Điều chế gmsk

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ******** CƠ SỞ II THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐIỀU CHẾ GMSK  GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN :Thầy PHẠM THANH ĐÀM SINH VIÊN THỰC HIỆN :NGUYỄN THỊ THU HÀ LỚP :D99VT Tài liệu tham khảo: Cơ sở truyền dẫn vi ba số Thông tin di động số GSM HCM 12/10/2002 ĐIỀU CHẾ GMSK TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ GSM  GIỚI THIỆU: Trước xét điều chế GMSK – kỹ thuật điều chế sử dụng thông tin di động số GSM ta lại sơ lược tiến trình phát triển kỹ thuật điều chế : Khi hệ thống viễn thơng cịn sử dụng kỹ thuật tương tự , tức tín hiệu ta tín hiệu tương tự (biên độ thời gian liên tục ) để truyền tín hiệu hệ thống truyền tin với khoảng cách lớn để nguyên tín hiệu phát có tần số thấp khơng thể truyền xa hiệu suất truyền khơng cao, việc điều chế tín hiệu xem thuật toán tác động lên tín hiệu hệ thống thông tin, đặc biệt hệ thống thông tin khoảng cách lớn Việc điều chế tín hiệu tương tự thời kì nhằm mục đích giảm kích thước ăn ten phát (đối với hệ thống vô tuyến) sử dụng hữu hiệu kênh truyền Bằng cách dịch phổ tín hiệu từ miền tần số thấp sang miền tần số cao, cịn có ưu đểm tăng khả chống nhiễu cho hệ thống thông tin Trong kỹ thuật tương tự người ta dùng hai loại sóng mang : Sóng mang cao tần dãy xung, tương ứng với ta có hai loại điều chế điều chế liên tục điều chế rời rạc Ơ điều chế tương tự tùy cách thức làm thay đổi thơng số sóng mang mà ta có loại điều chế sau: Điều biên: Điều biên hai dải bên triệt sóng mang AM_SC Điều biên hai dải bên AM Điều biên dải bên triệt sóng mang SSB_SC Điều biên dải bên SSB Điều biên triệt phần dải bên VSB Điều chế góc: Điều pha PM Điều tần FM Ơ điều chế xung: tức sóng mang dãy xung vng góc tương tự ta có : Điều biên xung PAM PDM: tin tức gắn lên độ rộng xung sóng mang PPM: tin tức gắn lên dịch chuyển vị trí xung sóng mang trục thời gian PCM: tín hiệu trước hết rời rạc, luợng tử, mã hóa, sau điều chế cao tần cách dùng điều chế AM, PM, FM (tín hiệu điều chế tín hiệu số) người ta gọi phương pháp điều chế ASK, PSK, FSK Như ta thấy tiến trình phát triển kỹ thuật điều chế số mà khởi đầu hệ thống PCM Ngày tất tín hiệu số hóa việc nghiên cứu điều chế số cho tối ưu cho hệ thống truyền tin tiến trình phát triển lâu dài, chứa vấn đề mâu thuẫn nhau, mà tiến hành biện pháp điều chế ta phải tìm cách dung hịa yếu tố để có phương pháp điều chế số tối ưu Cũng tương tự điều chế tương tự, điều chế số có dạng : ASK FSK PSK Mục tiêu cuối điều chế phải đạt : Tốc độ số liệu cực đại Xác suất lỗi kí hiệu cực tiểu Cơng suất phát cực tiểu  ĐIỀU CHẾ GMSK TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ GSM  Độ rộng kênh cực tiểu Khả chống nhiễu cực đại Mức độ phức tạp mạch cực tiểu Khi ta sâu vào phương pháp điều chế ta thấy yêu cầu đối lập lẫn nhiên ta cần chọn giải pháp dung hòa Ơ ta nêu sơ lược phương pháp điều chế : Các phương pháp điều chế bản: ASK mức FSK mức PSK mức Điều chế nhiều mức : Về ngun tắc ta thực phương pháp điều chế nhiều mức được, PSK nhiều trạng thái thơng dụng Ơ ta xem xét lí người ta lại tăng mức điều chế tín hiệu: ta biết độ rộng băng thơng kênh thơng tin hữu hạn Vì muốn tăng dung lượng phải tăng tốc độ bít, mà băng thơng tín hiệu tỉ lệ thuận với tốc độ bít nên dung lượng kênh thơng tin lại giảm, người ta nghĩ cách nén phổ tín hiệu cách điều chế nhiều mức tốc độ bít Rb thay tốc độ baud Rs (Rs < Rb) Khi phổ tín hiệu BW giảm, kết ta truyền nhiều kênh Như câu hỏi đặt người ta không tăng số mức lên cao mà dừng lại tối đa 256 mức ,trong GMSK có mức Đó ta tăng nhiều mức làm cho khoảng cách véctơ tín hiệu nhỏ véc tơ nhiễu cần nhỏ đủ gây lỗi làm cho việc định bít đầu thu bị sai, tức S/N giảm, muốn S/N tăng ta phải tăng cơng suất phát, điều khơng có lợi Nếu ta không muốn tăng công suất phát mà dùng mã sữa lỗi với độ lợi mã việc thêm vào mã sửa lỗi lại làm tăng tốc độ bít (vì độ lợi mã lớn chiều dài chuỗi mã lớn) Điều lại mâu thuẫn, lí người ta khơng tăng số mức điều chế lên lớn Điều chế GMSK sử dụng thông tin di động số GSM phương pháp điều chế mức thực chất điều chế MSK tín hiệu trứơc đưa vào điều chế đưa qua lọc Gause Để có so sánh ta xét điều chế QPSK loại điều chế mức tỉ số BER lớn MSK bù lại thiết bị điều chế giải điều chế MSK phức tạp I ĐIỀU CHẾ PSK MỨC : Đây phương pháp điều chế thông dụng truyền dẫn vi ba số Cơng thức cho sóng mang điều chế PSK mức sau:  2E  cos(2t   (t )   ) t T S(t)=  T t 0; t T  Với  pha ban đầu ta cho   (t ) ( 2i  1) Trong i= 1,2,3,4 tương ứng với symbol phát “00”, “01”, “11”, “10” T=2.Tb (Tb thời gian bit, T thới gian symbol) E lượng tín hiệu phát symbol  ĐIỀU CHẾ GMSK TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ GSM  T /2  s(t ) Vì lượng = T /2 dt  T /2 2E cos [2cf c t   (t )]dt T T /2  T /2 = (1  cos  2 f c t   (t )].2}) dt T /2  T /2  2E T cos{[ 2ft   (t )].2}   dt  E T T /2 Khai triển s(t) ta :  2E   S(t)=  T cos[(2.i  1) ] cos(2f c t )    Đặt 1 (t )  sin( 2f c.t ) T t T  (t )  cos(2f c.t ) T t T 2E  sin[(2i  1)] sin(2f c t ) (0 t T ) T T  t; t  Khi : s i (t ) 1 (t ) E sin[( 2i  1)  ]   (t ) E cos[( 2i  1)  ] Như ta biết khái niệm hàm trực giao đoạn [a;b] sau: b  a n  ( x). m ( x).dx  0 neˆ u m n neˆu m n Ơ 1(t) 2(t) hai hàm sở trực chuẩn Vậy bốn điểm tin ứng với véctơ xác định sau :     E sin[( 2i  1) ]  si1  si   (i 1,2,3,4)    si   E cos[( 2i  1)  4  Như ta có bảng sau (khi giá trị i vào) Cặp bít vào Phase QPSK  00 01 11 10 Tọa độ tin E 3 E 5 E  Biên giới định bít 7 E  E  E  E E Ta thấy tín hiệu PSK mức đặc trưng tín hiệu hai chiều bốn E /  véctơ Điểm tin (00) điểm tin hình vẽ: Điểm tin (01)  1 E / 2  Điểm tin (10) Điểm tin (11)  ĐIỀU CHẾ GMSK TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG SOÁ GSM  Biên giới định bít Xem bảng ta thấy logic “1” biến đổi vào  E cịn logic “0” biến đổi vào E Vì lúc ta phát symbol nên luồng vào phải phân thành hai luồng tương ứng biến đổi mức nhân với hai hàm trực giao tương ứng Sơ đồ điều chế PSK mức sau: Bít chẵn Luồng bít vào Đổi mức 1 (t ) Nối tiếp sang song song Sóng QPSK Đổi mức Bít lẻ  (t ) Khi máy thu ta thu tín hiệu thìviệc giải điều chế liên quan đến việc định symbol phát đi, tín hiệu ta nhận đầu thu ngồi tín hiệu s(t) cịn có nhiễu N trắng x(t) có giá trị trung bình không mật độ phổ công suất Với hàm phân bố xác suất : f ( x)  e  x2 2 2  mật độ phổ phân bố phân bố  với hàm tự tương quan hàm deltadirac : p ( )  N0 R ( )  N0  B f B  Nếu tín hiệu truyền với giải thơng khoảng [-B;B] ta có P( )   f B Suy ra: B R ( )   P ( ).e j d 2 B Đây hàm Sa có biên độ B N với momemt cấp = R (0)  B.N phương sai ( ) Cuối ta có nhận xét:  ĐIỀU CHẾ GMSK TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ GSM  Ts 2.Tb : BW  BWs  BWb  R :Lí tưởng theo Nyquyst R tốc độ bít  hay BW tỉ lệ nghịch với thời gian bít T Tức điều chế PSK mức băng tầng giảm ½ so với điều chế PSK mức II ĐIỀU CHẾ MSK (KHÓA CHUYỂN PHA CỰC TIỂU) Như ta thấy điều chế QPSK có nhược điểm giả sử trường hợp từ symbol “00” chuyển sang symbol “11’ góc pha đổi 180 0, điều làm làm tăng khả bị nhiễu tạp âm Vì người ta muốn độ di pha 90 Ở điều chế MSK việc tăng số mức tín hiệu lên từ hai mức sang bốn mức nhờ việc tận dụng trạng thái pha điều chế MSK độ di tần đạt tiêu chuẩn đưa 900 Để xét điều chế MSK ta từ điều chế CPFSK (hay nói cách khác MSK trường hợp đặc biệt FSK pha liên tục _CPFSK với độ di tần 0.5) Ta có tín hiệu điều chế CPFSK sau :  ĐIỀU CHẾ GMSK TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG SOÁ GSM   Eb cos[2f1t   ]   Tb s(t )   Eb cos[2f t   ]  Tb  cho bi t cho bi t Với : E b lượng tín hiệu phát bít (nó tính tương tự bên điều chếQPSK) Tb độ rộng bít  : góc pha ban đầu thời điểm t= phụ thuộc vào thời gian trước Tần số f , f tần số phát cho bít điều chế tương ứng 0, Như ta biết điều chế tần số điều chế pha điều chế góc Vì tín hiệu điều chế s(t) biễu diễn sau: Eb s (t )  cos[2f c t   (t )] Tb với  (t ) pha s(t) hàm liên tục theo thời gian, s(t) liên tục thời điểm kể thời điểm chuyển đổi bít f f fc  2 ht  (t )   Tb (0 t Tb ) Tức bít phát bít :  (t )   ht Tb (0 t Tb ) Cịn bít phát bít thì: ht (0 t Tb ) Tb h Tb ( f  f ) :gọi tỉ lệ dịch tần so với tốc độ bít Với : f f Giả sử f  f ta lấy tần số f c  nên độ dịch tần cực đại so với f c là: f  f2 f c   (t )   h Tb f c Vậy ta có : Khi t Tb (tức cuối bít đầu bít mới): ht Tb Do :  (t )   ( pha ban đầu bít tín hiệu) ht Nên suy ra:  (t )    T b Thay t Tb   (t )   (0) h Nhgĩa phát bít pha cuối chu kì bít lớn pha đầu củachu kì bít h (và tăng tuyến tính)  ĐIỀU CHẾ GMSK TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ GSM  Tương tự phát bít pha cuối nhỏ pha đầu h (và giảm tuyến tính ) Như thay đổi  (t ) thể thay đổi tần số f f Ta có sơ đồ khả thay đổi sau:  (t )   (0) 4h 3h 2h h  h  2h 2Tb 4Tb 6Tb 8Tb t  3h  4h Vì độ lệch pha số dư phép chia cho 2 nên chọn h = 0.5 độ lệch pha chu kì bít nhận giá trị 2 /  (thoã mãn yêu cầu đặt ra) Mặt khác ta có nhận xét  (t ) bội số chẵn lẽ h điểm bội số chẵn lẽ Tb Ví dụ : chuỗi bít 0010111 với  (0) 0 (cho lúc bắt đầu) ta sơ đồ pha sau:  ĐIỀU CHẾ GMSK TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ GSM   (t )   (0) 4h 3h 2h h 2Tb  h  2h 4Tb 6Tb 8Tb t  3h  4h Như với h = 0.5  f c  4T : độ dịch tầng cực đại ¼ lần tốc độ bít b Tín hiệu điều chế s(t) phân tích sau : Eb Eb s (t )  sin[ (t )].sin(2f c t )  cos[ (t )] cos(2f c t ) Tb Tb với :  (t )  (0)  t 2Tb t Tb Xét khoảng thời gian  Tb t Tb : ta có dấu cos (t ) phụ thuộc  (0)  (0) nhận giá trị  (như lí luận trước) Vì phân tích ta có : t t cos  (t ) cos  (0) cos( )  sin  (0) sin (cho bit 0) 2Tb 2Tb t t cos (t ) cos (0) cos( )  sin  (0) sin (cho bit 1) 2Tb 2Tb t ) sin  (0) 0 Tức hai trường hợp ta có : cos (t ) cos (0) cos( 2Tb dấu cos (t ) khơng phụ thuộc vào bít truyền trước sau t = Vậy khoảng thời gian thành phần đồng pha s I (t ) nửa xung cosin xác định sau:  ĐIỀU CHẾ GMSK TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ GSM  s I (t )  Eb cos  (t ) Tb Eb t cos( ) Tb 2Tb dấu – ứng với  (0) = dấu + ứng với  (0)   Xét khoảng thời gian t 2Tb : tương tự trước ta xét sin  (t ) ta thấy dấu phụ thuộc  (Tb ) Và khoảng thời gian thành phần vng góc sQ (t ) làmột nửa xung sin xác định sau: s I (t )  Eb sin  (t ) Tb  Eb t sin( ) Tb 2Tb dấu – ứng với  (Tb )   / , dấu + ứng với  (Tb )  / Nếu gọi f độ dịch tần f f ta có : f  f1  f  h  , tức độ dịch tần f f Tb 2Tb nửa tốc độ bít Như ta thấy trạng thái pha  (0)  (Tb ) nhận hai trạng thái nên xảy khả : Pha  (0) =  (Tb )  / tương ứng truyền bít Pha  (0)   (Tb )  / tương ứng truyền bít Pha  (0)   (Tb )   / (hay 3 / ) tương ứng truyền bít Pha  (0) =0  (Tb )   / tương ứng truyền bít Tức ta thấy thân tín hiệu MSK nhận số bốn dạng pha Chính điều tạo cho việc điều chế MSK bốn mức dựa vào trạng thái pha khác  (0)  (Tb ) Như phân tích s(t) lúc trước, ta thấy trường hợp tín hiệu điều chế MSK ta có hàm trực giao sở sau :  t   sin(2f c ) , t 2Tb 1 (t )  sin  Tb  2Tb   t   cos(2f c ) ,  (t )  cos Tb  2Tb   Tb t Tb tín hiệu s(t) biểu diễn sau : s  t  s1 1 (t )  s  (t ) t Tb s1 s liên quan đến trạng thái pha  (0)  (Tb ) : 2Tb s1  s (t ).1 (t ).dt  Eb sin[ (Tb )] (0 t 2Tb ) Tb s1  s (t ). (t ).dt  Eb cos[ (0)] ( Tb t Tb )  Tb  ĐIỀU CHẾ GMSK TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ GSM  Ta có nhận xét : Cả hai đoạn đánh giá có khoảng thời gian hai lần độ rộng bít mà 1 (t )  (t ) trực giao với Cả hai cận cận tích phân sử dụng để đánh giá hệ số s1 dịch Tb giây so với cận đánh giá s Khoảng thời gian t Tb trạng thái pha  (0)  (Tb ) định nghĩa khoảng thời gian chung cho hai tích phân Vậy tín hiệu MSK tín hiệu hai chiều với bốn tin hình vẽ(bằng cách thay giá trị  (0)  (Tb ) vào giá trị s1 s s(t) ): Biên giới định bít Điểm tin Eb Và   Điểm tin =0 Eb Điểm tin   2Biên giới định bít Điểm tin =0 và Vậy ta có tọa độ tin sau:  E b , E b ;  E b ,  E b ;  E b , E b ;  E b ,  E b Nếu so sánh với sơ đồ khơng gian tín hiệu QPSK ta thấy có dạng, nhiên khác chỗ lượng tín hiệu MSK biễu diễn lượng bít, cịn lượng tín hiệu QPSK symbol Cái khác quan trọng tín hiệu QPSK 1 (t )  (t ) biểu diễn cặp sóng mang lệch pha 900 cịn tín hiệu MSK chúng trìnhbày cặp sóng mang lệch pha 900 điều chế hàm sin cos Ta có bảng cho kết giá trị  (0) ,  (Tb ) s1 , s tương ứng tính tốn khoảng thời gian t 2Tb  Tb t Tb sau:          .10 ĐIỀU CHẾ GMSK TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ GSM  Kí hiệu hai phát t Tb Các trạng thái pha (rad) Tọa độ điểm tin  (0)  (Tb )  / s1 s2 0  Eb  Eb   /  Eb  Eb    /2  Eb  Eb   /2  Eb  Eb Như chuỗi liệu vào cho trước tương ứng với cặp bít mà ta có tọa độ tin tương ứng với cặp bít giống bên QPSK từ ta suy chuỗi bít phát tín hiệu s(t) Để hiểu rõ vấn đề ta xét ví dụ : Chuỗi bít đưa lên điều chế là: 0010111 giả thiết thời điểm t= pha ban đầu  (0) = Ta suy giá trị  (t ) thời điểm hình vẽ trên, từ ta suy cực tính s1 s khoảng thời gian bảng sau : Chuỗi nhị phân vào Thang thời gian  ( kTb ) Cực tính s1  ( kTb ) 0 1 2Tb 4Tb / / + + + BPF  - 1 - cos(2f c t )  / + - + 6Tb /  + Cực tính s Và tín hiệu điều chế là: s  t   s1 1 (t )  s  (t ) Ta có sơ đồ điều chế MSK sau : cos(t / 2Tb ) m1 (t ) Sóng MSK BPF + - 2 Các lọc băng hẹp m2 (t ) Giải thích sơ đồ điều chế: Trước hết hai hàm sóng sin có tần số f c tần số / 4Tb đến nhân điều chế, kết cho ta hai sóng sin có pha kết hợp với tần số f f sau : 1 cos( 2f c t ) cos(t / 2Tb )  cos( 2f1 )  cos( 2f ) 2  .11 ĐIỀU CHẾ GMSK TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ GSM  ; f  f c  f ; f 1 / 4Tb : f1  f c  f hai sóng hàm sin sau tách riêng hai lọc băng thơng có tần số trung tâm f f Sau đầu lọc cộng chéo với để đươ6c hàm trực giao sở : 1 (t )  [cos(2f 1t )  cos(2f t )] f  f2   f  f2    sin 2 t  sin 2 t 2      sin t / 2Tb  sin(2f c t )  (t )  [cos(2f1t )  cos(2f t )] f  f2   f  f2   cos 2 t  cos 2 t 2     cost / 2Tb  cos(2f c t ) sau hàm 1  nhân với hai chuỗi nhị phân có tốc độ bít / 2Tb phân đơi từ luồng nhị phân đưa lên điều chế để ấn định dấu cho s1 s sau cộng hai nhánh với ta tín hiệu MSK Việc giải điều chế thực việc tách pha  (0)  (Tb ) sau ghép hai tập định pha nói để suy chuỗi bít phát  .12