguyªn lý c¬ b¶n cña OFDM.................................22 2.1 Trùc giao trong OFDM..................................................................23 2.2 Thu ph¸t tÝn hiÖu OFDM...............................................................27 2.2.1 ChuyÓn ®æi nèi tiÕp song song (Serial to Parallel).................28 2.2.2 §iÒu chÕ sãng mang phô.......................................................29 2.2.3 ChuyÓn ®æi tõ miÒn tÇn sè sang miÒn thêi gian......................30 2.2.4 §iÒu chÕ tÇn sè v« tuyÕn (RF Modulation)............................30 2.3 Kho¶ng b¶o vÖ GI (Guard Interval)...............................................31 2.3.1 Chèng lçi do dÞch thêi gian....................................................32 2.3.2 Chèng nhiÔu gi÷a c¸c symbol (ISI)........................................33 2.3.3 Mµo ®Çu vµ ph©n c¸ch sãng mang :........................................35 2.4 H¹n d¶i vµ t¹o cöa sæ cho tÝn hiÖu OFDM....................................36 2.4.1 Läc th«ng d¶i..........................................................................37 2.4.2 Sö dông d¶i b¶o vÖ d¹ng cos n©ng..........................................39 Ch¬ng 3 §ång bé vµ C©n b»ng................................................40 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu 3.1 §ång bé.........................................................................................40 3.1.1 DÞch thêi gian vµ tÇn sè trong OFDM....................................40 3.1.2 §ång bé trong hÖ thèng OFDM ............................................43 3.1.3 §ång bé thêi gian vµ ®ång bé khung.....................................44 3.1.4 ¦íc lîng dÞch tÇn sè...............................................................45 3.2 C©n b»ng........................................................................................46 3.2.1 C©n b»ng trong miÒn thêi gian...............................................46 3.2.2 C©n b»ng trong miÒn tÇn sè....................................................48 3.2.3 Khö tiÕng väng.......................................................................51 Ch¬ng 4 M· hãa kªnh....................................................................57 4.1 M· hãa khèi trong OFDM.............................................................57 4.2 M· hãa vßng xo¾n (Convolutional Coding)..................................60 4.3 M· hãa m¾t líi (Trellis Coding)....................................................64 4.4 M· hãa Turbo trong OFDM..........................................................67 Ch¬ng 5 øng dông cña OFDM trong th«ng tin v« tuyÕn...........................................................................................................69 5.1 Ph¸t thanh sè DAB........................................................................69 5.1.1 Giíi thiÖu................................................................................69 5.1.2 HÖ thèng ph¸t thanh sè DAB theo chuÈn Ch©u ©u.................71 5.2 TruyÒn h×nh sè DVB......................................................................73 5.2.1 Giíi thiÖu................................................................................73 5.2.2 TruyÒn h×nh sè chuÈn Ch©u ¢u DVB-T.................................75 5.3 M¹ng LAN kh«ng d©y (Wireless LAN)........................................79 Ch¬ng 6 øng dông OFDM trong th«ng tin h÷u tuyÕn 83 6.1 §êng d©y thuª bao sè bÊt ®èi xøng ADSL....................................83 6.1.1 Giíi thiÖu ADSL.....................................................................83 6.1.2 §Æc tÝnh cña kªnh truyÒn........................................................84 6.1.3 HÖ thèng ADSL......................................................................87 6.2 TruyÒn th«ng qua ®êng d©y t¶i ®iÖn PLC......................................89 2 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu 6.2.1 Giíi thiÖu PLC........................................................................89 6.2.2 §Æc tÝnh cña kªnh truyÒn........................................................90 6.2.3 HÖ thèng PLC.........................................................................93 KÕt luËn............................................................................................95 Mét sè thuËt ng÷ dïng trong ®å ¸n.................................97 Tµi liÖu tham kh¶o....................................................................100 3 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu Më ®Çu Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, c¸c dÞch vô viÔn th«ng ph¸t triÓn hÕt søc nhanh chãng ®· t¹o ra nhu cÇu to lín cho c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn th«ng tin. MÆc dï c¸c yªu cÇu kü thuËt cho c¸c dÞch vô nµy lµ rÊt cao song cÇn cã c¸c gi¶i ph¸p thÝch hîp ®Ó thùc hiÖn. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) lµ mét ph¬ng ph¸p ®iÒu chÕ cho phÐp truyÒn d÷ liÖu tèc ®é cao trong c¸c kªnh truyÒn chÊt lîng thÊp. OFDM ®· ®îc sö dông trong ph¸t thanh truyÒn h×nh sè, ®êng d©y thuª bao sè kh«ng ®èi xøng, m¹ng côc bé kh«ng d©y. Víi c¸c u ®iÓm cña m×nh, OFDM ®ang tiÕp tôc ®îc nghiªn cøu vµ øng dông trong c¸c lÜnh vùc kh¸c nh truyÒn th«ng qua ®êng d©y t¶i ®iÖn, th«ng tin di ®éng, Wireless ATM ... OFDM lµ n»m trong líp c¸c kü thuËt ®iÒu chÕ ®a sãng mang. Kü thuËt nµy ph©n chia d¶i tÇn cho phÐp thµnh rÊt nhiÒu d¶i tÇn con víi c¸c sãng mang kh¸c nhau, mçi sãng mang nµy ®îc ®iÒu chÕ ®Ó truyÒn mét dßng d÷ liÖu tèc ®é thÊp. TËp hîp cña c¸c dßng d÷ liÖu tèc ®é thÊp nµy chÝnh lµ dßng d÷ liÖu tèc ®é cao cÇn truyÒn t¶i. C¸c sãng mang trong kü thuËt ®iÒu chÕ ®a sãng mang lµ hä sãng mang trùc giao. §iÒu nµy cho phÐp ghÐp chång phæ gi÷a c¸c sãng mang do ®ã sö dông d¶i th«ng mét c¸ch cã hiÖu qu¶. Ngoµi ra sö dông hä sãng mang trùc giao cßn mang l¹i nhiÒu lîi thÕ kü thuËt kh¸c, do ®ã c¸c hÖ thèng ®iÒu chÕ ®a sãng mang ®Òu sö dông hä sãng mang trùc giao vµ ®îc gäi chung lµ ghÐp kªnh theo tÇn sè trùc giao OFDM. Kü thuËt OFDM lÇn ®Çu tiªn ®îc giíi thiÖu trong bµi b¸o cña R.W.Chang n¨m 1966 vÒ vÊn ®Ò tæng hîp c¸c tÝn hiÖu cã d¶i tÇn h¹n chÕ khi thùc hiÖn truyÒn tÝn hiÖu qua nhiÒu kªnh con. N¨m 1971 Weistein vµ Ebert sö dông biÕn ®æi FFT vµ ®a ra Guard Interval cho kü thuËt nµy. Tuy nhiªn, cho tíi gÇn ®©y, kü thuËt OFDM míi ®îc øng dông trong thùc tÕ nhê cã nh÷ng tiÕn bé vît bËc trong lÜnh vùc xö lý tÝn hiÖu sè vµ kü thuËt vi xö lý. 1 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu ë ViÖt Nam hiÖn nay ®ang triÓn khai mét sè øng dông sö dông kü thuËt ®iÒu chÕ ®a sãng mang OFDM nh truyÒn h×nh sè DVB-T, ®êng d©y thuª bao kh«ng ®èi xøng ADSL vµ truyÒn th«ng qua ®êng d©y t¶i ®iÖn PLC. Song song víi viÖc triÓn khai c¸c øng dông trªn, cÇn cã nh÷ng nghiªn cøu vÒ kü thuËt ®iÒu chÕ OFDM. Néi dung cña ®å ¸n ®Ò cËp tíi c¸c vÊn ®Ò: - Tæng quan vÒ c¸c kü thuËt ®iÒu chÕ trong truyÒn dÉn tÝn hiÖu sè. - Nguyªn lý c¬ b¶n cña ®iÒu chÕ ®a sãng mang OFDM. - C¸c kü thuËt cña OFDM nh ®ång bé, c©n b»ng, khö tiÕng väng vµ m· hãa. - C¸c øng dông cña OFDM trong th«ng tin v« tuyÕn vµ h÷u tuyÕn. §iÒu chÕ ®a sãng mang lµ mét kü thuËt t¬ng ®èi míi mÎ vµ phøc t¹p. Víi thêi gian vµ kiÕn thøc cßn h¹n hÑp nªn ch¾c ch¾n ®å ¸n nµy cßn nhiÒu thiÕu sãt, v× vËy em mong muèn nhËn ®îc sù ®ãng gãp cña c¸c thÇy c« vµ b¹n bÌ ®ång nghiÖp. Nh©n ®©y em xin ch©n thµnh c¶m ¬n thÇy KiÒu TÊt Thµnh ®· tËn t×nh gióp ®ì chØ b¶o trong suèt qu¸ tr×nh thùc hiÖn ®å ¸n nµy. 2 §å ¸n tèt nghiÖp Ch¬ng 1 PhÇn 1 Më ®Çu Giíi thiÖu vÒ truyÒn dÉn sè Sù ra ®êi cña kü thuËt sè cïng víi sù ph¸t triÓn vît bËc cña c«ng nghÖ vi ®iÖn tö ®· t¹o nªn nh÷ng thay ®æi kú diÖu trªn mäi mÆt cña ®êi sèng x· héi. §©y thùc sù lµ mét cuéc c¸ch m¹ng x· héi tiÕp theo cuéc c¸ch m¹ng c«ng nghiÖp gi¶i phãng søc lao ®éng cña con ngêi. Së dÜ kü thuËt sè lµm ®îc ®iÒu ®ã lµ do tÝn hiÖu sè cho phÐp xö lý vµ lu tr÷ mét c¸ch m¹nh mÏ vµ linh ho¹t. ë ®©y xin ®Ò cËp ®Õn mét khÝa c¹nh rÊt quan träng vµ gãp phÇn t¹o nªn thµnh c«ng cña kü thuËt sè ®ã lµ truyÒn dÉn sè. 1.1 TruyÒn dÉn ë b¨ng tÇn c¬ së BaseBand Trong truyÒn dÉn BaseBand tÝn hiÖu ®îc truyÒn dÉn ë d¹ng xung cã phæ v« h¹n vµ chiÕm toµn bé d¶i th«ng cña ®êng truyÒn. 1.1.1 TÝn hiÖu sè TÝn hiÖu sè lµ tËp hîp cña c¸c bit {0,1} vµ ®îc biÓu diÔn díi d¹ng 0v vµ 5v víi møc TTL. Tuy nhiªn d¹ng tÝn hiÖu nµy chØ tån t¹i trªn c¸c Bus cña c¸c bo m¹ch ®¬n lÎ hay Bus néi trong c¸c IC mµ kh«ng thÓ truyÒn dÉn ®i xa. §Ó truyÒn dÉn tÝn hiÖu sè trªn b¨ng tÇn c¬ së BaseBand cÇn m· ®êng truyÒn Line Code víi môc ®Ých: §a vµo ®é d b»ng c¸ch m· hãa c¸c tõ sè liÖu nhÞ ph©n thµnh c¸c tõ dµi h¬n. C¸c tõ nhÞ ph©n dµi h¬n nµy sÏ cã nhiÒu tæ hîp h¬n do t¨ng sè bit. Chóng ta cã thÓ chän nh÷ng tæ hîp x¸c ®Þnh cã cÊu tróc theo mét quy luËt tõ m· hîp thµnh , cho phÐp t¸ch th«ng tin ®Þnh thêi mét c¸ch dÔ dµng h¬n vµ gi¶m ®é chªnh lÖch gi÷a c¸c bit “ 0” vµ c¸c bit “ 1” trong mét tõ m·. ViÖc gi¶m ®é chªnh lÖch nµy dÉn ®Õn gi¶m thµnh phÇn mét chiÒu. §iÒu nµy lµ cÇn thiÕt v× kh«ng thÓ truyÒn thµnh phÇn mét chiÒu cña tÝn hiÖu sè ®i ®îc. ?Tuy nhiªn viÖc t¨ng ®é dµi cña tõ m· nhÞ ph©n sÏ lµm t¨ng tèc ®é bÝt vµ do ®ã t¨ng ®é réng b¨ng tÇn. 3 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu M· hãa tÝn hiÖu nhÞ ph©n thµnh tÝn hiÖu nhiÒu møc ®Ó gi¶m ®é réng b¨ng tÇn. Lo¹i m· hãa nµy quan träng khi cÇn truyÒn sè liÖu tèc ®é cao trªn ®êng truyÒn cã b¨ng tÇn h¹n chÕ. ViÖc gi¶m ®é réng b¨ng tÇn cÇn thiÕt cña kªnh hoÆc t¨ng tèc ®é bit víi mét ®é réng b¨ng tÇn ®· cho sÏ cÇn ph¶i t¨ng tØ sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m S/N ®Ó ®¹t ®îc x¸c suÊt lçi bÝt Ber cho tríc. B¶o mËt tin tøc cho th«ng tin trªn ®êng truyÒn. Kh«ng liªn quan ®Õn chÊt lîng truyÒn dÉn, nhng tÝnh b¶o mËt th«ng tin lµ mét ®Æc tÝnh rÊt quan träng cña m· ®êng truyÒn. T¹o phæ tÝn hiÖu nh»m øng dông cho nh÷ng môc ®Ých nh t¸ch xung ®ång hå, gi¶m thµnh phÇn biªn ®é ë tÇn sè 0Hz ®Õn kh«ng, hoÆc gi¶m c¸c thµnh phÇn tÇn sè cao vµ thÊp tríc khi läc. 1.1.2 M· ®êng d©y Line Code C¸c sè nhÞ ph©n “0” vµ “1” truyÒn dÉn trªn ®êng truyÒn díi d¹ng tÝn hiÖu xung nèi tiÕp ®îc gäi lµ m· ®êng d©y. C¸c lo¹i m· ®êng d©y cã c¸c ®Æc ®iÓm sau: - ChuyÓn møc vÒ kh«ng ë gi÷a bit + Kh«ng chuyÓn møc NRZ (Non Return to Zero) + Cã chuyÓn møc RZ (Return to Zero) - Cùc tÝnh + §¬n cùc UniPolar + Ph©n cùc BiPolar 4 §å ¸n tèt nghiÖp Binary PhÇn 1 Më ®Çu 1 1 0 1 0 0 1 P w (f) +V t Unipolar NRZ First Null Bandwidth 0.5 f P w (f) +V R 2R t Unipolar RZ 0.25 1 +V t Bipolar NRZ f R 2R 0.5 -V R 2R +V t Bipolar RZ 0.5 -V R 2R R 2R +V t Manchester 0.5 -V H×nh 1- C¸c m· ®êng d©y c¬ b¶n Do ®ã ta cã c¸c lo¹i tÝn hiÖu trªn ®êng truyÒn víi d¹ng tÝn hiÖu vµ phæ cña chóng nh trªn. NhËn xÐt: - §Ó truyÒn ®i xa cÇn c«ng suÊt lín. - §Ó t¸ch ®îc tÝn hiÖu Clk cÇn mËt ®é phæ kh¸c 0 t¹i tÇn sè f = R. - D¶i th«ng cña kªnh truyÒn tèi thiÓu b»ng tÇn sè ®Çu tiªn mµ t¹i ®ã mËt ®é phæ b»ng 0 (First Null Bandwidth). Dùa vµo c¸c ®Æc ®iÓm trªn ngêi ta t¹o ra c¸c lo¹i m· ®êng truyÒn thÝch hîp víi tèc ®é d÷ liÖu vµ m«i trêng truyÒn dÉn (c¸p ®èi xøng, c¸p ®ång trôc hay c¸p quang). 5 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu Díi ®©y lµ c¸c lo¹i m· ®êng d©y sö dông trong hÖ thèng ph©n cÊp sè cña ITU: Tèc ®é (Mbps) 2.048 M· ®êng d©y HDB3 8.448 HDB3 34.368 HDB3 139.264 CMI 564.992 1.544 CMI AMI, B8ZS 6.312 B6ZS, B8ZS 32.064 AMI (Scrambled) 44.736 B3ZS 1.1.2.1 M· AMI (Alternate Mark Inversion) M· AMI sö dông m· 3 møc cßn gäi lµ m· tam ph©n, trong ®ã møc gi÷a cña tÝn hiÖu ®îc øng dông réng r·i lµ ®iÖn ¸p 0. M· cã c¸c møc ®iÖn ¸p ra lµ +V (ký hiÖu lµ “+”), -V (ký hiÖu lµ “-”) vµ møc ®iÖn ¸p 0 t¬ng øng víi møc ®Êt cña hÖ thèng. Ngêi ta gäi m· tam ph©n nµy lµ m· ®¶o dÊu lu©n phiªn AMI. §©y lµ mét m· lìng cùc, kh«ng trë vÒ 0 hoÆc cã trë vÒ 0 (NRZ hoÆc RZ). D·y m· thu ®îc b»ng c¸ch: bit 0 t¬ng øng víi møc ®iÖn ¸p 0 cßn bit 1 t¬ng øng víi møc + vµ - mét c¸ch lu©n phiªn bÊt chÊp sè bÝt 0 gi÷a chóng. 6 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu Binary 1 1 0 1 0 0 1 +V t AMI Non Return Zero -V +V t AMI Return Zero -V H×nh 1-2 D¹ng tÝn hiÖu AMI M· AMI cã ®Æc ®iÓm mËt ®é phæ rÊt nhá ë tÇn sè thÊp, mËt ®é phæ cùc ®¹i ë 1/2 tèc ®é bit. Trong m· AMI c¸c xung d¬ng lu©n phiªn nhau, do ®ã nÕu cã lçi sinh ra trong hÖ thèng truyÒn dÉn do t¹p ©m xung hoÆc xuyªn ©m sÏ g©y ra bá sãt mét xung hoÆc thªm mét xung vµo, c¶ hai trêng hîp ®ã sÏ xuÊt hiÖn hai xung kÒ nhau cïng cùc tÝnh vi ph¹m luËt lìng cùc vµ hÖ thèng cã thÓ dÔ dµng ph¸t hiÖn ra lçi ®ã. Tuy nhiªn víi m· AMI, mét d·y bit 0 liªn tiÕp cã thÓ g©y mÊt ®ång bé. §Ó kh¾c phôc ngêi ta ph¶i ngÉu nhiªn hãa (Scramble) tríc khi truyÒn. NgÉu nhiªn hãa chuçi bit ®îc thùc hiÖn b»ng c¸ch céng modul-2 víi mét chuçi gi¶ ngÉu nhiªn PRBS (Pseudo random bit sequence). PhÝa thu sÏ thùc hiÖn gi¶i ngÉu nhiªn hãa (De-scramble) còng b»ng c¸ch céng modul-2 chuçi bit thu ®îc víi chuçi PRBS mét c¸ch ®ång bé. 1.1.2.2 M· CMI (Coded Mark Inversion) M· CMI còng t¬ng tù nh m· AMI Non return zero. Nhng ®Ó tr¸nh mÊt ®ång bé ®o mét d·y c¸c bÝt 0 liªn tiÕp g©y ra, m· CMI m· hãa bit 0 thµnh 2 møc ®iÖn ¸p - vµ + t¬ng øng víi mçi nöa chu kú bit Tb. 7 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu Binary 1 1 0 1 0 0 1 +V t Code Mark Inversion -V H×nh 1-3 D¹ng tÝn hiÖu CMI Nh vËy cã thÓ coi m· CMI lµ m· ph©n cùc NRZ cã t’ CLK = 2tCLK ®îc m· hãa nh sau: bit 0 t¬ng øng víi 01 cßn bit 1 t¬ng øng víi bit 00 vµ 11 lu©n phiªn nhau. 1.1.2.3 M· HDB3 (High Density Bipolar-3) M· HDB3 t¬ng tù nh m· AMI Return Zero. Nhng ®Ó tr¸nh mÊt ®ång bé do d·y c¸c bit 0 g©y ra, m· HDB3 m· hãa 4 bits 0 liªn tiÕp (0000) thµnh tæ hîp 000V hoÆc B00V. Trong ®ã bit B (Balancing) tu©n theo luËt m· lìng cùc sö dông ®Ó chÌn vµo ®Çu 4 bits 0 liªn tiÕp ®Ó tr¸nh 2 bit V kÒ nhau cïng cùc tÝnh, cßn bit V (Violation) vi ph¹m luËt m· lìng cùc. Nh vËy trong dßng m· HDB3 chØ cã tèi ®a 3 chu kú liªn tiÕp tÝn hiÖu ë møc 0. Binary HDB3 0 0 1 B 0 0 0 0 0 0 0 V 0 B 0 0 0 0 0 V 0 0 0 0 0 0 1 B +V t HDB3 Signal -V H×nh 1-4 D¹ng tÝn hiÖu HDB3 8 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu 1.1.2.4 M· BnZS (Bipolar with n-Zeros Substitution) T¬ng tù nh HDB3, BnZS còng lµ mét c¶i tiÕn cña AMI Return Zero ®Ó tr¸nh mÊt ®ång bé do d·y c¸c bits 0 liªn tiÕp. Nhng c¸ch thay thÕ c¸c bit 0 cña BnZS kh¸c víi HDB3: 1.2 BnZS B2ZS Binary 00 Substitution 0V B3ZS 000 0VB B4ZS 0000 0V0B B6ZS 000000 0VB0VB B8ZS 00000000 000VB0VB TruyÒn dÉn BroadBand NÕu nh kªnh truyÒn cã d¶i th«ng cho phÐp nhÊt ®Þnh, th× ®Ó phèi hîp víi kªnh truyÒn nµy tÝn hiÖu sè ph¶i ®îc ®iÒu chÕ vµo sãng mang cã tÇn sè thÝch hîp ®Ó cho phÐp truyÒn ®îc qua b¨ng th«ng cña kªnh. Kªnh qua ®ã tÝn hiÖu ®îc truyÒn ®i bÞ han chÕ vÒ ®é réng b¨ng ®èi víi tÇn sè trung t©m ë kho¶ng tÇn sè sãng mang nh trong ®iÒu chÕ song biªn (DSB), hoÆc ë bªn c¹nh sãng mang nh trong ®iÒu chÕ ®¬n biªn (SSB). NÕu ®é réng b¨ng tÇn cña c¸c tÝn hiÖu vµ c¸c kªnh nhá h¬n nhiÒu tÇn sè sãng mang, chóng ®îc hiÓu lµ c¸c tÝn hiÖu b¨ng hÑp. Kü thuËt ®iÒu chÕ sè cã thÓ lµm thay ®æi biªn ®é, pha, tÇn sè cña sãng mang thµnh tõng møc gi¸n ®o¹n. MÆc dï cã nhiÒu ph¬ng thøc ®iÒu chÕ, nhng viÖc ph©n tÝch c¸c ph¬ng thøc nµy tïy thuéc chñ yÕu vµo d¹ng kiÓu ®iÒu chÕ vµ t¸ch sãng. Cã hai d¹ng chÝnh lµ: lo¹i kÕt hîp vµ lo¹i kh«ng kÕt hîp. Lo¹i kÕt hîp hay cßn gäi lµ t¸ch sãng ®ång bé ®îc sö dông trong ®iÒu chÕ dÞch pha PSK (Phase Shift Keying). Lo¹i kh«ng kÕt hîp hay cßn gäi lµ t¸ch sãng ®êng bao ®îc sö dông trong ®iÒu chÕ dÞch biªn ®é ASK (Amplitude Shift Keying) vµ ®iÒu chÕ dÞch tÇn sè FSK (Frequency Shift Keying) 1.2.1 Amplitude Shift Keying §iÒu chÕ khãa dÞch biªn ®é ASK lµm thay ®æi biªn ®é cña sãng mang vc(t) theo tÝn hiÖu sè vd(t). 9 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu v ASK ( t ) = vc ( t ) ⋅ vd ( t ) NÕu: vc ( t ) = cos( wc t ) 0 vd ( t ) =  1 Th×:  0 vd ( t ) =  vc ( t ) Vµ ta cã d¹ng tÝn hiÖu ASK víi tÝn hiÖu nhÞ ph©n 1011001 nh sau: H×nh 1-5 TÝn hiÖu ASK Theo biÕn ®æi Fourier ta cã: vd ( t ) = 1 π + 2 2 1 1   cos w0t − 3 cos 3w0t + 5 cos 5w0t − ... v ASK ( t ) = vc ( t ) ⋅ vd ( t ) v ASK ( t ) = 1 π cos wc t + 2 2 1   cos w0 t ⋅ cos wc t − 3 cos 3w0 t ⋅ cos wc t + ... MÆt kh¸c ta cã 2 cos A ⋅ cos B = cos( A − B ) + cos( A + B ) Do ®ã: v ASK ( t ) = − 1 π cos wc t + {cos( wc − w0 )t + cos( wc + w0 )t − 2 2 1 [cos( wc − 3w0 )t + cos( wc + 3w0 )t ] + ... 3 } 10 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu Nh vËy phæ cña tÝn hiÖu ASK gåm thµnh phÇn sãng mang w c, thµnh phÇn mang tin tøc wc ± w0 vµ c¸c thµnh phÇn hµi bËc 3 , 5 , 7 ... H×nh 1-6 Phæ cña tÝn hiÖu ASK ASK cã thÓ ®îc ®iÒu chÕ 2 hay M møc, gäi lµ M-ASK víi M = 2k . Khi ®ã mçi tr¹ng th¸i cña tÝn hiÖu ®îc gäi lµ 1 baud. ASK cã thÓ gi¶i ®iÒu chÕ kÕt hîp (t¸ch sãng ®ång bé) hay gi¶i ®iÒu chÕ kh«ng kÕt hîp (t¸ch sãng ®êng bao). KiÓu ®iÒu chÕ nµy chØ thÝch hîp víi tèc ®é nhá. 1.2.2 Frequency Shift Keying §iÒu chÕ khãa dÞch tÇn sè FSK ®îc thùc hiÖn b»ng c¸ch dÞch tÇn sè sãng mang ®i mét lîng nhÊt ®Þnh t¬ng øng víi tÝn hiÖu sè ®a vµ ®iÒu chÕ. Trong FSK hai tr¹ng th¸i ta cã hai sãng mang víi tÇn sè kh¸c nhau: v1 ( t ) = cos w1t v2 ( t ) = cos w2t TÝn hiÖu ®iÒu chÕ cã d¹ng 1 vd ( t ) =  0 Do ®ã tÝn hiÖu FSK t¬ng øng cã d¹ng sau: cos w1t vFSK ( t ) =  cos w2t 11 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu H×nh 1-7 D¹ng tÝn hiÖu FSK Nh vËy: v FSK ( t ) = cos w1t ⋅ vd t + cos w2t ⋅ (1 − vd t ) ë trªn ta ®· cã: vd ( t ) = 1 π + 2 2 1 1   cos w0t − 3 cos 3w0t + 5 cos 5w0t − ... Do ®ã 1 π  1 1  vFSK ( t ) = cos w1t ⋅  + cos w0t − cos 3w0t + cos 5w0t − ... + 3 5  2 2  1 π  1 1  + cos w2t ⋅  − cos w0t − cos 3w0t + cos 5w0t − ... 3 5  2 2  T¬ng tù trªn, cuèi cïng ta ®îc: ⇒ v FSK ( t ) = 1 1 cos w1t + {cos( w1 − w0 )t + cos( w1 + w0 )t − 2 π 1 [ cos( w1 − 3w0 )t + cos( w1 + 3w0 )t ] + ... } + 3 1 1 + cos w2t + {cos( w2 − w0 )t + cos( w2 + w0 )t − 2 π 1 − [ cos( w2 − 3w0 )t + cos( w2 + 3w0 )t ] + ... } 3 − 12 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu Nh vËy d¹ng phæ cña tÝn hiÖu FSK gièng nh d¹ng phæ cña tÝn hiÖu ASK nhng víi hai thµnh phÇn sãng mang cã tÇn sè f1 vµ f2, vµ kho¶ng c¸ch gi÷a chóng lµ fs. H×nh 1-8 Phæ cña tÝn hiÖu FSK FSK cã thÓ ®îc ®iÒu chÕ 2 hay M møc. Ph¬ng ph¸p khãa dÞch tÇn sè FSK ®îc dïng kh¸ réng r·i trong c¸c modem truyÒn sè liÖu tèc ®é thÊp theo c¸c chuÈn V21, V22, V24. 1.2.3 Phase Shift Keying Ph¬ng ph¸p ®iÒu chÕ khãa dÞch pha PSK sö dông ®Æc tÝnh pha cña sãng mang ®Ó ®iÒu chÕ tin tøc. XÐt trêng hîp ®¬n gi¶n víi PSK hai tr¹ng th¸i. vc ( t ) = cos( wc t )  cos( wc t )  v (t) 1 vd ( t ) =  ⇒ v PSK =  or vPSK =  c 0 cos( wc t + π )  − vc ( t ) Nh vËy nÕu biÓu diÔn tÝn hiÖu sè vd(t) díi d¹ng lìng cùc ta cã biÓu thøc: vPSK ( t ) = vd ( t ) ⋅ vc ( t ) 13 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu H×nh 1-9 TÝn hiÖu PSK BiÕn ®æi Fourier cña tÝn hiÖu sè lìng cùc cã d¹ng sau: vd ( t ) = 4 1 1  cos w0t − cos 3w0t + cos 5w0 t − ...  π 3 5  Do ®ã: vPSK ( t ) = vd ( t ) ⋅ vc ( t ) = 4 1  cos wc t cos w0t − cos wc t cos 3w0t + ...  π 3  MÆt kh¸c ta cã: 2 cos A ⋅ cos B = cos( A − B ) + cos( A + B ) Suy ra: v PSK ( t ) = − 2 π {cos( wc − w0 )t + cos( wc + w0 )t − 1 [ cos( wc − 3w0 )t + cos( wc + 3w0 )t ] + ... 3 } Nh vËy phæ cña tÝn hiÖu PSK chØ chøa thµnh phÇn mang tin tøc vµ c¸c hµi bËc 3, 5, 7, ... mµ kh«ng cã thµnh phÇn sãng mang. Díi ®©y lµ d¹ng phæ cña tÝn hiÖu PSK: 14 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu H×nh 1-10 Phæ cña tÝn hiÖu PSK PSK ®îc sö dông kh¸ phæ biÕn trong ®iÒu chÕ sè. §Ó truyÒn dÉn sè liÖu tèc ®é cao, ngêi ta thêng dïng PSK M møc. Trong ®ã phæ biÕn lµ 4-PSK (QPSK) vµ 8-PSK t¬ng øng víi 2 vµ 3 bits trong mét baud. C¸c bit ®îc s¾p xÕp theo m· Gray tøc lµ 2 baud c¹nh nhau chØ sai kh¸c mét bit. 1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation Ph¬ng ph¸p ®iÒu chÕ khãa dÞch pha cã sãng mang trùc pha QAM cã thÓ coi lµ kÕt hîp cña hai ph¬ng ph¸p ®iÒu chÕ PSK vµ ASK bëi v× ph¬ng ph¸p nµy sö dông c¶ biªn ®é vµ pha cña sãng mang ®Ó ®iÒu chÕ tÝn hiÖu. Do sö dông c¶ biªn ®é vµ pha cña sãng mang ®Ó ®iÒu chÕ tÝn hiÖu nªn QAM cho phÐp sè tr¹ng th¸i tÝn hiÖu lín. Ngêi ta thêng dïng 16-QAM vµ 64-QAM t¬ng øng víi 4 vµ 6 bit trong mét baud. C¸c bit ®îc s¾p xÕp theo m· Gray tøc lµ hai tæ hîp c¹nh nhau chØ sai kh¸c 1 bit. C¸ch s¾p xÕp nµy lµm gi¶m x¸c suÊt lçi ë phÝa thu. 15 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu H×nh 1-11 QAM - 16 møc §iÒu chÕ QAM cho phÐp t¨ng dung lîng kªnh th«ng tin, nhng kh«ng lµm t¨ng d¶i th«ng cña kªnh truyÒn. Do ®ã QAM thÝch hîp cho c¸c øng dông tèc ®é cao. 1.3 Giíi thiÖu vÒ OFDM Kü thuËt ghÐp kªnh theo tÇn sè FDM (Frequency Division Multiplexing) ®· ®îc sö dông tõ h¬n mét thÕ kû nay ®Ó truyÒn nhiÒu tÝn hiÖu tèc ®é chËm, vÝ dô nh ®iÖn b¸o, qua mét kªnh cã b¨ng th«ng réng b»ng c¸ch sö dông c¸c sãng mang cã tÇn sè kh¸c nhau cho mçi tÝn hiÖu. §Ó phÝa thu cã thÓ t¸ch ®îc c¸c tÝn hiÖu b»ng c¸ch sö dông c¸c bé läc th× ph¶i cã kho¶ng c¸ch gi÷a phæ cña c¸c sãng mang. Phæ cña c¸c tÝn hiÖu kh«ng s¸t nhau g©y nªn l·ng phÝ b¨ng th«ng vµ do ®ã hiÖu suÊt sö dông b¨ng th«ng cña FDM lµ kh¸ thÊp. §iÒu chÕ ®a sãng mang t¬ng tù nh FDM, song thay v× truyÒn c¸c b¶n tin riªng rÏ, c¸c sãng mang sÏ ®îc ®iÒu chÕ bëi c¸c bit kh¸c nhau cña mét b¶n tin tèc ®é cao. B¶n tin nµy cã thÓ ë d¹ng song song hoÆc nèi tiÕp sau ®ã ®îc chuyÓn ®æi nèi tiÕp - song song ®Ó truyÒn ®i trªn c¸c sãng mang. Cã thÓ so s¸nh ®iÒu chÕ ®a sãng mang víi ®iÒu chÕ ®¬n sãng mang sö dung cïng mét kªnh nh sau: §iÒu chÕ ®a sãng mang nÕu sö dông nhiÒu bé thu 16 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn 1 Më ®Çu ph¸t th× sÏ phøc t¹p vµ gi¸ thµnh cao. Mçi sãng mang sÏ truyÒn mét b¶n tin con, tæng cña c¸c b¶n tin con nµy cho b¶n tin cÇn truyÒn ®i cã tèc ®é nhá h¬n b¶n tin ®îc truyÒn bëi mét sãng mang duy nhÊt cïng sö dông kªnh ®ã bëi v× hÖ thèng ®a sãng mang cÇn c¸c kho¶ng b¶o vÖ ®Ó tr¸nh nhiÔu gi÷a c¸c sãng mang con. MÆt kh¸c hÖ thèng ®¬n sãng mang dÔ bÞ giao thoa gi÷a c¸c ký hiÖu inter-symbol interference (nhiÔu ISI) bëi v× kho¶ng thêi gian cña c¸c symbol lµ ng¾n vµ mÐo lín sinh ra trªn b¨ng tÇn réng, so víi kho¶ng thêi gian dµi cña symbol vµ b¨ng tÇn hÑp cña hÖ thèng ®a sãng mang. Tríc khi ph¸t triÓn kü thuËt c©n b»ng, ®iÒu chÕ ®a sãng mang ®îc sö dông ®Ó truyÒn dÉn tèc ®é cao mÆc dï gi¸ thµnh cao vµ hiÖu suÊt sö dông b¨ng th«ng thÊp. Gi¶i ph¸p ®Çu tiªn cho vÊn ®Ò hiÖu suÊt sö dông b¨ng th«ng cña ®iÒu chÕ ®a tÇn cã lÏ lµ hÖ thèng “Kinepiex”. HÖ thèng Kinepiex ®îc ph¸t triÓn bëi Collins Radio ®Ó truyÒn d÷ liÖu trªn kªnh v« tuyÕn cao tÇn (HF) nh»m chèng l¹i nhiÔu nhiÒu ®êng multi-path. Trong hÖ thèng nµy, cø 20 tones ®îc ®iÒu chÕ 4-PSK vi sai vµo mét sãng mang. Phæ cña c¸c sãng mang nµy cã d¹ng sin(kf)/f vµ do ®ã cã thÓ ghÐp chång phæ. Gièng nh OFDM hiÖn nay, c¸c tones ®îc ®Ó c¸ch nhau t¹i nh÷ng kho¶ng tÇn sè gÇn nh b»ng víi tèc ®é tÝn hiÖu vµ cã kh¶ n¨ng ph©n t¸ch ra ë m¸y thu. HÖ thèng ®a sãng mang nµy ®îc gäi tªn lµ Multi-tone. HÖ thèng multi-tone tiÕp theo sö dông ®iÒu chÕ 9-QAM cho mçi sãng mang vµ ph¸t hiÖn t¬ng quan ë phÝa thu. Kho¶ng c¸c gi÷a c¸c sãng mang b»ng víi tèc ®é symbol cho hiÖu suÊt sö dông d¶i th«ng tèi u. HÖ thèng nµy cßn sö dông ph¬ng ph¸p m· ho¸ ®¬n gi¶n trong miÒn tÇn sè. 17