›
›

Bài giảng Truyền thông điện tử - Bài 1: Giới thiệu hệ thống truyền thông điện tử

pdf 55 trang phuongnguyen 4420
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Truyền thông điện tử - Bài 1: Giới thiệu hệ thống truyền thông điện tử", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_truyen_thong_dien_tu_bai_1_gioi_thieu_he_thong_tru.pdf

Nội dung text: Bài giảng Truyền thông điện tử - Bài 1: Giới thiệu hệ thống truyền thông điện tử

  1. 1 9/12/2010
  2. Truyền thông điện tử là quá trình Sử dụng các mạch điện tử 2 9/12/2010
  3. HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG: - TRUYỀN THÔNG TƯƠNG TỰ -TRUYỀN THÔNG SỐ Dữ liệu MÔI TRƯỜNG BỘ PHÁT BỘ NHÂN Dữ liệu nguồn TRUYỀN đích 3 9/12/2010
  4. VÍ DỤ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SỐ MODEM TƯƠNG TỰ MODEM SỐ WAN/LAN (DIGITAL) IP IP TƯƠNG TỰ GATEWAY GATEWAY TƯƠNG TỰ 4 9/12/2010
  5. VÍ DỤ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG FREEAAAIR SPACE RADIO STATION TƯƠNG TỰ TƯƠNG TỰ TƯƠNG TỰ DS1 TƯƠNG TỰ CODEC CODEC TƯƠNG TỰ 5 9/12/2010
  6. 6 9/12/2010
  7. ™ TƯƠNG TỰ = LIÊN TỤC ™ SỐ = RỜI RẠC 7 9/12/2010
  8. 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. 8 9/12/2010
  9. 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. ¾Modulating sinal = tín hiệu chứa thông tin tần số thấp (tín hiệu dải gốc) ¾Unmodulated Carrier = sóng mang tần số cao. ¾Modulated wave = tín hiệu kết quả 9 9/12/2010
  10. TÌN HIỆU ĐIỀU CHẾ BỘ ĐIỀU CHẾ SÓNG ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ (CHỨA THÔNG TIN, (UP CONVERTER) TẦN SỐ THẤP) MÔI TRƯỜNG TRUYỀN (KÊNH TRUYỀN) DAO ĐỘNG TẠO SÓNG MANG (TẦN SỐ CAO) 10 9/12/2010
  11. TÌN HIỆU GIẢI ĐIỀU SÓNG ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ CHẾ (DOWN CONVERTER) (CHỨA THÔNG TIN, MÔI TRƯỜNG TRUYỀN TẦN SỐ THẤP) (KÊNH TRUYỀN) LOCAL OSCILLATOR (TẦN SỐ CAO) 11 9/12/2010
  12. 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 12 9/12/2010
  13. 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). 13 9/12/2010
  14. • 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 14 9/12/2010
  15. V 0 t V 1 θ T = f v(t) =V sin(2πft +θ) 15 9/12/2010
  16. v(t) = Carrier Signal V = Amplitude 1 ω f = Frequency = = θ = Angle = PhaseT 2π Có thể là TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ Cosin ĐIỀU CHẾ AM FM PM TƯƠNG TỰ TÍN HIỆU SÓNG v(t) =V sin(2πft +θ) MANG CHƯA ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU QAM ĐIỀU CHẾ ASK FSK PSK SỐ ĐiỀU CHẾ 16 9/12/2010
  17. Tín hiệu thông tin được chuyển đổi sang năng lượng sóng điện từ và có thể lan truyền trong một dãy tần số: ™ Thế hoặc dòng theo cáp đồng. ™Sóng radio phát trong free space. ™Sóng ánh sáng ở cáp quang. 17 9/12/2010
  18. FREQUENCY RANGE DESIGNATION EXAMPLE 30 Hz - 300 Hz ELF AC POWER (60 Hz) .300Hz - 3 kHz VF VOICE (SPEECH) 3 kHz - 30 kHz VLF MILITARY SYSTEMS 30 kHz - 300 kHz LF NAVIGATION 300 kHz - 3 MHz MF AM (535 kHz - 1605 kHz) 3 MHz - 30 MHz HF SHORT WAVES (CBs) 30 MHz - 300 MHz VHF FM (88 MHz - 108 MHz) VHF TV Chs 2 - 13 (54 MHz - 216 MHz) 300 MHz - 3 GHz UHF TV Chs 14 - 83, CELLULAR PHONES f > 1 GHz UHF MICROWAVE, SATELLITE COMMUNICATION 3 GHz - 30 GHz SHF MICROWAVE, SATELLITE COMMUNICATION SPECIALIZED RADIO COMMUNICATION 30 GHz - 300 GHz EHF APPLICATIONS 300 GHz - 300 THz INFRARED HEAT SINK GUIDANCE SYSTEMS VISIBLE 300 THz - 3 PHz LIGHT OPTICAL FIBER SYSTEMS 18 9/12/2010
  19. [ λ ] Bước sóng: chiều dài một chu kỳ của sóng radio (EMV) chiếm trong không gian. λ v λ = Wavelength [m / cycle] λ = [m ] f v = Speed of light [3 x 108 m / s] ↑ f , ↓ λ f = frequency [cycle / s, Hz] 19 9/12/2010
  20. [ λ ] VÍ DỤ: f =1kHz, f =100 kHz, f =10 MHz Xác định bước sóng λ 3 x10 8 λ = = 3 x10 5 m 10 3 3 x10 8 λ = = 3 x10 3 m ↑ f , ↓ λ 10 5 3 x10 8 λ = = 30 m 10 7 20 9/12/2010
  21. ¾Phổ của tín hiệu là dải tần số của tín hiệu. ¾Băng thông tuyệt đối (absolute bandwith)của tín hiệu là độ rộng phổ (nhiều tín hiệu có băng thông vô hạn). ¾Hầu 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]: B = fHIGH − fLOW [Hz] CRITERIA: B c ≥ B i Kênh truyền thông không thể lan truyền tín hiệu chứa dải tần số lớn hơn băng thông của kênh truyền đó 21 9/12/2010
  22. F (ω ) B 3 dB F (ω o ) F (ω o ) 2 − ω o ω o ω B zc F B A f (t) ←⎯→ F(ω) 22 9/12/2010
  23. VÍ DỤ: Cho thoại (speech, not hifi): 300 hz - 3000 hz Kênh truyền thoại cần băng thông nhỏ nhất là : 3000 Hz – 300 Hz = 2700 Hz 23 9/12/2010
  24. 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: C: dung lượng kênh C ∝ B x t B: băng thông kênh (Hz) t: thời gian truyền tải(secs) 24 9/12/2010
  25. 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 ⎛ ⎞ ⎜ Signal Power ⎟ dB ⎜ ⎟ ( S / N ) = 10 log ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ Noise Power ⎠ SHANNON’S HAYEM (BELL LABS) C: channel capacity (bps) / bit rate B: channel băng thông (Hz) S/N: tỷ số tín hiệu/ nhiễu C B = S S C = B log 2 (1 + ) log 2 (1 + ) N N 25 9/12/2010
  26. VÍ DỤ Sử dụng kênh thoại để truyền dữ liệu số thông qua Modem B = 3100Hz, S/N = 30 dB = ratio CỦA 1000:1 S C = B log 2 (1+ ) = 3100 log 2(1+1000 ) = 30,894 bps 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. 26 9/12/2010
  27. 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 = 2N 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. 27 9/12/2010
  28. • Đơn công (Simplex) [SX]: chỉ truyền 1 hướng, hệ thông chỉ truyền hoặc nhận. X i R Ví dụ: radio station. • Bán song công (Half Duplex) [HDX]: Truyền cả 2 hướng không đồng thời X/R i X/R Ví dụ: CB Radio • Toàn công (Full Duplex) [FDX]: Truyền cả hai hướng đồng thời (truyền X/R i X/R thông điểm điểm) Ví dụ: telephone system • Full/Full Duplex [F/FDX]: X/R X/R X/R Truyền cả 2 hướng, đồng thời (truyền i thông đa điểm) Ví dụ: Hệ thống truyền thông dữ28liệu 9/12/2010
  29. Đơn công, mạch thụ động: TÍN HIỆU X R REFERENCE (RETURN PATH/GND) Đơn công, mạch chủ động(bộ khuếch đại được sử dụng): DỮ LIỆU TƯƠNG TỰ: Vấn đề A X R • BỘ KHUẾCH ĐẠI suy hao DỮ LIỆU SỐ: • TRẠM LẶP Toàn công: HYBRID HYBRID X MODULATION/ X MULTIPLEXING R R 2-wire 4-wire 4-wire 29 9/12/2010
  30. Toàn công, mạch chủ động: X A R R A X •Mạch tốn chi phí ít hơn Không cần Hybrid, bộ điều chế •Chi phí cao khi vận hành (Chi phí dây + lao động) 30 9/12/2010
  31. •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 - Hybrid cung cấp sự tách biệt giữa 2 tín hiệu HYBRID T1 SYMBOL HAI DÂY Z 4 DÂY T2 31 9/12/2010
  32. 2-wire 2-wire A 2-wire HYBRID HYBRID 2-wire 2-wire 2-wire A 32 9/12/2010
  33. TỔNG ĐÀI TRUNG TÂM TELEPHONE SET ( CO ) AT CPE CUSTOMER LOOP (LOCAL LOOP) 2-wire HYBRID TRUNG KẾ 4-wire A A A TELEPHONE SET 4-wire AT CPE CUSTOMER LOOP (LOCAL LOOP) 2-wire HYBRID 33 9/12/2010
  34. TELEPHONE SET (POTS) TIP BỘ NHẬN TO LOOP (LOA) RING HYBRID BỘ PHÁT (MICROPHONE) 34 9/12/2010
  35. SET A (TALKING) HYBRID XA Z MISMATCH: REFLECTION ECHO NGƯỜI NGHE A A A Z MISMATCH: REFLECTION SET B ECHO NGƯỜI NÓI (RECEIVING) RB HYBRID 35 9/12/2010
  36. • Bộ dò thoại/ Tone – Khi 1 phía đang nói thêm suy hao 35 dB hay hơn trong đường về của mạch 4 dây. • Nếu cả 2 phía nói đồng thời, người nói với tín hiệu mạnh hơn sẽ điều khiẻn chuyển mạch và có thể nghe được • Sử dụng cho trung kế dài hơn 1800 dặm. • Các Tone đặc biệt có thể được sử dụng để tắt bộ giảmEcho. Khuyết điểm: • Chỉ có thể đạt được bán song A CTL công. CTL • Đoạn bắt đầu thoại có thể bị BỘ DÒ THỌAI/ TONE cắt bỏ (khi doạn hội thoại đổi CTL hướng đột ngột). A 36 9/12/2010
  37. • Huỷ Echo là kỹ thuật xử lý tín hiệu số để dự đoán echo cho tín hiệu tới, khoảng dự đoán đưuọc trừ đi khi tín hiệu trên đường về. • Bộ huỷ echo được nối với phía 4 dây của bộ Hybrid. X(t) X(t) ECHO HYBRID CANCELER Y(t) Z’(t) Z(t) - ACTUAL X(t)’s ECHO + Z’(t) - ESTIMATED X(t)’s ECHO E(t) = Y(t) + [ Z(t) - Z’(t) ] Y(t) + Z(t) 37 9/12/2010
  38. Mixing là quá trình kết hợp 2 hay nhiều tín hiệu •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. 38 9/12/2010
  39. GAIN Vout A = Vin 39 9/12/2010
  40. 40 9/12/2010
  41. + HARMONICS UNDESIRED: FREQUENCY DISTORTION DESIRED: FREQUENCY MULTIPLICATION 41 9/12/2010
  42. CROSS PRODUCT FREQUENCIES UNDESIRED: INTERMODULATION DISTORTION DESIRED: MODULATION WHEN 2 OR MORE FREQUENCIES ARE AMPLIFIED IN A NONLINEAR DEVICE, HARMONIC AND INTERMODULATION DISTORTIONS ARE PRESENT AT THE OUTPUT 42 9/12/2010
  43. HARMONIC DISTORTION (f(f ——>> nf)nf) OUTPUT SPECTRUM FROM A NONLINEAR AMPLIFIER WITH TWO INPUT FREQUENCIES. INTERMODULATION DISTORTION (CROSS PRODUCTS = mf a ± nf b m,n = 1,2,3, ) 43 9/12/2010
  44. Ví dụ: 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 7 kHz +- 5 kHz = 2 kHz and 12 kHz m = 1, n = 2 7 kHz +- 10 kHz = 3 kHz and 17 kHz m = 2, n = 1 14 kHz +- 5 kHz = 9 kHz and 19 kHz m = 2, n = 2 14 kHz +- 10 kHz = 4 kHz and 24 kHz 44 9/12/2010
  45. NHINHIỄỄUU PHÂNPHÂN TTÍÍCHCH 45 9/12/2010
  46. NhiNhiễễuu đđiiệệnn đưđượợcc đđịịnhnh nghnghĩĩaa llàà nnăăngng llưượợngng đđiiệệnn khôngkhông mongmong mumuốốnn rrơơii vvààoo ddảảii quaqua ccủủaa ttíínn hihiệệuu Tín hiệu không có nhiễu Tín hiệu có nhiễu 46 9/12/2010
  47. NhiNhiễễuu đưđượợcc phânphân loloạại:i: •• NHINHIỄỄUU TTƯƠƯƠNGNG QUANQUAN:: CCóó mmốốii quanquan hhệệ gigiữữaa ttíínn hihiệệuu vvàà nhinhiễễuu (Nhi(Nhiễễuu chchỉỉ ttồồnn ttạạii khikhi ttồồnn ttạạii ttíínn hihiệệu)u) •• NHINHIỄỄUU KOKO TTƯƠƯƠNGNG QUANQUAN:: NhiNhiễễuu ttồồnn ttạạii trongtrong susuốốtt ququáá trtrììnhnh bbấấtt chchấấpp ttíínn hihiệệuu ccóó hayhay không.không. 47 9/12/2010
  48. 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. 48 9/12/2010
  49. 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) 49 9/12/2010
  50. 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. 50 9/12/2010
  51. •Nhi• ễu nhiệt: Dao động nhiệt của electrons trong chất dẫn điện. ⎧N ≡ NoisePower (W ) ⎪ ⎪K ≡ Boltzmann's constant N = KTB ⎨ ⎪T ≡ Temperature (K) ⎩⎪B ≡ Bandwith (Hz) 51 9/12/2010
  52. 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. 52 9/12/2010
  53. •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. 53 9/12/2010
  54. VHIGHER %THD = x 100 V FUNDAMENTAL 2 2 2 VHIGHER ≡ V 2 +V 3 +K+Vn TỔNG BÌNH PHƯƠNG CỦA ĐiỆN THẾ RMS CỦA CÁC HÀI TRÊN PHẦN CƠ BẢN VFUNDAMENTAL ≡ THẾ RMS CỦA TẦN SỐ CƠ BẢN 54 9/12/2010
  55. Để giao điều chế xảy ra, phải có 2 hay nhiều input tín hiệu (để trộn). CROSS PRODUCTS ≡ mf 1± nf 2 • f1, f2 là tần số cơ bản (f1 > f2) • m, n là số nguyên dương giữa 1 và vô cùng 55 9/12/2010