1

HỆ THỐNG VIỄN THÔNG 1 (Fundamentals of Communication Systems)

2

Tài liệu tham khảo

Bài giảng – Th.S Đặng Ngọc KhoaNguyên lý thông tin tương tự và số – PGS.TS. Vũ Đình ThànhHệ thống viễn thông – PGS.TS. Vũ Đình ThànhPrinciples of Communication System – Herbert Taub & Donald SchilingCommunication Systems – Bruce A. Carsson

3

Chương 1 Giới thiệu

Th.S

Đặng

Ngọc

KhoaKhoa Điện - Điện Tử

4

Tín hiệu và hệ thống

Hệ thống thông tin: là tập hợp các thiết bị (phần cứng) tương tác với nhau dựa trên những quy tắc định trước (giao thức – phần mềm) nhằm thực hiện chức năng truyền nhận thông tin.

Máy phát (Transmitter)

Máy thu(Receiver)

Tin tức Tin tứcPhương tiện truyền(Transmission Media)Phương tiện truyền

(Transmission Media)

5

Tín hiệu và hệ thống

Tín hiệu: là biểu diễn vật lý của tin tức. Thường biểu diễn dưới dạng một hàm toán học của các biến thời gian và không gian. Ví dụ: s(t), s(x,y,z,t),...

6

Phân

loại hệ

thống

thông

tin

Theo phương tiện truyền:Vô tuyến (wireless): vi ba, vệ tinh,...Hữu tuyến: dây song hành, cáp đồng trục, cáp xoắn, cáp quang

Theo cách thức truyền:Quảng bá (broadcast)Điểm – điểm (peer to peer)Điểm – đa điểm (multicast)

Theo chế độ truyền:Đơn công (Simplex)Bán song công (Half-duplex)Song công (Full-duplex)

7

Các phương tiện truyền

8

Các phương thức truyền

Peer to peer

MulticastBroadcast

9

Các chế độ truyền

Đơn công

(Simplex)

Bán song công

(Half-duplex)

Song công

(Full-duplex)

10

Giới

thiệu các hệ

thống

cụ

thể

Hệ thống điện thoại công cộng (PSTN – Public Switching Telephone Network)Mạng máy tính:

LAN (Local Area Network)MAN (Metropolitan Area Network)WAN (Wide Area Network)

Mạng truyền hình cápHệ thống thông tin vệ tinhMạng thông tin di động

11

Public Switched Telephone Network

Kết nối trạm(connecting

trunk)

Vòng thuê bao (subsciber loop)

Kết nối liên tỉnh(ntercity

trunk)

Trạm cuối (end

office)

Tổng đài (Long-distance

office)

Vòng thuê bao

(vòng cục bộ)kết nối giữa thuê bao và mạng điện thoại

Kết nối trạm

(exchanges)trung tâm chuyển mạch; hỗ trơ cho các

thuê bao cục bộ

Kết nối liên tỉnh

(trunks)Các nhánh liên lạc giữa các trạm;

tải nhiều mạch thoại

12

Mạng máy tính (LAN)

Mạng LAN một toà nhà

... và mạng LAN nối nhiều toà nhà

13

Mạng máy tính (MAN)

14

Mạng máy tính (WAN)

15

Tiêu chuẩn IEEE 802

Institute of Electrical and Electronics EngineersThành lập Hội đồng “802” để phát triển các chuẩn về mạng

Tên gọi “802” có nghĩa là tháng 2 năm 80Chia thành các nhóm để định nghĩa các chuẩn riêng biệt

Các chuẩn đáng chú ý:802.3, 802.4, 802.5: cho mạng LAN802.6: mạng MAN802.11: mạng LAN không dây802.14: mạng cáp truyền hình802.16: truy nhập vô tuyến băng rộng (trong đó có WiMax)

Tham khảo: http://www.ieee.org

16

Mạng truyền hình cáp

Trước đây dành để phục vụ truyền hình quảng bá.Do dịch vụ DSL rất nhạy với nhiễu vì sử dụng cáp UTP, truyền hình cáp có thể cung cấp một giải pháp truyền dữ liệu thay thế cho DSL.

17

Mạng truyền hình cáp

18

Cable Modem

Để tương thích giữa dữ liệu máy tính với tín hiệu truyền trên cáp, phải có modem cáp.

Chuẩn truyền hình cáp: DOCSIS (Data over Cable System Interface Specification).Ngoài ra còn có chuẩn Euro-DOCSIS

19

Thông tin vệ tinh

Truyền thông tin trên khoảng cách xa.Không bị ảnh hưởng bởi các chướng ngại vật, bởi địa hình (hiệu ứng đa đường).Yếu tố chính làm suy giảm chất lượng là suy hao do khoảng cách xa và do các yếu tố tự nhiên (mưa, các tầng khí quyển,...)

20

Thông tin vệ tinh

21

Thông tin di động

Trải qua nhiều thế hệ với các chuẩn khác nhau (AMPS, GSM, CDMA, PDC, ...)Hiện ở Việt Nam tồn tại hai mạng di động chính: mạng GSM theo chuẩn châu Âu do các công ty VMS, Viettel cung cấp dịch vụ, mạng CDMA do S-Phone, EVN khai thác.Thông tin di động sử dụng các băng tần 900/1800/1900MHz (thế hệ 1G&2G)Các vấn đề chính: hiện tượng đa đường, nhiễu giao thoa đa truy cập, hiệu ứng gần xa.

22

Thông tin di động

23

Sóng

điện từ

và

năng

lượng

Tất cả các hệ thống thông tin đều truyền tin tức bằng cách truyền năng lượng sóng điện từ dưới dạng điện áp, dòng điện hay ánh sáng qua các môi trường.Bước sóng λ: khoảng cách sóng lan truyền trong một chu kỳ (m).Vận tốc truyền: tốc độ lan truyền của sóng (m/s) trong một môi trường. Vận tốc lớn nhất đạt được trong chân không: v = c = 3.108m/s. Ở các môi trường khác, v < c. Ví dụ: cáp truyền hình (CATV) có v ≈ 75%c. [ / ][ ]

[ ]v m smf Hz

λ =

24

Bài tập 01

Tính chiều dài bước sóng trong khônggian tự do ứng với các tần số sau:

1 MHz27 MHz4 GHz

25

Bài tập 02

Xác định chiều dài của anten bức xạ sóngcó tần số sóng mang fc=10MHz?

Biết rằng để bức xạ có hiệu suất cao, antencần dài hơn 1/10 bước sóng.Giả sử tốc độ truyền gần bằng với môi trườngchân không.

ml

mxx

fc

anten

c

3101

301010103

6

8

==

===

λ

λ

26

Phổ điện từ

Toàn dải tần số dùng trong hệ thống truyền thông gọi là phổ điện từ.Mỗi dải gọi là một băng tần, được dùng cho nhiều dịch vụ viễn thông. Ví dụ: HTV7 trên kênh 7 VHF (176MHz), FM quảng bá (88 – 108MHz),...Có thể tái sử dụng tần số ở khoảng cách đủ xa.Sự cấp phát tần số cho các dịch vụ viễn thông là do ITU-R thực hiện. Các hệ thống truyền hữu tuyến không chịu sự quản lý của ITU.

27

Phổ điện từ

28

Phổ điện từ

29

Băng

thông

và

dung lượng

kênh

Khái niệm băng thông: được hiểu theo hai khía cạnh:

Băng thông của tín hiệu: là độ rộng phổ của tín hiệu, tức là khoảng tần số từ fmin đến fmaxBăng thông của kênh truyền: là một phần hay toàn bộ khoảng tần số mà kênh truyền dành để truyền 1 tín hiệu.

Theo nghĩa thứ hai thì băng thông có liên hệ mật thiết đến dung lượng kênh truyền. Băng thông càng lớn thì dung lượng càng cao.

C ký hiệu dung lượng kênh truyền (bit/s)B ký hiệu băng thông kênh truyền (Hz)

30

Băng

thông

và

dung lượng

kênh

Dung lượng kênh truyền thể hiện thông qua tốc độ bit tối đa có thể truyền trên kênh truyền.Với tín hiệu có L mức, tốc độ truyền tối đa theo lý thuyết được tính theo công thức Nyquist (kênh không nhiễu):

Với kênh truyền có nhiễu với tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu là S/N, tốc độ bit tối đa (hay dung lượng kênh) được tính theo công thức Shannon:

LBC 2log2=

( )NSBC /1log2 +=

31

Ví dụ về dung lượng kênh

Ví dụ: Một kênh truyền có băng thông B = 1MHz và tỷ số SNR = 63. Tìm tốc độ bit và số mức thích hợp của tín hiệu.Lời giải: Tốc độ bit tối đa theo lý thuyết:

Trong thực tế, tốc độ bit phải nhỏ hơn. Mặt khác, do L là lũy thừa của 2, do đó chọn C = 4Mbps và L = 4.

( ) ( ) MbpsSNRBC 664log101log 26

2 ==+=

44log2 2 =⇒== LMbpsLBC

32

Bài tập 03

Xác định băng thông cần thiết của kênhtruyền để truyền một tín hiệu có

Tốc độ 12MbpsTỷ số tín hiệu trên nhiễu 63.

Xác định số mức tín hiệu tối đa có thể sửdụng?

33

Đơn vị Decibel

Thường được dùng làm đơn vị chính trong các hệ thống viễn thông.Trong viễn thông, người ta chủ yếu quan tâm đến công suất và độ lợi.Đơn vị decibel dùng để đánh giá so sánh một đại lượng nào đó so với mức chuẩn.Biễu diễn công suất theo decibel:

P [dbW] = 10lg(P[W]) P[W] = 10^(P[dBW]/10)P [dBm] = 10lg(P[mW]) P[mW] = 10^(P[dBm]/10)Lưu ý: P[dBm] = P[dBW] + 30

Độ lợi công suất: Ap = Pout(w)/Pin(W)Ap(dB) = 10lgAp = Pout(dBW) – Pin(dBW)

34

Tính toán công suất

Độ lợi công suất của các hệ thống ghép dây chuyền:

Lưu ý:Hiệu của hai đại lượng đơn vị dBm hoặc 2 đơn vị dBW là đơn vị dBKhông được cộng hai đại lượng cùng đơn vị dBm hoặc dBW

1 2( ) ( ) ( ) ( ) ( )= + + + +…out in p p pnP dBW P dBW A dB A dB A dB

Ap1 Ap2 Apn

PinoutP

A p1 2( ) ( ) ( ) ( )p p p pnA dB A dB A dB A dB= + + +…

35

Tính toán công suất

Ví dụ

Giải

+

P = 10dBm1

P = 3dBm2

Pout Pout = 10dBm + 3dBm = 13dBm

dBmdBmPmWPPP

mWdBmPmWdBmP

out

out

138,1012lg1012210

2103101010

21

10/32

10/101

≠==⇒=+=+=⇒

===

===

36

Suy hao trên kênh truyền

Một cách tổng quát độ suy giảm A hoặc độ lợi G của một mạng bốn cực là logarithm của tỷ sốcông suất đầu vào và đầu ra của mạng 4 cực đó

[ ]

( ) ( )

[ ]

( ) ( )dBPdBPG

dBPPAG

dBPdBPA

dBPPA

12

1

2

21

2

1

lg10

lg10

−=

=−=

−=

=

P1 P2

37

Bài tập 04

Xác định công suất ngõ ra của mạng sauđây, biết rằng suy hao trên mỗi km cáp là1,5dB

10dB10dBPin

=10dBm Pout

5km 8km 2km

38

Bài tập 05

Xác định công suất ngõ ra của hệ thốngsau đây

+

5dBm

7dBm

10dB 5dB

10dB

+Pout

39

Nhiễu

Nhiễu là các tín hiệu ngẫu nhiên, không mong muốn, có thể xen lẫn vào tín hiệu thu, làm sái dạng tín hiệu thu dẫn đến giảm chất lượng thông tin.

Nhiễu ngoài bao gồm các nguồn nhiễu tự nhiên hay nhân tạo xâm nhập vào hệ thống qua các phương tiện truyền. Ví dụ: sét, bức xạ từ mặt trời, ... (tự nhiên), đường dây điện, hệ thống đánh lửa tự động, motor điện, ... (nhân tạo).Nhiễu nội bao gồm các nguồn nhiễu do chính máy phát hoặc máy thu tạo ra.

40

Các loại nhiễu nội

Hai nguồn nhiễu nội thường được đề cập là nhiễu nhiệt và nhiễu shot.

Nhiễu nhiệt xuất hiện trong hầu hết các thiết bị điện tử, do chuyển động nhiệt của các nguyên tử gây ra.Nhiễu shot là nhiễu phát sinh trong linh kiệnbán dẫn khi có dòng phân cực chạy qua. Mức nhiễu tỷ lệ với cường độ dòng phân cực.

41

Phân loại nhiễu

Nhiễu cộng và nhiễu nhân:

Nhiễu cộng làm thay đổi biên độ tức thời của tín hiệu.Nhiễu nhân làm thay đổi cả biên độ và pha của tín hiệu.

+s(t)

n(t)

s(t)^ = s(t) + n(t) xs(t)

n(t)

s(t)^ = s(t). n(t)

42

Phân loại nhiễu

Nhiễu trắng và nhiễu màu:Nhiễu trắng có phổ mật độ công suất bằng phẳng và trải dài vô hạn.Trái với nhiễu trắng là nhiễu màu.

f

PN0 / 2

f

P

43

Phân loại nhiễu

Nhiễu Gauss: là loại nhiễu có hàm mật độ phân bố xác suất là hàm Gauss.

Nhiễu AWGN (Additive White Gaussian Noise): là loại nhiễu cộng, trắng và có phân bố xác suất theo hàm Gauss

44

Nhiễu nhiệt

Nhiễu nhiệt sinh ra do sự chuyển độngcủa các điện tích. Công suất của nhiễunhiệt được phân bố đều trong băng thông, do vậy nhiễu này được gọi là nhiễu trắngCông suất của nhiễu nhiệt

k: hằng số Boltzmann, 1.38.10-23 (J/K)T: nhiệt độ tuyệt đối KelvinsB: băng thông (Hz)

45

Bài tập 06

Một bộ thu có băng thông 10 KHz. Một điện trởphù hợp với trở kháng vào của bộ thu được nốiđến anten. Xác định công suất nhiễu trong điệntrở giả sử nhiệt độ của điện trở là 27oCGiải

Nhiệt độ Kelvins

Công suất nhiễu

46

Nhiễu nhiệt

Một điện trở R hoạt động ở nhiệt độ T và trong khoảng băng thông B sẽ tạo ra một nguồn điện áp nhiễu hiệu dụng bằng:

Trong đó là hằng số Boltzman.Điện áp nhiễu này sẽ tạo ra ở mạch ngoài (giả sử tải RL) một công suất cực đại là:

kTBREn 4=KJk /10.38,1 23−=

( ) kTBR

EN n ==22/

47

Công suất của nhiễu nhiệt

Giả sử tải mạch ngoài là RL thì công suất nhiễu tạo ra trên tải sẽ là:

Công suất này đạt cực đại khi có phối hợp trở kháng, tức là khi RL = R

( )22222

.RR

ERRR

RRE

RVN

L

nL

L

L

L

n

L

out

+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

==

( ) kTBRR

REN n =+

= 2

2

max

T: nhiệt độ tuyệt đối (°K) T = t°C + 273

48

Bài tập 07

Một điện trở 300Ω nối giữa một anten 300Ω vàngõ vào của TV. Băng thông của bộ thu là 6 MHz, nhiệt độ trong phòng là 20oC. Xác định công suấtnhiễu và điện áp nhiễu tại ngõ vào của bộ thuGiải

CS nhiễu

Điện áp nhiễu

49

Các

thông

số đánh

giá

nhiễu

Đánh giá chất lượng tín hiệu:Tỷ số S/N (SNR – Signal-to-Noise Ratio)Tỷ số Eb/No

Đánh giá chất lượng hệ thống:Hệ số nhiễu (noise figure)Nhiệt độ nhiễu tương đương

50

Các

thông

số đánh

giá

nhiễu

Tỷ số công suất tín hiệu so với nhiễu (SNR – Signal-to-Noise Ratio):

Tỷ số Eb/No: dùng trong thông tin số là tỷ số giữa năng lượng chứa trong 1 bit với so với mật độ phổ công suất nhiễu.

R: tốc độ bit

( )( ) ( ) ( ) ( )

/

10 log /

SNR S N

SNR S N S dBmd N dB Bm

=

= = −

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⇒

==

==

RB

NS

NE

RSTAE

BNkTNb

b 02

0

/21

/

51

Bài tập 08

Một bộ thu tạo ra nhiễu có công suất200mW khi không có tín hiệu ngõ vào. Khicó tín hiệu ngõ vào công suất ở ngõ ra là5W. Xác định S/N theo đơn vị dB?

52

Các

thông

số đánh

giá

nhiễu

Hệ số nhiễu (Noise Figure): đặc trưng cho khả năng phát sinh nhiễu của hệ thống, là tỷ số SNR của tín hiệu vào so với SNR của tín hiệu ra.

Hệ số nhiễu luôn lớn hơn 1 (0dB) và NF càng nhỏ thì chất lượng của hệ thống càng tốt.

NFSinNin

SoutNout

( )( )

( )out

in

outout

inin

out

in

SNRSNRdBNF

NSNS

SNRSNRNF

log10

//

=

==

53

Bài tập 09

Công suất tín hiệu tại ngõ vào một bộ khuếchđại là 100uW và công suất nhiễu là 1uW. Ở ngõra, công suất tín hiệu là 1W và công suất nhiễulà 30mW. Xác định hệ số nhiễu?

54

Nhiệt

độ

nhiễu tương

đương

Nhiệt độ nhiễu tương đương là cách đểxác định nhiễu của thiết bị. Nhiệt độ nhiễutương đương không phải là nhiệt độ làmviệc của thiết bị, đúng hơn nó là nhiệt độcủa điện trở ở ngõ vào của bộ khuếch đạikhông nhiễu có cùng độ lợi và tạo ra cùngmột công suất nhiễu ở ngõ ra.

55

Nhiễu nhiệt tương đương

Bộ khuếch đại thực, tạo ra nhiễu ở ngõ ra cho dù khôngcó tín hiệu ở ngõ vào

Mạch tương đương (bộ khuếch đại không nhiễu và mộtđiện trở tạo nhiễu tại ngõ vào)

56

Nhiễu nhiệt tương đương

Ta cóGọi A là độ lợi của bộ khuếch đạiSuy ra

Tổng nhiễu tại ngõ vào là

57

Nhiễu nhiệt tương đương

Giả sử nhiễu ở ngõ vào là nhiễu nhiệt

Suy ra nhiễu gây ra bởi bộ khuếch đại

58

Nhiễu nhiệt tương đương

Giả sử rằng nhiễu này tạo ra trong điện trởở nhiệt độ Teq và giả sử nhiệt độ môi trường là 290°K (17°C).

Nhiễu nhiệt tương đương được định nghĩa

59

Bài tập 10

Một bộ khếch đại có hệ số nhiễu là 2dB. Xác định nhiệt độ nhiễu tương tương?Giải

60

Các

thông

số đánh

giá

nhiễu

Hệ số nhiễu của hệ thống ghép nối tiếp:

Do đó, tầng đầu tiên sẽ có ảnh hưởng quyết định. Vì vậy khi thiết kế cần chọn tầng đầu có NF nhỏ và độ lợi cao.

G NF

11

PinoutP

A p

G NF

22

G NF

nn

NF

12121

3

1

21 ...

1...11

−

−++

−+

−+=

n

n

GGGNF

GGNF

GNFNFNF (công thức Friss)

61

Bài tập 11

Một ampli có 3 tầng khuếch đại với các thôngsố như sau:Xác định độ lợi công suất, hệ số nhiễu, nhiệt độnhiễu tương đương của ampli

62

Bài tập 11

Giải:Độ lợi

Hệ số nhiễu

Nhiệt độ nhiễu

63

Bài tập 12

Một ampli có 4 tầng khuếch đại với các thôngsố như sau:Xác định độ lợi công suất, hệ số nhiễu, nhiệt độnhiễu tương đương của ampli

64

Bài tập 13

Một ampli có ba tầngTổng nhiệt độ nhiễu không lớn hơn 70K. Độ lợi của ampli ít nhất là 45dB.Thông số của hai tầng sau của ampli

Xác định độ lợi nhỏ nhất của tầng thứ nhấtXác định hệ số nhiễu lớn nhất của tầng 1 tương ứng vớicâu 1.Giả sử tăng độ lợi của tầng 1 thêm 3dB (hệ số nhiễukhông thay đổi) xác định sự thay đổi của nhiệt độ nhiễu.

65

Bài tập 14

Một mạch thu (xem hình vẽ) có NF = 10dB, độ lợi 80dB, băng thông 6MHz. Công suất tín hiệu ngõ vào antenna là Si = 10pW. Giả sử không có mất mát trên dây dẫn sóng và nhiệt độ nhiễu của antenna là 150°K. Tìm nhiệt độ nhiễu tương đương của mạch thu (TR), của hệ thống (TS), công suất nhiễu ngõ ra, SNR tại đầu vào và đầu ra của hệ thống.

NF = 10dBG = 80dBB = 6MHz

output

TA

=1500K

Si

=10-11W

66

Bài tập 15

Thêm vào hệ thống trên một mạch tiền khuếch đại có hệ số nhiễu 3dB, độ lợi 13dB và băng thông 6MHz để cải thiện tỷ số SNR ở ngõ ra. Hãy tính lại nhiệt độ nhiễu tương đương và hệ số nhiễu của toàn hệ thống, công suất nhiễu ngõ ra và tỷ số SNR ngõ ra.

NF = 10dBG = 80dBB = 6MHz

outputNF = 3dBG = 13dBB = 6MHz

Tiền khuếch đại Mạch thu

TA

=1500K

Si

=10-11W

67

Bài tập 16

Nếu có suy hao 2dB trên dây dẫn sóng, hãy tính lại hệ số nhiễu toàn hệ thống, công suất nhiễu và tỷ số SNR ở ngõ ra.

NF = 10dBG = 80dBB = 6MHz

outputNF = 3dBG = 13dBB = 6MHz

Tiền khuếch đại Mạch thu

TA

=1500K

Si

=10-11WL = 2dB

68

Sơ đồ khối tổng quát

Mật mãhoá

Mã hoá nguồn

Ghép kênh

Mã hoá kênh

Đa truy nhập

Trải phổ

Nguồn tin

Dữ liệu số

Từ các nguồn khác

Chuỗi bit Đồng bộDạng sóng thông dải

Dữ liệu số

Nơi nhận tin

Kênh truyền

Tới các nơi khácKhông bắt buộcBắt buộc

XMT

RCV

Định dạng

Định dạng

Điều chế xung

Điều chế

Giải mã hoá nguồn

Giải mật mã

Giải mãHoá kênh

Tách kênh

Phát hiện

Giải điều chế

Giải trải phổ

Đa truy nhập

69

Câu hỏi?