›
›

Bài giảng Hệ thống viba số - Chương 2: Hệ thống viba số

ppt 59 trang phuongnguyen 80
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hệ thống viba số - Chương 2: Hệ thống viba số", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_he_thong_viba_so_chuong_2_he_thong_viba_so.ppt

Nội dung text: Bài giảng Hệ thống viba số - Chương 2: Hệ thống viba số

  1.  Ưu điểm của hệ thống truyền dẫn vô tuyến  Linh hoạt: có thể triển khai hệ thống truyền dẫn số rất nhanh và khi không cần thiết có thể tháo gỡ và nhanh chóng chuyển sang lắp đặt ở vị trí khác của mạng viễn thông. Ưu điểm này cho phép các nhà khai thác phát triển mạng viễn thông nhanh chóng ở các vùng cơ sở hạ tầng viễn thông chưa phát triển với vốn đầu tư thấp nhất.  Di động: chỉ có truyền dẫn vô tuyến mới đáp ứng được thông tin mọi nơi mọi thời điểm của các khách hàng viễn thông. Nhu cầu này không ngừng tăng ở thế kỷ 21 khi nhu cầu đi lại của con người ngày càng tăng. Ngoài các ưu điểm trên thông tin vô tuyến là phương tiện thông tin duy nhất cho các chuyến bay vào các hành tinh khác, thông tin hàng hải, định vị
  2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG VIBA SỐ  Nhược điểm của hệ thống truyền dẫn vô tuyến  Chịu ảnh hưởng rất lớn vào môi trường truyền dẫn : khí hậu thời tiết.  Chịu ảnh hưởng rất lớn vào địa hình: mặt đất, đồi núi, nhà cửa cây cối  Suy hao trong môi trường lớn  Chịu ảnh hưởng của các nguồn nhiễu trong thiên nhiên: phóng điện trong khí quyển, phát xạ của các hành tinh khác (khi thông tin vệ tinh)  Chịu ảnh hưởng nhiễu công nghiệp từ các động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện  Chịu ảnh hưởng nhiễu từ các thiết bị vô tuyến khác.  Dễ bị nghe trộm và sử dụng trái phép đường truyền thông tin
  3. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG VIBA SỐ  Sơ đồ khối của thiết bị  Sơ đồ khối máy phát  Sơ đồ khối máy thu  Xử lý baseband  ISI. Mẫu mắt (eye pattern)  Đổi mã  Mã hóa kênh truyền (channel coding)  Scrambler  Chuyển đổi từ nối tiếp ra song song  Điều chế  Khôi phục sóng mang
  4. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG VIBA SỐ  Tuyến truyền dẫn viba và các thành phần trong hệ thống viba:  Một số thông số ảnh hưởng đến tuyến truyền dẫn line of sight  Antenna  Suy hao trong không gian tự do  Các ảnh hưởng của khí quyển: Hấp thu, khúc xạ, ống dẫn  Các ảnh hưởng của địa hình: Phản xạ, vùng Fresnel, tán xạ  Kỹ thuật phân tập  Tính toán tuyến truyền dẫn  Hệ thống bảo vệ (tăng độ tin cậy của tuyến truyền dẫn)  Phân bố (sắp xếp) kênh truyền vô tuyến  Đo kiểm chất lượng
  5. I. Sơ đồ khối thiết bị Baseband Processing SOH Splitter Encoder Modulation Insert Scram Service Channel To BPF HPA Up-Mixer Duplexer Synthesister To Duplexer Stand-by Modulator Stand-by Transmitter Sơ đồ khối máy phát DMR có dự phòng
  6. Baseband Rx RF IF Mixer Demod Adaptive Time Decoder and SOH AMP COM domain Eq Descrambler Extract DRO Service Channel Diversity Rx BB Stand-by Receiver Stand-by Demod
  7. II. XỬ LÝ BASEBAND 1. Hiện tượng ISI và eye pattern  Đáp ứng xung của kênh truyền có băng thông bị hạn chế jc ( f ) Hc ( f ) = Hc ( f )e Non-constant amplitude Non-linear phase Amplitude distortion Phase distortion
  8. Inter-symbol interference (ISI): Model  Baseband system model x1 x 2 z Channel Rx. filter k xk  Tx filter r(t) xˆk  ht (t) hc (t) hr (t) Detector t = kT H ( f ) H ( f ) H ( f ) T x t c r 3 n(t)  Equivalent model Equivalent system z(t) h(t) Detector H ( f ) nˆ(t) H( f ) = Ht ( f )Hc ( f )Hr ( f ) filtered noise
  9.  Theo lý thuyết băng thông của hệ thống cần tối thiểu để không xãy ra ISI là Rs/2 [Hz] hay ngược lại tốc độ truyền tối đa để không xãy ra ISI đối với kênh truyền có băng thông là W sẽ là Rs =2W. Do đó tín hiệu đi qua kênh truyền xem như bộ lọc có đáp ứng xung thỏa yêu cầu trên gọi là bộ lọc Nyquist lý tưởng
  10. Ideal Nyquist pulse (filter) Ideal Nyquist filter Ideal Nyquist pulse H ( f ) h(t) = sinc( t /T ) T 1 − 2T − T 0 T 2T −1 1 f t 2T 2T 1 W = 2T
  11.  Như vậy nếu tại đầu thu ta có bộ lọc có đáp ứng xung giống như đáp ứng xung của bộ lọc Nyquist trong miền thời gian thì tín hiệu thu được sẽ không có ISI. Tuy nhiên bộ lọc Nyquist là lý tưởng ta chỉ có thể có các bộ lọc gần giống gọi là bộ lọc Rised Cosine
  12. | H( f ) |=| H ( f ) | Raised Cosine Filter:RC Nyquist Pulse Approximationh(t) = hRC (t) 1 1 0.5 0.5 r =1 r = 0.5 r = 0 −1 − 3 −1 0 1 3 1 −3T − 2T − T 0 T 2T 3T T 4T 2T 2T 4T T Rs Baseband W sSB= (1+ r) Passband W = (1+ r)R 2 DSB s
  13.  Raised-Cosine Filter Raised A Nyquist Cosine pulse (No ISI Filterat the sampling time) 1 for | f | 2W0 −W 2 | f | +W − 2W0 H( f ) = cos for 2W0 −W | f | W 4 W −W0 0 for | f | W cos[2 (W −W0 )t] h(t) = 2W0 (sinc( 2W0t)) 2 1−[4(W −W0 )t] W −W0 Excess bandwidth: Roll-off factor r = W −W0 W 0 r 1 0
  14. Example of pulse shaping Amp. [V] Baseband tr. Waveform Third pulse t/T First pulse Second pulse Data symbol
  15. ExampleAmp. [V] of pulse shaping Baseband received waveform at the matched filter output (zero ISI) t/T
  16. Eye pattern  Eye pattern: Dạng tín hiệu hiển thị trên dao động ký khi mà tín hiệu quét đáp Distortionứng với tín hiệu baseband ở tốc độ 1/T (T symbol duration) due to ISI Noise margin amplitude scale amplitude Sensitivity to timing error Timing jitter time scale
  17. Example of eye pattern: Binary-PAM, SRRC pulse  Perfect channel (no noise and no ISI)
  18. Example of eye pattern: Binary-PAM, SRRC pulse  AWGN (Eb/N0=20 dB) and no ISI
  19. Example of eye pattern: Binary-PAM, SRRC pulse  AWGN (Eb/N0=10 dB) and no ISI
  20. II. Xử lý baseband 2. Đổi mã: Đổi mã từ HDB3 hay CMI sang NRZ Sơ đồ mạch đổi mã từ CMI sang NRZ CMI in U1A U2A U3A 1 2 1 4 3 2 5 D Q NRZ out 2 PR R1 7404 3 CLK 1k 74136 6 CL Q 7474 1 C1 1n Ck Ví dụ cho chuỗi bit: 110000100111110
  21. II. Xử lý baseband  Dạng mã và dạng tín hiệu ở các vị trí CMI , D, Q như sau: CMI CMI Delayed CMI D Ck Out 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0
  22. II. Xử lý baseband U4A 1 3 2 U2A 4 U1A 4 74LS136 2 5 2 5 D PRE Q NRZ in PRE D Q 3 6 3 6 CLK Q CLK Q CLR 10 CLR 74LS74A U2B 74LS74A 1 1 12 9 Ck D PRE Q 11 8 U1B 10 CLK Q CLR 12 9 74LS74A D PRE Q 13 11 8 CLK Q U5A CLR 2 74LS74A 1 13 3 U3A 74LS28 CMI out 1 3 2 U5B 5 74LS32 4 6 74LS28 Mạch đổi mã NRZ sang CMI
  23. II. Xử lý baseband SV tự vẽ dạng tín hiệu
  24. II. Xử lý baseband 3. Channel Coding Nhiệm vụ của mã hóa kênh là để kiểm soát lỗi nhằm tăng độ tin cậy của hệ thống truyền dẫn. Bộ mã hóa chèn thêm một số bit theo một nguyên tắc định trước và tại đầu thu bộ giải mã sử dụng các thông tin của các bit chèn thêm để  Phát hiện lỗi:  Xác đinh đoạn nào của luồng số thu chứa lỗi. Thông báo cho nơi gửi hay nơi nhận về lỗi.  Giảm thiểu xác suất không phát hiện lỗi.  Sửa lỗi:  Đạt được sự giảm xác suất lỗi (hay tỷ số bit lỗi, BER) cho tỷ số Eb/N0 định trước.  Đối với xác suất lỗi cho trước giảm giá trị Eb/N0. Lượng giảm được gọi độ lợi của mã hoá đối với xác suất lỗi
  25. II. Xử lý baseband 4. Scrambler:  Tăng thêm các chuyển đổi mức ở luồng số để dễ dàng khôi phục lại đồng hồ từ tín hiệu thu. Điều này hết sức cần thiết để khôi phục lại luồng số thu.  Làm cho phổ của tín hiệu vô tuyến sau điều chế trải đều, tránh tình trạng phổ vạch dẫn đến khoá pha nhầm ở đầu thu.  Trong một số trường hợp ngẫu nhiên hoá các kênh vô tuyến khác nhau sẽ giảm nhiễu giữa các kênh này khi chúng làm việc ở tần số gần nhau.
  26. II. Xử lý baseband Ngẫu nhiên hoá được thực hiện theo hai phương pháp:  Ngẫu nhiên hoá đồng bộ (hay ngẫu nhiên hoá khởi động lại).  Ngẫu nhiên hoá tự đồng bộ. Nguyên tắc chung của cả hai phương pháp ngẫu nhiên hoá nói trên là luồng số cần phát được cộng modul-2 (Ex-OR) với luống số nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBS: Pseudo Random Binary Sequence) được tạo ra từ một bộ tạo mã giả ngẫu nhiên s( t) = m( t) c( t) m( t) =+ s( t) c( t)
  27. II. Xử lý baseband Máy phát Máy thu A S S A Số liệu Môi trường Số liệu truyền dẫn C C D1 D1 g( x )= xmm + x + 1 D2 D2 D3 D3 Dm-1 Dm-1 Dm Dm Scrambler Descrambler Sơ đồ ngẫu nhiên hóa tự đồng bộ
  28. II. Xử lý baseband Máy phát Máy thu Môi trường A S S A Số liệu truyền dẫn Số liệu C C Dm THĐB THĐB Dm X Dm-1 X Dm-1 mm−1 u u g( x )= x + x + 1 n n g g k Dm-2 k Dm-2 h h THĐB: tín hiệu ở ở i i đông bộ khung đ đ ộ ộ n 21 n g D 2 g D l l ạ ạ i i D1 D1 Scrambler Descrambler Sơ đồ ngẫu nhiên hóa đồng bộ
  29. II. Xử lý baseband  Trong cả hai sơ đồ trên vấn đề quan trọng nhất là chuỗi PRBS c(t) được tạo ra như thế nào: Các bộ tạo mã giả ngẫu nhiên được xây dựng trên cơ sở các đa thức tạo mã có cấu trúc là một chuỗi các flip-flop mắc nối tiếp với nhau với đường hồi tiếp qua các mạch Ex-OR g g1 g2 m−1 D1 D2 Dm-1 Dm Khóa đóng nếu g i = 1 Khóa mở nếu gi = 0 mm−1 Đa thức tạo chuỗi mã PRBS g( x )= x + gm−11 x + + g x + 1
  30. II. Xử lý baseband  Số các phần tử nhớ trong thanh ghi dịch xác định độ dài của chuỗi PRBS. Nếu đa thức tạo mã được chọn hợp lý (đa thức nguyên thuỷ) thì độ dài của chuỗi PRBS đạt giá trị cực đại và bằng: N = 2m-1 Ví dụ: Xét sơ đồ bộ tạo mã PRBS với m=3 g( x) = x3 + x +1
  31. II. Xử lý baseband 5. Khôi phục sóng mang: y'(t) Ve (t) Tín hiệu BPSK thu y(t) y"(t) BPF fc 2´ BPF 2 fc LPF cos 2´+( 2 ftc ') Sóng mang được khôi phục /2 2´ VCO cos( 2 ftc + ') Ký hiêu: Vòng khóa pha PLL BPF: Bộ lọc băng thông LPF: Bộ lọc thông thấp VCO: Bộ dao động được đieùe khiển bằng điện áp
  32. II. Xử lý baseband y (t) 2 Đến bộ quyết định mức a/ LPF u2(t) cos( 2 ftc + ') V e (t) Tín hiệu BPSK Chia Lọc VCO thu y(t) công suất vòng /2 u1(t) −+sin( 2 ftc ') LPF b/ y1(t) Đến bộ quyết định mức Giải điều chế M-PSK V e( t) Lọc vòng
  33. II. Xử lý baseband  Đọc thêm vấn đề cân bằng trong miền thời gian và miền tần số
  34. III. Hệ thống viba số 1. Các thông số ảnh hưởng đến tuyến line of sight a) Antenna: Có nhiều dạng antenna được sử dụng tuy nhiên trong thông tin viba thường sử dụng loại parabolic và thỉnh thoảng sử dụng loại loa kèn. Các antenna dạng này có tính chất hướng tính rất cao Kích thước của antenna parabol có đường kích nằm trong khoảng từ 0.5m đến 36m Các thông số của antenna parabol như sau: - Độ lợi của antenna: 4 A G = 20log e  2 G( dB) =17.7 + 20log D ( m ) + 20log f( GHz)
  35. III. Hệ thống viba số - Độ rộng búp sóng: Là một thông số quan trọng của antenna được xác định dựa vào mẫu bức xạ. Đối với antenna parabol được xác định 21.3  = fD ¢: là độ rộng búp sóng được xác ở điểm nữa công suất f: Tần số hoạt động có đơn vị là GHz D: Đường kính của antenna parabol đơn vị tính bằng m
  36. III. Hệ thống viba số  Beamwide của antenna có đường kính 3m vào khoảng dưới 2 độ ở tần số 4 – 6 GHz  Sử dụng antenna có đường kính càng lớn thì Beamwide càng giảm do đó giao thoa từ các nguồn tín hiệu khác hoặc từ các antenna lân cận được giảm thiểu đồng thời độ lợi cũng tăng cao  Tuy nhiên sẽ làm tăng độ khó khi cân chỉnh cho tuyến hoạt động. Các antenna phải được chỉnh cực kỳ chính xác và rất dễ mất liên lạc do gió đẩy antenna lệch và rất nghiêm trọng nếu antenna có đường kính lớn
  37. III. Hệ thống viba số  Cực tính: Để dễ hình dung ta xem ống dẫn sóng dạng chữ nhật được dùng làm antenna (dạng loa kèn: Horn) với các vector điện trường E nằm theo chiều dọc hoặc ngang thì antenna được xem là phân cực dọc hoặc ngang. Nếu tín hiệu được bức xạ theo cực tính ngang thì chỉ có một phần rất nhỏ tín hiệu được truyền đi có cực tính dọc và độ chênh lệch này vào khoảng 30 – 40dB. Hai kênh truyền có cùng tần số được đặt ở cùng vị trí thì phải có cực tính ngược nhau
  38. III. Hệ thống viba số  Trụ antenna: Trong một tuyến truyền dẫn trụ antenna càng cao thì cự ly truyền càng xa tuy nhiên giá thành càng cao Đối với tuyến dài 48Km có địa hình tương đối bằng phẳng thì cần trụ cao 75m Đối với trụ dây co thì diện tích đất phải rộng. Mỗi cạnh phải có chiều dài khoảng 80% chiều cao của antenna. Chẳng hạn antenna cao 90m thì cần diện tích tối thiểu là 111x128 hay diện tích đề nghị là 128x128
  39. III. Hệ thống viba số b. Suy hao trong không gian tự do: Năng lượng microwave là năng lượng điện từ mà được truyền đi trong không gian như sóng ánh sáng. Khí quyển và địa hình cũng gây ảnh hưởng suy hao năng lượng microwave Suy hao trong không gian tự do có thể được định nghĩa là suy hao giữa hai antenna đẳng hướng trong không gian tự do mà không xét đến ảnh hưởng của mặt đất và khí quyển Về mặt toán học suy hao không gian tự do được xác định 4 d Ls = 20log  LS =92.4 + 20log d( Km) + 20log f( GHz)
  40. III. Hệ thống viba số  Đây là thông số gây suy hao rất lớn. Xét một tuyến có chiều dài 48Km thì suy hao không gian tự do khoảng 132dB ở tần số 2GHz và 148dB ở tần số 12GHz. Như vậy nếu công suất phát là 1w thì công suất thu được là 10-13 w  Tuy nhiên nếu sử dụng antenna có tính định hướng cao thì độ lợi của antenna trong hệ thống có thể đạt đến khoảng 40dB. Do đó công suất thu được cải thiện từ 10-13 w đến 10-5 w
  41. III. Hệ thống viba số c. Ảnh hưởng của khí quyển  Hấp thu ▪ Hấp thu do oxygen: Tương đối nhỏ 0.01dB/Km ở tần số 2GHz và tăng lên 0.02dB/Km ở tần số 26GHz ▪ Hấp thu do mưa: ảnh hưởng lớn đến đường truyền đặc biệt ở những tần số cao. Tại tần số 6GHz hấp thu do hơi nước là 0.001dB/Km tuy nhiên khi hơi nước tăng lên do sương mù, mưa nhỏ thì hấp thu tăng lên 0.01dB/Km và nếu mưa lớn hấp thu lên đến 1dB/Km ▪ Để tăng độ tin cậy của tuyến truyền dẫn nên giảm chiều dài tuyến hay tăng trạm lặp hoặc sử dụng tần số thấp  Khúc xạ: Hiện tượng khúc xạ sẽ uốn cong các sóng vô tuyến lan truyền. Nếu xem như hiện tượng truyền sóng theo đường thẳng thì ảnh hưởng của khúc xạ sẽ làm cho bán kính trái đất thay đổi bởi một giá trị k
  42. Hiện tượng ống dẫn
  43. III. Hệ thống viba số d. Ảnh hưởng địa hình  Hiện tượng phản xạ  Vùng Fresnel  Hiện tượng tán xạ
  44. III. Hệ thống viba số
  45. III. Hệ thống viba số ndd F =17.3 12 n fD  D (Km) = d1 (Km)+ d2 (Km)  f: Tần số hoạt động GHz  n: vùng Fresnel 1, 2, 3
  46. III. Hệ thống viba số
  47. III. Hệ thống viba số e. Kỹ thuật phân tập:  Phân tập không gian 1.2´ 10−32sf 10(FM− V )/10 I = S d S : khoảng cách giữa 2 antenna phân tập 5m s 15m FM: Độ dự trữ fading V: Độ lệch về độ lợi của 2 antenna D: cự ly truyền Km : Hiệu suất của bộ chuyển mạch phân tập
  48. III. Hệ thống viba số  Phân tập tần số 80 f 10FM 10 I = f fd2 f: Độ lệch tần số giữa 2 antenna phân tập GHz f: Tần số hoạt động GHZ d: Cự ly truyền Km FM: Độ dự trữ fading dB
  49. III. Hệ thống viba số 2. Tính toán tuyến truyền dẫn  Độ lợi antenna parabol G( dB) =17.7 + 20log D ( m ) + 20log f( GHz) • Suy hao trong không gian tự do LS =92.4 + 20log d( Km) + 20log f( GHz) • Công suất thu PPGGLLRTTRSO= + + − −
  50. III. Hệ thống viba số Độ dự trữ fading EEbb FM= PR − P th = − NN 00 R req Mật độ phổ công suất nhiễu N0 =10log kT Tốc độ truyền dẫn Eb PRb− N0 = FM + +10log R N 0 req
  51. III. Hệ thống viba số  Xác suất vượt độ dự trữ fading −−7B C FM 10 PF =´7 10 cf d 10 c = 1: Địa hình bằng phẳng c = 4: Địa hình biển, duyên hải c = ¼: Địa hình đồi núi, khí hậu khô 2.5 C 3.5 0.85 B 1.5
  52. Bài tập  Cho tuyến truyền dẫn dài 40Km hoạt động ở tần số 3GHz. Hệ thống sử dụng antenna phát có đường kính 1m, antenna thu có đường kính 1.8m. Công suất phát 5w, suy hao do môi trường là 10dB. Suy hao do connector là 2dB a. Xác định công suất thu theo đơn vị dBw b.Hệ thống sử dụng điều chế QPSK với yêu cầu BER 10-5 Máy thu bao gồm bộ khuếch đại RF có hệ số nhiễu 4dB độ lợi 20dB, mạch Mixer suy hao 6dB, mạch trung tần có hệ số nhiễu 10dB. Độ dự trữ fading của hệ thống là 30dB. Cho biết tốc độ truyền bit tối đa của hệ thống để đạt được yêu cầu trên  Cho biết Q(x) = 10-5 tra bảng sẽ được x = 4.25
  53. STT Thông số Giá trị Ký hiệu 1 Công suất phát 2 Độ lợi antenna phát 3 Suy hao feeder phát 4 Các suy hao khác 5 Độ cao antenna phát, thu 6 Suy hao không gian tự do 7 Độ lợi antenna thu 8 Công suất thu 9 Hệ số nhiễu máy thu 10 Nhiệt độ nhiễu của hệ thống thu
  54. STT Thông số Giá trị Ký hiệu 11 Loại điều chế 12 BER yêu cầu 13 Độ dự trữ fading 14 Tốc độ truyền dẫn 15 Khoảng hở an toàn 16 Xác suất vượt dự trữ fading 17 Độ tin cậy của tuyến truyền dẫn
  55. II. Xử lý baseband 3. Phân bố kênh truyền 4. Hệ thống bảo vệ 5. Đo kiểm chất lượng:  Đo RF  Công suất phát ngõ ra  Tần số phát  Tần số dao động nội sai số cho phép 30ppm  Mức công suất dao động nội  Tần số dao động nội máy thu  Mức công suất dao dộng nội ở máy thu  Công suất ngõ vào RF máy thu (Xác định dường cong AGC)  Suy hao phản xạ ống dẫn sóng và áp suất
  56. III. Hệ thống viba số  Đo IF  Mức công suất ngõ vào IF (Ngõ vào Mixer)  Tần số trung tần và BW  Mức công suất ngõ vào (đến Demod)  Phổ công suất ngõ ra  Mẫu mắt sau khi giải điều chế  Đo ở baseband  Phân tích lỗi  Phân tích trượt  Phân tích không gian tín hiệu