nghiên cứu kỹ thuật điều chế fsk trong hệ thống truyền tin số

1 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển đất nước, năm gân đây, ngành công nghiệp phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp viễn thơng khơng ngoại lệ Ngày có nhiều dịch vụ truyền thông chất lượng truyền thông yêu cầu cao dẫn đến cần thiết phải thay đổi nâng cấp đường truyền Đứng trước xu hướng vậy, việc tìm hiểu vấn đề truyền tin hệ thống viễn thông đại trở nên quan trọng sinh viên Nhận thức điều đó, đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế FSK hệ thống truyền tin số” giới thiệu tổng quan hệ thống truyền tin số, tìm hiểu vấn đề kỹ thuật điều chế tín hiệu Bố cục đồ án bao gồm chương:  Chương : Tổng quan hệ thống truyền tin số  Chương : Kỹ thuật điều chế FSK  Chương : Mô Matlab Điều chế tín hiệu số kỹ thuật ngày khơng cịn mẻ, song việc tìm hiểu vấn đề điều chế cần thiết, đòi hỏi phải có kiến thức sâu rộng, lâu dài Do đồ án khơng tránh khỏi sai sót Rất mong nhận phê bình, góp ý thầy cô giáo bạn Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô ĐỊNH THỊ KIM PHƯỢNG, người tận tình hướng dẫn em suốt trình làm đồ án Sv thực Nguyễn Thị Thắm MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT A/D Analog/ Digital AM ASK AWGN Amplitude Modulation Amplitude Shift Keying Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate BER BPSK CFSK FM FSK MAMSK MSK OQPSK PAM PCM PM PPM PSK PWM QPSK SFSK Coherent Frequency Shift Keying Frequency Modulation Frequency Shift Keying Minimum Shift Keying Offset quadrature phase-shift keying Pulse Amplitude Modulation Pulse Code Modulation Phase Modulation Pulse Position Modulation Phase Shift Keying Pulse Width Modulation Quadrature Phase Shift Keying Tương tự/ Số Khóa dịch biên độ Nhiễu âm cộng dạng Gauss Tỷ lệ lỗi bit Khóa dịch tần kết hợp Điều chế tần số Khóa dịch tần số Điều chế dịch tiểu biên độ nhiều mức Khóa di tần cực tiểu Khóa dịch chuyển pha bù vng góc Điều chế biên độ xung Điều chế xung mã Điều chế pha Điều chế vị trí xung Khóa dịch pha Điều chế độ rộng xung Khóa dịch pha vng góc Điều chế tần số hình sin DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mơ tả sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền tin Hình 1.2 Mơ tả dạng tín hiệu tương tự số Error: Reference source not found Hình 1.3 Hám s(t) nguồn tin nguyên thủy 11 Hình 1.4 Sơ đồ khối đơn giản hóa hệ truyền tin có sóng mang điều chế .15 Hình 1.5 Tín hiệu tương tự số qua kênh có hàm truyền đạt khơng tuyến tính 18 Hình 1.6 Mơ tả dạng điều chế xung 19 Hình 1.7 Quá trình lấy mẫu PCM .22 Hình 1.8 Đồ thị phổ UPAM .Error: Reference source not found Hình 1.9 Chồng phổ 23 Hình 1.10 Đồ thị lượng tử không 27 Hình 1.11 Sơ đồ mạch mã hóa phương pháp so sánh 30 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền tin 33 Hình 2.2 Phổ tần tín hiệu FSK 40 Hình 2.3 Dạng sóng FSK 42 Hình 2.4 Phương pháp điều chế FSK 42 Hình 2.5 Đồ thị xác suất lỗi .44 Hình 2.6 Các hệ thống tách sóng kết hợp vi sai khơng kết hợp kết hợp 45 Hình 2.7 Hệ thống MSK n bit số liệu vào chuyển thành n bit I/O 52 Hình 2.8 Phương pháp giải điều chế FSK 56 Hình 2.9 MSK 57 Hình 3.1 Tín hiệu sau điều chế FSK 73 Hình 3.2 Phổ tín hiệu điều chế FSK 74 Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TIN SỐ 1.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TIN ĐIỆN TỬ Hệ thống truyền tin điện tử hệ thống sử dụng mạch điện thiết bị điện tử để thực công việc truyền tin từ nơi đến nơi khác, gọi tắt hệ thống truyền tin Thông tin nguồn nguyên thuỷ truyền hệ thống truyền tin dạng tương tự, ví dụ: tiếng nói người, âm nhạc dạng số, rời rạc chữ chữ số mã hố dạng nhị phân Thơng tin truyền xử lý hệ thống truyền tin điện tử biểu thị dạng tín hiệu Tín hiệu đại lượng vật lý mang thông tin thường biểu thị hai dạng: tín hiệu tương tự tín hiệu số Hệ thống truyền tin truyền tín hiệu tương tự gọi hệ thống truyền tin tương tự Hệ thống truyền tin truyền tín hiệu số hệ thống truyền tin số Trong hệ thống truyền tin có tham gia máy tính, tin tức thơng tin biểu thị dạng liệu Hệ thống mạng truyền tin gọi hệ thống mạng truyền liệu Một hệ thống truyền tin biểu thị theo sơ đồ khối sau: Hình 1.1 Mơ tả sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền tin Các ký hiệu sơ đồ: m(t) Dữ liệu nguồn tin đưa vào thiết bị phát s(t) Dữ liệu đầu máy phát sau xử lí, mã hố, điều chế khuếch đưa vào đường truyền n(t) Tạp nhiễu tác động vào thiết bị thu Do có tạp nhiễu nên r(t) = s(t) + n(t) ≠ s(t) % m(t ) ≠ m(t ) % m (t ) Tín hiệu đầu thiết bị thu (nhận tin) ; Bất kỳ hệ thống truyền tin bao gồm ba khối chức chủ yếu : phát, môi trường truyền dẫn thu Khối phát tập hợp gồm nhiều thiết bị mạch điện tử để chuyển đổi thơng tin nguồn ngun thuỷ thành tín hiệu thích ứng với mơi trường truyền dẫn Khối phát có hai chức chủ yếu xử lý tin hiệu phát tạo sóng mang phát Xử lý tín hiệu phát tức xử lý tín hiệu nguồn cho thích ứng với yêu cầu truyền tin Các phương pháp xử lý là: nén, lọc, mã hố, số hố, điều chế, truyền tin cụ thể Mạch sóng mang phát có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu sau xử lý tín hiệu phát cho thích ứng với kênh truyền dẫn khoảng cách cần truyền dẫn Kênh truyền dẫn (môi trường truyền dẫn) môi trường để lan truyền tín hiệu Dạng vật chất cụ thể kênh truyền đa dạng, chẳng hạn: • • • Đường dây đôi Cáp đồng trục Cáp quang,v.v , Trong nhiều trường hợp kênh truyền khoảng không gian thiết bị phát thiết bị thu Kênh truyền gây suy giảm tín hiệu bị tác động tạp nhiễu làm tổn hao sai lạc tín hiệu truyền kênh Tạp nhiễu nhiễu từ nguồn nhiễu ngồi (nhiễu khí quyển, nhiễu cơng nghiệp, ) tạp âm bên thân hệ thống truyền tin (tạp âm nội hệ thống) gây nên Ngoài tác động tạp nhiễu, kênh truyền cịn chịu tác động tượng trễ, tín hiệu vọng,… Mạch sóng mang xử lý tín hiệu thu trình ngược lại xử lý tín hiệu phát mạch sóng mang phát để tái tạo lại nguồn tín hiệu nguyên thuỷ truyền Do tác động nhiễu n(t) trình truyền nên thu cần có lọc loại trừ nhiễu 1.2 NGUỒN TIN VÀ NGUỒN TÍN HIỆU Nguồn tin hệ thống truyền tin nơi tạo chứa tin cần truyền Nguồn tin số tương tự Một nguồn tin số tạo tập hữu hạn đoạn tin có VD: máy chữ Một nguồn tin tương tự tạo đoạn tin xác định dãy liên tục VD: microphon Một hệ thống truyền tin số hệ thống truyền tin tức từ nguồn số nguồn tương tự rời rạc hoá, số hoá tới thu Một hệ thống truyền tin tương tự hệ thống truyền tin tức từ nguồn tương tự tới thu Trong hệ thống truyền tin điện tử, tín hiệu đại lượng vật lý mang thông tin thường biểu thị hai dạng: tín hiệu tương tự tín hiệu số Thực chất, tín hiệu số dạng sóng số định nghĩa hàm thời gian có tập rời rạc giá trị tín hiệu tương tự dạng sóng tương tự hàm thời gian có liên tục giá trị Giá trị tin tức hệ thống truyền tin điện tử thường biểu thị dạng điện áp u(t), dòng điện i(t), liên tục gián đoạn Hình 1.2 Mơ tả dạng tín hiệu tương tự số Khi đường truyền tin thiết lập để truyền tin từ nguồn tin đến nơi nhận, dãy phần tử sở nguồn tin truyền với phân bố xác suất đó, dãy gọi đoạn tin Smax Nguồn tin nguồn tin nguyên thuỷ sơ xử lí Nguồn tin nguồn tin nguyên thuỷ sơ xử lí Các nguồn tin nguyên thuỷ phần lớn hàm liên tục theo thời gian f(t) hàm biến đổi theo thời gian thông số khác Phần lớn tin nguyên thuỷ mang tính liên tục theo thời gian mức, nghĩa biểu diễn thơng tin dạng hàm số s(t) tồn khoảng thời gian (t1 , t2 ) với giá trị phạm vi (Smin,Smax) hình 1.3 s(t) Smax Smin t t1 t2 Hình 1.3 Hàm s(t) nguồn tin nguyên thuỷ liên tục Các nguồn tin nguyên thuỷ đưa trực tiếp vào kênh để truyền qua phép biến đổi xử lý trước đưa vào kênh truyền tin số phải số hoá mã hoá Phương pháp biến đổi tín hiệu nguồn tương thích với kênh truyền gọi phương pháp điều chế 1.3 ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢ ĐIỀU CHẾ TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TIN 1.3.1 Điều chế Trong thực tế, tín hiệu thơng tin ngun thuỷ truyền xa đường truyền dẫn cáp kim loại, sợi cáp quang tầng không gian khí quyển, cần phải điều chế tín hiệu thơng tin ngun thuỷ với tín hiệu tương tự có tần số cao gọi sóng mang Tín hiệu sóng mang có 10 nhiệm vụ mang thơng tin hệ thống truyền tin Tín hiệu thơng tin điều chế với sóng mang theo biên độ, theo tần số theo góc pha Việc điều chế hiểu đơn giản trình biến đổi nhiều đặc tính sóng mang theo biến đổi tín hiệu thơng tin Ví dụ: tín hiệu tiếng nói có tần số thấp, khơng thể truyền xa Người ta dùng tín hiệu hình sin có tần số cao (để truyền xa được) làm sóng mang Biến đổi biên độ tần số sin theo tín hiệu tiếng nói Ở đầu thu người t a dựa vào thay đổi biên độ tín hiệu thu để tái tạo lại tín hiệu tiếng nói ban đầu Trong hệ thống truyền tin có hai dạng điều chế bản, điều chế tương tự điều chế số Trong điều chế tương tự, việc điều chế thực liên tục theo tín hiệu thơng tin tương tự Các phương pháp điều chế tương tự thông dụng là:  Điều biên (Amplitude modulation)  Điều chế hai băng (DSB-Double-sideband modulation)  Điều chế hai băng không triệt sóng mang (dùng radio băng AM)    Điều chế hai băng triệt sóng mang Điều chế hai băng nén sóng mang Điều chế đơn băng    Điều chế đơn băng (SSB SSB-AM) Điều chế đơn băng triệt sóng mang (SSB-SC) Điều chế dải biên (VSB VSB-AM)  Điều chế biên độ vng góc (QAM) 69 atan(x) tính arctang góc x khoảng đến atan2(x,y) tính arctag góc y/x khoảng đến tùy thuộc vào dấu x y 3.2.11.3 Các hàm hyperbolic sinh(x) hàm tính hyperbolic sin x cosh(x) hàm tính hyperbolic cos x asinh(x) hàm tính nghịch đảo hyperbolic sin x acosh(x) hàm tính nghịch đảo hyperbolic cos x atanh(x) hàm tính nghịch đảo hyperrbolic tang x 3.2.12 Định dạng số Các phép tính Matlab thực với độ xác cao, ta định dạng cho số xuất hình tùy yêu cầu cụ thể Ta lấy ví dụ với số a = -2/3 Lệnh MAT LAB format short format long format short e format long e a format short g -0.6667 -0.66666666666667 -6.6667e-001 -6.666666666666666e001 -0.66667 format long g -0.666666666666667 format hex format bank format + format rat bfe5555555555555 -0.67 -2/3 Chú thích số 15 số số với số mũ 15 số với số mũ Chính xác format short format short e Chính xác format long format long e Hệ số 16 Hai số hệ 10 Dương, âm không Dạng phân số Một số ý quan trọng Matlab không thay đổi số định lại khuôn dạng hiển thị chọn, mà thay đổi hình thay đổi 70 3.3 MÔ PHỎNG Dựa sở lý thuyết sở tốn học tìm hiểu phần kết hợp với công cụ hỗ trợ Mattlab để mô FSK  Hình mơ phỏng: Hình 3.1: Tín hiệu sau điều chế FSK 71 Hình 3.2: Phổ tín hiệu điều chế FSK 72 KẾT LUẬN CHUNG Đề tài dẫn phương thức điều chế FSK dùng hệ thống truyền dẫn tín hiệu số, phần kiến thức quan trọng hệ thống thông tin số Dựa tảng kiến thức lý thuyết cung cấp nhà trường, 1phương pháp mơ hình hóa, sinh viên nâng cao hiệu tiếp thu vấn đề, hiểu mối quan hệ thơng tin thu nhận từ máy tính với hiểu biết có,do họ tự nghiên cứu thực hành Từ dần hình thành lên tư logic, kỹ nghiên cứu khoa học, gắn kết mối quan hệ khoa học với khoa học ứng dụng Mặt khác, điều kiện học tập nay, sở vật chất trường đại học nước ta thiếu tốn, chưa trang bị đầy đủ hệ thống thực phức tạp dùng cho việc thực hành thí nghiệm, việc sử dụng phần mềm máy tính để mơ cơng cụ thay nhằm khắc phục khó khăn Hơn rút ngắn thời gian giảm thiểu chi phí nghiên cứu,góp phần hữu ích đào tạo nhiều lĩnh vực viễn thông, điều khiển, tự động hóa 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lý thuyết truyền tin – Trần Trung Dũng, Nguyễn Thúy Anh – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Cơ sở lí thuyết truyền tin – Nguyễn Văn Hậu, Nguyễn Hiếu Minh – Nhà xuất khoa học kĩ thuật Lập trình Matlab ứng dụng -Ths Nguyễn Hoàng Hải, Ths Nguyễn Việt Anh - Đại học Bách Khoa Hà Nội Matlab & Simulink - Nguyễn Phùng Quang - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật 2004 Truyền dẫn số - http://www.kilobooks.com Định nghĩa tín hiệu số - http://www.scribd.com Điều chế xung mã PCM - http://www.scribd.com 74 PHỤ LỤC Chương trình mơ tín hiệu điều chế FSK function varargout = fsk1(varargin) gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name', mfilename, 'gui_Singleton', gui_Singleton, 'gui_OpeningFcn', @fsk1_OpeningFcn, 'gui_OutputFcn', @fsk1_OutputFcn, 'gui_LayoutFcn', [] , 'gui_Callback', []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end function fsk1_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) handles.output = hObject; guidata(hObject, handles); function varargout = fsk1_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) varargout{1} = handles.output; 75 function edit1_Callback(hObject, eventdata, handles) function edit1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function edit2_Callback(hObject, eventdata, handles) function edit2_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function edit3_Callback(hObject, eventdata, handles) function edit3_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles) g= get(handles.edit1,'string'); f1= get(handles.edit2,'string'); f2=get(handles.edit3,'string'); g=str2num(g); f0=str2num(f1); f1=str2num(f2); val0=ceil(f0)-f0; val1=ceil(f1)-f1; 76 if val0 ~=0 || val1 ~=0; error('Frequency must be an integer'); end if f0