Điều chế 1 Định nghĩa Điều chế (modulation) là làm biến đổi một tín hiệu theo một tín hiệu khác Với tín hiệu bị biến đổi gọi là sóng mang (hay còn gọi là tín hiệu mang tin tức) Tín hiệu điều khiển són. v¬Điều chế 1. Định nghĩa Điều chế (modulation) là làm biến đổi một tín hiệu theo một tín hiệu khác. Với tín hiệu bị biến đổi gọi là sóng mang (hay còn gọi là tín hiệu mang tin tức). Tín hiệu điều khiển sóng mang (gây ra sự biến đổi) gọi là tín hiệu mang tin (hay còn gọi là tin tức). Có thể nói ngắn gọn như sau, điều chế là quá trình làm thay đổi các thông số của sóng mang theo tín hiệu mang tin.
Điều chế Định nghĩa Điều chế (modulation) làm biến đổi tín hiệu theo tín hiệu khác Với tín hiệu bị biến đổi gọi sóng mang (hay cịn gọi tín hiệu mang tin tức) Tín hiệu điều khiển sóng mang (gây biến đổi) gọi tín hiệu mang tin (hay cịn gọi tin tức) Có thể nói ngắn gọn sau, điều chế q trình làm thay đổi thơng số sóng mang theo tín hiệu mang tin Ngun lý điều chế Các thơng số sóng mang thay đổi dựa theo công thức sau: v AM =A c cos (2 π f c +θc ) Các thành phần mang thơng tin gồm có: - Ac (t ): Điều chế biên độ (AM) - f c (t ): Điều chế tần số (FM) - θc (t ): Điều chế pha (PM) Điều chế số - Điều chế số q trình ba thơng số biên độ, tần số pha sóng mang thay đổi theo tín hiệu đưa vào điều chế để thơng tin sóng mang phù hợp với đường truyền - Ưu điểm điều chế số giảm băng thơng nên có hiệu sử dụng phổ cao (giảm băng thông, tăng số lượng kênh thông tin ghép vào luồng băng gốc số) - Hình: Mơ tả q trình điều chế giải điều chế số Giả sử ta có tín hiệu sóng mang hình sin sau: x (t )=A cos( ωo t + φ) A : biên độ sóng mang ω o=2 π f 0: Tần số góc sóng mang f 0: Tần số dao động sóng mang φ : Pha sóng mang Tùy theo thơng số sử dụng để mang tin biên độ A, tần số f 0, hay pha φ hay tổ hợp chúng ta có loại điều chế khác ASK, FSK, PSK, QAM, v.v - Điều chế khóa dịch biên độ ASK (Ampitude Shift Keying): sóng điều biên tạo cách thay đổi biên độ sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc - Điều chế khóa dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying): sóng điều tần tạo cách thay đổi tần số sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc - Điều chế khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying): sóng điều tần tạo cách thay đổi pha sóng mang theo biên độ tín hiệu gốc - Điều chế vừa kết hợp biên độ pha hay gọi điều chế cầu phương QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Giải điều chế trình ngược lại với điều chế số để lấy lại thông tin cần thiết Ở nhóm bọn em xin phép sâu lý thuyết tín hiệu BPSK phần Điều chế giải điều chế tín hiệu BPSK Giả sử ta có tín hiệu sóng mang hình sin sau: x (t)=A cos( ωo t + φ) Biểu thức tín hiệu gốc: s(t) tín hiệu nhị phân (0 1) hay gọi chuỗi NRZ Do ta có biểu thức sau: Khi s(t )=0 : P(t)=A cos( ωo t) Khi s(t )=1: P (t)= A cos (ω o t +180° ) Đối với khóa dịch pha PSK thơng tin chứa pha tức thời sóng mang điều chế Thường pha tự ấn định so sánh tương thích với sóng mang pha biết Đối với BPSK trạng thái pha 0° 180° sử dụng 4.1 Nguyên tắc khóa dịch pha nhị phân Các tín hiệu nhị phân tác dụng lên sóng mang làm thay đổi pha sóng mang Cụ thể bit ứng với pha sóng mang 0, bit 180 4.2 Cả hai bít đảo ngược lại pha cho đảm bảo pha hai bít phải 180 Quá trình điều chế BPSK Hình: Sơ đồ khối thực điều chế PSK Phương pháp điều chế BPSK hay 2-PSK diễn tùy thuộc vào bit Nếu bít tín hiệu BPSK ngược pha (180 độ) với sóng mang, bít tín hiệu BPSK pha với sóng mang Hình: Quan hệ pha/thời gian đầu điều chế BPSK theo tín hiệu vào 4.3 Q trình giải điều chế BPSK Bộ giải điều chế BPSK bao gồm: - Sơ đồ lấy bình phương để chuyển tín hiệu khác pha pha - Vòng giữ pha PLL phát lại nhịp với tần số gấp đôi tần số mang - Bộ dịch pha ∆ θ để hiệu chỉnh pha Bộ chia hai để đưa tần số tín hiệu tần số sóng mang Bộ nhân tín hiệu thực nhân sóng điều chế BPSK với sóng mang tái lập Giả sử ta có tần số sóng mang f, ta có hai trường hợp sau: Khi tín hiệu BPSK +sin (ωc t) ứng với bít 1, sóng mang tái lập sin(ωc t), sơ đồ nhân cho tín hiệu là: sin(ωc t) sin(ω c t)= 1 1−cos ( 2ω c t ) ) = − cos ( ωc t ) ( 2 Trong biểu thức có thành phần thứ hai xoay chiều, có tần số gấp đơi sóng mang Khi sử dụng lọc thơng thấp với tần số cắt tần số sóng mang ta khử thành phần xoay chiều giá trị thành phần thứ biểu diễn trạng thái bít Khi tín hiệu BPSK −sin( ωc t) ứng với bít 0, sóng mang tái lập sin(ωc t), sơ đồ nhân cho tín hiệu là: −sin( ωc t) sin(ω c t)= −1 −1 1−cos ( ωc t ) ) = + cos ( ω c t ) ( 2 Trong biểu thức có thành phần thứ hai xoay chiều, có tần số gấp đơi sóng mang Khi sử dụng lọc thông thấp với tần số cắt tần số sóng mang ta khử thành phần xoay chiều giá trị thành phần thứ biểu diễn trạng thái bít Ưu nhược điểm mã BPSK 5.1 Ưu điểm Đơn giản dễ triển khai: Mã BPSK sử dụng hai giá trị pha, điều dễ dàng triển khai giảm thiểu thiết bị cần thiết Dễ dàng việc giải mã: BPSK dễ giải mã cần xác định xem pha sóng mang truyền tải hay 180 độ Hiệu suất truyền tải tốt: Vì BPSK sử dụng hai giá trị pha, nên độ phức tạp q trình biến đổi tín hiệu liệu thành tín hiệu sóng mang thấp Điều giúp cho BPSK có khả chịu nhiễu tốt so với mã phức tạp 5.2 Nhược điểm Tốc độ truyền tải thấp: BPSK có tốc độ truyền tải thấp so với loại mã phức tạp hơn, truyền tải bit chu kỳ sóng Dễ bị sai sót: BPSK dễ bị sai sót nhiễu sóng nhiễu điện từ, đặc biệt kênh truyền không ổn định có độ nhiễu cao Nó dễ bị ảnh hưởng yếu tố môi trường khác che khuất tín hiệu Kênh truyền Định nghĩa Kênh truyền đường truyền sử dụng để truyền tải liệu từ điểm đến điểm khác Kênh truyền đường truyền vật lý, chẳng hạn cáp mạng sóng radio, kết nối logic thiết bị, chẳng hạn kết nối Internet Một kênh truyền mô tả nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm băng thông, tốc độ truyền tải, độ trễ, độ tin cậy độ dài kênh truyền Băng thông số lượng liệu mà kênh truyền truyền tải khoảng thời gian định Băng thơng đo đơn vị bít/giây (bps) Tốc độ truyền tải số lượng liệu truyền tải qua kênh truyền khoảng thời gian định Tốc độ truyền tải đo đơn vị bít/giây (bps) byte/giây (Bps) Độ trễ thời gian mà liệu để từ nguồn đến đích thơng qua kênh truyền Độ trễ đo đơn vị thời gian giây mili giây Độ tin cậy khả kênh truyền để truyền tải liệu cách xác đáng tin cậy Độ tin cậy bị ảnh hưởng nhiễu, sóng yếu tố khác Độ dài kênh truyền khoảng cách nguồn đích đường truyền Độ dài ảnh hưởng đến băng thông độ trễ kênh truyền Trong kênh truyền vơ tuyến, tín hiệu truyền đồng thời nhiều đường truyền khác Mỗi đường truyền lại chịu tác động khác biên độ, hệ số phản xạ, tán xạ, v.v Do tổng hợp lại tín hiệu bên phía thu khơng mong muốn Trong q trình truyền dẫn chịu ảnh hưởng tượng vật lý như: hiệu ứng suy hao, hiệu ứng che khuất, dịch tần số, dịch tần Doppler, hiệu ứng fading, tán xạ, phản xạ Ảnh hưởng vật lý đến trình truyền dẫn 2.1 Hiệu ứng suy hao Tín hiệu kênh bị suy hao Với sóng vơ tuyến truyền khơng gian tự do, suy giảm biết suy hao Cơng suất tín hiệu suy giảm tỉ lệ thuận với khoảng cách thu phát, tỷ lệ nghịch với bước sóng tín hiệu 2.2 Hiệu ứng che khuất 2.3 Che khuất chướng ngại vật tương đối lớn đường truyền tín hiệu vơ tuyến Các yếu tố ảnh hưởng đến địa hình bao quanh trạm sở, thành phần di động độ cao anten Hiệu ứng fading Fading tượng sai lệch tín hiệu thu cách bất thường xảy hệ thống vô tuyến tác động môi trường truyền dẫn Các yếu tố gây fading hệ thống vô tuyến mặt đất như: Sự thăng giáng tầng điện ly hệ thống sóng ngắn Sự hấp thụ gây phân tử khí, nước, mưa, tuyết, sương mù hấp thụ phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt dải tần cao (>10Ghz) Sự khúc xạ gây khơng mật khơng khí Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trường hợp có bề măt nước phản xạ sóng từ bất khí Đây môt yếu tố dẫn đến truyền lan đa đường Sự phản xạ, tán xạ nhiễu xạ từ chướng ngại đường truyền lan sóng điện từ, gây nên tượng trải trễ giao thoa sóng điểm thu tín hiệu nhận tổng nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng đăc biệt quan trọng thông tin di động 2.4 Hiệu ứng Doppler Nguyên nhân có chuyển động tương đối máy thu máy phát dẫn đến tần số xê lệch so với tần số trung tâm khoảng gọi tần số Doppler Giả sử góc tới tuyến n so với hướng chuyển động máy thu α n, tần số Doppler tuyến là: v f D = f cos ( α n ) c Trong f 0, v, c tần số sóng mang hệ thống, vận tốc chuyển động tương đối máy thu so với máy phát tốc độ ảnh sáng Nếu α n=0 tần số Doppler lớn nhất: v f Dmax = f c Hình: Hiệu ứng Doppler di chuyển Giả thiết tín hiệu đến máy thu nhiều luồng khác nhau, phổ tín hiệu tương ứng với tần số Doppler biểu diễn sau: α n= {√ ( A ¿ f ∨−f 1− f max ) f 0−f Dmax ≤ f ≤ f 0+ f Dmax khác Khi tín hiệu phát tần số sóng mang f , tín hiệu thu khơng nhận xác tần số sóng mang mà bị dịch hai phía với độ dịch f Dmax Sự dịch ảnh hưởng đến đồng hệ thống Hình: Mật độ phổ tín hiệu Do vậy, máy phát, máy thu đối tượng trung gian di chuyển nhanh, độ chênh lệch tần số Doppler lớn thời gian kết hợp nhỏ, nghĩa kênh thay đổi nhanh Kênh truyền Fading Reyleight Tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu khơng theo đường mà theo nhiều đường khác Giữa nơi thu nơi phát có nhiều vật thể che chắn chúng gây phản, vật che chắn tịa nhà, cây, đồi núi… Nó ảnh hưởng lớn tới tín hiệu thu Nói chung tín hiệu truyền từ nơi nhận đến nơi thu theo tất đường khác nhau, tín hiệu đến trực tiếp đến gián tiếp thơng qua loạt phản xạ vật cản Do khác chiều dài đường truyền: đường trực tiếp, đường phản xạ, đường nhiễu xạ, phân tán tín hiệu mà thời gian đến nơi thu đường khác thêm vào pha sóng tín hiệu thay đổi phản xạ quang trình khác Kết nơi thu có chồng chập nhiều tín hiệu có pha thời gian đến khác ( hay cịn gọi trễ thời gian) Các tín hiệu thu mạnh hay yếu tùy thuộc vào thời điểm Hiện tượng gọi fading đa đường Fading đa đường làm tăng tốc độ lỗi bít liệu máy thu Fading chia thành nhiều loại như: - Fading phẳng - Fading chọn lọc tần số - Fading nhanh - Fading chậm Phân loại fading theo chu kỳ tín hiệu băng thơng tín hiệu dải hình mơ tả bên dưới: Hình: Phân loại fading theo chu kỳ băng thông Kênh truyền vơ tuyến ln ln thay đổi đối tượng đường truyền thay đổi mặt vị trí, vận tốc, v.v Sóng điện từ lan truyền đường truyền phản xạ, tán xạ Qua vật thể nên góc pha, hướng, biên độ tín hiệu phát đến thu thay đổi theo thời gian Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ kí hiệu lớn so với thời gian kết hợp kênh truyền gọi kênh truyền chọn lọc thời gian Ngược lại, ta truyền tín hiệu với chu kỳ kí hiệu nhỏ so với thời gian kết hợp kênh truyền gọi kênh truyền khơng chọn lọc thời gian hay phẳng thời gian 3.1 Fading phẳng Là fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số không đáng kể giá trị số với toàn băng tần hiệu dụng tín hiệu Fading thẳng thường xuyên xảy hệ thống vơ tuyến có 3.2 3.3 3.4 dung lượng vừa nhỏ, độ rộng băng tín hiệu nhỏ nên fading truyền dẫn đa đường mưa gần xem khơng có chọn lọc tần số Fading phẳng truyền dẫn đa đường Do phản xạ chướng ngại thay đổi độ khúc xạ khí cường đô trường thu đầu thu bị suy giảm di chuyển trình truyền dẫn Trong hệ thống chuyển tiếp số LOS (Line-Of-Sight), biến thiên đọ khúc xạ nguyên nhân chủ yếu dẫn đến tượng truyền dẫn đa đường mà kết tổn hao Fading thay đổi theo tần số Tuy nhiên, hệ thống có băng tín hiệu nhỏ nên tín hiệu suy hao fading đa đường nhỏ nên bỏ qua fading đa đường xem fading phẳng Đối với fading đa đường, việc thực đánh giá đo công suất tín hiệu thu tần số băng tín hiệu Đặc trưng thống kê fading phẳng đa đường phân bố thời gian fading vượt mức Fading phẳng hấp thụ Là tượng sóng điện từ bị hấp thụ bị tán xạ mưa, tuyết, phần tử khác tồn mơi trường truyền dẫn nên tín hiệu đầu thu bị suy giảm Và hiệu ứng fading thay đổi phụ thuộc vào thời gian Hình: Ảnh hưởng hiệu ứng fading phẳng hấp thụ Fading lựa chọn tần số Chỉ xảy với kênh tần số mà không xảy với kênh lân cận, làm thay đổi tần số sóng mang phụ thuộc tần số Fading không gây méo phi tuyến mà gây méo tuyến tính Để khắc phục fading chọn lọc 3.5 tần số với tín hiệu có băng rộng, có biện pháp để khắc phục sau: - Phân tập (diversity): không gian (dùng nhiều anten phát thu) thời gian (truyền nhiều thời điểm khác nhau) - Sử dụng mạch san thích nghi, thường ATDE (Adaptive Time Domain Equalizer) với thuật tốn thích nghi thơng dụng Cưỡng ép khơng ZF (Zero Forcing) Sai số trung bình bình phương cực tiểu LMS (Least Mean Square error) - Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn lớn selective fading gây nên) - Trải phổ tín hiệu (pha-đinh chọn lọc thường tượng truyền dẫn đa đường (multipath propagation) gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp, với máy thu RAKE, có khả tách tia sóng tổng hợp chúng lại, loại bỏ ảnh hưởng multipath propagation) - Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu OFDM (cái nợ ngày ứng dụng khắp nơi, di động 3G, WIFI, WIMAX hay truyền hình số mặt đất DVB-T ) Kênh fading phân bố reyleight Trong hệ thống thơng tin di động, tín hiệu truyền từ máy phát tới máy thu thơng qua nhiều đường phản xạ - cịn gọi truyền sóng đa đường Gây biến đổi ngẫu nhiên pha, biên độ hướng tín hiệu thu Giả sử hệ thống khơng gian-thời gian gồm K người sử dụng, người sử dụng phát tín hiệu kênh đa đuờng rời rạc độc lập với đường truyền L tới máy thu, tín hiệu có biên độ, pha hướng tới riêng Phân bố tham số phụ thuộc vào loại môi trường thông tin di động Hướng tới phụ thuộc vào thành phần là: - Tán xạ đầu cuối di động (hiện tượng nhiễu xạ thường bị ảnh hưởng tốc độ di động) - Tán xạ trạm gốc - Các vật tán xạ xa (Xuất môi trường thành thị nơng thơn có vật thể có cấu trúc lớn) Hàm truyền đạt kênh thực chất trình xác suất phụ thuộc thời gian, tần số Biên độ hàm truyền đạt kênh tần số định tuân theo phân bố Rayleigh điều kiện môi trường truyền dẫn thõa mãn: + Môi trường truyền dẫn bao gồm tuyến trang tầm nhìn thẳng (LOS) lẫn tuyến tầm che khuất (NLOS), có nghĩa khơng có tuyến có cơng suất tín hiệu vượt trội + Tín hiệu máy thu nhận từ vô số hướng phản xạ nhiễu xạ khác Hình: Reyleight fading Hàm phân bố reyleigh dựa hai biến ngẫu nhiên Gauss độ suy hao đường che khuất mắt dựa biến ngẫu nhiên theo phân bố Gauss Các biến phân bố Rayleigh đại lượng phức biểu diễn thay đổi cường độ, pha/tần số tín hiệu Đối với hai biến Gauss X Y, có trung bình zero, phương sai σ Đặt hI = X hQ = Y độ lợi kênh thực phức cho độ lợi kênh Reyleigh h = hI + j hQ r =Z= √h I +hQ 2 φ=arctan ( ) hQ hI Hàm phân bố mật độ xác suất kênh Reyleigh là: −r r f ( r , φ )= e σ r ≥ , 0≤ φ ≤ π 2π σ Hình: Hàm phân bố reyleigh Hàm phân bố mật độ xác suất kênh Rayleigh theo độ lợi, pha kênh là: { 2π f (r)=∫ f ( r , φ ) dφ= ∞ r e σ f (φ)=∫ f ( r ,φ ) dr= −r 2 σh 2π Như độ lớn hệ số kênh biến ngẫu nhiên với phân bổ Rayleigh pha biến ngẫu nhiên có phân bố Ngồi cịn phân loại fading thành fading quy mơ lớn fading quy mô nhỏ Fading quy mô lớn thể suy hao đường chuyển động diện rộng, máy phát (hoặc) máy thu di động di chuyển qua khoảng cách dài, dẫn đến thăng giáng nhanh hình bao tín hiệu nhận Trong truyền thông di động, fading quy mô lớn xảy mơi trường thị, ngồi trời (out door) nhà (in door)