luận văn điều chế tín hiệu dùng máy tính

luận văn điều chế tín hiệu dùng máy tính

MỤC LỤC PHẦN I: DẪN NHẬP 3 I./ ĐẶT VẤN ĐỀ 3 II./ GIỚI HẠN VẤN ĐỀ 3 III./ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 3 IV./ NHIỆM VỤ THỰC HIỆN 4 PHẦN II: PHẦN LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ 5 CHƯƠNG I. TÍN HIỆU VÀ THÔNG TIN 5 I./ GIỚI THIỆU 5 II./ PHÂN LOẠI TÍN HIỆU 5 III./ NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN 10 CHƯƠNG II. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN 12 I./ GIỚI THIỆU 12 II./ HỆ THỐNG THÔNG TIN LÀ GÌ? 12 III./ SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN 12 CHƯƠNG III. GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU CHẾ 17 I./ ĐIỀU CHẾ 17 II./ PHÂN LOẠI ĐIỀU CHẾ 18 CHƯƠNG IV. CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ LIÊN TỤC 20 I./ KHÁI NIỆM VỀ SÓNG MANG ĐIỀU HÒA 20 II./ ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ 21 III./ ĐIỀU CHẾ GÓC 43 PHẦN III: PHẦN MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ 54 CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU VỀ MATLAB 54 I./ GIỚI THIỆU 54 II./ HỆ THỐNG MATLAB 55 Luận Văn Tốt Nghiệp 2 III./ GIỚI THIỆU TOOLBOXES 57 IV./ SIMULINK 57 CHƯƠNG II. MÔ PHỎNG – CÁC CHƯƠNG TRÌNH 58 I./ ĐIỀU BIÊN AM 58 II./ ĐIỀU BIÊN SSB 64 III./ ĐIỀU TẦN – ĐIỀU PHA 66 IV./ ĐIỀU CHẾ ASK 69 V./ KẾT LUẬN 70 PHẦN IV: PHẦN KẾT LUẬN 71 PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 3 PHẦN I: DẪN NHẬP I./ ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Vấn đề điều chế và giải điều chế không còn là điều mới mẽ đối với sinh viên các trường kỹ thuật chuyên ngành Điện – Điện tử nói chung và sinh viên ngành Điện tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật nói riêng. Nhưng hiểu thấu đáo được vấn đề thì không phải có là đa số. 2. Với đề tài “Mô phỏng quá trình điều chế tín hiệu dùng máy tính” sẽ cho thấy được dạng sóng tín hiệu điều chế trực tiếp trên máy tính chứ không chỉ là dạng sóng được vẽ lên bảng trong lúc các thầy cô dạy. Nhờ vậy mà ta có thể quan sát được trực tiếp dạng sóng điều chế một cách rõ ràng chứ không còn là việc phải hình dung như lúc học nữa. - Nhờ việc mô phỏng này mà sinh viên có thể tiếp thu bài nhanh hơn và có thể hiểu vấn đề sâu sắc hơn. II./ GIỚI HẠN VẤN ĐỀ 3. Vì điều chế thông tin là phức tạp và kiến thức của chúng em còn hạn chế nên với thời gian 10 tuần chúng em không thể tìm hiểu hết tất cả các loại điều chế được, nên: 4. Trong đề tài này chúng em chỉ:  Khảo sát các lý thuyết về điều chế.  Một số bài tập về điều chế, và  Mô phỏng các bài tập này trong MatLab. III./ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 5. Mục tiêu đầu tiên là do chương trình đào tạo của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, yêu cầu phải có một luận văn tốt nghiệp để chuẩn bò cho việc ra trường. Cho nên, đề tài “Mô Phỏng Quá Trình Điều MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 4 Chế Tín Hiệu Dùng Máy Tính” cũng để đáp ứng yêu cầu này. 6. Sau nữa, cũng là để củng cố lại một số kiến thức mà chúng em đã được học trong trường. 7. Và cuối cùng, là để tìm hiểu thêm về một số các khái niệm và những vấn đề mới trong kỹ thuật mà trong trường chưa có điều kiện để giảng dạy. IV./ NHIỆM VỤ THỰC HIỆN A. Phần giới thiệu 8. Tựa đề tài 9. Nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp 10.Lời nói đầu 11.Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 12.Nhận xét của giáo viên phản biện 13.Nhận xét của Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp 14.Lời cảm tạ 15.Mục lục B. Phần nội dung 1. Phần I: Dẫn nhập 2. Phần II: Phần Lý Thuyết Điều Chế 16.Chương I: Tín Hiệu và Thông Tin 17.Chương II: Giới Thiệu Về Hệ Thống Thông Tin 18.Chương III: Giới Thiệu Về Điều Chế 19.Chương IV: Các Hệ Thống Điều Chế Liên Tục 3. Phần III: Phần Mô Phỏng điều Chế 20.Chương I: Giới Thiệu về MatLab 21.Chương II: Mô Phỏng – Các Chương Trình 4. Phần IV: Phần Kết Luận C. Phần Phụ Lục MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 5 PHẦN II:PHẦN LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ CHƯƠNG I. TÍN HIỆU VÀ THÔNG TIN I./ GIỚI THIỆU 1. Tín hiệu là từ dùng để chỉ một vật thể, một dấu hiệu, một phần tử của ngôn ngữ hay một biểu tượng đã được thừa nhận để thể hiện một tin tức. Nói cách khác, tín hiệu là sự biểu hiện vật lý mà nó mang từ nguồn tin đến nơi nhận tin. đây chỉ quan tâm đến tín hiệu điện là dòng điện hay điện áp. 2. Mô hình toán học của tín hiệu là các hàm thực hay phức của một hay nhiều biến, ví dụ: s(t), s(x,y), s(x,y,t). Tín hiệu đầu tiên là hàm của thời gian t, nó biểu thò một đại lượng điện như tín hiệu âm thanh hay tín hiệu hình. Tín hiệu thứ hai là hàm hai biến-tọa độ không gian (x,y) đó là tín hiệu ảnh tónh. Tín hiệu sau cùng là tín hiệu truyền hình. 3. Tín hiệu mang tin tức là một tín hiệu ngẫu nhiên vì không được biết trước và không biết là mang tin tức gì, nên thông tin cũng có tính ngẫu nhiên. II./ PHÂN LOẠI TÍN HIỆU II.1./ Tín hiệu vật lý và mô hình lý thuyết 4. Một tín hiệu là biểu hiện của một quá trình vật lý, do đó nó phải là một tín hiệu vật lý. Tín hiệu như vậy phải thỏa mãn các điều kiện sau: 22.Có năng lượng hữu hạn. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 6 23.Có biên độ hữu hạn. 24.Biên độ là hàm liên tục. 25.Có phổ hữu hạn và tiến tới zero khi tần số tiến tới vô cùng. 5. Việc phân loại tín hiệu dựa trên các cơ sở sau: 26.Phân loại theo quá trình biến thiên của tín hiệu, các tính chất của nó có thể đoán trước được hay không? 27.Phân loại theo năng lượng: có thể phân biệt thành tín hiệu năng lượng hữu hạn và công suất trung bình hữu hạn. 28.Phân loại dựa vào hình thái của tín hiệu, từ đó có thể phân loại theo tính chất liên tục hay rời rạc của tín hiệu. 29.Phân loại tín hiệu dựa vào phổ của nó. 30.Phân loại dựa theo thứ nguyên, là tín hiệu một biến hay nhiều biến. II.2./ Tín hiệu xác đònh và tín hiệu ngẫu nhiên 6. Cơ sở phân loại đầu tiên là dựa trên quá trình biến đổi của tín hiệu là một hàm của thời gian, có thể xác đònh được hay không? 7. Theo cách này thì người ta phân thành tín hiệu xác đònh và tín hiệu ngẫu nhiên. Tín hiệu xác đònh là tín hiệu mà quá trình biến thiên của nó được biểu diễn bằng một hàm thời gian đã hoàn toàn xác đònh. Còn tín hiệu ngẫu nhiên thì sự biến thiên của nó không thể biết trước, muốn biểu diễn nó phải tiến hành quan sát, thống kê. II.3./ Tín hiệu năng lượng và tín hiệu công suất Cơ sở phân loại thứ hai là dựa vào năng lượng của tín hiệu. 8. Tín hiệu năng lượng hữu hạn gồm những tín hiệu quá độ xác đònh và ngẫu nhiên. Còn tín hiệu công suất bao gồm hầu như tất cả: tín hiệu tuần hoàn, và tín hiệu ngẫu nhiên xác lập. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 7 9. Một vài tín hiệu có thể không thuộc vào hai loại kể trên, ví dụ tín hiệu x(t)=exp(at) với a>0 và t∈ (-∞, ∞), hay tín hiệu xung Dirac δ(t) và dãy xung tuần hoàn của nó. II.4./ Tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc 10.Một tín hiệu có thể biểu diễn dưới các dạng khác nhau tùy theo biên độ của nó có giá trò liên tục hay rời rạc theo biến thời gian liên tục hay rời rạc. Có thể phân biệt thành bốn loại sau: 31.Tín hiệu có biên độ và thời gian liên tục được gọi là tín hiệu tương tự (analog). 32.Tín hiệu có biên độ rời rạc và thời gian liên tục được gọi là tín hiệu lượng tử. 33.Tín hiệu có biên độ liên tục và thời gian rời rạc được gọi là tín hiệu rời rạc. 34.Tín hiệu có biên độ và thời gian rời rạc gọi là tín hiệu số (digital). Biên độ Liên tục Rời rạc Thời gian Liên tục Tín hiệu tương tự Tín hiệu lượng tử Rời rạc Tín hiệu rời rạc Tín hiệu số Hình 2.4: Biểu diễn của các loại tín hiệu phân loại theo thời gian. 11.Các hệ thống xử lý tín hiệu được phân loại dựa vào đặc trưng của tín hiệu mà nó xử lý. Từ cách phân loại tín hiệu MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 8 trên đây ta sẽ có các hệ thống xử lý tín hiệu tương ứng như sau: 35.Hệ thống tương tự: như các mạch khuếch đại, mạch lọc cổ điển, mạch nhân tần số, mạch điều chế tín hiệu… 36.Hệ thống rời rạc: các mạch tạo xung, các mạch điều chế xung. 37.Hệ thống số: mạch lọc số, mạch biến đổi Fourier và các quá trình đặc biệt khác. 12. Ngoài ra, cũng có các hệ thống hỗn hợp như hệ thống biến đổi tương tự – số. Có thể thấy rằng, trong các hệ thống rời rạc, tín hiệu được xử lý là trường hợp trung gian giữa tín hiệu tương tự và tín hiệu số. II.5./ Các loại tín hiệu khác 13. Việc phân tích phổ của tín hiệu dẫn đến việc phân loại tín hiệu dựa vào sự phân bố năng lượng hay công suất của tín hiệu trong miền tần số. 14. Bề rộng phổ của tín hiệu, theo đònh nghóa là dải tần số (dương hoặc âm) tập trung công suất của tín hiệu. Nó thường được ký hiệu bằng chữ BW và được xác đònh theo công thức sau: BW = f 2 - f 1 . (2.5-1) MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 9 Trong đó: 0 ≤ f 1 ≤ f 2 , f 2 được gọi là tần số giới hạn trên của tín hiệu. f 1 được gọi là tần số giới hạn dưới của tín hiệu. Hình 2.5: Phổ của các loại tín hiệu. a./ Tín hiệu tần số thấp; b./ Tín hiệu tần số cao. c./ Tín hiệu dải hẹp; d./ Tín hiệu dải rộng. 15.Dựa vào bề rộng phổ có thể phân loại tính hiệu như sau: 38.Tín hiệu tần số thấp. 39.Tín hiệu tần số cao. 40.Tín hiệu dải hẹp. 41.Tín hiệu dải rộng. 16.Tín hiệu có thời gian hữu hạn: là tín hiệu có biên độ tiến tới zero ở ngoài khoảng T: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH ω m f 1 =0 (hoặc gần bằng 0) X(ϖ) -ϖ 1 ϖ 2 0 ω m X(ϖ) -ϖ 1 ϖ 1 0-ϖ 2 ϖ 2 ω m X(ϖ) -ϖ 2 ϖ 2 0-ϖ 1 ϖ 1 ω m X(ϖ) -ϖ 2 ϖ 2 0-ϖ 1 ϖ 1 a./ b./ c./ d./ Luận Văn Tốt Nghiệp 10 x(t)=0 khi t>T (2.5-2) 17.Tín hiệu có biên độ hữu hạn là tất cả các tín hiệu vật lý thực hiện được với chúng, biên độ không vượt quá một giới hạn nào đó được tính toán tương ứng với thiết bò xử lý. Có thể viết: x ( t)  ≤ k với -∞ < t < ∞. (2.5-3) 18.Tín hiệu nhân quả là tín hiệu bằng zero với giá trò thời gian âm: x (t) = 0 với t< 0. (2.5-4). 5. Ta nhận thấy, trong thực tế tất cả các tín hiệu đều là tín hiệu nhân quả, có nghóa là nó bắt đầu từ t=0. III./ NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN 19.Thuật ngữ nhiễu đề cập đến những tín hiệu điện không mong muốn mà vẫn luôn luôn hiện diện trong các hệ thống điện. Sự hiện diện của tín hiệu nhiễu chồng lấn lên tín hiệu có xu hướng làm suy giảm tín hiệu; nó làm máy khó nhận dạng được đúng kí hiệu, và do đó hạn chế tốc độ truyền thông tin. Nhiễu tác động lên tín hiệu trong suốt quá trình truyền thông tin, chúng có nguồn gốc, hình dạng, phương thức tác động lên tín hiệu rất khác nhau. Do đó, có thể có nhiều cách phân loại nhiễu: 42.Dựa vào qui luật biến thiên theo thời gian, có thể phân loại thành nhiễu liên tục và nhiễu xung. 43.Dựa vào bề rộng khổ ta có nhiễu trắng (gồm toàn bộ tần số) và nhiễu màu (một khoảng tần số hay một tần số). 44.Dựa vào qui luật phân bố có thể phân loại thành nhiễu Gaussian và nhiễu Poisson… 45.Nếu dựa vào phương thức tác động ta có nhiễu cộng và nhiễu nhân. 20.Cách phân loại tổng quát hơn là dựa vào nguồn gốc sinh ra nhiễu, người ta phân biệt thành nhiễu công nghiệp và nhiễu tự nhiên. Nhiễu công nghiệp là tất cả các tín hiệu MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH [...]... Modulation) hay điều biên 55 Tín hiệu điều chế làm thay đổi tần số sóng mang gọi là điều chế tần số FM (Frequency Modulation) hay điều tần MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 19 56 Tín hiệu điều chế làm thay đổi góc pha sóng mang gọi là điều chế pha PM (Phase Modulation) hay điều pha 39 Sóng mang có thông số thay đổi theo tín hiệu tin tức được gọi là tín hiệu bò điều chế Để... tái tạo lại dạng tín hiệu càng giống với ngõ vào mã hóa kênh truyền càng tốt MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp CHƯƠNG III I./ 17 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU CHẾ ĐIỀU CHẾ 34 Điều chế tín hiệu tức là dùng các thuật toán cơ bản tác động lên tín hiệu trong các hệ thống thông tin, đặc biệt là trong các hệ thống truyền tin trên khoảng cách lớn Việc điều chế tín hiệu là một lónh... điều chế AM, hệ số điều chế m từ 0.9 ÷ 0.95 (tức 90% ÷ 95% ) MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 30 II.3./ Hệ thống AMSSB (Hệ thống điều chế AM một dải biên) 71 Điều chế AMDSB-SC và điều chế AMDSB-TC là các phương pháp điều chế thành công để chuyển tín hiệu tin tức vào trong tần số của sóng mang Rõ ràng rằng cả hai kỹ thuật trên đều thực hiện bởi hai dải biên từ tín. .. tạo lại Và dó nhiên, cũng giống như điều chế AMDSB-SC, sự không chính xác về pha và tần số MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 34 trong tín hiệu dao động nội LO với tín hiệu e SSB(t) sẽ dẫn đến méo tín hiệu thu được 78 Tín hiệu SSB tìm hiểu ở trên là tín hiệu SSB loại bỏ sóng mang (AMSSB-SC), là thành phần không có ích trong tín hiệu được phát đi Theo như xác đònh... thường dùng hai loại sóng mang là các dao động điều hòa cao tần hoặc các dãy xung, do đó ta sẽ có hai hệ thống điều chế là: điều chế liên tục và điều chế xung 38 Trong điều chế liên tục, tín hiệu tin tức (tín hiệu điều chế) sẽ tác động làm thay đổi các thông số như biên độ, tần số, góc pha của sóng mang là các dao động điều hòa 54 Tín hiệu điều chế làm thay đổi biên độ sóng mang gọi là điều chế biên... một số tín hiệu điều chế tương tự và điều chế xung 35 Vì điều chế tín hiệu là vấn đề rất cơ bản và quan trọng của hệ thống thông tin, do đó ta phải tìm hiểu về mục đích của điều chế: 36 Tín hiệu ở đầu ra bộ biến đổi tín hiệu trong khối nguồn (Source) có tần số rất thấp, do đó không thể truyền đi xa được vì hiệu suất truyền không cao và không có tính kinh tế Cho nên phải thực hiện điều chế tín hiệu với... số và pha, nên đôi khi loại giải điều chế này còn được gọi là giải điều chế đồng bộ hay giải điều chế kết hợp 60 Nếu dao động nội không đồng bộ với sóng mang thì sẽ dẫn đến việc méo tín hiệu và tín hiệu thu được sẽ không còn chính xác nữa MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 26 II.2./ Hệ thống AM thông thường – AMDSB-TC (Hệ thống điều chế AM hai dải biên truyền sóng... hiệu điều chế góc e(t ) = E c cosθ (t ) (4.1-8) 48 Sau đây ta sẽ khảo sát một số loại điều chế liên tục tương ứng với các thông số sóng mang bò thay đổi theo tín hiệu tin tức II./ ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ 49 Như trên đã khảo sát, tín hiệu điều chế sẽ làm thay đổi biên độ sóng mang gọi là điều chế biên độ AM (Amplitude Modulation) hay điều biên Có các loại điều chế biên độ là: 62 Điều biên hai dải bên (điều chế. .. encoder) Mã hóa nguồn cũng có thể được dùng để mã hóa sự tồn tại của tín hiệu số có hiệu quả hơn Khối giải mã nguồn (Source decoder) sẽ trả lại tín hiệu nguồn dạng nguyên thủy của nó càng giống càng tốt MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 16 33 Khối mã hóa kênh truyền hoạt động khi ngõ vào là tín hiệu số như là cách để giảm xác suất mà tín hiệu số sẽ giải mã sai ở khối nhận... truyền trong những khoảng thời gian nhất đònh (thời gian có xung) Đó là sự khác nhau căn bản giữa điều chế liên tục và điều chế xung MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp CHƯƠNG IV I./ 20 CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ LIÊN TỤC KHÁI NIỆM VỀ SÓNG MANG ĐIỀU HÒA 42 Các hệ thống điều chế liên tục có sóng mang là các dao động sine (cosine) cao tần có dạng: e(t ) = E c cos(ω c t + . có một luận văn tốt nghiệp để chuẩn bò cho việc ra trường. Cho nên, đề tài “Mô Phỏng Quá Trình Điều MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 4 Chế Tín Hiệu Dùng Máy Tính . Phần Kết Luận C. Phần Phụ Lục MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 5 PHẦN II:PHẦN LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ CHƯƠNG I. TÍN HIỆU VÀ THÔNG TIN I./ GIỚI THIỆU 1. Tín hiệu. dạng tín hiệu càng giống với ngõ vào mã hóa kênh truyền càng tốt. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp 17 CHƯƠNG III. GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU CHẾ I./ ĐIỀU CHẾ 34.Điều