Bài giảng: Truyền thông điện tử

9/12/2010

Truyền thông điện tử là quá trình

Sử dụng các mạch điện tử

9/12/2010

HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG: - TRUYỀN THÔNG TƯƠNG TỰ - TRUYỀN THÔNG SỐ

BỘ PHÁT

BỘ NHÂN

MÔI TRƯỜNG TRUYỀN

Dữ liệu nguồn

Dữ liệu đích

9/12/2010

VÍ DỤ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG

SỐ MODEM TƯƠNG TỰ MODEM SỐ

WAN/LAN (DIGITAL)

9/12/2010

TƯƠNG TỰ IP GATEWAY IP GATEWAY TƯƠNG TỰ

VÍ DỤ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG

AAAIR FREE SPACE FREE SPACE

RADIO RADIO STATION STATION

DS1

TƯƠNG TỰ TƯƠNG TỰ TƯƠNG TỰ

9/12/2010

TƯƠNG TỰ TƯƠNG TỰ CODEC CODEC

9/12/2010

(cid:153) TƯƠNG TỰ = LIÊN TỤC

(cid:153) SỐ = RỜI RẠC

9/12/2010

Điều chế: Chồng tín hiệu chứa thông tin ở tần số thấp

(intelligence signa/ information) với tín hiệu sóng mang ở tần số cao (tần số translation) để truyền đi.

Giải điều chế: giải mã tín hiệu chứa thông tin tần số thấp từ tín

hiệu tần số cao nhận được.

Tại sao phải điều chế?

Trên thực tế không thể truyền tín hiệu ở tần số thấp trong không gian nên phải tiến hành điều chế.

9/12/2010

Tại sao sóng mang phải có tần số cao? Truyền đồng thời mà không giao thao. Xây dựng các anten nhỏ. (i.e ¼ bước sóng)

(ở tần số audio, kích thước anten lên đến hàng dặm)

Điều chế là thay đổi tính chất của sóng mang theo tín hiệu chứa thông tin.

(cid:190)Modulating sinal = tín hiệu chứa thông tin tần số thấp (tín hiệu dải gốc) (cid:190)Unmodulated Carrier = sóng mang tần số cao. (cid:190)Modulated wave = tín hiệu kết quả

9/12/2010

SÓNG ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ

BỘ ĐIỀU CHẾ (UP CONVERTER)

TÌN HIỆU ĐIỀU CHẾ (CHỨA THÔNG TIN, TẦN SỐ THẤP)

MÔI TRƯỜNG TRUYỀN (KÊNH TRUYỀN)

DAO ĐỘNG TẠO SÓNG MANG (TẦN SỐ CAO)

9/12/2010

SÓNG ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ

BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ (DOWN CONVERTER)

TÌN HIỆU GIẢI ĐIỀU CHẾ (CHỨA THÔNG TIN, TẦN SỐ THẤP)

MÔI TRƯỜNG TRUYỀN (KÊNH TRUYỀN)

LOCAL OSCILLATOR (TẦN SỐ CAO)

9/12/2010

TRUYỀN THÔNG TƯƠNG TỰ

ANALOG RADIO

• AM, FM, PM (Điều chế tương tự)

TRUYỀN THÔNG SỐ

DIGITAL RADIO

• ASK, PSK, FSK, QAM (Điều chế số)

TRUYỀN TẢI SỐ

• PWM, PPM, PAM, PCM/ADPCM/DPCM

9/12/2010

Hệ thống truyền thông tương tự: năng lượng được phát/ nhận ở dạng tương tự.

• ANALOG TRUYỀN TẢI: tín hiệu mang thông tin là tương tự

Không điều chế, tín hiệu dải gốc được truyền qua cáp đồng

•ANALOG RADIO: tín hiệu điều chế và sóng mang đều là tương tự.

Điều chế (i.e. AM, FM, PM), Tín hiệu SSB/DSB được truyền trong FREE SPACE/ khí quyển trái đất (lan truyền RF).

9/12/2010

• DIGITAL TRUYỀN TẢI – HỆ THỐNG SỐ THẬT SỰ:

Xung số (i.e. TTL, NRZ, PCM) được truyền trên cáp đồng/ cáp quang (không có sóng mang tương tự). Thông tin dạng tương tự/ số (cần chuyển đổi A/D VÀ D/A).

• DIGITAL RADIO:

Sóng mang tương tự được điều chế số(i.e. PAM, QAM, ASK, PSK, FSK, PWM). Truyền qua cáp đồng, cáp quang hay FREE SPACE

9/12/2010

0 t

1 f

Vtv )( =

ft 2 sin( ) θπ +

9/12/2010

Signal

ω 2 π

1 = T Phase

=)( tv V = f = =θ

Carrier Amplitude Frequency Angle =

ĐIỀU CHẾ

Có thể là Cosin

FM PM

AM

Vtv )( =

ft 2 sin( ) θπ +

TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ TƯƠNG TỰ

TÍN HIỆU SÓNG MANG CHƯA ĐIỀU CHẾ

QAM

ASK

FSK

PSK

9/12/2010

TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ SỐ ĐiỀU CHẾ

Tín hiệu thông tin được chuyển đổi sang năng lượng sóng

điện từ và có thể lan truyền trong một dãy tần số:

(cid:153) Thế hoặc dòng theo cáp đồng.

(cid:153)Sóng radio phát trong free space.

(cid:153)Sóng ánh sáng ở cáp quang.

9/12/2010

FREQUENCY RANGE EXAMPLE

30 Hz - 300 Hz .300Hz - 3 kHz 3 kHz - 30 kHz 30 kHz - 300 kHz 300 kHz - 3 MHz 3 MHz - 30 MHz 30 MHz - 300 MHz

300 MHz - 3 GHz f > 1 GHz 3 GHz - 30 GHz DESIGNATION ELF VF VLF LF MF HF VHF VHF UHF UHF SHF

AC POWER (60 Hz) VOICE (SPEECH) MILITARY SYSTEMS NAVIGATION AM (535 kHz - 1605 kHz) SHORT WAVES (CBs) FM (88 MHz - 108 MHz) TV Chs 2 - 13 (54 MHz - 216 MHz) TV Chs 14 - 83, CELLULAR PHONES MICROWAVE, SATELLITE COMMUNICATION MICROWAVE, SATELLITE COMMUNICATION SPECIALIZED RADIO COMMUNICATION APPLICATIONS EHF

30 GHz - 300 GHz 300 GHz - 300 THz INFRARED HEAT SINK GUIDANCE SYSTEMS

9/12/2010

VISIBLE LIGHT 300 THz - 3 PHz OPTICAL FIBER SYSTEMS

]

[λ

Bước sóng: chiều dài một chu kỳ của sóng radio (EMV) chiếm trong không gian.

λ Wavelength

cycle

]

[

=λ

[ m

]

=λ

v f

Speed frequency

light [

3[ cycle

x /

10 s ,

sm ]/ ]

= =

↑

λ↓

9/12/2010

]

[λ

, kHz

MHz

=λ

VVÍÍ DDỤỤ:: 1 , 100 f kHz = Xác định bước sóng λ 10 3

↑ ,f

λ↓

=λ

10 5

=λ

10 7

x 10 3 x 10 x 10

9/12/2010

(cid:190)Phổ của tín hiệu là dải tần số của tín hiệu. (cid:190)Băng thông tuyệt đối (absolute bandwith)của tín hiệu là độ rộng phổ (nhiều tín hiệu có băng thông vô hạn). (cid:190)Hầu hết năng lượng của tín hiệu chứa trong 1 dải tần số tương đối hẹp gọi là băng thông hiệu quả (effective bandwith), còn gọi là băng thông 3dB, zero crossing bandwith , hay purely bandwith, B [Hz]:

LOW

[Hz

]

HIGH f −

fB =

CRITERIA:

B ≥ c

Kênh truyền thông không thể lan truyền tín hiệu chứa dải tần số lớn hơn băng thông của kênh truyền đó

9/12/2010

)

(ωF

dBB 3

)

( F ω o

)

( F ω o 2

oω−

oω zcB

t )(

F ⎯→←

ωF ( )

9/12/2010

VVÍÍ DDỤỤ::

Cho thoại (speech, not hifi): 300 hz - 3000 hz

Kênh truyền thoại cần băng thông nhỏ nhất là : 3000 Hz – 300 Hz = 2700 Hz

9/12/2010

Lượng thông tin có thể truyền đi trên kênh truyền trong một khoảng thời gian.

HARTLEY’S LAW (BELL LABS) Dung lượng kênh truyền là hàm tuyến tính:

txBC ∝

C: dung lượng kênh B: băng thông kênh (Hz) t: thời gian truyền tải(secs)

9/12/2010

Trong 1 kênh truyền có nhiễu, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N) là tỷ lệ của năng lượng tín hiệu trên năng lượng nhiễu được đo ở bộ nhận

(

/ NS

)

log

Signal Noise

Power Power

⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠

⎛ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝

SHANNON’S HAYEM (BELL LABS)

C: channel capacity (bps) / bit rate B: channel băng thông (Hz) S/N: tỷ số tín hiệu/ nhiễu

log 2

)

log 2

)

S N

9/12/2010

VÍ DỤ

Sử dụng kênh thoại để truyền dữ liệu số thông qua Modem B = 3100Hz, S/N = 30 dB = ratio CỦA 1000:1

bps

log

)

3100

log

1000

)

894,30

BC =

S N

Tốc độ này chỉ là maximum lý thuyết. Không thể đạt được với cơ chế mã hóa 2-level binary.

• Giữ nguyên tất cả các yếu tố, tăng băng thông làm tăng tốc độ dữ liệu.

9/12/2010

Bit rate = số bit trên 1 giây. Baud rate = số symbol trên 1 giây.

Sử dụng cơ chế mã hóa đa level để đạt được giới hạn Shannon. Truyền M thành phần tín hiệu, mỗi thành phần n bits .

M 2=

Ví dụ: Hệ thống 2-level binary: M = 2, N = 1. Một thành phần tín hiệu = 1 bit. Truyền một thành phần tín hiệu = Truyền 1 bit

(BAUD RATE = BIT RATE)

•Ví dụ: 16-QAM. M = 16, N = 4. Một thành phần tín hiệu = 4 bit. Truyền một thành phần tín hiệu = Truyền 4 bit 9600 bps = 2400 bauds.

9/12/2010

i

• Đơn công (Simplex) [SX]: chỉ truyền 1 hướng, hệ thông chỉ truyền hoặc nhận. Ví dụ: radio station.

X R

i

• Bán song công (Half Duplex) [HDX]: Truyền cả 2 hướng không đồng thời Ví dụ: CB Radio

X/R X/R

i

• Toàn công (Full Duplex) [FDX]: Truyền cả hai hướng đồng thời (truyền thông điểm điểm) Ví dụ: telephone system

X/R X/R

X/R X/R X/R

...

i

9/12/2010

• Full/Full Duplex [F/FDX]: Truyền cả 2 hướng, đồng thời (truyền thông đa điểm) Ví dụ: Hệ thống truyền thông dữ liệu

Đơn công, mạch thụ động:

TÍN HIỆU

R X

Đơn công, mạch chủ động(bộ khuếch đại được sử dụng):

REFERENCE (RETURN PATH/GND)

Vấn đề suy hao

U TƯƠNG TỰỰ:: A R X

Toàn công:

DDỮỮ LILIỆỆU TƯƠNG T •• BBỘỘ KHUKHUẾẾCH ĐCH ĐẠẠI I DDỮỮ LILIỆỆU SU SỐỐ:: •• TRTRẠẠM LM LẶẶPP

HYBRID

X X

MODULATION/ MULTIPLEXING

R R

2-wire

9/12/2010

4-wire 4-wire

Toàn công, mạch chủ động:

A X R

•Mạch tốn chi phí ít hơn Không cần Hybrid, bộ điều chế

•Chi phí cao khi vận hành (Chi phí dây + lao động)

9/12/2010

A R X

• Cần thiết kế khi mạch 2 dây được nối với mạch 4 dây

- Hybrid cung cấp phối hợp trở kháng, trở kháng cân bằng để loại bỏ hiện tượng echo (do sự phản xạ) - Hybrid cung cấp sự tách biệt giữa 2 tín hiệu

HYBRID HYBRID

T1T1

HYBRID HYBRID SYMBOL SYMBOL

ZZ 4 DÂY 4 DÂY HAI DÂY HAI DÂY

9/12/2010

T2T2

22--wirewire 22--wirewire

HYBRID HYBRID 22--wirewire 22--wirewire HYBRID HYBRID

9/12/2010

22--wirewire 22--wirewire AA

I TRUNG TÂM TTỔỔNG ĐNG ĐÀÀI TRUNG TÂM

( CO ) ( CO ) TELEPHONE SET TELEPHONE SET AT CPE AT CPE

22--wirewire CUSTOMER LOOP CUSTOMER LOOP (LOCAL LOOP) (LOCAL LOOP)

HYBRID HYBRID

TRUNG KẾẾ TRUNG K 44--wirewire

AA AA

44--wirewire

TELEPHONE SET TELEPHONE SET AT CPE AT CPE

CUSTOMER LOOP CUSTOMER LOOP (LOCAL LOOP) (LOCAL LOOP) 22--wirewire

9/12/2010

HYBRID HYBRID

TELEPHONE SET (POTS) TELEPHONE SET (POTS)

TIPTIP

BBỘỘ NHNHẬẬNN (LOA) (LOA) TO LOOP TO LOOP HYBRID HYBRID RINGRING BBỘỘ PHPHÁÁT T

9/12/2010

(MICROPHONE) (MICROPHONE)

SET A SET A (TALKING) (TALKING)

HYBRID HYBRID

XAXA

Z MISMATCH: Z MISMATCH: REFLECTION REFLECTION I NGHE ECHO NGƯỜỜI NGHE ECHO NGƯ

AA AA

ECHO NGƯỜỜI NI NÓÓII ECHO NGƯ Z MISMATCH: Z MISMATCH: REFLECTION REFLECTION SET B SET B (RECEIVING) (RECEIVING)

RBRB

9/12/2010

HYBRID HYBRID

a đang nóói thêm suy hao 3

B hay i thêm suy hao 35 d5 dB hay

dò thoạại/ Tone

Khi 1 phíía đang n

i/ Tone –– Khi 1 ph

ng thờời, i, ngưngườời ni nóói vi vớới ti tíín hin hiệệu mu mạạnh hơn s

nh hơn sẽẽ

u khiẻẻn chuy

nghe đượợcc

n chuyểển mn mạạch vch vàà ccóó ththểể nghe đư 1800 dặặm.m.

ng cho trung kếế ddàài hơn

•• BBộộ dò tho ch 4 dây. hơn trong đườờng vng vềề ccủủa ma mạạch 4 dây. hơn trong đư •• NNếếu cu cảả 2 ph2 phíía na nóói đi đồồng th điđiềều khi •• SSửử ddụụng cho trung k •• CCáác Tone đ

i hơn 1800 d mEcho. c Tone đặặc bic biệệt ct cóó ththểể đư đượợc sc sửử ddụụng đng đểể ttắắt bt bộộ gigiảảmEcho.

t điểểm:m:

CTLCTL

u thoạại ci cóó ththểể bbịị i thoạại đi đổổi i

(khi doạạn hn hộội tho

BBỘỘ DÒ TH AI/ TONE DÒ THỌỌAI/ TONE

CTLCTL

KhuyKhuyếết đi n song •• ChChỉỉ ccóó ththểể đ đạạt đưt đượợc bc báán song công. công. •• Đo Đoạạn bn bắắt đt đầầu tho ccắắt bt bỏỏ (khi do hưhướớng đng độột ngt ngộột).t).

9/12/2010

lý tíín hin hiệệu su sốố đ đểể ddựự đo đoáán echo cho t

Echo làà kkỹỹ thuthuậật xt xửử lý t i, khoảảng dng dựự đo đoáán đưu

n đưuọọc trc trừừ đi khi t

đi khi tíín hin hiệệu trên đư

n echo cho tíín n u trên đườờng vng vềề..

•• HuHuỷỷ Echo l hihiệệu tu tớới, kho • Bộ huỷ echo được nối với phía 4 dây của bộ Hybrid.

X(t)X(t)

HYBRID HYBRID ECHOECHO CANCELER CANCELER

Y(t)Y(t)

ZZ’’(t)(t)

--

Z(t) Z(t) -- ACTUAL X(t) ZZ’’(t) ACTUAL X(t)’’s ECHO s ECHO s ECHO ESTIMATED X(t)’’s ECHO (t) -- ESTIMATED X(t)

++

9/12/2010

Y(t) + Z(t) Y(t) + Z(t) (t) ] E(t) = Y(t) + [ Z(t) -- ZZ’’(t) ] E(t) = Y(t) + [ Z(t)

Mixing làà ququáá trtrìình knh kếết ht hợợp 2 hay nhi Mixing l

p 2 hay nhiềều tu tíín hin hiệệuu

•Linear mixing: Các tín hiệu vào được kết hợp tuyến tính thông qua thiết bị tuyến tính. Không có thành phần tần số mới được tạo ra.

•Non-linear mixing: Các tín hiệu vào được kết hợp không tuyến tính thông qua thiết bị không tuyến tính. Các thành phần tần số mới được tạo ra.

9/12/2010

GAINGAIN

A =

Vout Vin

9/12/2010

++

HARMONICS HARMONICS

UNDESIRED: FREQUENCY DISTORTION UNDESIRED: FREQUENCY DISTORTION DESIRED: FREQUENCY MULTIPLICATION DESIRED: FREQUENCY MULTIPLICATION

9/12/2010

CROSS PRODUCT FREQUENCIES CROSS PRODUCT FREQUENCIES UNDESIRED: INTERMODULATION DISTORTION UNDESIRED: INTERMODULATION DISTORTION DESIRED: MODULATION DESIRED: MODULATION

9/12/2010

WHEN 2 OR MORE FREQUENCIES ARE AMPLIFIED IN A NONLINEAR DEVICE, WHEN 2 OR MORE FREQUENCIES ARE AMPLIFIED IN A NONLINEAR DEVICE, HARMONIC AND INTERMODULATION DISTORTIONS ARE PRESENT AT THE HARMONIC AND INTERMODULATION DISTORTIONS ARE PRESENT AT THE OUTPUT OUTPUT

HARMONIC DISTORTION HARMONIC DISTORTION

> nf) (f (f ——> nf)

OUTPUT SPECTRUM FROM A NONLINEAR AMPLIFIER WITH TWO INPUT OUTPUT SPECTRUM FROM A NONLINEAR AMPLIFIER WITH TWO INPUT FREQUENCIES. FREQUENCIES.

mf ± a

INTERMODULATION DISTORTION INTERMODULATION DISTORTION

9/12/2010

(CROSS PRODUCTS = (CROSS PRODUCTS = m,n = 1,2,3,…………)) m,n = 1,2,3,

VVíí ddụụ::

Khuếch đại phi tuyến với 2 tần số 5 kHz and 7 kHz,

• Xác định 3 hài đầu tiên của tín hiệu ngõ ra mỗi tần số:

5 kHz, 7kHz, 10kHz, 14 kHz, 15 kHz, 21 kHz

• Xác định tích chéo với m và n có giá trị là 1 và 2

m = 1, n = 1 m = 1, n = 2 m = 2, n = 1 m = 2, n = 2

7 kHz +- 5 kHz = 2 kHz and 12 kHz 7 kHz +- 10 kHz = 3 kHz and 17 kHz 14 kHz +- 5 kHz = 9 kHz and 19 kHz 14 kHz +- 10 kHz = 4 kHz and 24 kHz 44

9/12/2010

NHINHIỄỄUU

PHÂN TÍÍCHCH PHÂN T

9/12/2010

nh nghĩĩa la làà năng lư

năng lượợng đi

n không ng điệện không

NhiNhiễễu điu điệện đưn đượợc đc địịnh ngh mong muốốn rơi v mong mu

n rơi vàào do dảải qua c

i qua củủa ta tíín hin hiệệuu

TTíín hin hiệệu không c

u không cóó nhinhiễễuu

TTíín hin hiệệu cu cóó nhinhiễễuu

9/12/2010

NhiNhiễễu đưu đượợc phân lo

c phân loạại:i:

i quan hệệ gigiữữa ta tíín hin hiệệu u

i khi tồồn tn tạại ti tíín hin hiệệu)u)

i trong suốốt t

U TƯƠNG QUAN: : CCóó mmốối quan h •• NHINHIỄỄU TƯƠNG QUAN u (Nhiễễu chu chỉỉ ttồồn tn tạại khi t vvàà nhinhiễễu (Nhi •• NHINHIỄỄU KO TƯƠNG QUAN U KO TƯƠNG QUAN: : NhiNhiễễu tu tồồn tn tạại trong su hay không. ququáá trtrìình bnh bấất cht chấấp tp tíín hin hiệệu cu cóó hay không.

9/12/2010

Nhiễu không tương quan được phân loại:

•NHIỄU NGOẠI: Nhiễu phát sinh bên ngoài thiết bị hay mạch.

•NHIỄU NỘI: Giao thoa điện phát sinh theo thiết bị hay mạch.

9/12/2010

Nguồn chính của nhiễu không tương quan ngoại là:

•Nhiễu không khí: Nhiễu phát sinh cùng với không khí Trái đất (Điện trường tĩnh = Lightning)

•Nhiễu extraterrestrial: Nhiễu deep space, (Nhiễu thái dương hệ, nhiễu vũ trụ)

•Nhiễu do con người tạo ra: Nhiễu công nghiệp (Hệ thống khởi động, motor điện, máy móc tạo ra tia hồ quang)

9/12/2010

Nguồn chính của nhiễu không tương quan ngoại là:

• Shot Noise: Sóng mang đến 1 cách ngẫu nhiên tại đầu ra của thiết bị điện (Q)

• Transit Time Noise: Khi sóng mang di chuyển từ đầu vào đến đầu ra của thiết bị.

•Nhiễu nhiệt: Dao động nhiệt của electrons trong chất dẫn điện.

9/12/2010

•• Nhiễu nhiệt: Dao động nhiệt của electrons trong chất dẫn điện.

NoisePower

W (

)

≡

Boltzmann

const

ant

≡

KTB

Temperatur

Ke (

)

≡

Bandwith

(

)

≡

⎧ ⎪ ⎪ ⎨ T ⎪ ⎪ ⎩

9/12/2010

Nhiễu tương quan tạo ra bởi bộ khuếch đại phi tuyến:

• Biến dạng hài: hài không mong muốn của tín hiệu tạo ra bởi bộ khuếch đại phi tuyến.

• Biến dạng giao điều chế: tạo ra tổng/ hiệu tần số không mong muốn (tích chéo), khi 2 hay nhiều tín hiệu khuếch đại qua thiết bị phi tuyến

• Nhiễu xung: tạo ra các xung bất thường.

9/12/2010

•Biến dạng hài thứ N là tỷ lệ của biên độ rms “tần số hài Nth “ so với biên độ rms của tần số cơ bản.

• THD là tỷ lệ của tổng bình phương của biên độ rms của hài tần số cao hơn so với biên độ rms của tần số cơ bản.

9/12/2010

HIGHER

THD

100

FUNDAMENTA

HIGHER

V

V n

≡

+

K

NG BÌNH PHƯƠNG CỦỦA Đi A ĐiỆỆN THN THẾẾ RMS C I TRÊN RMS CỦỦA CA CÁÁC HC HÀÀI TRÊN

TTỔỔNG BÌNH PHƯƠNG C PHPHẦẦN N CƠ BCƠ BẢẢNN

FUNDAMENTA

THTHẾẾ RMS C RMS CỦỦA TA TẦẦN SN SỐỐ CƠ BCƠ BẢẢNN

V

≡

9/12/2010

Để giao điều chế xảy ra, phải có 2 hay nhiều input tín hiệu (để trộn).

CROSS

PRODUCTS

≡

1 nf ±

• f1, f2 là tần số cơ bản (f1 > f2)

• m, n là số nguyên dương giữa 1 và vô cùng

9/12/2010