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: Công 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

1.1.3. Phân tích dạng xung tín hiệu 12
1.1.4. Phân tích mẫu mắt 17
1.2. Phân tích vector tín hiệu điều chế số 23
1.2.1. Cơ bản về điều chế tín hiệu số 23
1.2.2. Nguyên lý phân tích vector tín hiệu điều chế 32
1.2.3. Kết quả phân tích vector tín hiệu số 35
1.3. Phân tích phổ tần số 40
1.3.1. Chuyển đổi giữa miền thời gian và miền tần số 40
1.3.2. Nguyên lý máy phân tích phổ tín hiệu 43
1.3.3. Kết quả phân tích phổ 48
CHƢƠNG 2 51
CÁC QUY TRÌNH ĐO LƢỜNG 51
2.1. Đo dạng xung 51
2.1.1. Máy đo dạng xung 51
2.1.2. Quy trình đo dạng xung 53
2.2. Đo mẫu mắt tín hiệu 56
2.2.1. Các máy đo mẫu mắt 56

ii

2.2.2. Quy trình đo mẫu mắt tín hiệu 58
2.3. Phân tích vector tín hiệu điều chế 60
2.3.1. Các thiết bị phân tích vector 60
2.3.2. Quy trình phân tích vector 61
2.4. Phân tích phổ tín hiệu 65
2.4.1. Các thiết bị phân tích phổ tín hiệu 65
2.4.2. Quy trình phân tích phổ tín tín hiệu 68

Hình 1.7: Mặt nạ xung chuẩn tốc độ 2048kbit/s 12
Hình 1.8: Phổ công suất của một số loại mã đường 11
Hình 1.9: Sơ đồ cấu tạo máy hiện dao động (osilloscope) 14
Hình 1.10: Sơ đồ khối chức năng máy hiện sóng tín hiệu số 15
Hình 1.11: Dạng xung tín hiệu tại đầu thu 16
Hình 1.12: Kết quả của phép phân tích mẫu mắt tín hiệu 18
Hình 1.13: Độ rộng mắt truyền dẫn 19
Hình 1.14: Kết quả hiển thị độ mở mắt tín hiệu 21
Hình 1.15: Mẫu mắt tín hiệu và các giá trị mức “1”, “0” 22
Hình 1.16: Kết quả minh họa rung pha tín hiệu 23
Hình 1.17: Sơ đồ khối điều chế ASK 24
Hình 1.18: Dạng tín hiệu khi điều chế khóa dịch biên độ ASK 25
Hình 1.19a: Sơ đồ khối giải điều chế không kết hợp tín hiệu ASK 25
Hình 1.19b: Sơ đồ khối giải điều chế kết hợp tín hiệu ASK 25
Hình 1.20: Sơ đồ khối điều chế FSK 27
Hình 1.21: Sơ đồ khối giải điều chế FSK 27
Hình 1.22: Sơ đồ khối giải điều chế FSK 28
Hình 1.23: Giản đồ chòm sao với tín hiệu 2, 4, 16 và 256-QAM 29
Hình 1.24: Sơ đồ khối chức năng bộ điều chế QAM 30
Hình 1.25: Sơ đồ khối chức năng bộ giải điêu chế QAM 31
Hình 1.26: Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động thiết bị phân tích vector tín hiệu số 32

iv

Hình 1.27: Sự chồng phổ các kí hiệu 33
Hình 1.28: Sử dụng băng thông dự trữ để loại bỏ chồng phổ 34
Hình 1.29: Kết quả đo vector lỗi 35


Hình 2.10: Thiết bị AT7000 56
Hình 2.11: Thiết bị GPIB 57
Hình 2.12: Thiết bị WaveExpert 57
Hình 2.13: Thiết bị đo mắt truyền dẫn MP1026B hãng Anritsu 57
Hình 2.14: Kết nối xung đồng hồ cho thiết bị đo 59
Hình 2.15: Thiết bị phân tích vector tín hiệu số Agilent 1680 60
Hình 2.16: Thiết bị FSQ-K70 của hãng Rohde-Schwarz 61
Hình 2.18: Sơ đồ kết nối thiết bị qua bộ chia 62
Hình 2.19: Sơ đồ kết nối trực tiếp 62
Hình 2.23: Thiết bị MTS-8000, hãng sản xuất JDSU 66
Hình 2.27: Sơ đồ kết nối thực hiện đo 69
Hình 3.1: Giao diện khởi động phần mềm OptiSystem 7.0 73
Hình 3.2: Giao diện cửa sổ làm việc của phần mềm 74
Hình 3.3: Chọn thiết bị và thiết kế hệ thống 75
Hình 3.4: Chạy mô phỏng hệ thống 75
Hình 3.5: Kết quả đo trên phần mềm 75
Hình 3.6: Kết quả đo dạng xung tín hiệu tiêu chuẩn T1 76
Hình 3.7: Kết quả hiển thị mẫu mắt tín hiệu cảu thiết bị Inritsu 77
Hình 3.9: Pha của tín hiệu GSM 78
Hình 3.10: Kết quả phân tích vectortín hiệu dịch vụ GSM 78
Hình 3.11: Kết quả đo biên độ các thành phần I/Q khi phân tích vector tín hiệu 79
Hình 3.12: Kết quả phân tích lỗi điều chế tín hiệu 8-PSK của dịch vụ EDGE 79
Hình 3.13: Kết quả phân tích phổ tín hiệu quang hệ thống DWDM 80
Hình 3.14: Kết quả phân tích phổ quang hệ thống DWDM 81

vi

IDFT
: Inverse Discrete Fourier Transform
IF
: Intermediate Frequency
IFFT
: Inverse Fast Fourier Transform
ITU-T
: International Telecommunication Union - Telecommunication
MSK
: Minimum Shift Keying
OSNR
: Optical Signal to Noise Ratio
PDH
: Plesiochronous Digital Hierarchy
PLL
: Phase Lock Loop
PMD
: Polarization Mode Dispersion
PSK
: Phase Shift Keying
QAM
: Quadrture Amplitude Modulated
QPSK
: Quadature Phase Shift Keying
RBW
: Resolution Bandwidth
RF
: Radio Frequency
SDFT
: Sliding Discrete Fourier Transform


MỞ ĐẦU
Các công nghệ viễn thông ngày càng phát triển kéo theo nhu cầu sử dụng và các
yêu cầu về chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng ngày càng cao. Do đó việc đo
lường, đánh giá các tham số chất lượng truyền dẫn thông tin là một yêu cầu cấp thiết
với các nhà cung cấp dịch vụ nhằm khẳng định được thương hiệu và cũng để đáp ứng
được yêu cầu của khách hàng ngày một tốt hơn. Để làm chủ được các hệ thống đo
kiểm thì trước hết phải nắm vững được cơ sở lý thuyết về tín hiệu cần đo kiểm, sau đó
là nguyên lý của kỹ thuật đo vì vậy em đã chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kỹ
thuật đo lƣờng và phân tích tín hiệu số” làm luận văn tốt nghiệp cao học. Luận văn
sẽ tập trung vào nghiên cứu bốn kỹ thuật phân tích tín hiệu số được sử dụng phổ biến
là kỹ thuật phân tích dạng xung, kỹ thuật phân tích mắt truyền dẫn, kỹ thuật phân tích
phổ và kỹ thuật phân tích vector tín hiệu điều chế số.Với mỗi phương pháp đo kiểm
cần phải biết là đo được tham số nào, ý nghĩa của các tham số đó, quy trình thực hiện
các phép đo để sao cho kết quả đo là chính xác và đáng tín cậy nhất.
Nội dung luận văn “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đo lƣờng và phân tích tín
hiệu số” bao gồm:
- Chƣơng 1: Các cơ sở lý thuyết về phân tích tín hiệu số. Nội dung của chương
trình bày cơ sở lý thuyết về phân tích tín hiệu số. Luận văn tập trung vào bốn phương
pháp phân tích tín hiệu số được dùng phổ biến hiện nay là phân tích tín dạng xung,
phân tích mẫu mắt tín hiệu, phân tích phổ và phân tích vector tín hiệu điều chế số. Mỗi
kỹ thuật phân tích đều tóm tắt cơ sở lý thuyết về dạng tín hiệu được phân tích, về
nguyên lý của kỹ thuật phân tích và các tham số thu được khi thực hiện phép đo.
- Chƣơng 2: Các quy trình đo lường. Nội dung của chương trình bày về quy trình
thực hiện các kỹ thuật đo kiểm. Với mỗi kỹ thuât đo sẽ giới thiệu một vài thiết bị đo
kiểm phổ biến hiện tại, giới thiệu quy trình thực hiện phép đo và các tham số cần thiết
lập cho phép đo.
- Chƣơng 3: Giới thiệu phần mềm mô phỏng và phân tích ví dụ kết quả đo.
Chương bốn giới thiệu về phần mềm mô phỏng thiết kế các tuyến truyền dẫn và phân
tích một số kết quả đo của từng kỹ thuật đo kiểm.

A/D
Mã hóa
Mã hóa
kênh
Điều
chế
Môi trường
truyền tín hiệu
Khuếch đại
công suất
Khuếch đại
công suất
Giải điều
chế
Giải mã
kênh
Giải mã
Thuê
bao số
D/A
Thuê bao
tương tự

4

mẫu. Các giá trị này sẽ được chuyển thành số nhị phân để có thể xử lý được. Vấn đề ở
đây là phải lấy mẫu như thế nào để có thể khôi phục lại tín hiệu gốc. Tín hiệu lấy mẫu

lại chính xác tín hiệu trước khi lấy mẫu. Như khảo sát ở trên (hình 1.2), phổ của
tín hiệu lấy mẫu là phổ vạch của tín hiệu có chu kỳ trên miền tần số. Để khôi phục
lại dạng của tín hiệu, ta chỉ cần giới hạn phổ tần của tín hiệu. Quá trình này có thể
thực hiện bằng một mạch lọc thông thấp với hàm truyền.
b, Lƣợng tử hoá

5

Lượng tử hóa là quá trình xấp xỉ các giá trị của tín hiệu lấy mẫu s(nT) bằng bội số
của một giá trị q (q gọi là bước lượng tử). Nếu q không thay đổi thì quá trình lượng tử
gọi là đồng nhất. Quá trình này thực hiện bằng hàm bậc thang mô tả như sau:

Hình 1.3: Các mức lượng tử hóa đồng nhất
Quá trình lượng tử có thể thực hiện bằng cách định nghĩa giá trị trung tâm của hàm
lượng tử. Ví dụ như trong hình trên, các giá trị trong khoảng từ (n – ½)q đến (n + ½)q
sẽ được làm tròn là n. Phương pháp này sẽ cực tiểu hóa công suất của tín hiệu lỗi.
Một phương pháp khác có thể sử dụng là dùng hàm cắt, nghĩa là các giá trị trong
khoảng [nq,(n+1)q] sẽ làm tròn thành n.

Hình 1.4: Lượng tử hóa đồng nhất tín hiệu hình sin

6
N
mức lượng tử khác nhau. Như vậy, phạm vi lượng tử sẽ bị giới hạn trong
khoảng từ q đến 2
N
q, bất kỳ biên độ tín hiệu nào vượt quá giá trị này thì sẽ bị cắt bỏ.
Giả sử tín hiệu mã hóa có biên độ trong khoảng [-A
m
,A
m
]
2
.2
q
A
N
m


(1-4)
c, Các loại mã đƣờng truyền
Dưới đây giới thiệu một số dạng mã thông dụng và được sử dụng cho các mục
đích khác nhau tùy vào các yêu cầu cụ thể về các tính chất của đường truyền [3]:
- Nonreturn - to - zero - Level (NRZ - L)
0 = mức cao
1 = mức thấp

7

“0” = Chuyển từ cao xuống thấp ở giữa bit
“1” = Chuyển từ thấp lên cao ở giữa bit
- Differential Manchester
Luôn có chuyển mức ở giữa bit
“0” = chuyển mức ở đầu bit
“1” = không chuyển mức ở đầu bit
Hai mã Manchester và Differential Manchester có cùng tính chất: mỗi bit được đặc
trưng bởi hai pha điện thế (Biphase) nên luôn có sự thay đổi mức điện thế ở từng bit

8

do đó tạo điều kiện cho máy thu phục hồi xung đồng hồ để tạo đồng bộ. Do có khả
năng tự thực hiện đồng bộ nên loại mã này có tên Self Clocking Codes. Mỗi bit được
mã bởi 2 pha điện thế nên vận tốc điều chế (Modulation rate) của loại mã này tăng gấp
đôi so với các loại mã khác, cụ thể, giả sử thời gian của 1 bit là T thì vận tốc điều chế
tối đa (ứng với chuỗi xung 1 hoặc 0 liên tiếp) là 2/T.
Để khắc phục khuyết điểm của loại mã AMI là cho một mức điện thế không đổi
khi có một chuỗi nhiều bit 0 liên tiếp, người ta dùng kỹ thuật ngẫu nhiên hóa. Nguyên
tắc của kỹ thuật này là tạo ra một sự thay đổi điện thế bằng cách thay thế một chuỗi bit
“0” bởi một chuỗi tín hiệu có mức điện thế thay đổi, dĩ nhiên sự thay thế này sẽ đưa
đến các vi phạm luật biến đổi của bit 1, nhưng chính nhờ các bit vi phạm này mà máy
thu nhận ra để có biện pháp giải mã thích hợp. Dưới đây giới thiệu hai dạng mã đã
được ngẫu nhiên hóa và được dùng rất nhiều trong các hệ thông tin với khoảng cách
rất xa và vận tốc bit khá lớn.
- B8ZS
Là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi 8 bit 0 liên tục được thay bởi một chuỗi 8 bit
có cả bit 0 và 1 với 2 mã vi phạm luật đảo bit 1. Thay chuỗi 6 bit 0 bởi 0 - + 0 + - hay 0 + - 0 - + sao cho sự vi phạm xảy ra ở bit
thứ 2 và thứ 5.
- B3ZS
Thay chuỗi 3 bit 0 bởi một trong các chuỗi: 00 +, 00 -, - 0 - hay + 0 +, tùy theo cực
tính và số bit 1 trước đó (tương tự như HDB3).

Hình 1.6: Giản đồ các loại mã đường truyền
1.1.2. Các tham số băng tần cơ sở
Khi cần phân tích một tín hiệu băng tần cơ sở, người phân tích cần quan tâm tới
các tham số sau:
- Dạng của xung
Là hình dạng của tín hiệu được tạo ra nhằm truyền tải các dữ liệu có mức logic “1”
và “0”. Mỗi loại mã đường truyền sẽ có một dạng tín hiệu đặc trưng, có các yêu cầu
tham số kỹ thụật đặc trưng riêng.
- Phổ của tín hiệu băng tần cơ sở

10

Phổ của tín hiệu băng tần cơ sở là phổ mật độ công suất. Dạng của phổ tín hiệu
băng cơ sở thường có dạng là đường liên tục do tín hiệu băng tần cơ sở là tín hiệu rời
rạc [3].
- Điện áp đỉnh của tín hiệu
Là điện áp cực đại của xung tín hiệu được phát ra và được thu lại tại điểm thu. Giá

11 Hình 1.7: Phổ công suất của một số loại mã đường

12

1.1.3. Phân tích dạng xung tín hiệu
a, Định nghĩa
Trong truyền thông, tín hiệu phải đi qua nhiều phần tử truyền dẫn, qua nhiều môi
trường. Một tiêu chuẩn được đưa ra để đảm bảo tính tin cậy của thông tin nhận được
đó là hình dạng của xung tín hiệu thu được phải đảm bảo nằm trong một khoảng giới
hạn xác định. Mặt nạ xung là tiêu chuẩn xác định khoảng dung sai về định thời
(timing) và biên độ của xung thu được sau quá trình truyền dẫn. Mặt nạ xung cho biết
các giới hạn tham số vật lý như sườn xung, độ rộng xung, biên độ, điểm quá hạn
(overshoot), điểm dưới ngưỡng (undershoot) của một xung tín hiệu. Hình 1.7 thể hiện
mặt nạ xung của tín hiệu tốc độ 2048kbps với các ngưỡng được khuyến nghị trong tiêu
chuẩn G.703 của ITU-T [4].

Hình 1.8: Mặt nạ xung chuẩn tốc độ 2048kbit/s
Phần không gian nằm giữa hai đường biên trong và ngoài là phần giới hạn tin cậy
của tín hiệu tại phía đầu thu. Khi tín hiệu thu được có dạng xung nằm trọn trong
khoảng giới hạn của hai biên thì tín hiệu đó mới đảm bảo cho các bộ quyết định biết
được bit đó là “0” hay “1”. Mặt khác, dạng xung còn là căn cứ để đánh giá chất lượng

một sóng dạng răng cưa nhìn thấy được trên màn hình oscillocope. Trong khi tăng pha
của xung răng cưa, điểm sáng được điều khiển ở cùng tốc độ từ trái tới phải ra phía
trước của màn hình. Trong suốt quá trình giảm pha, chùm điện tử quay lại nhanh
chóng từ trái qua phải và điểm trên màn hình được để trắng để không hiển thị lên màn
hình. Theo cách này, “chu kì cơ sở” tạo ra trục X của đồ thị tín hiệu trên màn hình của
oscilloscope.
Độ dốc của sự sai pha thay đổi theo tần số của xung răng cưa và được điều
chỉnh sử dụng núm điêu khiển TIME/DIV để thay đổi thang đo của trục X. Việc màn
hình chia thành các ô vuông cho phép thang đo trục ngang có thể được biểu diễn theo
giây, mili giây hay micro giây trên môt phép chia (đơn vị chia).

14 Hình 1.9: Sơ đồ cấu tạo máy hiện dao động (osilloscope)
Tín hiệu được hiển thị được kết nối với đầu vào. Chuyển mạch DC/AC thường
được giữ ở vị trí DC để có sự kết nối trực tiếp với bộ khuếch đại Y.
Ở vị trí AC chuyển mạch mở một tụ điện được đặt ở đường dẫn tín hiệu ngăn cản
tín hiệu một chiều qua nó nhưng lại cho phép tín hiệu xoay chiều đi qua.
Bộ khuếch đại Y được nối vào các bản cực Y để mà tạo ra trục Y trên đồ thị của
tín hiệu hiển thị trên màn hình của oscilloscope. Bộ khuếch đại Y có thể được điều
chỉnh thông qua núm điều chỉnh VOLTS/DIV để kết quả hiển thị hoặc quá bé hoặc
quá lớn làm cho phù hợp với màn hình và có thể được nhìn thấy rõ ràng. Thang đo
thường sử dụng là V/DIV hay là mV/DIV.
Mạch kích được sử đụng để làm trễ tín hiệu “chu kì cơ sở” để đồng bộ phần của tín
hiệu ra hiển thị trên màn hình mỗi lần vết chuyển động qua. Hiệu ứng này cho ta hình
ảnh ổn định trên màn hình làm cho nó dễ dàng được đo và giải thích tín hiệu.

c, Các kết quả khi phân tích dạng xung
Phép phân tích dạng xung thông thường sẽ hiển thị cho biết các tham số như sau:
- Đánh giá chất lượng xung tín hiệu

16

Khi thực hiện đo dạng xung của một tín hiệu tức là mang so sánh tín hiệu cần đo
kiểm với một tiêu chuẩn nào đó thì kết quả đầu tiên ta quan tâm là tín hiệu đó có đạt
tiêu chuẩn hay không. Nếu xung của tín hiệu nằm trọn giữa hai đường biên giới hạn
của mặt nạ xung thì có nghĩa là xung của tín hiệu cần đo kiểm đạt các giá trị mà tiêu
chuẩn đã khuyến nghị (khuyến nghị G.703 ITU-T). Trong trường hợp còn lại, khi
xung tín hiệu có phần nằm ngoài hai đường giới hạn của mặt nạ xung tiêu chuẩn thì có
nghĩa là xung tín hiệu chất lượng không tốt.
- Hiển thị thời gian sườn lên và sườn xuống của xung tín hiệu
Cho biết thời gian kéo dài của sườn lên và sườn dưới của xung tín hiệu. Theo lý
thuyết thì mỗi bit thông tin được biểu diễn bằng một xung tín hiệu, đó là các xung
vuông. Tuy nhiên, vì môi trường truyền dẫn là không lý tưởng, cùng với các yếu tố
gây nhiễu khác mà xung tín hiệu không còn là xung vuông mà có dạng xung như sau:

Hình 1.11: Dạng xung tín hiệu tại đầu thu
Khi xung tín hiệu thay đổi trạng thái ứng với các mức logic “1” và “0” thì gọi là
sườn xung. Phép phân tích dạng xung sẽ tham chiếu dạng xung tín hiệu cần đo kiểm
với xung tiêu chuẩn tương ứng. Nếu sườn của xung tín hiệu vẫn nằm trọn trong hai
đường giới hạn tiêu chuẩn thì có thể kết luận xung đó đạt tiêu chuẩn.
- Biên độ đỉnh của xung
Là điện áp cao nhất ứng với trạng thái logic “1” của tín hiệu. Mỗi loại mã đường
truyền khác nhau thì có mức điện áp danh định khác nhau.

Gọi giá trị đỉnh dương của tín hiệu không méo lý tưởng là 1 còn giá trị đỉnh âm
của tín hiệu không méo lý tưởng là -1 thì độ mở mẫu mắt (eye opening) lý tưởng sẽ là
(2/2)x100% = 100%, trong trường hợp thực tế thì độ mở mẫu mắt sẽ là khoảng trắng
lớn nhất giữa các đường cong tín hiệu âm và dương, chia 2 và tính theo phần trăm.
Mẫu mắt càng mở (số % càng lớn) thì chất lượng tín hiệu càng tốt. Ngược với “mắt
mở” được gọi là “mắt đóng”.
Mẫu mắt được gọi là còn mở nếu độ “mở mắt” (eye opening) còn lớn hơn 0. Mẫu
mắt được gọi là đóng nếu độ mở của mắt bằng 0, khi đó dự trữ tạp âm bằng 0. Khi
mẫu mắt nhỏ hơn một giá trị ngưỡng dưới (thí dụ: độ mở < 20-30%, tùy theo hệ thống
có mã chống nhiễu hay không, tín hiệu nhị phân hay nhiều mức ) thì hệ thống sẽ mất
dịch vụ. Mẫu mắt được xem là bình thường, chấp nhận được nếu độ mở > 50%, trong
thực tế thì còn yêu cầu lớn hơn nữa, thí dụ độ mở > 75-80% [5].
b, Nguyên lý phân tích mẫu mắt

18

Nguyên lý phân tích mẫu mắt xung tín hiệu được dựa trên cơ sở của nguyên lý
máy hiện sóng. Trong máy dao động ký, có một bộ
c, Kết quả phân tích mẫu mắt
Thông thường, khi phân tích một kết quả của đo mẫu mắt sẽ cho biết về các tham
số sau [5, 6]:
 Biên độ mẫu mắt
 Biên độ mở của mắt
 Phần trăm mở của mẫu mắt
 Chiều cao đỉnh mẫu mắt
 Tỉ số lỗi bít BER (Bit Error Ratio)
 Chỉ số chất lượng Q của tín hiệu