Giáo trình Tín hiệu và phương thức truyền dẫn (Nghề: Điện tử dân dụng - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:55

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Tín hiệu và phương thức truyền dẫn (Nghề: Điện tử dân dụng - Trình độ: Cao đẳng)" được biên soạn với mục tiêu giúp các em sinh viên trình bày được các khái niệm cơ bản về các dạng tín hiệu dùng trong công nghệ điện tử và truyền thông; nêu được các phương thức truyền dẫn tín hiệu;...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Tín hiệu và phương thức truyền dẫn (Nghề: Điện tử dân dụng - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 1
LỜI GIỚI THIỆU Tín hiệu và phương thức truyền dẫn là một trong những mô đun cơ sở của nghề Điện tử dân dụng được biên soạn dựa theo chương trình khung đã xây dựng và ban hà nh năm 2017 của trường Cao đẳ ng nghề Cầ n Thơ dành cho nghề Điện tử dân dụng hệ Cao đẳ ng. Giáo trình được biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã được xây dựng ở mức độ đơn giản và dễ hiểu, trong mỗi bài ho ̣c đều có thí dụ và bài tập tương ứng để áp dụng và làm sáng tỏ phầ n lý thuyết. Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã dựa trên kinh nghiệm thực tế giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo các giáo trình hiện có và cập nhật những kiến thức mới có liên quan để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế. Nội dung giáo trình được biên soạn với lượng thời gian đào tạo 30 giờ gồm có: Chương MH09-01 Hệ thống thông tin dân dụng Chương MH09-02 Các phương thức điều chế và giải điều chế tín hiệu Chương MH09-03 Các phương thức truyền dẫn sóng điện từ Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những thiế u só t. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ điề u chỉnh hoàn thiện hơn. Cầ n Thơ, ngày .... tháng 8 năm 2018 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: Đỗ Hữu Hậu 2. Nguyễn Thị Ngọc Nương 2
MỤC LỤC TRANG TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN ........................................................................................ 1 LỜI GIỚI THIỆU...................................................................................................... 2 CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DÂN DỤNG ............................................ 7 1. Sơ đồ khối về nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin dân dụng ................ 7 1.1 Sơ đồ khối ............................................................................................................. 7 1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin dân dụng ........................................... 8 2. Chức năng và nhiệm vụ của các khối trong hệ thống thông tin dân dụng .......... 9 2.1 Phân loại các hệ thống thông tin dân dụng ............................................................. 9 2.2 Các nhược điểm của thông tin vô tuyến ............................................................... 12 3. Nguyên lý đổi tần và dịch phổ tín hiệu ............................................................... 17 3.1 Phổ của tín hiệu ................................................................................................... 17 3.2 Đổi tần................................................................................................................. 18 BÀI TẬP CHƯƠNG 1 ............................................................................................. 19 CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU ........................................................................................................................ 24 1. Khái niệm tín hiệu, các thành phần cơ bản và các tham số đặc trưng trong từng loại tín hiệu .............................................................................................................. 24 1.1 Khái niệm tín hiệu ............................................................................................... 24 1.2 Các tính chất của tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian t ..................................... 24 2. Các phương thức điều chế tín hiệu ......................................................................... 25 2.1 Ý nghĩa của điều chế............................................................................................ 25 2.2 Điều chế biên độ, điều tần và điều pha ................................................................. 26 2.3 Các phương thức điều chế tín hiệu ....................................................................... 26 3. Các phương thức giải điều chế tín hiệu .............................................................. 37 3.1 Giải điều chế tín hiệu điều biên (AM) .................................................................. 37 3.2 Giải điều chế tín hiệu điều tần và điều pha (FM,PM) ........................................... 39 BÀI TẬP CHƯƠNG 2 ............................................................................................. 41 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN SÓNG ĐIỆN TỪ ............. 43 1. Cấu tạo và tính chất của các môi trường truyền dẫn......................................... 43 1.1 Sợi quang ............................................................................................................ 43 1.2 Tầng đối lưu ........................................................................................................ 44 1.3 Tầng điện ly ......................................................................................................... 44 2. Các Phương thức truyền dẫn tín hiệu và lĩnh vực áp dụng ............................... 45 2.1 Truyền dẫn bằng nhiễu xạ trên mặt đất..................................................................45 2.2 Truyền dẫn bằng phản xạ tầng điện ly và tầng đối lưu...........................................45 3
2.3 Truyền dẫn bằng chuyển tiếp qua vệ tinh ............................................................. 45 2.4 Truyền dẫn bằng cáp ............................................................................................ 47 3. Các loại anten thông dụng ................................................................................... 49 3.1 Anten chấn tử vòng .............................................................................................. 49 3.2 Anten parapol ...................................................................................................... 49 3.3 Anten lưỡng cực nữa sóng ................................................................................... 51 3.4 Anten Yagi - Uda ....................................................................................................52 3.5 Anten Loga - chu kỳ................................................................................................53 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................55 4
́ GIA O TRÌ NH MÔN HỌC Tên môn học/mô đun: TÍN HIỆU VÀ PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN Mã môn học/mô đun: MH09 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun: - Vị trí: Môn học được bố trí sau khi sinh viên học xong các môn học chung, trước các môn học/ mô đun đào tạo chuyên môn nghề ở học kỳ I. - Tính chất: Là môn học kiến thức kỹ thuật cơ sở bắt buộc - Ý nghĩa và vai trò của môn học: Mục tiêu của môn học: - Về kiến thức: + Trình bày được các khái niệm cơ bản về các dạng tín hiệu dùng trong công nghệ điện tử và truyền thông. + Trình bày được các phương thức truyền dẫn tín hiệu - Về kỹ năng: + Nhận biết được thiết bị điện tử phù hợp dạng tín hiệu. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập. Nội dung của môn học: Thời gian (giờ) Thực hành, Số Tên chương, mục Tổng Lý thí nghiệm, Kiểm TT số thuyết thảo luận, tra bài tập 1 Chương1: Hệ thống thông tin dân 3 3 0 dụng 1. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động 1 của hệ thống thông tin dân dụng 2. Chức năng và nhiệm vụ của các 1 khối trong hệ thống thông tin dân dụng 3. Nguyên lý đổi tần và dịch phổ tín 1 hiệu 2 Chương 2:Các phương thức điều 15 10 5 chế và giải điều chế tín hiệu 1. Khái niệm tín hiệu, các thành phần 2 cơ bản và các tham số đặc trưng trong từng loại tín hiệu 2. Các phương thức điều chế tín hiệu 4 2 3. Các phương thức giải điều chế tín 4 3 hiệu 3 Chương 3:Các phương thức truyền 12 8 3 1 dẫn sóng điện từ 1. Cấu tạo và tính chất của các môi 2 trường truyền dẫn. 5
2. Các Phương thức truyền dẫn tín 2 hiệu và lĩnh vực áp dụng. 3. Các loại anten thông dụng 4 3 Cộng 30 20 9 1 6
CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DÂN DỤNG Mã chương:MH09-01 Giới thiệu: Hệ thống thông tin dân dụng có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong cuộc sống hàng ngày, nó giúp chúng ta có thể trao đổi thông tin, dữ liệu ở khoảng cách xa. Nó còn giúp chúng ta kết nối và trao đổi thông tin kiến thức lẫn nhau giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và con người. Mục tiêu: Học xong chương này học viên có khả năng:  Kiến thức: - Trình bày sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của các hệ thống thông tin dân dụng. - Trình bày chức năng nhiệm vụ của các khối.  Kỹ năng: - Phân tích các khối, chức năng trong một hệ thống thông tin dân dụng. - Nhận dạng và hiểu nguyên lý của các hệ thống thông tin dân dụng  Năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Có ý thức tự giác học tập. - Có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn nhau. - Tuân thủ nội quy và giờ giấc học tập. 1. Sơ đồ khối về nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin dân dụng Hệ thống thông tin dân dụng là sự kết hợp của phần cứng, phần mềm và mạng truyền thông được xây dựng và sử dụng để thu thập, tái tạo, phân phối và chia sẻ các dữ liệu thông tin nhằm phục vụ các mục tiêu của tổ chức, các thành phần kinh tế. Nó cũng là một hệ thống chuyển tải tin tức từ nguồn phát tin đến nơi nhận tin ở một khoảng cách nào đó. Hệ thống thông tin có thể thực hiện giữa một hay nhiều nguồn phát tin đồng thời đến một hay nhiều nơi nhận tin, do đó ta có kiểu thông tin một đường, đa đường, phương thức thông tin một chiều, hai chiều hay nhiều chiều. Môi trường thông tin đa tuyến hay hữu tuyến. 1.1 Sơ đồ khối Nguồn tin phát Khối phát Môi Khối thu Nơi nhận tin trường thông tin Nhiễu, can nhiễu hoặc tác nhân gây méo dạng Hình 0.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin dân dụng Hình 1.1 giới thiệu một sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin dân dụng, trong đó các tín hiệu phát và thu lan truyền trong môi trường đều được xem dưới dạng tín hiệu điện. * Nhiệm vụ của từng khối chức năng 7
Khối phát có chức năng xử lý tín hiệu tin tức và cung cấp vào môi trường thông tin một tín hiệu có dạng phù hợp với đặc tính của môi trường với điều kiện là nội dung của tin tức được truyền truyền đi không thay đổi. Khối phát có thể gồm các phần mã hóa, điều chế và khuếch đại phát. Môi trường thông tin là một môi trường vật lý cụ thể cho phép truyền tải tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu. Môi trường thông tin có thể dưới dạng hưu tuyến hoặc dưới dạng vô tuyến . Môi trường thông tin có gây đặc tính suy hao công suất tín hiệu và gây trễ pha tín hiệu khi truyền tin .Cự ly thông tin càng lớn thì độ suy hao và trễ pha càng nhiều. Khối thu có chức năng thu nhận tín hiệu tin tức từ môi trường thông tin, tái tạo lại tin tức để cung cấp đến nơi nhận tin. Khối thu có thể bao gồm các phần khuếch đại tín hiệu điện (bù sự suy hao trên môi trường truyền), giải điều chế và giải mã hóa (để khôi phục lại tín hiệu gốc ban đầu ở nơi phát), khối chọn lọc kênh thông tin (để lựa chọn đúng tín hiệu từ nguồn tin mà ta muốn thu nhận, trong khi môi trường thông tin có thể được sử dụng truyền tin đồng thời cho nhiều nguồn tin khác nhau). Một loại tín hiệu phụ nhưng luôn luôn xuất hiện và tồn tại trong bất kỳ hệ thống thông tin nào đó chính là khối nhiễu, can nhiễu, các tác nhân gây méo dạng. Đây là loại tín hiệu là ta không mong muốn thu nhận được tại nơi thu trong quá trình truyền tin Chúng có thể xuất hiện trong môi trường truyền tin dưới dạng nhiễu cộng hoặc nhiễu nhân. Do tính chất suy hao của môi trường thông tin, tín hiệu tin tức mà ta muốn truyền có thể bị suy hao công suất đến mức có thể bị xen lẫn với các tín hiệu nhiễu trong môi trường truyền hoặc tại nơi thu. Lúc này, quá trình thông tin là thất bại, nơi nhận tin không thể tái tạo lại tin tức từ nguồn phát. Nhiễu là các tín hiệu không mong muốn, xuất hiện một cách ngẫu nhiên trong môi trường hay từ các phần tử, linh kiện của thiết bị. Nhiễu cộng có thể được loại bỏ hoặc giảm thiểu từ các bộ lọc tần số, các bộ xử lý ngưỡng tại nơi thu. Đối với nhiễu nhân quá trình xử lý nhiễu phức tạp hơn nhiều, thường phải sử dụng các thuật toán thử và sai( chẳng hạn thuật toán logic mờ,mạng neural, chuỗi Markov…) Can nhiễu là nhiễu gây ra bởi các tác nhân chủ quan của con ngươi như nhiễu do nguồn tín hiệu từ nguồn phát khác, nhiễu do nguồn cung cấp công suất, nhiễu do các thiết bị phụ trợ …, Can nhiễu xuất hiện ở các dãi tần số khác với tần số muốn thu. Can nhiễu có thể được loại bỏ dễ dàng nhờ các phép lọc tần số thông thường. Tuy nhiên, can nhiễu cùng dãi tần rất khó được loại trừ, người ta phải dùng các phép mã hóa nguồn phù hợp. Tác nhân gây méo dạng tín hiệu thường sảy ra do các thành phần tử linh kiện trong thiết bị không có đặc tính tuyến tính. Tuy nhiên, điểm khác biệt giữa các tác nhân gây méo dạng này với nhiễu và can nhiễu là sự méo dạng chỉ sảy ra khi có tín hiệu phát. Sự méo dạng có thể được khắc phục nhờ các bộ sủa dạng (equalizer) trong hệ thống thông tin. Trong hệ thống thông tin nếu tin tức luôn truyền theo một duy nhất từ nguồn phát đến nguồn thu ta có hệ thông truyền đơn công (simple) Nếu hệ thống cho phép truyền tin tức theo hai chiều đồng thời gọi là hệ thống song công (full duplex) Nếu hệ thống cho phép thông tin theo hai chiều tuần tự nhau (tại một thời điểm chỉ có một bên phát và một bên thu) hệ thống bán song công (half duplex) 1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin dân dụng 1.2.1 Nguyên lý hoạt động 8
Tin tức từ nguồn tin phát đi được đưa vào khối phát. Tin tức ở đây có thể là digital hay analog tùy vào hệ được dùng. Nó có thể là tin tức về video, audio, hay các thứ khác. Trong hệ multiplex(đa hợp) có thể có nhiều nguồn vào. Trong hệ digital nó là một vi xử lý. Trong hệ analog nó là một mạch lọc thông thấp. Trong hệ lai nó là mạch lấy mẫu tin tức vào (analog)và digital-hóa để có một biến điệu xung mã PCM. Nói chung tín hiệu được mã hóa, điều chế và khuếch đại phát. Sau đó tin tức được đưa lên môi trường truyền. Một cách tổng quát, môi trường truyền làm suy giảm tín hiệu do nhiễu làm cho tín hiệu bị xấu đi so với nguồn. Trên môi trường truyền có thể chứa các bộ khuếch đại tác động. Ví dụ: Hệ thống repeater trong telephone hoặc như vệ tinh tiếp chuyển trong hệ thống viễn thông trong không gian. Dĩ nhiên, các bộ phận này cần thiết để giữ cho tín hiệu lớn hơn nhiễu. Môi trường truyền cũng có thể có nhiều đường (multiple paths) giữa input và output và chúng có thời gian trễ (time delay), tính chất giảm biên khác nhau. Những tính chất này có thể thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi này làm thay đổi bất thường (fading) tín hiệu ở ngõ ra của moi trường truyền. Tiếp đó tín hiệu được đưa đến khối thu có nhiệm vụ nhận tín hiệu ở ngõ ra của kênh và đổi nó thành tín hiệu băng gốc. Sự phân chia các vùng tần số (Frequency Allocations). Trong các hệ thông tin dùng không khí làm kênh truyền, các điều kiện về giao thoa và truyền sóng thì phụ thuộc chặt chẽ vào tần số truyền. Về mặt lý thuyết, bất kỳ một kiểu biến điệu nào (AM, FM, một băng cạnh - single sideband, phase shift keying, frequency shift keying...) đều có thể được dùng cho bất kỳ tần số truyền nào. Tuy nhiên, theo những qui ước quốc tế, kiểu biến điệu độ rộng băng, loại tin được truyền cần được xếp đặt cho từng băng tần. Bảng sau đây cho danh sách các băng tần, ký hiệu, điều kiện truyền và công dụng tiêu biểu của chúng. Ngoài ra còn có dãi sóng có tần số cao hơn 300GHz gọi là sóng siêu mili, dùng trong xử lý tia lazer, hồng ngoại không được sử dụng rộng rãi như sóng vô tuyến. Tia hồng ngoại kết hợp với bức xạ của nam châm tạo ra sức nóng. Tia tử ngoại, tia cực tím, tia X, tia gamma…rất ít ứng dụng trong ngành thông tin, vì nó không được ứng dụng nhiều. 1.2.2 Nguyên lý hoạt động của từng khối Nguyên lý hoạt động của khối truyền tin là nhận thông tin và chuyển hóa thành tín hiệu và sau đó xử lý tín hiệu cho phù hợp với môi trường truyền và cuối cùng là phát đi trên môi trường truyền dẫn. Thông tin có thể là âm thanh, hình ảnh, tiếng nói, văn bản … Xử lý có thể là mã hóa nguồn, ghép kênh, điều chế… Môi trường truyền tin: Tùy thuộc vào phương thức truyền dẫn, chúng ta sẽ có môi trường truyền tin. Người ta sử dụng môi trường truyền tin để truyền thông tin dựa trên các nguyên tắc lan truyền tín hiệu trong vật lý như lan truyền sóng âm, lan truyền tín hiệu trong dây dẫn, hay lan truyền sóng trong không khí… Nguyên lý hoạt động của khối nhận thông tin: Khối nhận thông tin hoạt động dựa trên các nguyên tắc thu tín hiệu trong các môi trường truyền dẫn trong vật lý, ví dụ như thu sóng vô tuyến, thu tín hiệu điện trong dây điện, cáp …. 2. Chức năng và nhiệm vụ của các khối trong hệ thống thông tin dân dụng 2.1 Phân loại các hệ thống thông tin dân dụng 2.1.1 Thông tin vô tuyến cố định Thông tin vô tuyến cố định được sử dụng chủ yếu trong truyền dẫn viba chuyển tiếp đường dài. Các máy phát máy thu được đặt ở các trạm đầu cuối hoặc trạm lặp. 2.1.2 Thông tin vô tuyến di động 9
Gần đây, thông tin di động đã trở thành một ứng dụng trong lĩnh vực thông tin vô tuyến. Phát triển của thông tin di động được bắt đầu bằng phát minh thí nghiệm về sóng điện từ của Hertz và điện báo vô tuyến của Marconi và vào thời kỳ đầu của phát minh thông tin vô tuyến , nó được sử dụng trong dịch vụ vận tải an toàn đường biển để điều khiển các con tàu, sau nó gồm có thông tin vô tuyến di động mặt đất, thông tin vô tuyến di động hàng hải, thông tin vô tuyến di động hàng không. Thông tin vô tuyến di động đóng một vai trò quan trọng trong các dịch vụ viễn thông. Các dịch vụ thông tin vô tuyến đang được phát triển một cách nhanh chóng và có thể phân chia chúng thành các dịch vụ viễn thông công cộng cho thông tin dùng riêng. Thông tin di động mặt đất: Hình 0.1 Thông tin di động mặt đất. Thông tin di động mặt đất thường được phân nhóm thành hệ thống công cộng và dùng riêng.... Hệ thống công cộng có nghĩa là hệ thống thông tin có thể truy nhập tới mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN), có điện thoại xe cộ, điện thoại không dây, chuông bỏ túi ... trong hệ thống dùng riêng cả hai loại hệ thống. Hệ thống thứ nhất là hệ thống dịch vụ công cộng chẳng hạn như cảnh sát cứu hoả, cấp cứu, điện lực và giao thông. Hệ thống thứ hai dùng cho các cá nhân hay công ty. Ở đây, ngoài dịch vụ kinh doanh sử dụng sóng vô tuyến dành riêng còn hệ thống MCA hệ thống kinh tế truy nhập đa kênh, sử dụng các kênh vô tuyến trong thông tin vô tuyến nội bộ các công ty hay và cá nhân chẳng hạn như máy bộ đàm và vô tuyến nghiệp dư. Ngoài những dịch vụ kể trên còn có các dịch vụ thông tin di động mặt đất mới khác xuất hiện như chuông bỏ túi có màn hiện hình, đầu cuối xa… Thông tin di động hàng hải: Hình 0.2 Thông tin di động hàng hải Thông tin di động hàng hải được phân chia thành hệ thống thông tin tàu thuyền giữa trạm gốc ở cảng và tàu đi dọc theo bờ biển và hệ thống thông tin vệ tinh hàng hải 10
đến các tàu ngoài khơi xa. Thông tin điện thoại tàu thuyền được phát triển từ điện báo vô tuyến sử dụng bằng sóng ngắn trung bình, còn hệ thống điện thoại tàu bè thực sự sử dụng băng tần VHF là hệ thống điện thoại của Great lakes ở Mỹ năm 1952. Ở châu âu kênh thông tin hai hướng mở rộng được phát triển theo các kiểu của Mỹ. Các nước ở vùng biển bắc bắt đầu khai thác hệ thống này năm 1956, nhưng hệ thống này thuộc kiểu khai thác công nhân với băng tần 150Mhz. Sau đó ITU - R đã khuyến nghị kiểu truy nhập tự động và bây giờ hệ thống 450Mhz NMT được khai thác ở phía bắc và kiểu tự động băng tần 250Mhz được sử dụng ở nhật. Thông tin di động hàng không Hình 0.3 Thông tin di động hàng không. Trong thông tin di động hàng không có dịch vụ điện thoại vô tuyến sân bay để kiểm soát bay và hệ thống điện thoại công cộng hàng không cho hành khách. Dịch vụ có điện thoại công cộng hàng không kiểu thông tin trực tiếp giữa đài mặt đất và máy bay - được sử dụng một phần ở Mỹ, Nhật và một sồ nước khác. Các kiểu chủ yếu của nó là ARINC và airfone là nhưng kiểu được phát triển ở Mỹ. Băng tần là 800 - 900 Mhz dùng chung với băng tần của thông tin di động mặt đất . Ðiều chế ở đây là SSB. Về truy nhập cuộc gọi, loại thứ nhất là chuyển vùng thông tin, loại sau là kiểu vùng thông tin phụ thuộc. 2.1.3 Thông tin vệ tinh Hình 0.4 Mô hình cung cấp dịch vụ Internet qua vệ tinh cho những khu vực nhỏ. 11
Hình 0.5 Các thành phần chính cho cơ sở hạ tầng mạng di động qua vệ tinh Hình trên trình bày nguyên lý của thông tin vệ tinh, trong đó một vệ tinh có các chức năng thu, phát và khuếch đại sóng vô tuyến được phóng vào không gian trở thành một trạm thông tin ngoài trái đất. Có nhiệm vụ thu sóng từ trái đất, khuếch đại chúng rồi phát chúng trở về một trạm khác trên mặt đất. Đường truyền từ mặt đất lên gọi là đường lên, đường truyền từ vệ tinh xuống mặt đất gọi là đường xuống. Để tránh can nhiễu giữa đường lên và đường xuống phải sử dụng các băng tần và sóng phân cực khác nhau. Có hai loại vệ tinh: vệ tinh quỹ đạo và vệ tinh địa tĩnh. Vệ tinh địa tĩnh có ưu điểm là vị trí của nó không thay đổi so với mặt đất, nó được phóng vào quỹ đạo ở độ cao 36000km so với đường xích đạo, thời gian để vệ tinh quay quanh một vòng trái đất là 24h. Vệ tinh thông tin bao gồm các thiết bị để phục vụ cho mục đích thông tin (thiết bị chức năng) và các thiết bị chung dùng cho việc trợ giúp các thiết bị chức năng. Thiết bị chức năng bao gồm anten để thu sóng vô tuyến từ trạm mặt đất và thiết bị chuyển tiếp thông tin để biến đổi và khuếch đại sóng vô tuyến thu rồi phát xuống mặt đất. Các trạm mặt đất bao gồm các phương tiện thông tin trên mặt đất sử dụng cho thông tin vệ tinh. Các phương tiện thông tin vệ tinh được chia thành anten, hệ thống máy phát và máy thu, hệ thống điều khiển thông tin. 2.2 Các nhược điểm của thông tin vô tuyến 2.2.1 Fading Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn. Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến măt đất như: - Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn - Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù...sự hấp thụ này phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt là dải tần cao (>10Ghz). - Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật đô không khí. - Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề măt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển. Đây cũng là môt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường. Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường. a) Fding phẳng Là Fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể và hầu như là hằng số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu. 12
Fading phẳng thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến có dung lượng nhỏ và vừa, do độ rộng băng tín hiệu khá nhỏ nên fading do truyền dẫn đa đường và do mưa gần như là xem không có chọn lọc theo tần số. Fading lựa chọn tần số (selective fading) Xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền. Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng kênh) sẽ chịu nhiều tác động của selective fading. Nói chung là đối toàn bộ băng thông kênh truyền thì nó ảnh hưởng không đều, chỗ nhiều chỗ ít, chỗ làm tăng chỗ làm giảm cường độ tín hiệu. Loại này chủ yếu do fading đa đường gây ra. Hình 0.7 Hiện tượng Fading Tác hại lớn nhất của loại fading này là gây nhiễu liền kí tự -ISI.Selective fading tác động lên các tần số khác nhau (trong cùng băng tần của tín hiệu) là khác nhau, do đó việc dự trữ như flat fading là không thể. Do đó để khắc phục nó, người ta sử dụng một số biện pháp: 1/ Phân tập (diversity): không gian (dùng nhiều anten phát và thu) và thời gian (truyền tại nhiều thời điểm khác nhau). 2/ Sử dụng mạch san bằng thích nghi, thường là các ATDE (Adaptive Time Domain Equalizer) với các thuật toán thích nghi thông dụng là Cưỡng ép không ZF (Zero Forcing) và Sai số trung bình bình phương cực tiểu LMS (Least Mean Square error); 3/ Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn có thể lớn do selective fading gây nên); 4/ Trải phổ tín hiệu (pha-đinh chọn lọc thường do hiện tượng truyền dẫn đa đường (multipath propagation) gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp, nhất là với máy thu RAKE, có khả năng tách các tia sóng và tổng hợp chúng lại, loại bỏ ảnh hưởng của multipath propagation); 5/ Sử dụng điều chế đa sóng mang mã tiêu biểu là OFDM (ứng dụng trong di động 3G, trong WIFI, WIMAX hay trong truyền hình số mặt đất DVB-T...) Tóm lại, fading phẳng chủ yếu do mưa mù và đa đường (nếu do hiện tượng đa đường thì chỉ với các kênh băng thông hẹp), fading chọn lọc thì chủ yếu do fading đa đường và kênh truyền rộng. b) Fading nhanh và fading chậm. * Nguyên nhân: - Fading nhanh (fast fading) hay còn gọi là hiệu ứng Doppler, nguyên nhân là có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thu được sẽ bị dịch tần đi 1 lượng delta_f so với tần sô phát tương ứng 13
fthu = fphát. (c + vthu) / (c+vphát) => delta_f=|fthu-fphát|=|v/(c+vphát)|.fphát Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu (tại cùng 1 t/s phát). Do đó hiện tượng này gọi là fading nhanh. Tuy nhiên, đó không phải là toàn bộ nội dung của fading nhanh mà các hiệu ứng đa đường (multipath) cũng có thể kéo theo sự biến đổi nhanh của mức nhiễu tại đầu thu gây ra fast fading. - Fading chậm (slow fading): Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền. VD: tòa nhà cao tầng, ngọn núi, đồi… làm cho biên độ tín hiệu suy giảm, do đó còn gọi là hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Hay sự không ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi là suy hao chậm. Vì vậy hiệu ứng này gọi là Fading chậm (slow fading). Như vậy, slow fading và fast fading phân biệt nhau ở mức độ biến đổi nhiễu tại anten thu. 2.2.2 Suy hao do mưa Cường độ của tín hiệu trên bất cứ một môi trường truyền nào đều bị suy giảm theo khoảng cách. Sự suy giảm này thường theo quy luật hàm logarit trong các đường truyền có định tuyến, hay theo một hàm phức tạp trong các môi trường không định tuyến tùy thuộc vào khoảng cách và áp suất không khí và cả các yếu tố mưa mù, khí hậu nữa. Tín hiệu suy giảm tác động đến các yếu tố sau: - Tín hiệu tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu có thể phát hiện và khôi phục tín hiệu - Tín hiệu nhận được tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu có thể phát hiện và khôi phục không bị sai lỗi. - Độ suy giảm thường là một hàm tăng theo tần số Hình 0.8 Suy hao do mưa. Thường để phát đi xa thì người ta cần các bộ khuếch đại lại tín hiệu và chuyển tiếp, với tần số càng cao thì thường bộ khuếch đại càng phải gần lại. 2.2.3 Nhiễu vô tuyến Nhiễu trắng (White Gaussian Noise) Nhiễu trắ ng là quá trình xá c suấ t có mâ ̣t đô ̣ phổ công suấ t phẳ ng( không đổ i ) trên toà n bô ̣ dả i tầ n 14
Hình 0.9 Nhiễu trắng. Qui luâ ̣t phân bố xá c xuấ t củ a nhiễu trắ ng tuân theo hà m phân bố Gaussian x2 1  2 y e  2 Nhiễu sinh ra do sự chuyể n đô ̣ng nhiê ̣t củ a cá c điê ̣n tử trong cá c linh kiê ̣n bá n dẫn. Nhữ ng âm thanh như tiế ng gió , tiế ng nước cũ ng là nhữ ng nguồ n nhiễu trắ ng. Cá c vấ n đề như thời tiế t, con người. Nhiễu xuyên âm (Intersymbol Inteference) Dả i thông tuyê ̣t đố i củ a cá c xung nhiễu mứ c đỉnh phẳ ng là vô ha ̣n. Nế u các xung nà y đươc lo ̣c không đúng khi chú ng truyề n qua mô ̣t hê ̣ thố ng thông tin thì chú ng sẽ ̣ trả i ra trên miề n thờ i gian và xung cho mỗi kí hiê ̣u sẽ chè n và o cá c khe thờ i gian bên ca ̣nh gây ra nhiễu giữ a cá c kí hiê ̣u (ISI). Hình 0.1 Nhiễu xuyên âm. Để giả m nhiễu xuyên âm người ta phả i là m thế nà o ha ̣n chế dả i thông mà vẫn không gây ra ISI Khi dả i thông bi ̣ giớ i ha ̣n, xung sẽ có đỉnh trò n thay vì đỉnh phẳ ng. Mô ̣t trong nhữ ng phương pháp để loa ̣i bỏ nhiễu ISI là dù ng bô ̣ lo ̣c cos nâng và bô ̣ lo ̣c ngang ép không (phương pháp Nyquist I) Nhiễu xuyên kênh (Interchannel Interference) ̣ Gây ra do cá c thiế t bi phá t trên cá c kênh kề nhau 15
Hình 0.2 Nhiễu xuyên kênh. Nhiễu đồ ng kênh (Cochannel Interference) Gây ra do 2 thiết bị phá t cù ng 1 tầ n số trong 1 ma ̣ng giao thoa vớ i nhau. Thường gă ̣p trong hê ̣ thố ng thông tin di đô ̣ng số cellular, trong đó có tăng hiê ̣u suất sử du ̣ng phổ bằ ng cá ch sử du ̣ng la ̣i tầ n số . Không thể dù ng bô ̣ lo ̣c để loa ̣i bỏ giao thoa nà y. Chỉ có thể tố i thiể u hó a nhiễu đồ ng kênh bằ ng cá ch thiế t kế ma ̣ng cellular phù hơp ̣ Hình 0.3 Nhiễu đồng kênh Tứ c là thiế t kế sao cho cá c cell trong ma ̣ng có sử du ̣ng cù ng nhó m tầ n số không ảnh hưởng tớ i nhau=>khoả ng cá ch cá c cell cù ng tầ n số phả i đủ lớ n Nhiễu đa truy nhâ ̣p (Multiple Access Interference) Là nhiễu gây ra do cá c tín hiê ̣u củ a cá c user giao thoa vớ i nhau. Hình 0.4 Nhiễu đa truy nhập. 16
3. Nguyên lý đổi tần và dịch phổ tín hiệu 3.1 Phổ của tín hiệu 3.1.1 Khái niệm về phổ tín hiệu Tín hiệu xác định thường được xem là một hàm xác định của biến thời gian t (s(t)). Hàm này có thể được mô tả bằng một biểu thức giải tích hoặc được mô tả bằng đồ thị. Một trong các đặc trưng vật lý quan trọng của tín hiệu là hàm mật độ phổ biên độ phức S(ω) . Với tín hiệu s(t) khả tích tuyệt đối, ta có cặp biến đổi Fourier sau: (1.1) (1.2) Sau đây là một số đặc trưng vật lý quen thuộc của tín hiệu: - Thời hạn của tín hiệu (T): Thời hạn của tín hiệu là khoảng thời gian tồn tại của tín hiệu, trong khoảng này giá trị của tín hiệu không đồng nhất bằng 0. - Bề rộng phổ của tín hiệu (F): Đây là miền xác định bởi tần số khác không cao nhất của tín hiệu. - Năng lượng của tín hiệu (E): Năng lượng của tín hiệu có thể tính theo miền thời gian hay miền tần số. 3.1.2 Các tham số đặc trưng của phổ tín hiệu Giữa tín hiện s(t) và phổ S(w) của nó được liên hệ với nhau bởi cặp tích phân Fourier. Dựa vào tính chất của phép tính tích phân, ta suy ra các tính chất sau đây của phổ tín hiệu. a) Tổng các tín hiệu Giả sử tín hiệu : (1.3) Khi đó phổ của tín hiệu s(t) là : (1.4) Trong đó là phổ của tín hiệu b) Tăng hoặc giảm độ lớn của tín hiệu. Giả sử tín hiệu s(t) có phổ là ,khi đó tín hiệu a s(t) (a là hằng số) sẽ có phổ là a (1.5) Tính chất thứ nhất và thứ hai còn được gọi là tính chất tuyến tính của phổ tín hiệu. c) Giữ chậm tín hiệu. Giả sử tín hiệu tồn tại trong khoảng thời gian từ đến .Tín hiệu của sẽ có phổ là : (1.6) Hình 0.1 Giữ chậm tín hiệu 17
d) Nén tín hiệu theo thời gian. Hình 0.2 Nén tín hiệu Giả sử tín hiệu bị nén thành tín hiệu Độ rộng của tín hiệu nhỏ hơn độ rộng của tín hiệu n lần và bằng T/n (n>1) Phổ của tín hiệu là (1.7) Trong tích phân trên ta thực hiện đổi biến Đặt x=nt ta sẽ nhận được : (1.8) Tích phân phần bên phải chính là hàm phổ của tín hiệu ,nhưng với tần số bằng nghĩa là . Do đó : . (1.9) Vậy khi nén tín hiệu lại theo n lần thì phổ của nó được mở rộng (dãn ) theo n lần theo trục tần số và biên độ phổ giảm theo n lần. Tương tự có thể suy ra rằng khi giản tín hiệu n lần theo trục thời gian thì phổ của nó sẽ bị nén lại n lần theo thục tần số và biên độ phổ sẽ tăng lên n lần. e) Vi phân và tích phân tín hiệu Vi phân tín hiệu có thể được thực hiện bằng cách vi phân tất cả các thành phần hài chứa phổ của nó. Mặt khác, từ phép biến đổi ngược Fourier : (1.10) Thì các thành phần phài ứng với tần số của tín hiệu có thể viết dưới dạng (1.11) Biểu thức trong dấu ngoặc vuông có thể được xem như biên độ của dao động trong dãi tần Thực hiện vi phân biểu thức trên ta sẽ nhận được : (1.12) Từ đó suy ra hàm phổ của vi phấn tín hiệu : bằng (1.13) Ta thấy khi vi phân tín hiệu theo thời gian sẽ làm tăng phổ ở vùng tần số cao, còn khi thực hiện tích phân theo thời gian sẽ làm tăng phổ ở vùng tần số thấp. Phổ của tích hai tín hiệu. Giả sử tín hiệu s(t) là tích của 2 tín hiệu g(t) và f(t): 18
s(t) = g(t).f(t) (1.14) Theo công thức biến đổi Fourier thuận: (1.15) ta xác định được phổ của tín hiệu s(t): S( (1.16) Gọi G( là phổ của tín hiệu g(t) F( là phổ của tín hiệu f(t). Theo công thức biến đổi ngược Fourier, ta có: g(t) = 1 ( (1.17) f(t) = 2 (1.18) Nếu trong tích phân (1.16), thực hiện thay hoặc g(t), hoặc f(t) từ các tích phân trên, ví dụ thay g(t) ta sẽ nhận được: S( = Biểu thức trong dấu ngoặc vuông của tích phân chính là mật độ phổ của hàm f(t) ứng với tần số -x, nghĩa là : =F( – x) Do đó, S( (1.19) Vậy phổ của tích hai tín hiệu bằng tích chập phổ của chúng nhân với thừa số . Từ các biểu thức (1.16), (1.19) dễ dàng nhận thấy rằng, trong trường hợp riêng, khi =0. = hay thay biến x = , ta nhận được: = = (1.20) trong đó = là hàm phổ liên hợp phức của hàm phổ Tương tự, có thể chứng minh được rằng, hàm phổ của tín hiệu s(t) là tích chập của hai tín hiệu f(t) và g(t). s(t) = f(t)*g(t) = bằng tích của các hàm phổ tương ứng, nghĩa là: = (1.21) Biểu thức (1.21) được sử dụng rộng rãi khi giải bài toán truyền tín hiệu qua mạch tuyến tính. Trong trường hợp này các hàm f(t) và g(t) là tín hiệu đầu vào và đặc tính xung cuả mạch, còn các hàm F và G là mật độ phổ (hàm phổ) của tín hiệu và hàm truyền đạt phức của mạch. 3.2 Đổi tần 3.2.1 Khái niệm về đổi tần 19
Đổi tần hay biến tần là quá trình biến đổi tần số của tín hiệu sang một tần số khác. Tần số mới của tín hiệu có thể cao hơn hoặc thấp hơn tần số cũ của tín hiệu nhưng thường là thấp hơn. Quá trình đổi tần là quá trình chuyển phổ. Trường hợp cần tần số mới thấp hơn tần số cũ, phải thực hiện chuyển phổ của tín hiệutừ phía tần số cao xuống tần số thấp. Quá trình chuyển phổ không được làm mất đi các thành phần phổ của tín hiệu. Điều đó có nghĩa lảtong quá trình chuyển phổ chỉ tần số là thay đổi,còn quy luật và dạng của tín hiệu phải được giữ nguyên Các bộ đổi tần đóng vai trò quan trọng trong các máy thu thanh, thu hình, rađar nó cho phép chuyển các tín hiệu thu được từ antena có tần số rất cao về tần số thấp hơn nhiều. Chẳng hạn với máy thu thanh khi hoạt động ở dải sóng ngắn có tần số khoảng 515 MHz, bộ đổi tần chuyển đổi chúng thành tín hiệu trung tần có tần số 465KHz. Ta biết rằng tần số càng thấp dễ khuyếch đại và dễ đạ được độ khuyếch đại lớn. Hơn nữa việc chuyển các tín hiệu có tần số biến đổi trong một phạm vi rộng như thế về một tần số cố định rất thuận lợi cho việc chế tạo nhiều tần khuyết đại trung tần làm tăng độ nhaỵ của máy thu. Ngày nay các máy thu đều thực hiện theo nguyên tắc này, chúng được gọi là máy thu đổi tần. Tín hiệu thu được từ antena của các máy thu này có thể là tín hiệu điều biên điều tần, điều chế xung. Sau khi đổi chung thành tín hiệu trung tần thì tín hiệu trung tần vẫn phải là tín hiệu điều biên, điều tần và điều chế xung. Giả sử có tín hiệu cao tần: U(t) = A(t).Sin ω t (1.22) Biên độ A(t) có thể là hằng số và cũng có thể là biến đổi thời gian t Chẳng hạn, nếu U(t) là tín hiệu điều biên thì: A(t)= U0(1 + mSin Ωt) (1.23) Khi đổi tần số có tín hiệu từ ω thành ω1, tín hiệu mới sẽ có dạng: U1t= U0(1+m Sin Ωt).Sin ω1t (1.24) Như vậy chỉ W đổi thành W1 còn biên độ vẫn giữ nguyên quy luật biến đổi của nó.Tần số ω 1 có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn ω. Nhưng thường thì ω 1 < ω .Ta biết rằng khi cho 2 tín hiệu có tần số ω 1 và ω qua một yếu tố phi tuyến, thì ở lối ra sẽ xuất hiện tín hiệu có chứa thành phần phổ ω + ω 1 Và ω - ω 1 và các thành phần phổ khác. Nếu dùng một bộ lọc để chọn một trong hai thành phần phổ trên, ta đã thực hiện được quá trình đổi tần. Thường người ta chọn thành phần ω - ω 1 Vậy bộ trộn tần phải có 1 yếu tố phi tuyến, 1 bộ lọc,và một máy phát. Để bảo đảm quy luật biến đổi của tín hiệu cần đổi tần, máy phát phải tạo ra dao động có biên độ không đổi, có tần số sai lệch với tần số cần chuyển nhưng đúng bằng tần số cần chuyển đến 3.1.2 Các phương pháp đổi tần Muốn đổi tần phải sử dụng yếu tố phi tuyến. Yếu tố phi tuyến thường sử dụng là diode bán dẫn và trasistor a) Bộ đổi tần bằng diode: Sơ đồ đổi tần được trình bày ở hình vẽ D Z Hình 0.1 Sơ đồ đổi tần bằng diode 20