Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án này làm về kỹ thuật điều chế số và giải điều chế số. Trong nài liệu này, mình đã nêu rõ thế nào là điều chế và Các giải điều chế. Mình đã sử dụng phần mềm matlab để mô phỏng các kết quả của ask, psk và fsk. Các bạn có thể dựa vào bài này để làm đồ án của các bạn theo học ngành điện tử viễn thông
Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số MỤC LỤC Contents LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ 1.1 Các hệ thống truyền thông số 1.2 Các kênh truyền thông 1.2.1 Kênh nhiễu trắng Gauss cộng (Additive White Gaussian Noise Channel-AWGN channel) 1.2.2 Kênh giới hạn băng thông 1.2.3 Kênh fading 1.3 Các công cụ điều chế .9 1.4 Tiêu chuẩn lựa chọn tiêu chuẩn điều chế 11 1.4.1 Hiệu công suất 12 1.4.2 Hiệu phổ .12 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ 14 2.1 Điều chế dịch biên ASK (Amplitude Shilf Keying) .14 2.2.Điều chế dịch pha PSK( Phase Shilf Keying) 17 2.3 Điều chế BPSK : 18 2.4 Điều chế QPSK : .21 2.5 Điều chế FSK (Fequency Shilf Keying) 25 2.6 Điều chế QAM (Quadrature Aplitude Modulation) .27 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ 32 3.1 Phương thức điều chế ASK 32 3.1.1 BASK 32 3.1.2 ASK M mức 33 3.2 Điều chế FSK 34 3.3 ĐIỀU CHẾ PHA NHỊ PHÂN - BPSK 36 3.4 ĐIỀU CHẾ PHA CẦU PHƯƠNG - QPSK 38 3.4.1 Mô tả điều chế QPSK 38 3.4.2 Phổ băng thơng tín hiệu QPSK 45 3.4.3 Điều chế giải điều chế QPSK .45 3.5 ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ VNG GĨC - QAM .47 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số 3.5.1 Mô tả QAM vuông 47 3.5.2 Giải điều chế tách tín hiệu QAM 48 3.5.3 Xác suất lỗi tín hiệu QAM .49 KẾT LUẬN 51 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số LỜI MỞ ĐẦU Các hệ thống thông tin số phát triển mạnh mẽ toàn giới thay hầu hết hệ thống thông tin tương tự Để đáp ứng ngày tốt nhu cầu chất lượng dịch vụ, phong phú dịch vụ, hạ giá thành, đặc biệt số lượng thuê bao tăng nhanh, nhà nghiên cứu áp dụng nhiều kĩ thuật số kĩ thuật điều chế số, có nhiều phương thức điều chế số, việc phân tích phương thức điều chế chủ yếu tùy thuộc vào dạng kiểu điều chế tách sóng Để hiểu rõ loại điều chế cách thức hoạt động loại điều chế, Em giao đề tài “ Nghiên cứu kỹ thuật điều chế số” Sau thời gian tìm hiểu với hướng dẫn thầy, cô giáo đặc biệt thầy Nguyễn Văn Vinh trực tiếp hướng dẫn, đến em hoàn thành đồ án Em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới thầy, giáo giúp đỡ em để em hồn thành đồ án Hưng Yên, ngày 19 tháng 12 năm 2018 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ 1.1 Các hệ thống truyền thơng số Hình 1.1 sơ đồ khối hệ thống thơng tin số điển hình Thơng tin gửi từ nguồn tương tự (chẳng hạn giọng nói) hay từ nguồn số (dữ liệu máy tính) Bộ chuyển đổi tương tự-số (A/D) lấy mẫu lượng tử hóa tín hiệu tương tự biểu diễn mẫu dạng số (bit 0) Bộ mã hóa nguồn chấp nhận tín hiệu số mã hóa thành dạng tín hiệu số ngắn Đây gọi mã hóa nguồn, làm giảm dư thừa giảm tốc độ truyền cần thiết (ND: Chỗ tự ý thêm chút để làm rõ nghĩa câu) Điều để làm giảm băng thông yêu cầu hệ thống mã hóa kênh nhận tín hiệu mã hóa nguồn thực mã hóa thành tín hiệu số dài Sự dư thừa thêm vào cách có chủ đích lên tín hiệu số mã hóa nhờ số lỗi tạp âm nhiễu tạo suốt đường truyền qua kênh hiệu chỉnh lại máy thu Nói chung truyền phát thường tần số thơng dải cao, điều chế nén kí hiệu số mã hóa lên sóng mang Đơi truyền phát thực băng bản, điều chế điều chế băng gốc, hay gọi định dạng (formator), thực định dạng kí hiệu số mã hóa lên dạng sóng thích hợp để truyền Thơng thường, có khuếch đại cơng suất theo sau điều chế Với truyền phát tần số cao, điều chế giải điều chế thường thực tần số trung tần (IF) Nếu vào trường hợp này, nâng tần số chèn vào điều chế khuếch đại công suất Nếu tần số trung gian thấp so với tần số sóng mang, số tầng phiên tần số sóng mang yêu cầu Với hệ thống khơng dây, có anten tầng cuối máy phát Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống thông tin số Trung gian truyền phát thường gọi kênh, tạp âm cộng vào tín hiệu ảnh hưởng fading với suy hao xuất hệ số nhân lên tín hiệu Thuật ngữ tạp âm thuật ngữ nghĩa rộng, bao gồm tất nhiễu loạn điện ngẫu nhiên từ ngồi hệ thống Kênh nói chung có băng thơng tần số hữu hạn xem lọc Tại máy thu, việc xử lí tín hiệu ngược lại xảy Trước tiên, tín hiệu nhận yếu khuếch đại (và hạ tần cần thiết) sau giải điều chế Sau phần dư thừa loại bỏ giải mã kênh giải mã nguồn thực khơi phục tín hiệu dạng nguyên gốc trước gửi tới người sử dụng Một biến đổi số-tương tự (D/A) sử dụng cho tín hiệu tương tự Sơ đồ khối cho trong hình 1.1 cấu hình hệ thống kinh điển Một cấu hình hệ thống thực phức tạp Với hệ thống nhiều người sử dụng, khối dồn kênh chèn vào trước khối điều chế Với hệ thống đa trạm, khối điều khiển đa truy nhập chèn vào trước máy phát Các thiết bị khác trải tần mữa hóa thêm vào hệ thống Một hệ thống thực đơn giản Mã hóa nguồn mã hóa kênh không cần thiết hệ thống đơn giản Trên thực tế, có khối điều chế, kênh, giải điều chế, khuếch đại thiết hệ thống truyền thông (với anten cho hệ thống khơng dây) Với mục đích mơ tả kĩ thuật điều chế giải điều chế phân tích chất lượng chúng, biểu đồ hệ thống đơn giản hóa hình 1.2 sử dụng thường xuyên Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Hình 1.2: Sơ đồ điều chế đơn giản Mơ hình loại trừ khối khơng hợp lí với quan điểm điều chế cho khối hợp lí thấy rõ ràng Tuy nhiên, kĩ thuật modem (điều chế giải điều chế) phát triển gần kết hợp điều chế mã hóa kênh lại với Trong trường hợp này, mã hóa kênh phần điều chế giải mã kênh phần giải điều chế Từ hình 1.2, tín hiệu nhận đầu vào giải điều chế viết sau: r (t ) A(t ) s (t ) * h(t ) n(t ) (1.1) Trong * phép chập Trong hình 1.2 kênh mô tả yếu tố Thứ lọc kênh Do thực tế lọc s(t) từ điều chế phải qua máy phát, kênh (trung gian truyền phát) máy thu trước tới giải điều chế, lọc kênh lọc hỗn hợp với hàm truyền là: H ( f ) HT ( f ) H C ( f ) H R ( f ) (1.2) Trong H T ( f ) , H C ( f ) , H R ( f ) hàm truyền máy phát, kênh máy thu Cũng vậy, đáp ứng xung lọc kênh là: h(t ) hT (t )* hC (t ) * hR (t ) (1.3) Trong hT (t ) , hC (t ) hR (t ) đáp ứng xung máy phát, kênh máy thu Nhân tố thứ hai hệ số A(t) mà nói chung phức Hệ số biểu diễn fading số dạng kênh, kênh vô tuyến di động Nhân tố thứ ba nhiễu cộng số hạng nhiễu n(t) Chúng ta thảo luận fading nhiễu chi tiết mục sau Mơ hình kênh hình 1.2 mơ hình chung Nó đơn giản hóa số tình thấy mục 1.2 Các kênh truyền thông Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Đặc tính kênh đóng vai trò quan trọng nghiên cứu, lựa chọn thiết kế trình tự điều chế Các trình tự điều chế nghiên cứu cho kênh khác để biết chất lượng chúng kênh Các trình tự điều chế lựa chọn thiết kế tương ứng với đặc tính kênh để tối ưu chất lượng chúng Trong mục ta thảo luận số mơ hình kênh quan trọng truyền thơng 1.2.1 Kênh nhiễu trắng Gauss cộng (Additive White Gaussian Noise ChannelAWGN channel) Kênh AWGN mơ hình phổ biến để phân tích trình tự điều chế Trong mơ hình này, kênh khơng làm việc ngồi cộng thêm nhiễu Gauss trắng vào tín hiệu qua Điều nhấn mạnh đáp ứng tần số biên độ kênh phẳng (dù với băng thông giới hạn hay ko giới hạn) đáp ứng tần số pha kênh tuyến tính cho tần số cho tín hiệu điều chế qua mà khơng biên độ méo pha hay thành phần tần số Fading không tồn Méo tạo AWGN Tín hiệu nhận 1.1 đơn giản hóa còn: r (t ) s (t ) n(t ) (1.4) Với n(t) nhiễu AWGN Tính “trắng” n(t) nhấn mạnh có q trình ngẫu nhiên tĩnh với mật độ phổ công suất phẳng (PSD) cho tất tần số Có quy ước giả thiết PSD N ( f ) N0 / � f � (1.6) Điều nhấn mạnh q trình trắng có cơng suất hữu hạn Điều dĩ nhiên mang tính lí tưởng mặt tốn học Ứng với định lí WienerKhinchine, hàm tự tương quan nhiễu AWGN R ( ) E{n(t )n(t )} � N ( f )e � � � N0 �2 � e j 2 f df j 2 f df (1.7) N0 ( ) Trong ( ) hàm delta Dirac Điều mẫu nhiễu không tự tương quan cho dù hiệu thời gian nhỏ tới đâu Các mẫu độc lập trình trình Gauss Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Tại điểm thời gian, biên độ n(t) tuân theo hàm mật độ xác suất Gauss cho bởi: p ( ) 2 exp{ 2 } 2 (1.7) Trong dùng để biểu diễn giá trị trình ngẫu nhiên n(t) độ lệch q trình ngẫu nhiên Có điểm thú vị cần lưu ý � với q trình AWGN cơng suất nhiễu, bất định tính “trắng” Tuy nhiên, r(t) lấy tương quan với hàm trực giao (t) , nhiễu đầu có độ lệch hữu hạn Trên thực tế: r � r (t ) (t )dt s n � � Trong s � n(t ) (t )dt � � Và n � s (t ) (t )dt � � Độ lệch n bằng: � � �� �� � E{n } E ��� n(t ) (t ) dt �� � �� � �� �� � � E �� n ( t ) ( t ) n ( ) ( ) dtd � � ��� � � E{n(t ) (t )}n( ) ( )dtd �� �� � � N0 ��2 (t ) (t ) ( )dtd �� N � (t )dt � � N0 (1.18) Khi hàm mật độ xác suất (PDF) n viết sau: Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử p (n ) Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số n2 exp{ } N0 N0 (1.19) Kết sử dụng thường xuyên sách Nói cách khác, kênh AWGN khơng tồn khơng có kênh truyền có băng thơng vơ định Tuy nhiên, băng thơng tín hiệu nhỏ so với băng thông kênh, số kênh thực tế xấp xỉ với kênh AWGN Chẳng hạn, kênh vô tuyến thẳng tuyến LOS (line of sight), bao gồm kết nối microwave (ND: sóng cực ngắn) mặt đất cố định kết nối vệ tinh cố định, xấp xỉ với kênh AWGN thời tiết tốt Các cáp đồng trục băng rộng xấp xỉ kênh AWGN khơng tồn nhiễu khác nhiễu Gauss Trong sách này, tất trình tự điều chế nghiên cứu kênh AWGN Có hai lí cho việc Thứ nhất, số kênh vốn xấp xỉ kênh AWGN, kết sử dụng trực tiếp Thứ hai, nhiễu Gauss cộng biểu diễn cho dù có tồn hay nhân tố làm suy yếu khác kênh băng thông hạn chế, fading, đa đường, nhiễu khác Vậy kênh AWGN kênh tốt mà hệ thống có Chất lượng trình tự điều chế xác định kênh biên chất lượng Khi có nhân tố suy giảm khác kênh, chất lượng hệ thống giảm Chất lượng AWGN sử dụng chuẩn định giá suy giảm tính hiệu kĩ thuật chống suy giảm chất lượng 1.2.2 Kênh giới hạn băng thông Khi băng thơng kênh nhỏ băng thơng tín hiệu, kênh gọi có băng thơng hạn chế Sự giới hạn băng thơng phục vụ gây nên nhiễu liên kí hiệu ISI (chẳng hạn, xung số mở rộng thời gian truyền (chu kỳ kí hiệu Ts )) gây nhiễu lên kí hiệu tiếp theo, hay chí kí hiệu ISI gây tăng xác suất lỗi bit ( Pb ) hay tỉ lệ lỗi bit BER, gọi Khi việc tăng băng thông kênh truyền điều không hiệu kinh tế, kĩ thuật cân kênh sử dụng để chống lại ISI Qua nhiều năm, số lượng lớn kĩ thuật cân phát minh sử dụng Các kĩ thuật cân xuất liên tục Chúng không bao trùm chúng sách Về hướng kĩ thuật cân kênh, bạn đọc khuyên xem [1.chương 6] hay sách hệ thống thông tin Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số 1.2.3 Kênh fading Fading tượng xảy biên độ pha tín hiệu vô tuyến biến đổi nhanh khoảng thời gian ngắn hay khoảng lan truyền ngắn Fading tạo nên nhiễu hai hay nhiều phiên tín hiệu phát chúng tới máy thu thời điểm khác chút Các sóng này, gọi sóng đa đường, kết hợp với anten cho tín hiệu tổng mà biến đổi rộng biên độ tần số Nếu thời gian trễ tín hiệu đa đường dài chu kì kí hiệu (symbol) (ND: hay gọi mẫu tín hiệu), tín hiệu đa đường phải xem tín hiệu khác Trong trường hợp này, ta có tín hiệu đa đường độc lập Trong kênh thông tin di động, kênh di động mặt đất kênh di động vệ tinh, nhiễu fading đa đường tạo nên phản hồi từ cơng trình bao quanh địa hình Thêm vào đó, di chuyển tương đối máy phát máy thu cho kết điều chế tần số ngẫu nhiên tín hiệu mức dịch tần Doppler khác thành phần đa đường Sự di động đối lượng bao quanh, xe tải, tạo nên mức dịch tần Doppler thành phần đa đường Tuy nhiên, đối tượng bao quanh di chuyển tốc độ nhỏ tốc độ di động, hiệu ứng chúng bỏ qua Nhiễu fading đa đường tồn kết nối microwave LOS (ND: nói trên, LOS=tuyến thẳng) [3] Trong buổi hè trời êm, hỗn loạn áp suất thông thường nhỏ Tầng đối lưu xếp thành tầng với phân phối nhiệt độ ẩm không đồng Sự phân lớp tầng áp suất thấp tạo nên gradien số khúc xạ đột ngột để tạo nên đường đa tín hiệu với biên độ trễ khác Fading tạo nên biến đổi nhanh biên độ độ lệch pha tín hiệu nhận Đa đường tạo nên nhiễu liên kí hiệu Dịch tần Doppler tạo nên trơi tần số sóng mang trải băng thơng tín hiệu Tất điều dẫn tới suy hao chất lượng điều chế Việc phân tích chất lượng điều chế kênh fading thảo luận chi tiết 1.3 Các công cụ điều chế Điều chế số q trình nén kí hiệu số lên tín hiệu thích hợp để truyền phát Với truyền phát khoảng cách ngắn, điều chế băng gốc thường sử dụng Điều chế băng gốc thường gọi mã đường Một chuỗi kí hiệu số thường sử dụng để tạo nên dạng sóng xung vng với số đặc điểm để biểu diễn dạng kí hiệu mà khơng có nhập 10 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số 1 exp[ (y1 Eb ) ] N N0 fY ( y1 |1) Xác suất lỗi mà phát tín hiệu mà máy thu định : � Pe (0 |1) � f y1 ( y1 |1) dy1 � 1 exp[ (y1 + Eb ) ]dy1 � N N0 Từ ta tính : E Eb Pe (0 |1) erfc( b )=Q( ) N0 N0 Do tính đối xứng nên Pe (0 |1) Pe (1| 0) xác suất lỗi trung bình điều chế BPSK : Eb ) N0 Pe (0 |1) Q( 3.4 ĐIỀU CHẾ PHA CẦU PHƯƠNG - QPSK 3.4.1 Mô tả điều chế QPSK Điều chế QPSK hiểu điều chế PSK với M=4 Do ta viết cơng thức cho sóng mang điều chế 4-PSK sau: �2 E Cos 2 fc ( t ) ; 0�� t T �T Si (t) � t 0;t T � � Trong : i =1,2,3,4 tương ứng với phát tín hiệu bít : 00,10,11và 01 E lượng phát ký hiệu T=2Tb fc thời gian ký hiệu tần số sóng mang góc pha điều chế góc pha ban đầu 37 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Mỗi giá trị pha tương ứng với hai bit tín hiệu gọi cặp bit , chẳng hạn ta lập giá tri pha để biểu diễn tập cặp bit mã hóa Gray sau : 10,00,01 11 Góc pha ban đầu số nhận giá trị khoảng đến , góc pha khơng ảnh hưởng đến q trình pân tích nên ta xho khơng Sử dụng biến đổi lượng giác ta viết lại phương trình lại dạng tương ứng sau : � �2 E Cos � (2 i 1) � Cos 2 f c t � T �� � Si (t) � � � 2E � � Sin � (2 i 1) �Sin 2 f ct ; T �� t T t 0;t T Trong : i=1,2,3,4 Dựa cơng thức ta đưa nhận xét sau: Chỉ có hàm sở trực giao chuẩn biểu thức Si (t) Dạng tương ứng định nghĩa sau : 1 (t ) Sin(2 f c ) T ≤ t ≤ Tb 1 (t ) Cos(2 f c ) T 0≤ t ≤ Tb Tồn bốn điểm tin với vectơ tương ứng xác định sau: �ESin[(2i 1) 4 ] � Si � � �ECos[(2i 1) ] � i=1,2,3,4 Các phần tử vectơ tín hiệu : Si1 Si có giá trị tổng kết bảng sau Hai cột đầu bảng cho ta cặp bit pha tương ứng tín hiệu QPSK , bit tương ứng với mức điện áp , bit tương ứng với điện áp 38 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Cặp bit vào Pha tín hiệu QPSK (radian) Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Tọa dộ điểm tin 00 01 11 10 Bảng 3.1 Bảng vectơ không gian tín hiệu QPSK Từ khảo sát ta thấy tín hiệu QPSK đặc trưng khơng gian chiều ( N=2 ) bốn điểm tin ( M=4 ) hình vẽ : Hình 3.3 Khơng gian tín hiệu điều chế QPSK Ví dụ : Chuỗi tín hiệu đầu vào 11000001 cho hình chuỗi lại chia thành hai chuỗi bao gồm bit lẻ bít chẵn Hai chuỗi biểu thị dòng Các dạng sóng thể thành phần đồng pha lệch pha vng góc QPSK cho hình Có thể nhận xét riêng hai dạng sóng tín hiệu 2-PSK 39 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Hình 3.4 Q trình hình thành sóng QPSK Để hiểu nguyên tắc định tách sóng chuỗi số liệu phát , ta phân chia khơng gian tín hiệu thành phần sau : Tập hợp điểm gần điểm tin liên quan đến vecto tín hiệu S1 Tập hợp điểm gần điểm tin liên quan đến vecto tin hiệu S2 Tập hợp điểm gần điểm tin liên quan đến vecto tín hiệu S3 Tập hợp điểm gần điểm tin liên quan đến vecto tín hiệu S4 Để thực việc phân chia nói ta kẻ hai đường vng góc chia hình vng nối điểm tin sau đánh dấu vùng tương ứng Ta vùng định góc phần tư có đỉnh trùng với gốc tọa độ Các vùng đánh dấu Z1,Z2,Z3 Z4 Ta biểu diễn tín hiệu thu sau : y (t ) Si (t ) X(t) Trong : i = 1,2,3,4 40 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số X(t) hàm mẫu trình ngẫu nhiên Gauss có giá trị trung bình N0 mật độ phổ công suất Vecto quan trắc y máy thu QPSK quán có hai thành phần xác định sau : y1 y2 T y1 � y (t )1 (t ) E Sin[(2i 1) ] X T y2 � y (t ) (t )dt ECos[(2i 1) ] X Trong : i = 1,2,3,4 Vậy y1 y2 giá trị lấy mẫu biến ngẫu nhiên Gauss độc lập có giá trị trung bình sin [(2i-1)] cos [(2i-1)] tương ứng có phương sai N0 Bây quy tắc định chung đơn giản đoán Si (t) phát điểm tín hiệu thu liên quan đến vecto y quan trắc rơi vào vùng Zi xảy định sai chẳng hạn tín hiệu S1 (t) phát tạp âm X(t) lớn đến mức mà điểm tín hiệu rơi ngồi vùng Z1 Nhờ tính đối xứng vùng định , xác suất diễn giải điểm tín hiệu thu khơng phụ thuộc vào tín hiệu đầu phát Giả sử ta biết tín hiệu thu khơng phụ thuộc vào tín hiệu phát Giả sử ta biết tín hiệu S1 (t) phát Máy thu đưa định điểm thu trình bày vecto quan trắc y nằm vùng Z1 biểu đồ khơng gian tín hiệu Vậy định tín hiệu S1 (t) phát , thành phần vecto quan trắc y : y1 y2 phải dương : 41 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Hình 3.5 Vùng định vùng định sai Điều có nghĩa xác suất định xác suất có điều kiện kết hợp y1 > y2 > , S1 (t) phát Ngoài hai y1 y2 biến ngẫu nhiên có giá trị trung bình phương sai nên ta viết sau : � Pc = � exp[πN 0 (y1 - E ) ]dy N0 � �πN exp[0 (y - E ) ]dy N0 Trong tích phân thứ vế phải xác suất có điều kiện kiện y1 tích phân thứ hai xác suất có điều kiện y2 > S1 (t) phát Đặt : Z= y1 - E N0 Khi thay biến � � Pc = � π � � y1 y2 Z ta viết lại : � � � exp(-z )dz � � � E 2N0 � Tử định nghĩa hàm bù lỗi ta : � �1 Pc = � � � � � � � E � exp(z ) dz 1erfc � � � � � E � 2N0 � N0 � 42 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Vậy ta có : � � E � Pc � 1- erfc � � N0 � � E 1- erfc � � N0 � � � � � � � �1 � E � erfc � �4 � N0 � � � Vậy xác suất trung bình lỗi ký hiệu cho trường hợp QPSK kết hợp xác định sau : Pe =1-Pc � E erfc � � N0 �1 � E � erfc � �4 � N0 � � � �E � � � �2 N � Ở vùng ta bỏ qua thành phần thứ hai vế phải biểu thức Vậy ta có cơng thức tính xác suất trung bình lỗi ký hiệu QPSK kết hợp : � E � Pe erfc � � � N0 � � E =2Q � � 2N � � � Ở hệ thống QPSK ta thấy có hai bit ký hiệu Điều có nghĩa lượng phát ký hiệu gấp hai lượng bit , nghĩa : E=2E b Eb Vậy biểu diễn xác suất trung bình lỗi ký hiệu theo tỷ số N0 : � E � � E � Pe erfc � � 2Q � � � 2N � � 2N � 3.4.2 Phổ băng thơng tín hiệu QPSK Hình 3.6 Mật độ xác suất tín hiệu QPSK 43 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Mật độ phổ công suất tín hiệu QPSK tìm theo cách giống tín hiệu BPSK với chu kỳ bit Tb thay chu kỳ tín hiệu Ts Mật độ phổ cơng suất tín hiệu QPSK tính theo cơng thức : 2 Es � Sinπ(f-f c )Ts � � Sinπ(f+fc )Ts �� �� � PQPSK = �� �+ � �� 2π(f-f )T c s �π(f+f � )T c s �� � �� 2 � Sinπ(f-f c )Ts � � Sinπ(f+f c )Ts �� �� � =E b �� �+ � �� π(f-f c )Ts � � π(f+f c )Ts �� � �� Băng thơng tín hiệu QPSK BPSK BW= Rb giảm so với băng thơng tín hiệu 3.4.3 Điều chế giải điều chế QPSK Bây ta xét trình điều chế giải điều chế QPSK Hình 3.7(a) sơ đồ khối điều chế QPSK : Kênh I LPF Dữ liệu nhị phân Nối tiếp / song song Kênh Q T/h QPSK Osc ∑ 90° LPF (a) Bộ điều chế QPSK 44 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Q/đ ngưỡng LPF +) T/h QPSK Song song / nối tiếp BPSK -) Q/đ ngưỡng LPF (b) Bộ giải điều chế QPSK Hình 3.7 Sơ đồ khối máy phát (a)và thu (b) QPSK Dữ liệu đầu vào chia làm hai luồng độc lập : luồng chứa bit chẵn (tín hiệu I ) , luồng chứa bit lẻ (tín hiệu Q) Bộ chuyển đổi mức chuyển đổi kí hiệu thành lưỡng cực tương ứng với + - Ta thấy khoảng thời gian , hai luồng tín hiệu nhân với tín hiệu song mang trực giao 1(t) 2(t) Kết nhận cặp sóng mang 2-PSK Sau sóng cộng với tạo tín hiệu QPSK Do tính trực giao sóng mang nên tách luồng tín hiệu Lưu ý độ rộng T tín hiệu QPSK gấp lần độ rộng dòng tín hiệu 3.5 ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ VNG GĨC - QAM 3.5.1 Mơ tả QAM vng Một tín hiệu điều chế biên độ vng góc QAM sử dụng hai sóng mang vng góc cos2 f ct sin 2 f ct chúng điều chế chuỗi độc lập bit thông tin Dạng sóng truyền có dạng : um (t ) Amc gT (t )cos2 f c t Ams gT (t ) sin 2 f ct ; m = 1, 2, 3,…,M Trong Amc Ams tập mức biên độ nhận cách ánh xạ chuỗi k bit thành biên độ tín hiệu Như hình 2.11.b mơ tả biểu đồ tín hiệu 16 – QAM mà nhận cách điều chế biên độ sóng mang – PAM, tức mức tín hiệu đại diện cho bit thơng tin Điểm mạnh 45 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số lược đồ tránh lỗi trạng thái gần Do với lược đồ pha dùng mức biên độ liên quan đến hai pha kề khác nhau, điều tạo cho hoạt động máy thu có nguy dẫn đến lỗi lại có phần dư thừa khơng phải tất mức biên độ dùng cho pha Trong trình điều chế trước thực điều chế dòng bit cho qua mạch xáo trộn , mạch đổi dòng bit thành thứ tự giả cách ngẫu nhiên nhằm làm giảm xác suất lỗi bit liên tiếp (a) (b) Hình 3.8 Các biểu đồ tín hiệu a) Hình vng , b) Hình tròn QAM coi dạng hỗn hợp điều chế biên độ số điều chế pha số Các dạng sóng tín hiệu QAM biểu diễn theo : um (t ) Am gT (t )cos(2 f ct n ) ; k k m = 1, 2, ,M1 n = 1, 2, ,M2 với M1 = ; M2 = 2 Thì phương pháp điều chế biên độ pha kết hợp dẫn đến việc truyền dẫn đồng thời k1 + k2 = log2M1M2 bit nhị phân xảy với tốc độ symbol Rb/ (k1 + k2) Hình 2.12 minh họa sơ đồ khối điều chế QAM 46 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Dữ liệu nhị phân gT (t ) Biến đổi nối tiếp-song song Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Bộ điều chế cân cos2 f ct Bộ dao động Tín hiệu QAM phát Quay pha 900 sin2 f ct gT (t ) Bộ điều chế cân Hình 2.9 Sơ đồ khối điều chế QAM 3.5.2 Giải điều chế tách tín hiệu QAM Tín hiệu đưa đến giải điều chế có dạng : r (t ) Amc gT (t )cos(2 f ct ) Ams gT (t )sin(2 f ct ) n(t ) Trong n(t) tạp âm lượng dịch pha đưa vào trình truyền dẫn tín hiệu qua kênh truyền n(t ) nc (t )cos2 f ct ns (t )sin 2 f ct nc (t ) ns (t ) hai thành phần vng góc tạp âm Tín hiệu thu được tính tương quan với hai hàm trực giao sở dịch pha (t ) gT (t )cos(2 f ct ) (t ) gT (t )sin (2 f ct ) Như minh họa hình, lối tương quan lấy mẫu đưa tới tách tín hiệu Mạch vòng khóa pha (PLL ) ước lượng lượng dịch pha sóng mang tín hiệu thu bù lượng dịch pha cách dịch pha (t ) (t ) Đồng hồ hình đồng với tín hiệu thu cho lối tương quan lấy mẫu thời điểm xác Như lối hai tương quan : rc Amc nc cos ns sin 47 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số rs Ams nc sin ns cos T Với T nc � nc (t )gT (t )dt 20 ns � ns (t )gT (t )dt 20 Các thành phần tạp âm biến ngẫu nhiên có kỳ vọng 0, khơng tương quan, với phương sai N0/2 Nên dễ dàng tách khỏi tín hiệu, tách tín hiệu tối ưu tính metric khoảng cách : D(r , sm ) r sm Trong vector ; m = 1, 2, ,M r = ( rc , rs ) sm ( Es Amc , Es Ams ) (.)dt � (t ) Tín hiệu thu Lấy mẫu Đồng hồ PLL 90 (t ) gT (t ) (.)dt � sm Quyết định lối Lấy mẫu Hình 3.10 Giải điều chế tách tín hiệu QAM 3.5.3 Xác suất lỗi tín hiệu QAM Các tín hiệu thành phần trực giao pha phân cách với nhờ việc tách tín hiệu kết hợp, xác suất lỗi QAM xác định từ xác suất lỗi PAM, xác suất hệ thông QAM M mức : Pc P M P với M xác suất lỗi PAM M mức với nửa công suất trung bình tín hiệu vng góc hệ thống QAM tương đương Bằng cách biến đổi thích hợp xác suất lỗi PAM –M mức ta nhận : � � � 3Eav P M 2� 1 Q� � � M �� � ( M 1) N � � � � 48 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Eav Trong N SNR trung bình symbol Do xác suất lỗi symbol QAM – M mức : PM P M k Kết xác với M = k chẵn Khi k lẻ khơng có hệ thống PAM M mức tương đương Nếu áp dụng tách tín hiệu tối ưu đưa định dựa metric khoảng cách tối ưu cho (2.35) xác suất lỗi symbol chặn theo � � 3Eav PM �1 � 2Q � � ( M 1) N � � � � � 3kEavb � Q � � � � � ( M 1) N � � � � � � � Eavb k �1 ,trong N SNR trung bình bit 49 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số KẾT LUẬN Sau tháng tìm hiểu nghiên cứu lý thuyết mơ qua trình điều chế pha sóng mang giúp em có cách nhìn trực quan dạng sóng tín hiệu điều chế cách thức điều chế riêng cho loại điều chế Điều chế số trình biến đổi hay nhiều thơng số tín hiệu tuần hồn theo thay đổi tín hiệu mang thơng tin cần truyền xa Tín hiệu tuần hồn gọi sóng mang Tín hiệu mang thơng tin gọi tín hiệu điều chế Ở đầu thu giải điều chế dựa vào thay đổi thông số sóng mang tái tạo lại tín hiệu mang thông tin ban đầu Do giới hạn thời gian kiến thức nhiều hạn chế nên đồ án em dừng mức độ nghiên cứu cách bản, khái quát hệ thống điều chế PSK Vì em mong thầy, quan tâm đến đề tài, đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cam ơn thầy cô môn đặc biệt thầy Nguyễn Văn Vinh tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Hưng Yên, ngày 19 tháng 12 năm 2018 50 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số 51 ... Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ 3.1 Phương thức điều chế ASK Trong điều chế số dịch biên ASK,... -Mạch điều chế 16 QAM : 28 Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Các kỹ thuật điều chế số Hình 2.13 Mạch điều chế 16QAM... Kĩ Thuật Hưng Yên Khoa : Điện- Điện tử Đồ án sở ngành Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế số Hình 2.8 Giản đồ trạng thái pha điều chế QPSK Sơ đồ khối giải điều chế : Hình 2.9 Sơ đồ khối giải điều