Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông - Chương I: Máy thu thanh

- Chæång II- 9/15/2 Chæång 2 Tên hiãûu vaì phán têch tên hiãûu Nhæ âaî giåïi thiãûu trong chæång træåïc, chæång naìy chuïng ta seî tçm hiãøu nhæîng neït chênh vãö tên hiãûu vaì phæång phaïp phán têch tên hiãûu. Tên hiãûu (signal) laì biãøu diãùn váût lyï cuía tin tæïc. Trong hãû thäúng truyãön tin, tên hiãûu nháûn âæåüc thæåìng bao gäöm pháön chæïa tin tæïc mong muäún vaì pháön khäng mong muäún thãm vaìo. Pháön mong muäún goüi laì tên hiãûu coï êch, pháön khäng mong muäún goüi laì nhiãùu (noise). Trong chæång naìy giaí sæí tên hiãûu vaì nhiãùu âæåüc cäüng vaìo nhau åí bãn thu vaì goüi chung laì tên hiãûu. Trong thæûc tãú coï thãø nhiãùu taïc âäüüng vaìo tên hiãûu bàòng caïch nhán vê duû nhæ fading. Chæång naìy âæa ra caïc cäng cuû toaïn hoüc âãø biãøu diãùn tên hiãûu, trãn cå såí biãøu diãùn naìy tiãún haình phán têch tên hiãûu âãø ruït ra caïc âàûc træng thêch håüp cho tên hiãûu tuìy theo caïc khêa caûnh æïng duûng kyî thuáût khaïc nhau cuía noï. Chæång naìy táûp trung giåïi thiãûu phæång phaïp phán têch thåìi gian, phán têch phäø (spectral analysis) vaì phán têch tæång quan (correlation analysis). Phán têch thåìi gian âæåüc hiãøu theo nghéa biãøu diãùn tên hiãûu trong miãön thåìi gian vaì trãn cå såí âoï, tçm ra caïc âaûi læåüng âàûc træng cuía tên hiãûu nhæ nàng læåüng, cäng suáút, trë trung bçnh... Phán têch phäø liãn quan âãún viãûc mä taí tên hiãûu trong miãön táön säú vaì mäúi liãn quan giæîa mä taí trong miãön táön säú vaì miãön thåìi gian. Phán têch tæång quan åí cuäúi chæång daình âãø phán têch tên hiãûu ngáùu nhiãn. Tên hiãûu trong thäng tin chênh laì loaûi tên hiãûu ngáùu nhiãn naìy. 2.1 Giåïi thiãûu 2.1.1 Âënh nghéa tên hiãûu Tên hiãûu âæåüc âënh nghéa nhæ laì biãøu diãùn váût lyï cuía tin tæïc. Âoï laì mäüt âaûi læåüng váût lyï biãún thiãn theo thåìi gian, khäng gian hay caïc biãún âäüc láûp khaïc. Vãö màût toaïn hoüc, coï thãø xem tên hiãûu laì haìm theomäüt hoàûc nhiãöu biãún âäüc láûp. Vê duû nhæ, haìm t5)t(x = mä taí tên hiãûu thay âäøi tuyãún tênh theo biãún thåìi gian t. Hay haìm 2 y10xy2x3)y,x(s ++= mä taí tên hiãûu theo hai biãún âäüc láûp x vaì y biãøu diãùn cho hai biãún khäng gian trong mäüt màût phàóng. Mäüt vê duû khaïc, tên hiãûu tiãúng noïi laì sæû thay âäøi aïp suáút khäng khê theo thåìi gian. Nhæng ta khäng thãø biãøu diãùn tên hiãûu tiãúng noïi laì mäüt haìm theo thåìi gian maì täøng quaït, ta chè coï thãø biãøu diãùn mäüt âoaûn (segment) tiãúng noïi nhæ laì täøng cuía nhiãöu haìm sin khaïc biãn âäü, táön säú vaì pha nhæ sau: - - 17 - Chæång II- 9/15/2 ∑ = θ+π N 1i iii )]t(t)t(F2sin[)t(A Hçnh 2.1 laì mäüt vê duû vãö daûng soïng tên hiãûu tiãúng noïi - tæì tiãúng Anh "away" Hçnh 2.1 Daûng soïng cuía tæì "away" 2.1.2 Phán loaûi tên hiãûu Coï nhiãöu caïch khaïc nhau âãø phán loaûi tên hiãûu. Trong mäüt vaìi æïng duûng, tên hiãûu coï thãø âæåüc taûo ra tæì nhiãöu nguäön hoàûc tæì nhiãöu bäü caím biãún. Nhæîng tên hiãûu nhæ váûy âæåüc goüi laì tên hiãûu âa kãnh (multichannel signals). Vê duû nhæ, tên hiãûu âiãûn tám âäö (ECG) 3 kãnh hoàûc 12 kãnh. Xeït säú biãún âäüc láûp, ta tháúy coï nhæîng tên hiãûu laì haìm theo mäüt biãún âån, goüi laì tên hiãûu mäüt hæåïng (one-dimensional signals), coï nhæîng tên hiãûu laì haìm theo M biãún (M > 1), goüi laì tên hiãûu M-hæåïng (M-dimensional signals). Vê duû nhæ, tên hiãûu aính ténh laì tên hiãûu 2 hæåïng vç aính laì haìm âäü saïng theo hai biãún khäng gian. Xeït giaï trë cuía haìm, coï thãø giaï trë âoï laì mäüt giaï trë thæûc hay phæïc. Do âoï ta coï thãø phán loaûi tên hiãûu thaình tên hiãûu thæûc hay phæïc. Trong män hoüc naìy, ta chè xeït tên hiãûu thæûc, mäüt kãnh, mäüt hæåïng, biãún laì biãún thåìi gian. Ta kyï hiãûu tên hiãûu naìy laì s(t) hay x(t). Âãø coï thãø phán têch tên hiãûu, yãu cáöu ta phaíi mä taí âæåüc tên hiãûu bàòng mäüt mä hçnh toaïn hoüc naìo âoï. Coï nhæîng tên hiãûu coï thãø xaïc âënh duy nháút bàòng mäüt mä hçnh toaïn hoüc quen thuäüc nhæ laì baíng biãøu, âäö thë... Loaûi tên hiãûu naìy âæåüc goüi laì tên hiãûu xaïc âënh hay táút âënh (deterministic signals). Loaûi tên hiãûu naìy âæåüc duìng âãø nháún maûnh ràòng ta coï thãø biãút roî táút caí caïc giaï trë cuía tên hiãûu trong quaï khæï, hiãûn taûi vaì tæång lai. Tuy nhiãn, thæûc tãú coï nhiãöu tên hiãûu maì ta khäng thãø mä taí chênh xaïc âæåüc. Do âoï khäng thãø duìng mä hçnh toaïn hoüc quen thuäüc âãø biãøu diãùn tên hiãûu. Ta khäng thãø dæû âoaïn âæåüc haình vi cuía loaûi tên hiãûu naìy. Ta goüi âáy laì tên hiãûu ngáùu nhiãn (random signals). Âãø biãøu diãùn loaûi tên hiãûu naìy, ta phaíi dæûa vaìo caïc quan saït thäúng kã. Vê duû tên hiãûu tiãúng noïi, tên hiãûu nhiãùu laì nhæîng tên hiãûu ngáùu nhiãn. - - 18 - Chæång II- 9/15/2 2.2 Biãøu diãùn tên hiãûu xaïc âënh theo thåìi gian 2.2.1 Tên hiãûu váût lyï vaì tên hiãûu toaïn hoüc Tên hiãûu váût lyï (physical signals) laì tên hiãûu coï thãø thæûc hiãûn âæåüc vãö màût váût lyï (physically realizable). Tên hiãûu váût lyï phaíi thoaí maîn caïc yãu cáöu sau: - Coï giaï trë hæîu haûn, xaïc âënh trong mäüt khoaíng thåìi gian hæîu haûn - Coï phäø hæîu haûn, xaïc âënh trong mäüt daíi táön säú hæîu haûn - Laì haìm liãn tuûc theo thåìi gian - Laì haìm thæûc - Coï tênh nhán quaí, nghéa laì biãn âäü s bàòng 0 våïi thåìi gian t < 0. Ngæåüc våïi tên hiãûu váût lyï laì tên hiãûu toaïn hoüc (mathematical signals). Âoï laì tên hiãûu chè coï yï nghéa lyï thuyãút vaì hoaìn toaìn khäng thãø thæûc hiãûn âæåüc vãö màût váût lyï. Hçnh 2.2 âæa ra mäüt vê duû vãö hai loaûi tên hiãûu xung vuäng váût lyï vaì toaïn hoüc. - t t (b) (a) Hçnh 2.2 Tên hiãûu xung vuäng váût lyï vaì toaïn hoüc (a) Xung vuäng toaïn hoüc - (b) Xung vuäng váût lyï 2.2.2 Phán loaûi tên hiãûu dæûa theo daûng Goüi kyï hiãûu biãøu diãùn tên hiãûu laì s(t), åí âáy s laì biãn âäü vaì t laì thåìi gian. Dæûa theo biãn âäü vaì thåìi gian, ta coï thãø phán tên hiãûu thaình 4 loaûi: Tên hiãûu liãn tuûc (continuous-time signals) hay tên hiãûu tæång tæû (analog signals) laì tên hiãûu coï giaï trë xaïc âënh taûi moüi thåìi âiãøm tæì khi tên hiãûu sinh ra âãún khi kãút thuïc, nghéa laì caí biãn âäü vaì thåìi gian âãöu liãn tuûc. Tên hiãûu råìi raûc (discrete-time signals) laì tên hiãûu chè xaïc âënh taûi caïc giaï trë naìo âoï cuía thåìi gian. Tên hiãûu naìy coï biãn âäü liãn tuûc vaì thåìi gian råìi raûc. Khoaíng caïch giæîa caïc thåìi âiãøm råìi raûc khäng nháút thiãút phaíi bàòng nhau, nhæng trong thæûc tãú thæåìng khoaíng caïch naìy âæåüc láúy bàòng nhau. Coï thãø taûo ra tên hiãûu råìi raûc bàòng hai caïch. Mäüt laìì láúy máùu tên hiãûu liãn tuûc, âáy laì caïch thäng thæåìng âãø chuyãøn tên hiãûu tæì liãn tuûc thaình råìi raûc. Hai laì âo (âãúm) mäüt âaûi - 19 - Chæång II- 9/15/2 læåüng naìo âoï theo mäüt chu kyì nháút âënh, vê duû nhæ cán em beï theo tæìng thaïng, âo aïp suáút khäng khê theo giåì... Tên hiãûu læåüng tæí hoïa (quantization signals) laì tên hiãûu chè coï táûp hæîu haûn säú mæïc biãn âäü, nghéa laì biãn âäü råìi raûc vaì thåìi gian liãn tuûc. Vê duû nhæ tên hiãûu ra cuía bäü giæî máùu báûc khäng ZOH. Tên hiãûu säú (digital signals) laì tên hiãûu råìi raûc coï biãn âäü âæåüc råìi raûc hoïa, nghéa laì caí biãn âäü vaì thåìi gian âãöu råìi raûc. Hçnh 2.3 laì âäö thë cuía 4 loaûi tên hiãûu trãn. • • • • (b) (d) (a) (c) Hçnh 2.3 Âäö thë bäún loaûi tên hiãûu (a) Liãn tuûc - (b) Råìi raûc - (c) Læåüng tæí hoïa - (d) Säú 2.2.3 Caïc tên hiãûu toaïn hoüc cå baín - Tên hiãûu (delta) Dirac laì tên hiãûu âæåüc âënh nghéa båíi: )0(sdt)t()t(s =δ∫ ∞ ∞− våïi s(t) laì haìm liãn tuûc taûi t = 0. Ngoaìi ra coìn coï âënh nghéa khaïc cho tên hiãûu Dirac laì: 1dt)t( =δ∫ ∞ ∞− - - 20 - Chæång II- 9/15/2 vaì ⎩⎨ ⎧ ≠ =∞=δ 0t,0 0t, )t( Âäö thë cuía tên hiãûu Dirac nhæ hçnh 2.4. - Hçnh 2.4 Tên hiãûu Dirac 1 0 Tên hiãûu Dirac âæåüc chæïng minh laì coï mäüt säú tênh cháút cuía nhæ: )t(sdt)tt()t(s 00 =−δ∫ ∞ ∞− )t(sdt)t()tt(s 00 =δ+∫ ∞ ∞− )t(A)t(A δ=−δ 0tkhi,0)t(A ≠=δ )tt()BA()tt(B)tt(A 000 −δ+=−δ+−δ Våïi y(t) liãn tuûc taûi t0 ta coï: )tt()t(Ay)]tt(A)[t(y 000 −δ=−δ ,tt2j dte)t( ,∫ ∞ ∞− π±=δ -Tên hiãûu bæåïc nhaíy âån vë (unit step) laì tên hiãûu: ⎩⎨ ⎧ < >= 0t,0 0t,1 )t(u Tæì âënh nghéa coï thãø suy ra mäúi quan hãû giæîa tên hiãûu Dirac vaì tên hiãûu bæåïc nhaíy âån vë nhæ sau: ∫ ∞− =λλδ t )t(ud)( vaì )t( dt )t(du δ= - 21 - Chæång II- 9/15/2 Âäö thë cuía tên hiãûu bæåïc nhaíy âån vë nhæ hçnh 2.5. 1 0 Hçnh 2.5 Tên hiãûu bæåïc nhaíy âån vë - Tên hiãûu chæî nháût (rectangular) laì tên hiãûu: ⎪⎩ ⎪⎨⎧ > ≤=Π 2/Tt,0 2/Tt,1 ) T t( Âäö thë cuía tên hiãûu chæî nháût nhæ hçnh 2.6. -T/2 T/2 1 0 Hçnh 2.6 Tên hiãûu chæî nháût Mäúi quan hãû giæîa tên hiãûu chæî nháût vaì tên hiãûu bæåïc nhaíy âån vë nhæ sau: )2/Tt(u)2/Tt(u T t −−+=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛∏ - Tên hiãûu tam giaïc (triangular) laì tên hiãûu: ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ > ≤−=Λ Tt,0 Tt, T t 1 ) T t( Âäö thë cuía tên hiãûu tam giaïc nhæ hçnh 2.7. -T T 1 0 Hçnh 2.7 Tên hiãûu tam giaïc - - 22 - Chæång II- 9/15/2 - Tên hiãûu däúc âån vë (unit ramp) laì tên hiãûu: ⎩⎨ ⎧ < >= 0t,0 0t,t )t(r Âäö thë cuía tên hiãûu däúc âån vë nhæ hçnh 2.8. 0 Hçnh 2.8 Tên hiãûu däúc âån vë - Tên hiãûu haìm muî laì tên hiãûu: ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ < >= − 1 1 at tt,0 tt,Ae )t(x (a coï thãø laì säú thæûc hay phæïc) Âäö thë cuía tên hiãûu haìm muî våïi a thæûc vaì 0 < a < 1 nhæ hçnh 2.9. - Hçnh 2.9 Tên hiãûu haìm muî thæûc giaím 0 - Tên hiãûu sin (tên hiãûu âiãöu hoìa) laì tên hiãûu: ) 2 t T 2sin(A)tf2cos(A)t T 2cos(A)t(x 0 0 0 π+θ+π=θ+π=θ+π= ÅÍ âáy A laì biãn âäü, f0 = 1 / T0 laì táön säú chè säú láön làûp laûi tên hiãûu trong 1 âån vë thåìi gian, laì pha chè sai khaïc vãö goïc giæîa tên hiãûu x(t) vaì tên hiãûu tham chiãúu coï pha laì 0. θ Âäö thë cuía tên hiãûu sin nhæ hçnh 2.10. Hçnh 2.10 Tên hiãûu sin - A A 0 - 23 - Chæång II- 9/15/2 Táûp caïc tên hiãûu sin coï chung táön säú âæåüc mä taí båíi táön säú âoï vaì biãn âäü vaì pha cuía mäùi tên hiãûu. Ta coï thãø biãøu diãùn biãn âäü vaì pha cuía mäùi tên hiãûu dæåïi daûng phæïc goüi laì phasor. Sæí duûng cäng thæïc Euler, ta coï . Váûy ta coï thãø viãút laûi biãøu thæïc cuía tên hiãûu sin nhæ sau: β+β=β sinjcose j tf2jtf2jj pp )tf2(j 000 Xee]Ae[)t(x)]t(xRe[]AeRe[)t(x ππθθ+π ≡=⇒≡= åí âáy X laì säú phæïc, biãn âäü vaì pha cuía X laì biãn âäü vaì pha cuía tên hiãûu sin. Do âoï ta noïi X âàûc træng cho tên hiãûu sin ngoaûi træì táön säú. Ta noïi X laì biãøu diãùn phasor cuía tên hiãûu sin: θ= jAeX 2.2.4 Caïc âaûi læåüng âàûc træng cuía tên hiãûu -Âäü daìi laì thåìi gian täön taûi cuía tên hiãûu tæì luïc bàõt âáöu xuáút hiãûn tên hiãûu cho âãún khi kãút thuïc. Thäng säú naìy qui âënh khoaíng thåìi gian báûn cuía hãû thäúng truyãön tin trong viãûc truyãön âi tin tæïc chæïa trong tên hiãûu. -Trë trung bçnh (time average) cuía mäüt tên hiãûu âæåüc tênh theo cäng thæïc: ∫ −∞→ = 2/T 2/T T dt)t(s T 1lim)t(s Âënh nghéa tên hiãûu tuáön hoaìn våïi chu kyì TO laì tên hiãûu thoaí maîn t)Tt(s)t(s 0 ∀+= . Nhæ váûy tên hiãûu váût lyï khäng tháût sæû laì tên hiãûu tuáön hoaìn. Nãúu tên hiãûu tuáön hoaìn thç trë trung bçnh âæåüc tênh nhæ sau: ∫ + +− = a2/T a2/T0 0 dt)t(s T 1)t(s våïi a laì hàòng säú tuìy yï coï thãø bàòng 0. Nãúu tên hiãûu váût lyï thç trë trung bçnh âæåüc tênh nhæ sau: ∫−= 2 1 t t12 dt)t(s tt 1)t(s våïi t2 - t1 = T laì âäü daìi cuía tên hiãûu. -Thaình pháön mäüt chiãöu cuía tên hiãûu DC laì thaình pháön khäng âäøi theo thåìi gian. Täøng quaït mäüt tên hiãûu coï thãø âæåüc phán têch thaình täøng cuía hai thaình pháön laì thaình pháön mäüt chiãöu vaì thaình pháön khäng âäøi theo thåìi gian coï trë trung bçnh bàòng 0 goüi laì thaình pháön xoay chiãöu. Tæì âáy coï thãø dãù daìng suy ra thaình pháön mäüt chiãöu chênh laì trë trung bçnh cuía tên hiãûu. - Nàng læåüng chuáøn hoaï (normalized energy) cuía tên hiãûu âæåüc tênh theo: - - 24 - Chæång II- 9/15/2 ∫ −∞→ = 2/T 2/T 2 T dt)t(slimE Âënh nghéa tên hiãûu nàng læåüng laì tên hiãûu coï nàng læåüng hæîu haûn khaïc 0. - Cäng suáút chuáøn hoaï trung bçnh (average normalized power) cuía tên hiãûu âæåüc tênh theo: ∫ −∞→ == 2/T 2/T 2 T 2 dt)t(s T 1lim)t(sP Âënh nghéa tên hiãûu cäng suáút laì tên hiãûu coï cäng suáút hæîu haûn khaïc 0 vaì coï nàng læåüng vä haûn. Tæì âáy ta tháúy khäng coï tên hiãûu naìo væìa laì tên hiãûu nàng læåüng laûi væìa laì tên hiãûu cäng suáút - Trë hiãûu duûng rms (root mean square) cuía tên hiãûu âæåüc âënh nghéa laì càn báûc hai cuía cäng suáút chuáøn hoaï trung bçnh. 2.3 Chuäùi Fourier - Phäø cuía tên hiãûu tuáön hoaìn Tên hiãûu s(t) nàng læåüng hæîu haûn tuáön hoaìn våïi chu kyì TO coï thãø âæåüc biãøu diãùn dæåïi daûng täøng vä haûn cuía caïc tên hiãûu sin. Täøng naìy goüi laì chuäùi Fourier (Fourier series), coï thãø âæåüc viãút dæåïi nhiãöu daûng khaïc nhau. Mäüt trong caïc daûng âoï laì: ∑∑ ∞ = ∞ = π+π+= 1n 0 n 1n 0 n0 T nt2sinb T nt2cosaA)t(s Hàòng säú AO laì trë trung bçnh cuía s(t), âæåüc tênh båíi: ∫ − = 2/T 2/T0 0 0 dt)t(s T 1A Caïc hãû säú an vaì bn âæåüc tênh båíi: ∫ ∫ − − π= π= 2/T 2/T 00 n 2/T 2/T 00 n 0 0 dt T nt2sin)t(s T 2b dt T nt2cos)t(s T 2a Mäüt daûng khaïc cuía chuäùi Fourier laì: ∑∞ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Φ+π+= 1n n 0 n0 T nt2cosCC)t(s ÅÍ âáy CO , Cn vaì φn liãn quan våïi an , bn vaì AO theo cäng thæïc - - 25 - Chæång II- 9/15/2 n n n 2 n 2 nn 00 a b arctg baC AC −=Φ += = Váûy chuäùi Fourier cuía mäüt haìm tuáön hoaìn laì täøng caïc haìi cuía táön säú cå baín fO = 1/TO .Hãû säú Cn goüi laì biãn âäü cuía thaình pháön phäø (spectral component) Cn cos (2π n fOt + φn) taûi táön säú nfO . Hçnh 2.11a chè ra phäø biãn âäü âiãøn hçnh (amplitude spectrum) Cn cuía tên hiãûu tuáön hoaìn. Phäø naìy coï daûng råìi raûc nãn coìn âæåüc goüi laì phäø vaûch (line spectrum). Chuäùi Fourier coìn coï thãø âæåüc biãøu diãùn dæåïi daûng haìm muî (exponential form) nhæ sau: ∑∞ −∞= π= n T/tn2j n 0eA)t(s åí âáy dte)t(s T 1A 2/T 2/T T/tn2j 0 n 0 0 0∫ − π−= Hãû säú An laì hãû säú phæïc, liãn hãû våïi Cn theo cäng thæïc : njn n 00 e 2 C A CA Φ= = Caïc hãû säú An laì biãn âäü cuía thaình pháön phäø . Hçnh 2.11b chè ra phäø biãn âäü An . Âãø yï tháúy ràòng caïc vaûch phäø taûi hçnh 2.11a taûi táön säú fo âæåüc thay bàòng 2 vaûch phäø hçnh 2.11b våïi biãn âäü mäùi vaûch giaím âi mäüt næía, mäüt vaûch åí táön säú fO vaì vaûch kia åí táön säú -fO . Phäø biãn âäü hçnh 2.11a goüi laì phäø mäüt phêa (single - sided spectrum) coìn phäø biãn âäü hçnh 2.11b goüi laì phäø hai phêa (two - sided spectrum). Sæí duûng phäø hai phêa thuáûn tiãûn hån trong tênh toaïn, do âoïì sau naìy chuïng ta seî sæí duûng phäø hai phêa. Vãö màût lyï thuyãút säú vaûch phäø cuía s(t) laì vä haûn, nghéa laì phäø âæåüc phán bäú trãn suäút thang táön säú. Tuy nhiãn nãúu tênh toaïn cuû thãø seî tháúy våïi háöu hãút tên hiãûu thç khi n tàng âãún mäüt giaï trë âuí låïn naìo âoï, biãn âäü Cn seî giaím khaï nhanh vaì coï thãø boí qua. Do âoï thæûc tãú coï thãø xem nhæ phäø chè phán bäú trãn mäüt khoaíng táön säú hæîu haûn. Âënh nghéa khoaíng maì phäø chiãúm trãn thang táön säú goüi laì bãö räüng phäø (spectral bandwidth) cuía tên hiãûu. Caïch xaïc âënh bãö räüng phäø nhæ sau: goüi B laì bãö räüng phäø, B âæûoc tênh laì sai khaïc giæîa hai táön säú dæång låïn nháút vaì nhoí nháút maì trong khoaíng âoï - - 26 - Chæång II- 9/15/2 max )f(Sa)f(S ≥ Hãû säú a âæåüc choün laì hàòng säú dæång tuyì æïng duûng. Thæåìng choün 707.02/1a == . Ta nháûn tháúy tên hiãûu sin biãn âäü A coï cäng suáút trung bçnh laì A2 / 2 vaì tên hiãûu sin biãn âäü 2/A coï cäng suáút trung bçnh bàòng mäüt næía laì A2 / 4. Ta biãút tyí säú cäng suáút laì 1/2 = -3 dB Do âoï bàng thäng våïi 707.02/1a == coìn âæåüc goüi laì bàng thäng - 3 dB. Hçnh 2.12 laì mäüt vê duû vãö xaïc âënh bàng thäng cuía tên hiãûu. - n/T0 n/T0 0/T0 1/T0 2/T0 3/T0 . . . n A Cn (b) (a) . . . -3/T0 -2/T0 -1/T0 0 1/T0 2/T0 3/T0 . . . Hçnh 2.11 (a) Phäø biãn âäü mäüt phêa cuía tên hiãûu tuáön hoaìn. (b) Phäø biãn âäü hai phêa tæång æïng Hçnh 2.12 Vê duû xaïc âënh bàng thäng tên hiãûu maxn Aa n/T0 B 0 2.4 Pheïp biãún âäøi Fourier - Phäø cuía tên hiãûu khäng tuáön hoaìn 2.4.1 Càûp biãún âäøi Fourier thuáûn vaì ngæåüc - 27 - Chæång II- 9/15/2 Xeït tên hiãûu s(t) khäng tuáön hoaìn. Âãø aïp duûng caïc cäng thæïc trong pháön træåïc ta xem tên hiãûu khäng tuáön hoaìn laì tên hiãûu tuáön hoaìn coï chu kyì låïn vä cuìng TO → ∞ . Nhæ ta âaî tháúy, tên hiãûu tuáön hoaìn laì täøng cuía caïc vaûch phäø. Caïc vaûch phäø naìy coï biãn âäü hæîu haûn vaì phán caïch nhau båíi khoaíng táön säú hæîu haûn fO = 1/TO . Khi TO → ∞ thç khoaíng caïch giæîa caïc vaûch phäø tråí nãn vä cuìng beï 1/TO → df. Biãún táön säú tæì khäng liãn tuûc tråí nãn liãn tuûc n /TO → f. Hãû säú Fourier An tråí thaình: dfdte)t(sdte)t(s T 1limAlim)f(A tf2j 2/T 2/T T/tn2j 0 TnT 0 0 0 00 ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡=== ∫∫ ∞ ∞− π− − π− ∞→∞→ Nãúu têch phán trong dáúu moïc vuäng häüi tuû thç A(f) laì mäüt vä cuìng beï. Âàût: ∫ ∞ ∞− π−= dte)t(s)f(S tf2j S(f) âæåüc goüi laì máût âäü phäø (spectral density) hay phäø hay laì biãún âäøi Fourier (Fourier Transform) cuía tên hiãûu s(t). Cuîng láúy giåïi haûn nhæ trãn, ta coï thãø tênh ngæåüc s(t) tæì S(f) nhæ sau: ∫∑ ∞ ∞− π∞ −∞= π ∞→ == dfe)f(SeAlim)t(s tf2j n T/tn2j nT 0 0 Caïc cäng thæïc S(f) vaì s(t) håüp thaình càûp biãún âäøi Fourier cuía tên hiãûu khäng tuáön hoaìn s(t). S(f) laì biãún âäøi thuáûn, s(t) laì biãún âäøi ngæåüc. Càûp biãún âäøi Fourier chè roî, vãö màût váût lyï, coï thãø xem tên hiãûu s(t) laì täøng cuía vä säú dao âäüng âiãöu hoaì coï táön säú biãún thiãn liãn tuûc trãn suäút truûc táön säú våïi biãn âäü vä cuìng beï phán bäú trãn truûc táön säú theo máût âäü S(f). 2.4.2 Máût âäü phäø cuía tên hiãûu tuáön hoaìn Vç tên hiãûu tuáön hoaìn chàóng qua chè laì mäüt træåìng håüp âàûc biãût cuía tên hiãûu khäng tuáön hoaìn nãn täøng quaït, ta coï thãø gaïn caí khaïi niãûm máût âäü phäø cho tên hiãûu tuáön hoaìn. Do âàûc âiãøm cuía phäø vaûch nãn máût âäü phäø cuía tên hiãûu tuáön hoaìn phaíi coï tênh cháút: låïn vä cuìng åí caïc vaûch phäø vaì triãût tiãu åí ngoaìi caïc vaûch âoï. Váûy coï thãø duìng tên hiãûu Dirac âãø biãøu diãùn máût âäü phäø cuía tên hiãûu tuáön hoaìn. Láúy biãún âäøi Fourier cho caí hai vãú cuía cäng thæïc chuäùi Fourier daûng haìm muî, aïp duûng tênh cháút cuía tên hiãûu Dirac ta âæåüc máût âäü phäø cuía tên hiãûu tuáön hoaìn ST (f) nhæ sau: dteeA)f(S tf2j n tfn2j nT 0 π−∞ ∞− ∞ −∞= π∫ ∑ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= ∑ ∫∞ −∞= ∞ ∞− −π−= n t)fnf(2j n dteA 0 - - 28 - Chæång II- 9/15/2 ∑∞ −∞= −δ= n 0n )nff(A 2.4.3 Phäø biãn âäü vaì phäø pha Täøng quaït phäø S(f) laì mäüt haìm phæïc theo biãún f. Do âoï ta coï thãø biãøu diãùn S(f) dæåïi daûng sau: [ ] [ ] )f(je)f(S)f(SImj)f(SRe)f(S ϕ=+= Trong âoï: )]f(S[Im)]f(S[Re)f(S 22 += goüi laì phäø biãn âäü (amplitude spetrum), âån vë cuía phäø biãn âäülaì A/Hz hay V/Hz vaì )]f(SRe[ )]f(SIm[arctg)f( =ϕ goüi laì phäø pha (phase spectrum), âån vë cuía phäø pha laì radian hay âäü. Hçnh 2.13 la ì phäø biãn âäü vaì phäø pha cuía tên hiãûu chæî nháût. Hçnh 2.13 Phäø biãn âäü vaì phäø pha cuía tên hiãûu chæî nháût 2.4.4 Âënh lyï Parseval vaì máût âäü phäø nàng læåüng Âënh lyï Parseval phaït biãøu nhæ sau: ∫ ∫ ∞ ∞− ∞ ∞− ∗∗ = df)f(S)f(Sdt)t(s)t(s 2121 Nãúu thç: )t(s)t(s)t(s 21 == ∫ ∫ ∞ ∞− ∞ ∞− == df)f(Sdt)t(sE 22 Âáy cuîng chênh laì näüi dung cuía âënh lyï nàng læåüng Rayleigh. Chæïng minh: Biãún âäøi vãú traïi, aïp duûng cäng thæïc biãún âäøi Fourier ngæåüc, ta âæåüc: - - 29 - Chæång II- 9/15/2 Vãú traïi = ∫ ∫ ∞ ∞− •∞ ∞− π ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ dt)t(sdfe)f(S 2 tf2j 1 Giaí sæí caïc têch phán naìy âãöu häüi tuû tuyãût âäúi, theo âënh lyï Fubini ta coï thãø thay âäøi thæï tæû láúy têch phán vaì âæåüc nhæ sau: Vãú traïi = dfdte)t(s)f(S tf2j 21 ∗∞ ∞− ∞ ∞− π−∫ ∫ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ∫ ∞ ∞− ∗= df)f(S)f(S 21 Âënh nghéa máût âäü phäø nàng læåüng ESD (Energy Spectral Density) cuía tên hiãûu nàng læåüng laì: E 2)f(S)f( = Âån vë cuía E (f) laì joule trãn hertz (J/Hz). Sæí duûng âënh lyï Parseval coï thãø biãøu diãùn nàng læåüng chuáøn hoaï theo ESD nhæ sau: ∫ ∞ ∞− =E E (f)df 2.4.5 Máût âäü phäø cäng suáút Máût âäü phäø cäng suáút PSD (Power Spectral Density) laì haìm nãu lãn mäúi liãn quan giæîa cäng suáút chuáøn hoaï cuía tên hiãûu vaì mä taí tên hiãûu trong miãön táön säú. PSD âæåüc âënh nghéa theo caïch tæång tæû nhæ ESD. PSD hiãûu quaí hån ESD vç loaûi tên hiãûu cäng suáút âæåüc sæí duûng räüng raîi trong viãûc nghiãn cæïu caïc hãû thäúng truyãön tin. Træåïc hãút âënh nghéa haìm càõt goüt (truncated version) cuía mäüt tên hiãûu laì: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛Π=⎩⎨ ⎧ ≠ <<−= T t)t(s t,0 2/Tt2/T),t(s )t(s T Cäng suáút chuáøn hoaï trung bçnh tênh theo haìm càõt goüt laì: ∫ ∫ − ∞ ∞−∞→∞→ == 2/T 2/T 2 TT 2 T dt)t(s T 1limdt)t(s T 1limP Sæí duûng âënh lyï Parseval thç cäng suáút trãn tråí thaình: - - 30 - Chæång II- 9/15/2 df T )f(S limdf)f(S T 1limP 2 T T 2 TT ∫∫ ∞ ∞− ∞→ ∞ ∞−∞→ ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ == ÅÍ âáy ST (f) laì biãún âäøi Fourier cuía sT(t). Têch phán bãn vãú phaíi goüi laì PSD. Váûy âënh nghéa máût âäü phäø cäng suáút PSD cuía tên hiãûu cäng suáút laì: P (f) = ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∞→ T )f(S lim 2 T T Âån vë cuía PSD laì W/Hz hay V2 /Hz hay A2 /Hz. Læu yï ràòng PSD laì mäüt haìm thæûc khäng ám theo táön sä ú. Tæì âáy coï thãø biãøu diãùn cäng suáút chuáøn hoaï trung bçnh theo PSD nhæ sau: ∫ ∞ ∞− =P P (f) df 2.4.6 Caïc tênh cháút cuía phäø Baíng 2.1 nãu caïc tênh cháút cuía phäø. Pháön chæïng minh cho caïc tênh cháút naìy coi nhæ laì baìi táûp vãö nhaì. 2.5 Tên hiãûu ngáùu nhiãn ( quaï trçnh ngáùu nhiãn ) Âäúi våïi thäng tin, quan niãûm xaïc âënh vãö tên hiãûu chè coï thãø cháúp nháûn âæåüc vãö màût lyï thuyãút chæï khäng phuì håüp våïi thæûc tãú. Vç nãúu chuïng ta xem tên hiãûu laì biãøt træåïc thç vãö màût yï nghéa tin tæïc maì noïi, viãûc truyãön tên hiãûu laì khäng cáön thiãút. Hån næîa nhiãùu taïc âäüng vaìo hãû thäúng truyãön tin cuîng khäng thãø biãút træåïc. Tuy nhiãn nãúu chuïng ta hoaìn toaìn khäng biãút gç vãö tên hiãûu hay nhiãùu thç cuîng khäng coï cå såí gç âãø phán biãût tên hiãûu coï êch våïi nhiãùu, vaì do âoï seî khäng thãø thu âæåüc tên hiãûu. Âãø thu âæåüc tên hiãûu thäng tin ta phaíi biãút âæåüc caïc âàûc tênh thäúng kã cuía noï vaì diãùn taí trãn cå såí lyï thuyãút xaïc suáút. Ta goüi caïc tên hiãûu xeït theo quan âiãøm thäúng kã naìy laì tên hiãûu ngáùu nhiãn hay coìn goüi laì quaï trçnh ngáùu nhiãn (random processes). 2.5.1 Âënh nghéa vaì phán loaûi quaï trçnh ngáùu nhiãn Âãø coï mäüt khaïi niãûm vãö quaï trçnh ngáùu nhiãn, træåïc hãút ta xeït mäüt vê duû cuû thãø. Theo doîi caïc daûng soïng âiãûn aïp phaït ra tæì cuìng mäüt nguäön nhiãùu hçnh 2.14, ta tháúy caïc daûng soïng âoï khäng giäúng nhau, âoï coï thãø laì )t(),...,t(),t( i21 ξξξ . Táûp táút caí caïc âæåìng cong { })t( i ξ goüi laì táûp håüp (ensemble) vaì táûp håüp âoï âæåüc goüi laì quaï trçnh ngáùu nhiãn )t(ξ mä taí nhiãùu. Khi quan saït caïc daûng soïng âiãûn aïp phaït ra tæì cuìng mäüt nguäön nhiãùu, viãûc ta nháûn âæåüc mäüt âæåìng cong naìo trong táûp håüp âoï laì mäüt sæû kiãûn (event) ngáùu nhiãn khäng thãø dæû âoaïn âæåüc. Mäüt âæåìng cong goüi laì mäüt thãø hiãûn (sample function), caïc thãø hiãûn naìy tuy khaïc nhau nhæng xeït theo quan âiãøm xaïc suáút thäúng kã thç chuïng laûi liãn hãû nhau båíi caïc quy luáût thäúng )t( i ξ - - 31 - Chæång II- 9/15/2 Baíng 2.1 Tênh cháút cuía phäø Tênh cháút Tên hiãûu Phäø Tuyãún tênh )t(sa)t(sa 2211 + )f(Sa)f(Sa 2211 + Trãù thåìi gian )Tt(s 0 − )f(Se 0Tf2j π− Thang tyí lãû )at(s ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ a fS a 1 Liãn håüp phæïc )t(s ∗ )f(S −∗ Âaío thåìi gian )t(s − )f(S − Âiãöu chãú )tf2cos()t(s 0 θ+π [ ])ff(Se)ff(Se 2 1 0 j 0 j ++− θ−θ Trãù táön säú tf2j 0e)t(s π )ff(S 0 − Vi phán n n dt )t(sd )f(S)f2j( nπ Têch phán ∫ ∞− ττ t d)(s )f()0(S2 1)f(S)f2j( 1 δ−π − Cháûp ∫ ∞ ∞− ττ−τ= ∗ d)t(s)(s )t(s)t(s 21 21 )f(S)f(S 21 Nhán )t(s)t(s 21 ∫ ∞ ∞− υυ−υ= ∗ d)f(S)(S )f(S)f(S 21 21 Nhán våïi tn )t(st n ( n n n df )f(Sd)2j −π− - Nãúu s(t) thæûc thç phäø biãn âäü laì haìm chàôn vaì phäø pha laì haìm leí - Nãúu s(t) thæûc chàôn thç S(f) laì haìm thæûc - Nãúu s(t) thæûc leí thç S(f) laì haìm thuáön tuïy aío. - -