Header Page of 237 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Đặng Trần Chiến NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU SỐ Ngành: Cơng nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang Hà Nội – 2009 Footer Page of 237 Header Page of 237 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ IV TỪ VIẾT TẮT Error! Bookmark not defined MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined Đặt vấn đề Error! Bookmark not defined Tóm tắt Error! Bookmark not defined Mục tiêu Error! Bookmark not defined CHƢƠNG Error! Bookmark not defined CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU SỐ Error! Bookmark not defined 1.1 Phân tích dạng xung Error! Bookmark not defined 1.1.1 Cơ xung băng tần sở Error! Bookmark not defined 1.1.2 Các tham số băng tần sở Error! Bookmark not defined 1.1.3 Phân tích dạng xung tín hiệu Error! Bookmark not defined 1.1.4 Phân tích mẫu mắt Error! Bookmark not defined 1.2 Phân tích vector tín hiệu điều chế số Error! Bookmark not defined 1.2.1 Cơ điều chế tín hiệu số Error! Bookmark not defined 1.2.2 Nguyên lý phân tích vector tín hiệu điều chế Error! Bookmark not defined 1.2.3 Kết phân tích vector tín hiệu số Error! Bookmark not defined 1.3 Phân tích phổ tần số Error! Bookmark not defined 1.3.1 Chuyển đổi miền thời gian miền tần số Error! Bookmark not defined 1.3.2 Nguyên lý máy phân tích phổ tín hiệu Error! Bookmark not defined 1.3.3 Kết phân tích phổ Error! Bookmark not defined CHƢƠNG Error! Bookmark not defined CÁC QUY TRÌNH ĐO LƢỜNG Error! Bookmark not defined 2.1 Đo dạng xung Error! Bookmark not defined 2.1.1 Máy đo dạng xung Error! Bookmark not defined 2.1.2 Quy trình đo dạng xung Error! Bookmark not defined 2.2 Đo mẫu mắt tín hiệu Error! Bookmark not defined 2.2.1 Các máy đo mẫu mắt Error! Bookmark not defined 2.2.2 Quy trình đo mẫu mắt tín hiệu Error! Bookmark not defined 2.3 Phân tích vector tín hiệu điều chế Error! Bookmark not defined 2.3.1 Các thiết bị phân tích vector Error! Bookmark not defined 2.3.2 Quy trình phân tích vector Error! Bookmark not defined 2.4 Phân tích phổ tín hiệu Error! Bookmark not defined 2.4.1 Các thiết bị phân tích phổ tín hiệu Error! Bookmark not defined 2.4.2 Quy trình phân tích phổ tín tín hiệu Error! Bookmark not defined CHƢƠNG Error! Bookmark not defined MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐO Error! Bookmark not defined 3.1 Giới thiệu phần mềm mô OpticSystem 7.0 Error! Bookmark not defined 3.2 Phân tích kết đo dạng xung Error! Bookmark not defined 3.3 Phân tích kết đo mẫu mắt Error! Bookmark not defined 3.4 Phân tích kết phân tích vector Error! Bookmark not defined 3.5 Phân tích kết phân tích phổ Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined Ƣu điểm hạn chế kỹ thuật phân tích Error! Bookmark not defined - Phương pháp phân tích dạng xung Error! Bookmark not defined - Phương pháp phân tích mẫu mắt tín hiệu Error! Bookmark not defined - Phương pháp phân tích phổ tín hiệu Error! Bookmark not defined - Phương pháp phân tích vector tín hiệu Error! Bookmark not defined Kết luận Error! Bookmark not defined Đề xuất Error! Bookmark not defined Footer Page of 237 Header Page of 237 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined Footer Page of 237 Header Page of 237 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn tín hiệu số Error! Bookmark not defined Hình 1.2: Lấy mẫu tín hiệu với tần số khác Error! Bookmark not defined Hình 1.3: Các mức lượng tử hóa đồng Error! Bookmark not defined Hình 1.4: Lượng tử hóa đồng tín hiệu hình sin Error! Bookmark not defined Hình 1.5: Lỗi lượng tử hóa .Error! Bookmark not defined Hình 1.6: Giản đồ loại mã đường truyền Error! Bookmark not defined Hình 1.7: Mặt nạ xung chuẩn tốc độ 2048kbit/s Error! Bookmark not defined Hình 1.8: Phổ cơng suất số loại mã đường Error! Bookmark not defined Hình 1.9: Sơ đồ cấu tạo máy dao động (osilloscope) Error! Bookmark not defined Hình 1.10: Sơ đồ khối chức máy sóng tín hiệu số Error! Bookmark not defined Hình 1.11: Dạng xung tín hiệu đầu thu .Error! Bookmark not defined Hình 1.12: Kết phép phân tích mẫu mắt tín hiệu Error! Bookmark not defined Hình 1.13: Độ rộng mắt truyền dẫn .Error! Bookmark not defined Hình 1.14: Kết hiển thị độ mở mắt tín hiệu .Error! Bookmark not defined Hình 1.15: Mẫu mắt tín hiệu giá trị mức “1”, “0” Error! Bookmark not defined Hình 1.16: Kết minh họa rung pha tín hiệu Error! Bookmark not defined Hình 1.17: Sơ đồ khối điều chế ASK Error! Bookmark not defined Hình 1.18: Dạng tín hiệu điều chế khóa dịch biên độ ASK Error! Bookmark not defined Hình 1.19a: Sơ đồ khối giải điều chế khơng kết hợp tín hiệu ASK Error! Bookmark not defined Hình 1.19b: Sơ đồ khối giải điều chế kết hợp tín hiệu ASK Error! Bookmark not defined Hình 1.20: Sơ đồ khối điều chế FSK Error! Bookmark not defined Hình 1.21: Sơ đồ khối giải điều chế FSK .Error! Bookmark not defined Hình 1.22: Sơ đồ khối giải điều chế FSK .Error! Bookmark not defined Hình 1.23: Giản đồ chòm với tín hiệu 2, 4, 16 256-QAM Error! Bookmark not defined Hình 1.24: Sơ đồ khối chức điều chế QAM Error! Bookmark not defined Hình 1.25: Sơ đồ khối chức giải điêu chế QAM .Error! Bookmark not defined Hình 1.26: Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động thiết bị phân tích vector tín hiệu sốError! Bookmark not defi Hình 1.27: Sự chồng phổ kí hiệu Error! Bookmark not defined Hình 1.28: Sử dụng băng thơng dự trữ để loại bỏ chồng phổ Error! Bookmark not defined Hình 1.29: Kết đo vector lỗi Error! Bookmark not defined Hình 1.30: Kết đo vùng vector lỗi Error! Bookmark not defined Hình 1.31: Kết lỗi pha điều chế .Error! Bookmark not defined Hình 1.32: Lỗi dịch gốc I/Q tín hiệu điều chế Error! Bookmark not defined Hình 1.33: Đồ thị biểu diễn hệ số không cân Error! Bookmark not defined Hình 1.34: Lỗi cân cầu phương Error! Bookmark not defined Hình 1.35: Giản đồ vector cân cầu phương Error! Bookmark not defined Hình 1.36: Đồ thị méo pha tín hiệu Error! Bookmark not defined Hình 1.37: Giản đồ chòm thể tín hiệu nhiễu tín hiệu .Error! Bookmark not defined Hình 1.38: So sánh số phép tính phải thực DFT, FFT SDFTError! Bookmark not defined Hình 1.39: Sơ khối chức máy phân tích phổ tín hiệu số Error! Bookmark not defined Hình 1.40: Sơ đồ chức khối thích ứng tín hiệu Error! Bookmark not defined Hình 1.41: Dạng xung tín hiệu tần số tín hiệu, tần số quét tần IFError! Bookmark not defined Hình 1.42: Sơ đồ khối chức máy phân tích quang phổ Error! Bookmark not defined Hình 1.43: Phương pháp phân tích cố định sử dụng để đo PMDError! Bookmark not defined Hình 1.44: Nguyên lý đo CD Error! Bookmark not defined Hình 1.45: Các đường cong thu với phương pháp xấp xỉ bậc haiError! Bookmark not defined Hình 1.46: Biểu diễn SNR tín hiệu Error! Bookmark not defined Hình 2.1: Thiết bị Puma 4300 hãng Consultronics Error! Bookmark not defined Hình 2.2: Thiết bị dao động ký số GAO PS1042M Error! Bookmark not defined Hình 2.3: Thiết bị E20C hãng SunriseTelecom .Error! Bookmark not defined Hình 2.5: Kết nối trực tiếp đo dạng xung tín hiệu Error! Bookmark not defined Footer Page of 237 Header Page of 237 Hình 2.6: Kết nối cầu (bridge) đo giám sát dạng xung Error! Bookmark not defined Hình 2.7: Kết nối thiết bị đo với cổng đo điểm đo hệ thống Error! Bookmark not defined Hình 2.8: Màn hình thiết lập phép đo máy EST-125-Acterna Error! Bookmark not defined Hình 2.9: Kết phân tích dạng xung tín hiệu dạng đồ thị bảngError! Bookmark not defined Hình 2.10: Thiết bị AT7000 Error! Bookmark not defined Hình 2.11: Thiết bị GPIB .Error! Bookmark not defined Hình 2.12: Thiết bị WaveExpert .Error! Bookmark not defined Hình 2.13: Thiết bị đo mắt truyền dẫn MP1026B hãng Inritsu .Error! Bookmark not defined Hình 2.14: Kết nối xung đồng hồ cho thiết bị đo Error! Bookmark not defined Hình 2.15: Thiết bị phân tích vector tín hiệu số Agilent 1680 Error! Bookmark not defined Hình 2.16: Thiết bị FSQ-K70 hãng Rohde-Schwarz .Error! Bookmark not defined Hình 2.18: Sơ đồ kết nối thiết bị qua chia Error! Bookmark not defined Hình 2.19: Sơ đồ kết nối trực tiếp Error! Bookmark not defined Hình 2.23: Thiết bị MTS-8000, hãng sản xuất JDSU Error! Bookmark not defined Hình 2.27: Sơ đồ kết nối thực đo Error! Bookmark not defined Hình 3.1: Giao diện khởi động phần mềm OptiSystem 7.0 Error! Bookmark not defined Hình 3.2: Giao diện cửa sổ làm việc phần mềm Error! Bookmark not defined Hình 3.3: Chọn thiết bị thiết kế hệ thống Error! Bookmark not defined Hình 3.4: Chạy mơ hệ thống Error! Bookmark not defined Hình 3.5: Kết đo phần mềm .Error! Bookmark not defined Hình 3.6: Kết đo dạng xung tín hiệu tiêu chuẩn T1 Error! Bookmark not defined Hình 3.7: Kết hiển thị mẫu mắt tín hiệu cảu thiết bị Inritsu Error! Bookmark not defined Hình 3.9: Pha tín hiệu GSM Error! Bookmark not defined Hình 3.10: Kết phân tích vectortín hiệu dịch vụ GSM Error! Bookmark not defined Hình 3.11: Kết đo biên độ thành phần I/Q phân tích vector tín hiệuError! Bookmark not def Hình 3.12: Kết phân tích lỗi điều chế tín hiệu 8-PSK dịch vụ EDGEError! Bookmark not define Hình 3.13: Kết phân tích phổ tín hiệu quang hệ thống DWDMError! Bookmark not defined Hình 3.14: Kết phân tích phổ quang hệ thống DWDM Error! Bookmark not defined MỞ ĐẦU Các công nghệ viễn thông ngày phát triển kéo theo nhu cầu sử dụng yêu cầu chất lƣợng dịch vụ cung cấp cho khách hàng ngày cao Do việc đo lƣờng, đánh giá tham số chất lƣợng truyền dẫn thông tin yêu cầu cấp thiết với nhà cung cấp dịch vụ nhằm khẳng định đƣợc thƣơng hiệu để đáp ứng đƣợc yêu cầu khách hàng ngày tốt Để làm chủ đƣợc hệ thống đo kiểm trƣớc hết phải nắm vững đƣợc sở lý thuyết tín hiệu cần đo kiểm, sau ngun lý kỹ thuật đo em chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đo lường phân tích tín hiệu số” làm luận văn tốt nghiệp cao học Luận văn tập trung vào nghiên cứu bốn kỹ thuật phân tích tín hiệu số đƣợc sử dụng phổ biến kỹ thuật phân tích dạng xung, kỹ thuật phân tích mắt truyền dẫn, kỹ thuật phân tích phổ kỹ thuật phân tích vector tín hiệu điều chế số.Với phƣơng pháp đo kiểm cần phải biết đo đƣợc tham số nào, ý nghĩa tham số đó, quy trình thực phép đo để cho kết đo xác đáng tín cậy Nội dung luận văn “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đo lường phân tích tín hiệu số” bao gồm: - Chương 1: Các sở lý thuyết phân tích tín hiệu số Nội dung chƣơng trình bày sở lý thuyết phân tích tín hiệu số Luận văn tập trung vào bốn phƣơng Footer Page of 237 Header Page of 237 pháp phân tích tín hiệu số đƣợc dùng phổ biến phân tích tín dạng xung, phân tích mẫu mắt tín hiệu, phân tích phổ phân tích vector tín hiệu điều chế số Mỗi kỹ thuật phân tích tóm tắt sở lý thuyết dạng tín hiệu đƣợc phân tích, nguyên lý kỹ thuật phân tích tham số thu đƣợc thực phép đo - Chương 2: Các quy trình đo lƣờng Nội dung chƣơng trình bày quy trình thực kỹ thuật đo kiểm Với kỹ thuât đo giới thiệu vài thiết bị đo kiểm phổ biến tại, giới thiệu quy trình thực phép đo tham số cần thiết lập cho phép đo - Chương 3: Giới thiệu phần mềm mơ phân tích ví dụ kết đo Chƣơng bốn giới thiệu phần mềm mô thiết kế tuyến truyền dẫn phân tích số kết đo kỹ thuật đo kiểm - Đánh giá kết luận: Tổng kết ƣu điểm, nhƣợc điểm kỹ thuật phân tích tín hiệu số số đề xuất cá nhân em sau hoàn thành luận văn Footer Page of 237 Header Page of 237 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU SỐ 1.1 Phân tích dạng xung 1.1.1 Cơ xung băng tần sở Trong tự nhiên, tín hiệu âm tín hiệu tƣơng tự Giọng nói ngƣời, âm tín hiệu tƣơng tự dịch vụ viễn thông chủ yếu nhằm truyền tải tín hiệu tƣơng tự Vì đặc tính suy hao, xuyên nhiễu, môi trƣờng truyền, băng thông truyền mà tín hiệu tƣơng tự khơng thể truyền xa đƣợc Do kỹ thuật số hóa tín hiệu tƣơng tự đời nhằm đáp ứng đƣợc u cầu truyền tải thơng tin Qúa trình biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tƣơng tự để truyền xa gồm bƣớc bản: lấy mẫu, lƣợng tử hóa, mã hóa/giải mã điều chế/giải điều chế Tín hiệu tƣơng tự A/D Mã hóa Mã hóa kênh Điều chế Khuếch đại công suất Môi trƣờng truyền tín hiệu Thuê bao tƣơng tự D/A Giải mã Giải mã kênh Giải điều chế Khuếch đại công suất Thuê bao số Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn tín hiệu số a, Nguyên lý lấy mẫu Tín hiệu tƣơng tự liên tục theo thời gian nhƣng q trình xử lý tín hiệu, để xử lý đƣợc tín hiệu liên tục cần nhớ lớn tốc độ xử lý cao thơng thƣờng ta xử lý tín hiệu số Do cần phải thực chuyển đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc để xử lý Quá trình gọi lấy mẫu tín hiệu (sampling), thay tín hiệu liên tục biên độ thời điểm cách nhau, gọi chu kỳ lấy mẫu Các giá trị đƣợc chuyển thành số nhị phân để xử lý đƣợc Vấn đề Footer Page of 237 Header Page of 237 phải lấy mẫu nhƣ để khơi phục lại tín hiệu gốc Tín hiệu lấy mẫu tín hiệu gốc s(t) biểu diễn s(nT) với T chu kỳ lấy mẫu [1] s(nT) = s(t).u(t) (1-1) u(t) chuỗi xung Dirac, lúc lấy mẫu tín hiệu tƣơng tự Tần số chuỗi xung Dirac tần số lấy mẫu tín hiệu Xét tín hiệu sin có tần số f trình lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu khác nhau: fs = 16f fs = 8f fs = 4f fs = 2f Hình 1.2: Lấy mẫu tín hiệu với tần số khác Nhƣ vậy, ta thấy tần số lấy mẫu cao dạng tín hiệu có khả khơi phục giống nhƣ tín hiệu gốc Tuy nhiên, tần số cao cần phải dùng dung lƣợng lớn để lƣu trữ đồng thời tốc độ xử lý chậm lại cần xử lý số lƣợng liệu lớn Từ đó, ta cần xác định tần số lấy mẫu cho khơi phục lại gần dạng tín hiệu với yêu cầu tốc độ xử lý giới hạn mức cho phép Định lý lấy mẫu xác định điều kiện để tập mẫu cho phép khơi phục lại xác tín hiệu trƣớc lấy mẫu Nhƣ khảo sát (hình 1.2), phổ tín hiệu lấy mẫu phổ vạch tín hiệu có chu kỳ miền tần số Để khơi phục lại dạng tín hiệu, ta cần giới hạn phổ tần tín hiệu Q trình thực mạch lọc thơng thấp với hàm truyền b, Lượng tử hố Footer Page of 237 Header Page of 237 Lƣợng tử hóa q trình xấp xỉ giá trị tín hiệu lấy mẫu s(nT) bội số giá trị q (q gọi bƣớc lƣợng tử) Nếu q khơng thay đổi q trình lƣợng tử gọi đồng Quá trình thực hàm bậc thang mơ tả nhƣ sau: Hình 1.3: Các mức lượng tử hóa đồng Q trình lƣợng tử thực cách định nghĩa giá trị trung tâm hàm lƣợng tử Ví dụ nhƣ hình trên, giá trị khoảng từ (n – ½)q đến (n + ½)q đƣợc làm tròn n Phƣơng pháp cực tiểu hóa cơng suất tín hiệu lỗi Một phƣơng pháp khác sử dụng dùng hàm cắt, nghĩa giá trị khoảng [nq,(n+1)q] làm tròn thành n Hình 1.4: Lượng tử hóa đồng tín hiệu hình sin Footer Page of 237 Header Page 10 of 237 Hình 1.5: Lỗi lượng tử hóa Nhƣ vậy, q trình lƣợng tử hóa làm méo dạng tín hiệu xem nhƣ tồn tín hiệu nhiễu Sự méo dạng gọi méo lƣợng tử hay gọi nhiễu lƣợng tử s(n) = sq(n) + e(n) (1-2) Biên độ tín hiệu nhiễu lƣợng tử nằm khoảng (-q/2,q/2) Do sai số lƣợng tử trƣớc nên việc mô tả sai số lƣợng tử mang tính thống kê Tổng qt, ta xem e(n) chuỗi biến ngẫu nhiên đó: + Thống kê e(n) không thay đổi theo thời gian (nhiễu lƣợng tử hóa q trình ngẫu nhiên dừng) + Nhiễu lƣợng tử e(n) chuỗi biến ngẫu nhiên không tƣơng quan + Nhiễu lƣợng tử e(n) không tƣơng quan với tín hiệu ngõ vào s(n) + Hàm mật độ xác suất e(n) phân bố tầm giá trị sai số lƣợng tử Nhƣ vậy, nhiễu lƣợng tử đƣợc phân bố khoảng (-q/2,q/2) có phƣơng sai (cơng suất nhiễu lƣợng tử) là:  e2  (1-3) q2 12 Tín hiệu đƣợc lấy mẫu lƣợng tử hóa bao gồm tập hợp số đƣợc lƣu trữ dạng nhị phân Đối với số nhị phân N bit có tối đa 2N giá trị khác ứng với 2N mức lƣợng tử khác Nhƣ vậy, phạm vi lƣợng tử bị giới hạn khoảng từ q đến 2Nq, biên độ tín hiệu vƣợt giá trị bị cắt bỏ Giả sử tín hiệu mã hóa có biên độ khoảng [-Am,Am ] Am  N q (1-4) c, Các loại mã đường truyền Dƣới giới thiệu số dạng mã thông dụng đƣợc sử dụng cho mục đích khác tùy vào yêu cầu cụ thể tính chất đƣờng truyền [3]: - Nonreturn - to - zero - Level (NRZ - L) = mức cao = mức thấp Footer Page 10 of 237 Header Page 11 of 237 Đây dạng mã đơn giản nhất, hai giá trị điện dấu (đơn cực) biểu diễn hai trạng thái logic Loại mã thƣờng đƣợc dùng việc ghi liệu lên băng từ, đĩa từ - Nonreturn - to - zero inverted (NRZI) = chuyển mức điện đầu bit = không chuyển mức điện đầu bit NRZI thí dụ mã vi phân: mã hóa tùy vào thay đổi trạng thái bit liên tiếp không tùy thuộc vào thân bit Loại mã có ƣu điểm giải mã máy thu cần dò thay đổi trạng thái tín hiệu phục hồi liệu thay phải so sánh tín hiệu với trị ngƣỡng để xác định trạng thái logic tín hiệu Kết loại mã vi phân cho độ tin cậy cao - Bipolar - AMI = khơng tín hiệu (hiệu = 0) = hiệu âm dƣơng, luân phiên thay đổi với chuỗi bit liên tiếp - Pseudoternary = hiệu âm dƣơng, luân phiên thay đổi với chuỗi bit liên tiếp = khơng tín hiệu (hiệu = 0) Hai loại mã có tính chất sử dụng nhiều mức điện để tạo mã (Multilevel Binary), cụ thể mức: âm, dƣơng không Lợi điểm loại mã là: + Dễ tạo đồng máy thu có thay đổi trạng thái tín hiệu điện trạng thái logic không đổi (tuy nhiên điều thực loại bit, loại bit thứ hai đƣợc khắc phục kỹ thuật ngẫu nhiên hóa) + Có điều kiện tốt để dò sai thay đổi mức điện bit liên tiếp giống nên có nhiễu xâm nhập tạo vi phạm mà máy thu phát dễ dàng + Một khuyết điểm loại mã hiệu suất truyền tin phải sử dụng mức điện - Manchester “0” = Chuyển từ cao xuống thấp bit “1” = Chuyển từ thấp lên cao bit - Differential Manchester Ln có chuyển mức bit “0” = chuyển mức đầu bit “1” = không chuyển mức đầu bit Hai mã Manchester Differential Manchester có tính chất: bit đƣợc đặc trƣng hai pha điện (Biphase) nên ln có thay đổi mức điện bit tạo điều kiện cho máy thu phục hồi xung đồng hồ để tạo đồng Do có khả Footer Page 11 of 237 Header Page 12 of 237 tự thực đồng nên loại mã có tên Self Clocking Codes Mỗi bit đƣợc mã pha điện nên vận tốc điều chế (Modulation rate) loại mã tăng gấp đôi so với loại mã khác, cụ thể, giả sử thời gian bit T vận tốc điều chế tối đa (ứng với chuỗi xung liên tiếp) 2/T Để khắc phục khuyết điểm loại mã AMI cho mức điện khơng đổi có chuỗi nhiều bit liên tiếp, ngƣời ta dùng kỹ thuật ngẫu nhiên hóa Nguyên tắc kỹ thuật tạo thay đổi điện cách thay chuỗi bit “0” chuỗi tín hiệu có mức điện thay đổi, dĩ nhiên thay đƣa đến vi phạm luật biến đổi bit 1, nhƣng nhờ bit vi phạm mà máy thu nhận để có biện pháp giải mã thích hợp Dƣới giới thiệu hai dạng mã đƣợc ngẫu nhiên hóa đƣợc dùng nhiều hệ thông tin với khoảng cách xa vận tốc bit lớn - B8ZS Là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi bit liên tục đƣợc thay chuỗi bit có bit với mã vi phạm luật đảo bit + Nếu trƣớc chuỗi bit xung dƣơng, bit đƣợc thay 000 + - -+ + Nếu trƣớc chuỗi bit xung âm, bit đƣợc thay 000 - + + Nhận xét bảng mã thay ta thấy có vi phạm luật đảo bit vị trí thứ thứ chuỗi bit - HDB3 Là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi bit liên tục đƣợc thay chuỗi bit có bit với mã vi phạm luật đảo bit Sự thay chuỗi bít mã HDB3 theo qui tắc sau: Cực tính xung trƣớc + Số bít từ lần thay cuối Lẻ chẵn 000000+ +00+ -00- Sự vi phạm luật đảo bit xảy bit thứ chuỗi bit Ngoài hệ thống Telco có hai loại mã B6ZS B3ZS dựa theo qui luật sau: - B6ZS Thay chuỗi bit - + + - hay + - - + cho vi phạm xảy bit thứ thứ - B3ZS Footer Page 12 of 237 Header Page 13 of 237 Thay chuỗi bit chuỗi: 00 +, 00 -, - - hay + +, tùy theo cực tính số bit trƣớc (tƣơng tự nhƣ HDB3) Hình 1.6: Giản đồ loại mã đường truyền 1.1.2 Các tham số băng tần sở Khi cần phân tích tín hiệu băng tần sở, ngƣời phân tích cần quan tâm tới tham số sau: - Dạng xung Là hình dạng tín hiệu đƣợc tạo nhằm truyền tải liệu có mức logic “1” “0” Mỗi loại mã đƣờng truyền có dạng tín hiệu đặc trƣng, có u cầu tham số kỹ thụật đặc trƣng riêng - Phổ tín hiệu băng tần sở Phổ tín hiệu băng tần sở phổ mật độ công suất Dạng phổ tín hiệu băng sở thƣờng có dạng đƣờng liên tục tín hiệu băng tần sở tín hiệu rời rạc [3] - Điện áp đỉnh tín hiệu Footer Page 13 of 237 Header Page 14 of 237 Là điện áp cực đại xung tín hiệu đƣợc phát đƣợc thu lại điểm thu Giá trị điện áp đỉnh với loại xung đƣợc khuyến nghị tiêu chuẩm G.703 ITUT [4] - Sườn lên xung Là khoảng thời gian để tín hiệu chuyển từ liệu có mức logic “0” tới mức lôgic “1” Thông thƣờng mức tín hiệu “1” “0” đƣợc quy định theo điện áp Khi điện áp cao giá trị điện áp mức cao xung dó đƣợc hiểu tín hiệu mức logic “1” ngƣợc lại điện áp tín hiệu thấp giá trị ngƣỡng mức thấp tín hiệu logic “0” - Sườn xuống xung Là khoảng thời gian để tín hiệu chuyển từ mức điện áp cao ứng với liệu có mức logic “1” xuống mức mức điện áp thấp ứng với tín hiệu mức logic “0” - Rung pha tín hiệu số Là biến đổi khoảng thời gian ngắn tín hiệu số so với thời gian chuẩn xung Những biến đổi khoảng thời gian ngắn biến đổi có tần số lớn 10 Hz (theo TCN68-171, [2]) - Trơi pha tín hiệu số Là biến đổi khoảng thời gian dài, mang tính chất tích lũy tín hiệu số so với tín hiệu chuẩn Những biến đổi khoảng thời gian dài biến đổi có tần số nhỏ 10Hz [2] - Lỗi bit Là tƣợng phía đầu thu thu đƣợc bit khác với bit tín hiệu đƣợc phát từ đầu phát Các nguyên nhân gây lỗi bit suy hao tín hiệu truyền dẫn, làm cho cơng suất tín hiệu không đủ qua ngƣỡng định, điều chế giải điều chế chạy sai làm cho tín hiệu thu tín hiệu phát khơng mang thông tin [8] - Giao diện vật lý Là giao diện kết nối thiết bị, card, modul nhằm truyền tín hiệu từ trạm phát tới trạm thu Giao diện vật lý giao diện: giao diện không cân BNC 75 Ohm, giao diện cân 120 Ohm, giao diện quang, … Footer Page 14 of 237 Header Page 15 of 237 Hình 1.7: Phổ cơng suất số loại mã đường Footer Page 15 of 237 Header Page 16 of 237 1.1.3 Phân tích dạng xung tín hiệu a, Định nghĩa Trong truyền thơng, tín hiệu phải qua nhiều phần tử truyền dẫn, qua nhiều môi trƣờng Một tiêu chuẩn đƣợc đƣa để đảm bảo tính tin cậy thơng tin nhận đƣợc hình dạng xung tín hiệu thu đƣợc phải đảm bảo nằm khoảng giới hạn xác định Mặt nạ xung tiêu chuẩn xác định khoảng dung sai định thời (timing) biên độ xung thu đƣợc sau trình truyền dẫn Mặt nạ xung cho biết giới hạn tham số vật lý nhƣ sƣờn xung, độ rộng xung, biên độ, điểm hạn (overshoot), điểm dƣới ngƣỡng (undershoot) xung tín hiệu Hình 1.7 thể mặt nạ xung tín hiệu tốc độ 2048kbps với ngƣỡng đƣợc khuyến nghị tiêu chuẩn G.703 ITU-T [4] Hình 1.8: Mặt nạ xung chuẩn tốc độ 2048kbit/s Phần không gian nằm hai đƣờng biên phần giới hạn tin cậy tín hiệu phía đầu thu Khi tín hiệu thu đƣợc có dạng xung nằm trọn khoảng giới hạn hai biên tín hiệu đảm bảo cho định biết đƣợc bit “0” hay “1” Mặt khác, dạng xung để đánh giá chất lƣợng mạng truyền dẫn Căn vào việc đối chiếu tham số phân tích dạng xung với mặt nạ xung tiêu chuẩn ngƣời ta đánh giá đạt/khơng đạt (pass/fail) cho mạng truyền dẫn Mỗi tốc độ bit, loại mã đƣờng truyền có dạng xung Footer Page 16 of 237 Header Page 17 of 237 đặc trƣng riêng Do đó, đánh giá chất lƣợng mạng truyền dẫn cần phải chọn mặt nạ xung tiêu chuẩn phù hợp [3] b, Nguyên lý đo dạng xung tín hiệu Nguyên lý đo dạng xung dựa nguyên lý dao động ký Khi tín hiệu qua phân tích, nhiều chu kỳ tín hiệu đƣợc chập lại dạng sóng đứng tín hiệu, hình dạng xung Để đo dạng xung tín hiệu, thơng thƣờng ta sử dụng thiết bị sóng (oscilloscope) Máy sóng tín hiệu thiết bị hiển thị đồ thị đƣợc sử dụng để vẽ đồ thị tín hiệu Trong hầu hết ứng dụng, đồ thị tín hiệu thay đối theo thời gian: trục dọc (Y) biểu diễn điện áp trục ngang (X) biểu diễn thời gian Cƣờng độ hay độ sáng hiển thị đƣợc gọi trục (Z) Cấu tạo oscilloscope giống nhƣ hình ti vi Một oscilloscope gồm đèn điện tử (Cathode Ray Tube), kích thƣớc hình dạng khác nhƣng ngun lí hoạt động giống Bên ống chân không Chùm điện tử đƣợc phát từ cathode đƣợc làm nóng phía sau ống chân khơng đƣợc gia tốc làm cho hội tụ hay nhiều anodes đập vào phía trƣớc ống làm điểm hình phủ photpho ống phát sáng Chùm điện tử đƣợc bẻ cong, đƣợc làm lệch nhờ điện áp đặt vào cực cố đình ống chân không Các cực lái theo chiều ngang hay cực X tạo chuyển động chùm điện tử theo phƣơng ngang Nhƣ sơ mô tả sơ đồ chức năng, chúng đƣợc liên kết với khối hệ thống gọi “chu kì sở” Khối tạo sóng dạng cƣa nhìn thấy đƣợc hình oscillocope Trong tăng pha xung cƣa, điểm sáng đƣợc điều khiển tốc độ từ trái tới phải phía trƣớc hình Trong suốt trình giảm pha, chùm điện tử quay lại nhanh chóng từ trái qua phải điểm hình đƣợc để trắng để khơng hiển thị lên hình Theo cách này, “chu kì sở” tạo trục X đồ thị tín hiệu hình oscilloscope Độ dốc sai pha thay đổi theo tần số xung cƣa đƣợc điều chỉnh sử dụng núm điêu khiển TIME/DIV để thay đổi thang đo trục X Việc hình chia thành ô vuông cho phép thang đo trục ngang đƣợc biểu diễn theo giây, mili giây hay micro giây môt phép chia (đơn vị chia) Footer Page 17 of 237 Header Page 18 of 237 Hình 1.9: Sơ đồ cấu tạo máy dao động (osilloscope) Tín hiệu đƣợc hiển thị đƣợc kết nối với đầu vào Chuyển mạch DC/AC thƣờng đƣợc giữ vị trí DC để có kết nối trực tiếp với khuếch đại Y Ở vị trí AC chuyển mạch mở tụ điện đƣợc đặt đƣờng dẫn tín hiệu ngăn cản tín hiệu chiều qua nhƣng lại cho phép tín hiệu xoay chiều qua Bộ khuếch đại Y đƣợc nối vào cực Y tạo trục Y đồ thị tín hiệu hiển thị hình oscilloscope Bộ khuếch đại Y đƣợc điều chỉnh thơng qua núm điều chỉnh VOLTS/DIV để kết hiển thị bé lớn làm cho phù hợp với hình đƣợc nhìn thấy rõ ràng Thang đo thƣờng sử dụng V/DIV mV/DIV Mạch kích đƣợc sử đụng để làm trễ tín hiệu “chu kì sở” để đồng phần tín hiệu hiển thị hình lần vết chuyển động qua Hiệu ứng cho ta hình ảnh ổn định hình làm cho dễ dàng đƣợc đo giải thích tín hiệu Cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị sóng tƣơng tự thiết bị sóng số giống Nguyên lý sóng giống Osilloscope số khác osilloscope tƣơng tự có thêm xử lý tín hiệu số nên q trình xử lý tín hiệu có phần phức tạp - Sơ đồ khối chức thiết bị sóng số nhƣ sau: Footer Page 18 of 237 Header Page 19 of 237 Hình 1.10: Sơ đồ khối chức máy sóng tín hiệu số - Q trình xử lý tín hiệu thiết bị sóng nhƣ sau: Khi nối đầu dò máy oscilloscope số vào mạch điện; hệ thống dọc điều chỉnh biên độ tín hiệu Tiếp tới, chuyển đổi tƣơng tự/số hệ thống thu thập lấy mẫu tín hiệu thời điểm rời rạc chuyển đổi điện áp tín hiệu điểm thành giá trị số, gọi điểm lấy mẫu Xung lấy mẫu hệ thống ngang quy định ADC lấy mẫu bao nhiên lần Tốc độ mà xung “ticks” đƣợc gọi tốc độ lấy mẫu đƣơc đo số mẫu giây Các điểm mẫu từ ADC đƣợc lƣu trữ nhớ nhƣ điểm dạng sóng Có nhiều điểm mẫu cấu thành nên điểm dạng sóng Các điểm dạng sóng cấu thành nên ghi dạng sóng Số điểm sóng đƣợc dùng để tạo nên ghi dạng sóng đƣợc gọi độ dài ghi Hệ thống kích khởi quy định điểm bắt đầu điểm kết thúc ghi Màn hình nhận điểm ghi sau chúng đƣợc lƣu trữ nhớ Tùy thuộc vào khả máy oscilloscope, việc xử lý thêm điểm mẫu đƣợc tiến hành để làm nâng cao chất lƣợng hiển thị Bộ tiền kích khởi hữu ích cho phép xem kiện trƣớc điểm kích c, Các kết phân tích dạng xung Phép phân tích dạng xung thơng thƣờng hiển thị cho biết tham số nhƣ sau: - Đánh giá chất lượng xung tín hiệu Khi thực đo dạng xung tín hiệu tức mang so sánh tín hiệu cần đo kiểm với tiêu chuẩn kết ta quan tâm tín hiệu có đạt tiêu chuẩn hay khơng Nếu xung tín hiệu nằm trọn hai đƣờng biên giới hạn Footer Page 19 of 237 Header Page 20 of 237 mặt nạ xung có nghĩa xung tín hiệu cần đo kiểm đạt giá trị mà tiêu chuẩn khuyến nghị (khuyến nghị G.703 ITU-T) Trong trƣờng hợp lại, xung tín hiệu có phần nằm ngồi hai đƣờng giới hạn mặt nạ xung tiêu chuẩn có nghĩa xung tín hiệu chất lƣợng khơng tốt - Hiển thị thời gian sườn lên sườn xuống xung tín hiệu Cho biết thời gian kéo dài sƣờn lên sƣờn dƣới xung tín hiệu Theo lý thuyết bit thơng tin đƣợc biểu diễn xung tín hiệu, xung vng Tuy nhiên, mơi trƣờng truyền dẫn khơng lý tƣởng, với yếu tố gây nhiễu khác mà xung tín hiệu khơng xung vng mà có dạng xung nhƣ sau: Hình 1.11: Dạng xung tín hiệu đầu thu Khi xung tín hiệu thay đổi trạng thái ứng với mức logic “1” “0” gọi sƣờn xung Phép phân tích dạng xung tham chiếu dạng xung tín hiệu cần đo kiểm với xung tiêu chuẩn tƣơng ứng Nếu sƣờn xung tín hiệu nằm trọn hai đƣờng giới hạn tiêu chuẩn kết luận xung đạt tiêu chuẩn - Biên độ đỉnh xung Là điện áp cao ứng với trạng thái logic “1” tín hiệu Mỗi loại mã đƣờng truyền khác có mức điện áp danh định khác TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Hồ Văn Sung (2007), Xử lý số tín hiệu, tr 7, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Footer Page 20 of 237 Header Page 21 of 237 TCN 68-171 (1998), Đồng hồ chủ mạng đồng bộ, Vụ Khoa học công nghệ Hợp tác quốc tế, tr Tiếng Anh Fuqin Xiong (2006), Digital Modulation Techniques, second edition, Atech House, pp 19-42, pp 99-270 G.703 (10/1998), Physical/electrical characteristics of hierarchical digital interface, ITU-T, pp 16-24- 42 HP (2002), “Eye-Diagram Analysis User’s Guide”, Agilent Technologies, USA HP Application Note 243, The Fundamentals of signal analysis, Agilent Technologies, USA HP Application Note 1550-4, Optical spectrum analysis basics, Agilent Technologies, USA JDSU, “Q-factor”, Pocket guide, JDSU Eningen GmbH, Germany JDSU, Portable, modular platform designed for the construction, validation and maintenance of optical fiber networks, User manual, JDSU Eningen GmbH, Germany 10 John G Proakis & Dimitris G Manolakis, Digital Signal Processing Principles, Algirithms and Applications, Third Edition 11 OptiSystem, Optical Communication System Design Software, Getting Started, Optiwave, Canada 12 R&S (2008), Vector Signal Analysis, Rohde & Schwarz GmbH & Co KG, EU 13 R&S (2008), R&S®FSQ Signal Analyzer, Rohde & Schwarz GmbH & Co KG, EU Footer Page 21 of 237 Header Page 22 of 237 Footer Page 22 of 237  ... Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đo lường phân tích tín hiệu số làm luận văn tốt nghiệp cao học Luận văn tập trung vào nghiên cứu bốn kỹ thuật phân tích tín hiệu số đƣợc sử dụng phổ biến kỹ thuật phân. .. phân tích tín dạng xung, phân tích mẫu mắt tín hiệu, phân tích phổ phân tích vector tín hiệu điều chế số Mỗi kỹ thuật phân tích tóm tắt sở lý thuyết dạng tín hiệu đƣợc phân tích, nguyên lý kỹ thuật. .. tham số đó, quy trình thực phép đo để cho kết đo xác đáng tín cậy Nội dung luận văn Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đo lường phân tích tín hiệu số bao gồm: - Chương 1: Các sở lý thuyết phân tích tín