TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRUNG TÂM ĐÀO TẠO TÀI NĂNG BÀI TẬP LỚN Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Văn Yêm Thực hiện: Nhóm 9 - KSTN – ĐTVT – K53 Họ và tên Email Số điện thoại Nguyễn Xuân Thắng xuanthang0210@gmail.com 097 333 9634 Lê Đình Hân bksa.mywish@gmail.com 097 334 1156 Lớp: KSTN – ĐTVT – K53 Hà Nội, 11/2011 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 2 Mục lục Phần 1: LÝ THUYẾT 6 1. Giới thiệu về các hệ thống thu phát vô tuyến 6 1.1. Máy phát trực tiếp (Direct-Conversion Transmisters) 6 1.2. Máy phát qua trung tần (Two-step Transmisters) 7 1.3. Máy thu giải điều chế trực tiếp (Homodyne Receivers) 7 1.4. Máy thu đổi tần (Hetrodyne Receivers) 8 1.5. Máy thu hoàn toàn số (All Digital Receivers) 9 1.6. Máy thu trung tần số (Digital-IF Receivers) 9 2. Các phương thức điều chế 10 2.1. Phương thức điều chế PSK 10 2.2. Phương thức điều chế MPSK 10 2.3. Phương thức điều chế QPSK 11 Phần II: MÔ PHỎNG 17 1. Phạm vi mô phỏng 17 2. Giới thiệu chung về phần mềm mô phỏng 17 3. Giới thiệu các khổi 18 3.1. Khối đọc dữ liệu và chuyền thành chuỗi nhị phân 18 3.2. Khối phát 18 3.3. Khối kênh truyền 18 3.4. Khối thu 19 3.5. Khối chuyển đổi nhị phân thành dữ liệu và lưu kết quả 19 4. Giao diện chương trình 20 4.1. Giao diện phát 20 4.2. Giao diện thu 21 5. Kết quả mô phỏng 24 5.1. Bên phát 24 5.2. Bên thu 26 5.2.1. Thu qua kênh AWGN lý tưởng 26 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 3 5.2.2. Thu qua kênh fading Rayleigh 28 PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 31 1. Kết luận 31 2. Hạn chế đề tài 31 3. Hướng phát triển của đề tài 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 4 Mục lục hình Hình 1: Sơ đồ nguyến lý máy phát trực tiếp 6 Hình 2: Sơ đồ nguyên lý máy phát qua trung tần (Two-step Transmisters) 7 Hình 3: Sơ đồ nguyên lý máy thu giải điều chế trực tiếp (Homodyne Receivers) 7 Hình 4: Sơ đồ nguyên lý máy thu đổi tần (Hetrodyne Receivers) 8 Hình 5: Sơ đồ nguyến lý máy thu hoàn toàn số 9 Hình 6: Sơ đồ nguyên lý máy thu trung tần số 9 Hình 7: Giản đồ pha 12 Hình 8: Mapping 12 Hình 9: Ví dụ về điều chế QPSK 13 Hình 10: Bộ điều chế QPSK 13 Hình 11: Bộ giải điều chế QPSK 14 Hình 12: Hàm phân bố Gauss theo lý thuyết và mô phỏng. 15 Hình 13: Hàm phân bố Rayleigh 16 Hình 14: Sơ đồ khổi tổng quan về thu phát vô tuyến qua kênh chỉ có AWGN 17 Hình 15: Sơ đồ khổi tổng quan về thu phát vô tuyến qua kênh fading phẳng 18 Hình 16: Giao diện của chương trình khi bắt đầu chạy 20 Hình 17: giao diện của chương trình khi phát thành công 21 Hình 18: Giao diện chương trình sau khi thu thành công 23 Hình 19: File gui.txt dùng làm tín hiệu phát 24 Hình 20: Chòm sao tín hiệu phát đi 25 Hình 21: Tín hiệu phát đi ( vẽ demo 20 bit tín hiệu) 25 Hình 22: file thu được khi tín hiệu truyền qua kênh AWGN lý tưởng 26 Hình 23: Chòm sao tín hiệu thu được qua kênh AWGN lý tưởng 27 Hình 24: BER của tín hiệu thu được qua kênh AWGN lý tưởng ( mô phỏng và lý thuyết) 27 Hình 25: file thu được khi tín hiệu truyền qua kênh fading Rayleigh 28 Hình 26: chòm sao tín hiệu thu được qua kênh fading Rayleigh 29 Hình 27: BER của tín hiệu thu được qua kênh fading Rayleigh (mô phỏng và lý thuyết) 30 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 5 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay các hệ thống thu phát thông tin vô tuyến được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Các hệ thống xuất hiện hầu hết trong các lĩnh vực của cuộc sống: trong các hộ gia đình ví dụ như vô tuyến truyền hình, điện thoại di động, các hệ thống Wifi gia đình; trong các cơ quan, công ty như các trạm BTS hoặc các hệ thống viễn thông xuyên quốc gia và quốc tế. Các hệ thống thông tin vô tuyến vì vậy có vai trò quan trọng trong hệ thống hiện nay. Vì vậy, chúng em đã quyết định chọn đề tài “Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số bằng Matlab” để thực hiện cho bài tập lớn của môn „Thông tin vô tuyến‟. Bài tiểu luận của chúng em gồm 2 phần: - Phần 1: Lý thuyết Phần này trình bày cơ sở lý thuyết về các hệ thống thu phát vô tuyến nói chung, bao gồm: kiến trúc máy phát, kiến trúc máy thu, các loại điều chế (chủ yếu nói về QPSK), các loại mô hình kênh (kênh AWGN và kênh Fading Rayleigh) - Phần 2: Mô phỏng Phần này trình bày về phần mềm mô phỏng mà nhóm thực hiện được bằng Matlab. Chúng em xin cảm ơn PGS.TS Vũ Văn Yêm đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ chúng em để chúng em hoàn thành tốt bài tập lớn này. Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 6 Phần 1: LÝ THUYẾT 1. Giới thiệu về các hệ thống thu phát vô tuyến Có rất nhiều loại hệ thống thu phát vô tuyến với các loại kiến trúc máy thu và kiến trúc máy phát khác nhau. Sau đây là một vài loại kiến trúc máy thu và kiến trúc máy phát điển hình. 1.1. Máy phát trực tiếp (Direct-Conversion Transmisters) Sơ đồ nguyên lý: Máy phát trực tiếp có ưu điểm là đơn giản vì thế giá thành rẻ. Nhưng nó có nhược điểm là tần số của bộ dao động nội LO chính là tần số cao tần phát, khi bị phản xạ từ anten gây nhiễu cho LO. + + + 90 BBSP + LO IQ Modulator Hình 1: Sơ đồ nguyến lý máy phát trực tiếp Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 7 1.2. Máy phát qua trung tần (Two-step Transmisters) Sơ đồ nguyên lý: Để khắc phục nhược điểm của máy phát trực tiếp người ta sử dụng máy phát qua trung tần. Loại kiến trúc máy phát này có ưu điểm là tránh được nhiễu LO do phản xạ. Tuy nhiên, kiến trúc này có nhược điểm là cần có bộ lọc để lọc tín hiệu không mong muốn ở đầu ra của bộ trộn tần. Và đương nhiên do dùng thêm nhiều thiết bị hơn nên chi phí sẽ đắt hơn. Ngoài ra cấu trúc này có thể dùng số lần nâng tần nhiều hơn, ví dụ 2 lần. Thông thường vì nâng tần càng nhiều lần thiết bị càng cồng kềnh và chi phí tốn kém. Vì thế người ta thường chỉ nâng tần 2, 3 lần. 1.3. Máy thu giải điều chế trực tiếp (Homodyne Receivers) + 90 0 ADC ADC DSP IQ Demodulator LNA Hình 3: Sơ đồ nguyên lý máy thu giải điều chế trực tiếp (Homodyne Receivers) BPF3 BBSP IQ + + LO2 IF Amp BPF1 BPF4 BPF2 IF Amp + LO1 Hình 2: Sơ đồ nguyên lý máy phát qua trung tần (Two-step Transmisters) Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 8 Loại kiến trúc máy thu này có ưu điểm là đơn giản, dễ tích hợp, công suất thấp. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là: - Xuất hiện thành phần một chiều DC offset. Nguyên nhân là do cách ly giữa 2 cổng của bộ trộn tần. - I/Q mismatch: do bộ IQ Demodulator hoạt động ở tần số cao nên bộ vuông pha 90 hoạt động không chính xác hoàn toàn và độ suy giảm của nó làm cho biên độ và pha của các tín hiệu không hoàn toàn bằng nhau. - Độ nhạy kém do bộ lọc băng có dải thông rộng. 1.4. Máy thu đổi tần (Hetrodyne Receivers) Sơ đồ nguyên lý: Kiến trúc máy thu này có ưu điểm là hạn chế được các nhược điểm của kiến trúc máy thu trực tiếp do tín hiệu là trung tần trước khi vào bộ giải điều chế IQ. Và băng thông BW của tín hiệu hẹp hơn nên chất lượng của máy thu này tốt hơn. Tuy nhiên cũng giống như máy phát trực tiếp. Nhược điểm của kiến trúc này là cồng kềnh và chi phí cao. Số lần hạ tần khoảng 2, 3 lần do giá thành sản phẩm cao. + + IQ Demod ADC ADC DSP + LNA Hình 4: Sơ đồ nguyên lý máy thu đổi tần (Hetrodyne Receivers) Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 9 1.5. Máy thu hoàn toàn số (All Digital Receivers) Sơ đồ nguyên lý: Ưu điểm: - Kiến trúc đơn giản. - Linh hoạt có thể tự cấu hình bằng phần mềm. - Hoạt động ở nhiều băng, nhiều mode (DSP/FPGA) Nhược điểm: - Tần số lấy mẫu rất lớn: f s phụ thuộc vào B và f 0 . Vì thế dữ liệu đi vào DSP sẽ lớn dẫn tới giá thành DSP sẽ cao và sinh ra hiện tượng Jitter (sai pha do lấy mẫu tần số cao) - DSP tốc độ xử lý rất cao cũng dẫn tới sai số. 1.6. Máy thu trung tần số (Digital-IF Receivers) ADC DSP LNA Hình 5: Sơ đồ nguyến lý máy thu hoàn toàn số LNA + + ADC DSP LO Hình 6: Sơ đồ nguyên lý máy thu trung tần số Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 10 Ưu điểm: Vì máy thu này thiết kế để hạn chế nhược điểm của máy thu hoàn toàn số nên nó có những ưu điểm như: - Đầu vào của ADC là tín hiệu tần số thấp hơn do đã hạ tần vì thế tránh được hiện tượng Jitter. - Giá thành ADC rẻ hơn do tần số làm việc thấp hơn Nhược điểm: - Vì có thêm bộ trộn tần nên sẽ bị nhiễu tần số ảnh. 2. Các phương thức điều chế Hiện nay có rất nhiều phương thức điều chế khác nhau được sử dụng trong các hệ thống thu phát vô tuyến ví dụ như ASK, PSK, FSK, QAM … Các loại điều chế này cũng được chia thành các loại nhỏ hơn: MPSK, MFSK, MQAM, … Trong hệ thống chúng em chọn để mô phỏng chúng em sử dụng phương thức điều chế là QPSK. Phương thức này có 1 số ưu điểm hơn các phương pháp khác mà chúng em sẽ trình bày trong phần kế tiếp. 2.1. Phương thức điều chế PSK PSK (Phase-shift keying) là điều chế pha số (điều chế khóa dịch pha). Phương pháp này sử dụng duy nhất một tần số song mang và thay đổi pha của sóng mang này để mã hóa tín hiệu.                         Phương thức điều chế này thường được sử dụng trong truyền dữ liệu ở tốc độ khoảng 2400 bps. 2.2. Phương thức điều chế MPSK MPSK là phương pháp điều chế pha số. Tương tự như PSK hay BPSK, phương pháp này cũng sử dụng duy nhất một tần số sóng mang và thay đổi pha của sóng mang này để mã hóa tín hiệu. Tuy nhiên ở đây sử dụng M = 2 n pha của tín hiệu để mã hóa.                           [...]... Bên phát Phía bên phát file “gui.txt” được chọn để phát Hình 19: File gui.txt dùng làm tín hiệu phát 24 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 Sau khi phát thành công, sử dụng nút chom sao t/h phat cho ta xem chòm sao tín hiệu được phát đi Hình 20: Chòm sao tín hiệu phát đi Hình 21: Tín hiệu phát đi ( vẽ demo 20 bit tín hiệu) 25 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến. .. hiệu phát đi) Sau khi thực hiện thu thành công với cả 2 trường hợp thì sẽ có thông báo thu thanh công và xuất hiện nút “BER so sánh” dùng để so sánh tỉ lệ lỗi bit khi truyền qua 2 kênh 22 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 Hình 18: Giao diện chương trình sau khi thu thành công 23 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 5 Kết quả mô phỏng. .. thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 Hình vẽ bằng Matlab: Hình 13: Hàm phân bố Rayleigh 16 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 Phần II: MÔ PHỎNG 1 Phạm vi mô phỏng Phần mềm mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến Hai môi trường truyền dẫn được mô phỏng để so sánh là kênh truyền chỉ có nhiễu trắng (AWGN) và kênh truyền có AWGN và thêm fading phẳng, hiệu ứng... ta mở file “maythu.txt” xem kết quả thu được Hình 25: file thu được khi tín hiệu truyền qua kênh fading Rayleigh 28 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 Ta có thể xem chòm sao tín hiệu thu được trước khi giải điều chế cũng như tí số lỗi bit (BER) Hình 26: chòm sao tín hiệu thu được qua kênh fading Rayleigh 29 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53... việc mô phỏng phát và thu tín hiện ở băng tần cơ sở 2 Giới thiệu chung về phần mềm mô phỏng Phần mềm mô phỏng Matlab 7.0 dùng để mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến với sự hỗ trợ của lập trình giao diện Giude tích hợp trong Matlab Lập trình giao diện Guide được chọn bởi tính trực quan của nó với người sử dụng Trong phần mềm mô phỏng, tín hiệu phát đi là file văn bản dạng txt mô hình khối của hệ thống thu. .. phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 5.2 Bên thu 5.2.1 Thu qua kênh AWGN lý tưởng Sau khi chọn file lưu, bấm nút thu để bắt đầu thu Trong chương trình mô phỏng tín hiệu thu được sẽ được lưu vào file “ maythu.txt” Sau khi thu xong, ta mở file “maythu.txt” xem kết quả thu được Hình 22: file thu được khi tín hiệu truyền qua kênh AWGN lý tưởng 26 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53... mapping: 11 ) Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số 11 01 00 - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 10 Hình 7: Giản đồ pha 11 01 00 10 Hình 8: Mapping 12 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 Hình 9: Ví dụ về điều chế QPSK So với các phương pháp MPSK khác thì phương thức điều chế QPSK thường được sử dụng bởi nó tăng được tốc độ so với phương pháp BPSK tuy nhiên tỉ số lỗi bít BER tăng... hệ thống thu phát trong mô phỏng như sau: Đọc dữ liệu(file txt) Chuyển dữ liệu thành chuỗi nhị phân Khối phát AWGN Lưu kết quả nhận được Chuyển chuỗi nhị phân thành dữ liệu Khối thu Hình 14: Sơ đồ khổi tổng quan về thu phát vô tuyến qua kênh chỉ có AWGN 17 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Đọc dữ liệu(file txt) - Chuyển dữ liệu thành chuỗi nhị phân Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 Khối phát Kênh fading... được mô phỏng trong kênh truyền này có giá trị khá lớn tuy nhiên vẫn khá phù hợp với lý thuyết 30 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 1 Kết luận Qua thời gian it ỏi nghiên cứu tìm tòi, thông qua bài báo cáo này chúng em đã trình bày vắn tắt về ưu nhược điểm của một số cấu trúc thu phát dùng trong thông tin vô tuyến số, ... 9-KSTN-ĐTVT-K53 Ta có thể xem chòm sao tín hiệu thu được trước khi giải điều chế cũng như tí số lỗi bit (BER) Hình 23: Chòm sao tín hiệu thu được qua kênh AWGN lý tưởng Hình 24: BER của tín hiệu thu được qua kênh AWGN lý tưởng ( mô phỏng và lý thuyết) 27 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 Nhận xét:  Từ file “maythu.txt” thu được ta thấy tín hiệu qua kênh AWGN lý tưởng . Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 6 Phần 1: LÝ THUYẾT 1. Giới thiệu về các hệ thống thu phát vô tuyến Có rất nhiều loại hệ thống thu phát vô tuyến với. fading Rayleigh (mô phỏng và lý thuyết) 30 Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 5 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay các hệ thống thu phát thông tin vô tuyến được sử dụng. Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53 16 Hình vẽ bằng Matlab: Hình 13: Hàm phân bố Rayleigh Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số - Nhóm