Méo tín hiệu trong các hệ thống thông tin số

LOGO www.themegallery.com MÉO TÍN HIỆU TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ NGƯỜI THỰC HIỆN: ĐOÀN THỊ THANH THẢO BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG XEMINA KHOA HỌC LOGO www.themegallery.com Mục tiêu Báo cáo nêu tóm lược tổng quan về hệ thống thông tin số và những yếu tố làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn trong hệ thống thông tin số. LOGO www.themegallery.com NỘI DUNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 1 MÉO TÍN HIỆU 2 CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 3 4 LOGO www.themegallery.com TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Định nghĩa "tín hiệu": là một tập thông tin hay dữ liệu. Định nghĩa tín hiệu thường dùng trong điện tử: tín hiệu là một hàm của biến thời gian trong đó biến thời gian là biến độc lập. Có nhiều cách phân loại tín hiệu: Tín hiệu tương tự là tín hiệu có biên độ liên tục, tức là có thể nhận một giá trị bất kỳ trong một khoảng nào đó. Tín hiệu số là tín hiệu có biên độ rời rạc, tức là chỉ nhận M giá trị trong đó M là một số hữu hạn. LOGO www.themegallery.com TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số LOGO www.themegallery.com TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Tham số chất lượng cơ bản của hệ thống thông tin số - Độ chính xác truyền tin thường được đánh giá qua tỉ lệ lỗi bít (BER: Bit-Error Ratio) thường được hiểu là tỉ lệ giữa số bít nhận bị lỗi và tổng số bít đã truyền trong một khoảng thời gian quan sát nào đó. BER≤ 10−3 - Tốc độ truyền tin: Khả năng truyền tin nhanh chóng của một hệ thống thông tin số thường được đánh giá qua dung lượng tổng cộng B của hệ thống, là tốc độ truyền thông tin (có đơn vị là b/s) tổng cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đã cho. Ngoài các yêu cầu và các tham số có tính nguyên tắc nói trên, các hệ thống thông tin số còn có thêm yêu cầu về tính bảo mật và độ tin cậy (khả năng làm việc của hệ thống với BER không vượt quá giá trị xác định). Các yếu tố về tính kinh tế cũng có một vai trò to lớn LOGO www.themegallery.com MÉO TÍN HIỆU Méo tín hiệu phát sinh do sai lệch giữa đặc tính biện độ-tần số và/hoặc đặc tính pha-tần (hay đặc tính giữ chậm) của hàm truyền tổng cộng của hệ thống so với đặc tính được thiết kế nhằm triệt tiêu ISI trong quá trình truyền dẫn tín hiệu số (theo tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất). Hệ quả là ở đầu ra hệ thống xuất hiện ISI và do đó BER tăng. LOGO www.themegallery.com MÉO TUYẾN TÍNH Méo tuyến tính Méo tuyến tính là méo gây ra cho tín hiệu bởi các phần tử tuyến tính trên kênh truyền, trong đó các phần tử tuyến tính là các phần tử mà phép toán biểu diễn quan hệ đầu ra theo đầu vào thỏa mãn tính chất xếp chồng. Hay đặc tuyến biên độ vào-ra là một đường thẳng. Méo tuyến tính có các nguyên nhân sau: Nói chung, các phần tử thụ động trên các kênh (trừ diode) đều có thể xem là các phần tử tuyến tính, miễn là tín hiệu lối vào không quá lớn. Kênh fading đa đường do vậy là một phần tử tuyến tính, gây méo tuyến tính tín hiệu. Các mạch lọc chế tạo không hoàn hảo Do môi trường truyền : -Dây kim loại : tần số càng cao tiêu hao càng nhiều nhưng độ tăng không đều mà lượn nét, mấp mô. - Môi trường vô tuyến : Fading LOGO www.themegallery.com Hàm truyền tổng cộng của hệ thống có méo tuyến tính có dạng: Trong đó: - C(f) là tích của các hàm truyền của các bộ lọc phát và thu được thiết kế nhằm thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất. - M(f) tổng quát là một hàm truyền có đặc tính biên độ-tần số không bằng phẳng và/hoặc có đặc tính pha-tần không tuyến tính thể hiện tác động của các yếu tố nêu trên. MÉO TUYẾN TÍNH LOGO www.themegallery.com Dưới tác động của méo, thay vì giống như ở phần phát, constellation tín hiệu thu gồm một tập các cụm điểm. Việc tồn tại các cụm điểm trên constellation của tín hiệu thu là dấu hiệu chắc chắn cho thấy có ISI gây bởi méo tín hiệu. Cụm điểm càng rộng, méo tuyến tính càng lớn. MÉO TUYẾN TÍNH LOGO www.themegallery.com Một số biện pháp khắc phục méo tuyến tính a) San bằng thích nghi trên miền thời gian Hàm truyền tổng cộng của hệ thống không có san bằng có thể viết được dưới dạng: trong đó C() là hàm truyền thỏa mãn tính chất truyền không có ISI còn H(,t) thể hiện các tác động không mong muốn của kênh truyền. Một cách tổng quát thì đó là một hàm phụ thuộc cả biến thời gian. LOGO www.themegallery.com Một số biện pháp khắc phục méo tuyến tính Về bản chất, bộ san bằng là một mạch điện được mắc thêm vào lối ra mạch lọc thu nhằm bù đắp các sai lệch của hàm truyền tổng cộng của hệ thống so với hàm truyền cho phép truyền không có ISI. Tại một thời điểm t nào đó, nhìn chung H(,t) có dạng không bằng phẳng về biên độ, không tuyến tính về pha. Mạch san bằng có tác dụng “là phẳng” đặc tính biên độ-tần số của H() cũng như bù đắp nhằm duy trì đặc tính pha-tần tuyến tính của đặc tính tổng cộng toàn hệ thống. Một cách tổng quát, hàm truyền của mạch san bằng E() cần phải được thiết kế có dạng bằng 1/ H(). Khi đó, hàm truyền tổng cộng của cả hệ thống có kể đến mạch san bằng có dạng: LOGO www.themegallery.com b) Phân tập Một số biện pháp khắc phục méo tuyến tính - Phân tập theo không gian là việc sử dụng nhiều anten thu (thường là 2 anten). Một khi 2 anten được đặt cách nhau đủ xa thì việc xảy ra pha- đinh do truyền dẫn đa đường đối với các anten đó có thể xem như độc lập với nhau. Nhờ phân tập theo không gian, xác suất méo tuyến tính đồng thời trên cả 2 anten cũng giảm thấp, nhờ vậy có thể làm giảm tác động của méo. - Biện pháp phân tập kinh tế hơn thường được sử dụng là phân tập theo tần số. Phân tập theo tần số đặc biệt kinh tế nếu như: (i) tuyến vô tuyến có một kênh dự phòng; (ii) kênh dự phòng này cho một hiệu quả cải thiện thỏa đáng khi được sử dụng như kênh phân tập. - Phân tập góc, trong đó trên cùng một anten người ta bố trí hai hay nhiều đầu thu sóng nhằm “hứng” các sóng truyền tới anten thu theo nhiều góc tới khác nhau LOGO www.themegallery.com c) Truyền dẫn đa sóng mang Một số biện pháp khắc phục méo tuyến tính Đối với các hệ thống có phổ tín hiệu quá rộng dẫn đến rất khó đảm bảo độ bằng phẳng của đặc tính đường truyền, biện pháp có thể được áp dụng là truyền dẫn đa sóng mang. Luồng bít cần truyền được biến đổi thành nhiều luồng con song song và mỗi một luồng con được điều chế bằng một sóng mang riêng biệt. Nhờ vậy, băng tín hiệu rất rộng được tách thành nhiều băng con, trong đó đặc tính tần số của hệ thống dễ đảm bảo bằng phẳng hơn. Đặc điểm: tính kinh tế (do phải sử dụng mỗi một hệ thống con cho mỗi một luồng con); phổ chiếm của tín hiệu tổng cộng trong trường hợp này lớn hơn một chút so với trường hợp truyền dẫn một sóng mang. LOGO www.themegallery.com d) Mã hóa chống nhiễu Một số biện pháp khắc phục méo tuyến tính Các lỗi bít gây nên do san bằng và phân tập không triệt tiêu được hoàn toàn ISI còn có thể được sửa tiếp bằng các mã chống nhiễu. Về bản chất, mã hóa chống nhiễu với các phần tử dư dùng để phát hiện và sửa các bít lỗi. Trả giá của phương pháp này là việc tăng tốc độ bít truyền dẫn và do đó mở rộng phổ chiếm của tín hiệu. e) Trải phổ Thực hiện trải rộng phổ tín hiệu cần truyền ở phần phát và nén (giải trải) phổ ở phần thu. Trên cơ sở này cho phép hệ thống liên lạc tốt trong các điều kiện có nhiễu mạnh, thậm chí che dấu tín hiệu chìm vào trong nền nhiễu, nhờ đó đối phương thậm chí rất khó phát hiện được khi nào có, khi nào không truyền tin. LOGO www.themegallery.com f) Ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) Một số biện pháp khắc phục méo tuyến tính Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. LOGO www.themegallery.com MÉO PHI TUYẾN Tính phi tuyến của kênh truyền có thể gây bởi nhiều loại mạch điện trong hệ thống như các bộ khuếch đại, các bộ trộn tần, các bộ hạn biên và nhiều loại mạch điện khác. Các bộ khuếch đại công suất nhỏ và các mạch trộn tần nhìn chung có độ phi tuyến không đáng kể và hoàn toàn có thể bỏ qua méo phi tuyến gây bởi chúng, trong khi đó các bộ khuếch đại công suất (KĐCS) máy phát có công suất khá lớn lại gây nên những méo phi tuyến không thể bỏ qua được. Méo phi tuyến gây bởi các phần tử phi tuyến (không thỏa mãn tính chất xếp chồng, có đặc tuyến vào-ra là một đường không thẳng). Các nguồn gây méo • Các mạch khuếch đại công suất nhỏ (méo phi tuyến có thể bỏ qua) • Các mạch khuếch đại công suất lớn (HPA) • Mạch trộn (mixer) sử dụng diode • Mạch hạn biên LOGO www.themegallery.com MÉO PHI TUYẾN GÂY RA DO BỘ KĐCS  Tác động trải rộng phổ và tạp âm phi tuyến  Làm dịch chuyển vị trí các điểm tín hiệu trên mặt phẳng pha  Tác động gây ISI phi tuyến LOGO www.themegallery.com - Tín hiệu đầu vào của bộ KĐCS là x thì tín hiệu ra sau bộ KĐCS sẽ là y MÉO PHI TUYẾN GÂY RA DO BỘ KĐCS - Sự mở rộng phổ tín hiệu do méo phi tuyến LOGO www.themegallery.com MÉO PHI TUYẾN GÂY RA DO BỘ KĐCS - Biểu đồ Symbol gốc thu được sau méo phi tuyến LOGO www.themegallery.com KHẮC PHỤC MÉO PHI TUYẾN SỬ DỤNG BACK - OFF LỚN Chọn điểm làm việc ở mức tín hiệu tương đối thấp, tức là chấp nhận một độ lùi công suất đủ lớn tính từ công suất bão hòa của bộ khuếch đại LOGO www.themegallery.com KHẮC PHỤC MÉO PHI TUYẾN KỸ THUẬT MÉO TRƯỚC  Nhiệm vụ của bộ méo trước là đảo chức năng phi tuyến của bộ khuếch đại công suất cao HPA.  Phân loại theo cách sửa đổi tín hiệu truyền đi và các công nghệ ứng dụng. - Méo trước tín hiệu - Méo trước dữ liệu - Méo trước tương tự - Méo trước số LOGO www.themegallery.com KHẮC PHỤC MÉO PHI TUYẾN KỸ THUẬT MÉO TRƯỚC Nguyên lý méo trước Uplink Channel IMUX SP HPA OMUX Downlink Channel NU(t) ND(t) x(t) y(t) z(t) Nhiệm vụ của bộ méo trước là để đảo chức năng phi tuyến của bộ khuếch đại công suất cao HPA, nhờ vậy tầng đáp ứng của hai thiết bị là tuyến tính. LOGO www.themegallery.com KHẮC PHỤC MÉO PHI TUYẾN KỸ THUẬT SAN BẰNG Channel Equalizer Detector ak yk rk nk ak kaˆ TE()=C().H().E()=C(): hàm truyền hệ thống khi có san bằng Trong đó: C() là hàm truyền khi không có ISI H() thể hiện các tác động không mong muốn của kênh liên tục E() hàm truyền của mạch san bằng = 1/H() Do các kênh vệ tinh có đặc tính biến đổi khá rõ rệt theo thời gian nên tại các thời gian nên tại các thời điểm khác nhau H(,t) có thể có dạng khác nhau do vậy các mạch san bằng còn phải hoạt động theo một thuật toán cho phép điều chỉnh E(,t) bám theo sự biến đổi của H(,t). LOGO www.themegallery.com KHẮC PHỤC MÉO PHI TUYẾN T ớ n h ọ p h ử ự c ( M - Q A M ) ) A W G N + _ Tí iệu ứ Kênh ISI (hoặc méo phi tuyến) San bằng BP phức Quyết định Constellation 4-QAM sau khi truyền qua kênh Constellation của tín hiệu 4-QAM tại đầu ra mạch san bằng tuyến tính sử dụng thuật toán LMS Constellation 4-QAM tại đầu ra mạch san bằng Nơron sử dụng thuật toán lan truyền ngược BP. LOGO www.themegallery.com KẾT LUẬN - Báo cáo trình bày tổng quan về hệ thống thông tin số, méo tín hiệu trong hệ thống và những giải pháp để khắc phục. - Báo cáo mang tính trình bày tóm lược về lý thuyết thông tin chứ chưa đi sâu nghiên cứu cụ thể từng loại méo. LOGO www.themegallery.com TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. TS.Nguyễn Quốc Bình, Kỹ thuật truyền dẫn số, NXB QĐND 2. Proakis J.G và Salehi M, TS.Nguyễn Quốc Bình (dịch), Các hệ thống thông tin hiện nay, HV KTQS 3. Digital Transmission Theory, Mc Grow Hill, 1987 4. John G Proakis McGraw Hill,Digital communications fourth edition LOGO www.themegallery.com Cảm ơn các đ/c đã lắng nghe và trao đổi!