điều chế tín hiệu và mô phỏng tín hiệu bằng matlab

Mục đích chính của điều chế là gắn tín hiệu mang tin thường là băng gốc vào tín hiệu sóng mang có phổ thích hợp hơn, tạo thành tín hiệu thông dải để: + Làm cho tín hiệu mang tin tương xứ

LỜI MỞ ĐẦU

Vào đầu thế kỷ 20 Marconi thành công trong việc liên lạc vô tuyến qua Đại Tây Dương, Kenelly và Heaviside phát hiện một yếu tố là tầng điện ly hiện diện ở tầng phía trên của khí quyển có thể dùng làm vật phản xạ sóng điện từ Những yếu tố đó đã

mở ra một kỷ nguyên thông tin vô tyuến cao tần đại quy mô

Chiến tranh thế giới lần thứ hai là một bước ngoặt trong thông tin vô tuyến Thông tin tầm nhìn thẳng - lĩnh vực thông tin sử dụng băng tần số cực cao (VHF) đã được nghiên cứu liên tục sau chiến tranh thế giới - đã trở thành hiện thực nhờ sự phát triển các linh kiện điện tử dùng cho VHF và UHF, chủ yếu là để phát triển ngành rađa.Với sự gia tăng không ngừng của lưu lượng truyền thông, tần số của thông tin vô tuyến đã vươn tới các băng tần siêu cao (SHF) và cực cao (EHF) Vào những năm

1960, phương pháp chuyển tiếp qua vệ tinh đã được thực hiện và phương pháp chuyển tiếp bằng tán xạ qua tầng đối lưu của khí quyển đã xuất hiện Do những đặc tính ưu việt của mình như dung lượng lớn, phạm vi thu rộng, hiệu quả kinh tế cao, thông tin

vô tuyến được sử dụng rất rộng rãi trong phát thanh truyền hình quảng bá, vô tuyến đạo hàng, hàng không, quân sự, quan sát khí tượng, liên lạc sóng ngắn, thông tin vệ tinh - vũ trụ v.v Tuy nhiên, can nhiễu với lĩnh vực thông tin khác là điều không tránh khỏi, bởi vì thông tin vô tuyến sử dụng chung phần không gian làm môi trường truyền dẫn

Chính vì thế điều chế tín hiệu là một phần không thể thiếu được trong truyền dẫn của thông tin vô tuyến Điều chế giúp chúng ta có thể truyền đi thông tin hoặc tín hiệu mong muốn và nhận được những tín hiệu mà mình muốn có

Đồ án được chia làm ba phần :

Chương I: Tổng quan về điều chế

Chương II: Điều chế tín hiệu

Chương III: Mô phỏng tín hiệu bằng matlab

Do thời gian có hạn, trong khi tìm hiểu chúng em còn nhiều thiếu sót mong thầy

cô và các bạn thông cảm và góp ý để bài làm hoàn chỉnh hơn

Xin cảm ơn !

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii

Chương 1 1

Tổng quan về điều chế tín hiệu 1

1.1 Khái niệm điều chế 1

1.2 Sự cần thiết của điều chế tín hiệu 1

1.3 Phân loại 2

1.3.2 Phân loại theo sự thay đổi của các tham số sóng mang 2

Chương 2 3

Điều chế tín hiệu 3

2.1 Điều chế nhị phân 3

2.1.1 Điều chế khóa dịch biên độ nhị phân (BASK) 3

2.1.2 Điều chế khóa dịch pha nhị phân (BPSK) 5

2.1.3 Điều chế khóa dịch tần nhị phân (BFSK) 6

2.1.4 Khôi phục sóng mang 7

2.2 Điều chế tăng hiệu suất phổ 7

2.2.1 Điều chế khóa dịch pha M mức 7

2.2.2 Điều biên cầu phương QAM 8

2.2.3 Điều chế pha cầu phương QPSK 9

2.3 Điều chế không đồng bộ 10

2.3.1 Điều chế trực giao không đồng bộ 10

2.3.2 Khóa dich tần nhị phân không đồng bộ 10

2.4 Điều chế tín hiệu tương tự 11

2.4.1 Điều chế tần số 11

2.4.2 Điều chế biên độ (AM) 13

2.4.3 Điều chế pha ( PM) 15

Nếu góc pha thay đổi theo tín hiệu thông tin ta có điều chế pha 15

trong đó mp là độ dời pha cực đại 15

Tần số tức thời cho bởi : 15

Mô phỏng matlab 16

Mô phỏng matlab về tín hiệu AM 16

16

Điều chế FSK 17

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

QAM Quature Amplitude Modulation Điều biên cầu phương

BASK Binary Amplitude Shift Keying Điều chế khóa dịch biên độ

nhị phân

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha nhị

phânBFSK Binary Frequency Shift Keying Điều chế khóa dịch tần nhị

phânQPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế khóa pha cầu

Chương 1 Tổng quan về điều chế tín hiệu 1.1 Khái niệm điều chế

Điều chế (modulation) nói chung là làm biến đổi các đặc tính của một tín hiệu theo một tín hiệu khác Trong hệ thống thông tin tín hiệu bị biến đổi theo sóng mang (carrier) Cũng có thể định nghĩa điều chế là sự biến đổi các thông số của tín hiệu mang tin theo sóng mang

Mục đích chính của điều chế là gắn tín hiệu mang tin (thường là băng gốc) vào tín hiệu sóng mang có phổ thích hợp hơn, tạo thành tín hiệu thông dải để:

+ Làm cho tín hiệu mang tin tương xứng với các đặc điểm của kênh truyền + Kết hợp các tín hiệu lại với nhau (sử dụng ghép kênh phân tần số) rồi truyền

đi qua một môi trường vật lý chung

+ Bức xạ tín hiệu dùng các anten có kích thước phù hợp thực tế

+ Định vị phổ vô tuyến nhằm giữ cho giao thoa giữa các hệ thống ở dưới mức cho phép

Ở bên thu quá trình diễn ra ngược lại so với bên phát: tách lại tín hiệu mang tin băng gốc từ tín hiệu thông dải

Để so sánh các sơ đồ điều chế khác nhau ta dựa vào hiệu suất phổ và hiệu suất công suất Hiệu suất phổ là số đo tốc độ truyền tin trên băng thông sử dụng, đơn vị là bit/Hz Một yêu cầu đặt ra đối với kỹ thuật thông tin là truyền tin với tốc độ tối đa trên một băng thông tối thiểu Điều này đặc biệt đúng với thông tin vô tuyến vì phổ tần vô tuyến rất hẹp và do đó nó là một tài nguyên thông tin vô giá

Hiệu suất công suất liên quan đến tỷ số đối với một xác suất lỗi bít cho trước Trong thực tế điều này có nghĩa là so với công suất tín hiệu yêu cầu bởi các sơ đồ điều chế khác nhau để giữ được BER xác định ứng với một tốc độ truyền tin quý giá

1.2 Sự cần thiết của điều chế tín hiệu

Thông tin vô tuyến do các tín hiệu tin tức (tín hiệu tương tự và tín hiệu số) thường có tần số thấp nên khó trực tiếp bức xạ thành sóng điện từ để truyền đi xa, nếu

có thể bức xạ được thì năng lượng bức xạ cũng rất yếu và đòi hỏi phần tử bức xạ (anten) có kích thước lớn Để dễ dàng truyền thông tin đi xa bằng sóng điện từ, người

cần truyền vào sóng mang sau đó mới cho sóng mang đã điều chế bức xạ thành sóng điện từ để truyền đi xa Vì sóng mang có tần số cao nên phần tử bức xạ không cần phải

có kích thước quá lớn

Trong ghép kênh theo tần số: vì các tín hiệu thông tin cùng loại đều có chung một băng tần truyền dẫn (Ví dụ như tín hiệu thoại có băng tần từ 0,3 - 3,4KHz) nên khi truyền nhiều tín hiệu trên một đường truyền dẫn thì chúng sẽ bị lẫn vào nhau làm cho phía thu không thu được tín hiệu Để truyền được nhiều tín hiệu trên cùng một đường truyền thì người ta phải điều chế các tín hiệu cần truyền vào các sóng mang khác nhau, mục đích là chuyển phổ của thông tin cần truyền lên các vùng khác nhau sau đó mới truyền chung một đường truyền dẫn Nhờ sự khác nhau về vùng phổ của các tín hiệu truyền đi mà phía thu dễ dàng thu được tín hiệu

1.3 Phân loại

1.3.1 Phân loại theo tín hiệu đưa vào điều chế

- Điều chế tương tự : tín hiệu điều chế là tín hiệu tương tự

- Điều chế số : tín hiệu điều chế là tín hiệu số

1.3.2 Phân loại theo sự thay đổi của các tham số sóng mang

- Điều chế biên độ: là tác động tín hiệu điều chế vào sóng mang làm cho biên

độ của sóng mang thay đổi theo quy luật của tín hiệu điều chế Điều chế biên độ tương

tự được gọi là AM (Amplitude Modulation) Điều chế biên độ số được gọi là ASK (Amplitude Shift Keying)

- Điều chế tần số: là tác động tín hiệu điều chế vào sóng mang làm cho tần số của sóng mang thay đổi theo quy luật của tín hiệu điều chế Điều chế tần số tương tự được gọi là FM (Frequency Modulation) Điều chế tần số số được gọi là FSK (Frequency Shift Keying)

- Điều chế pha: là tác động tín hiệu điều chế vào sóng mang làm cho pha của sóng mang thay đổi theo quy luật của tín hiệu điều chế Điều chế pha tương tự được gọi là PM (Phase Modulation) Điều chế pha số được gọi là PSK (Phase Shift Keying)

- Điều chế QAM (Quature Amplitude Modulation): là phương pháp điều chế kết hợp cả điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK Với điều chế này thì khi tín hiệu điều chế tác động vào sóng mang thì cả biên độ và pha của sóng mang đều thay đổi theo quy luật của tín hiệu điều chế

Chương 2 Điều chế tín hiệu 2.1 Điều chế nhị phân

Điều chế nhị phân là kiểu điều chế đơn giản nhất và phổ biến trong thực tế Đây

là trường hợp tín hiệu mang tin băng gốc là tín hiệu nhị phân

2.1.1 Điều chế khóa dịch biên độ nhị phân (BASK)

Trong hệ thống BASK, biên độ của sóng mang tần số fc được chuyển đổi giữa hai giá trị tùy thuộc vào tín hiệu băng gốc, biên độ của sóng mang bao gồm hai mức A0

và A1 biểu diễn cho hai ký tự 0 và 1 tương ứng Trong thực tế, dạng sóng BASK gồm các xung “mark “ biểu diễn ký tự 1 và “space” biểu diễn ký tự 0 Lúc này BASK còn được gọi là biểu diễn khóa on-off OOK và ký hiệu BASK được biểu diễn như sau :

=

φ π

π

t f T

t A

t f T

t A

t f

0 0

0 0

2 cos

2 cos )

(

Bộ điều chế OOK có thể được thực hiện như là một khóa chuyển mạch đơn giản, khóa sóng mang ở on hay off tùy tín hiệu mang tin là 1 hay 0 hoặc là một bộ điều chế cân bằng, nhân sóng mang với tín hiệu OOK đơn cực băng gốc Bộ tách sóng OOK có thể là kết hợp hay không kết hợp Trường hợp này tách sóng kết hợp có thể dùng một bộ lọc phối hợp, đầu ra của bộ lọc phối hợp đạt cực đại khi đầu vào có tín hiệu và bằng 0 khi đầu vào không có tín hiệu Hoặc dùng bộ tách sóng tương quan, yêu cầu là phải có bộ khôi phục sóng mang CR Tín hiệu sau đó được lấy mẫu và quyết định ngưỡng với đồng hồ lấy ra từ bộ khôi phục đồng hồ STR

Kiểu tách sóng không kết hợp được sử dụng phổ biến hơn, được cấu thành hai kênh tương quan để tách thành phần đồng pha và vuông pha của tín hiệu, sau đó bình phương thành phần đồng pha và vuông pha rồi sau đó cộng lại Sự sắp xếp này khắc phục được yêu cầu về đồng bộ pha sóng mang Kiểu này phức tạp nhưng với sự phát triển của công nghệ VLSI, chúng trở nên nhỏ, nhẹ và rẻ hơn so với bộ lọc và tách đường bao trong các thiết kế truyền thống

Cho số 1Cho số 0

Hình 2.1 Điều chế on-off: dạng sóng, bộ điều chế, phổ

a Tín hiệu băng gốc

b Phổ điện áp của tín hiệu băng gốc

c Bộ điều chế OOK

e Phổ điện áp của tín hiệu OOK thông dảiThời điểm quyết định ở bộ quyết định bên thu là f(nT0) và điện áp quyết định là:

Trong đó E là năng lượng chuẩn hóa chứa trong ký tự 1 và k là hằng số, có thể đặt bằng 1

Trường hợp sử dụng bộ lọc phối hợp, xác xuất lỗi được tính như sau:

2

1

N

E erf

E = + là năng lượng trung bình theo thời gian trên một ký tự, với OOK thì E0=0, ta được:

2

1

N

E erf

P e

Chọn số 1Chọn số 0

Ở đây C là công suất sóng mang thu lấy trung bình trên tất cả các ký tự và N là công suất nhiễu chuẩn hóa trong một băng thông B(Hz).

2.1.2 Điều chế khóa dịch pha nhị phân (BPSK)

Trong hệ thống BPSK, tín hiệu băng gốc được gắn vào sóng mang bằng cách thay đổi pha của sóng mang tùy thuộc vào tín hiệu băng gốc:







Π

=

φπ

π

t f T

t A

t f T

t A t f

0 0

0 0

2cos

2cos)

(

Về nguyên tắc, có thể chọn φ bất kỳ nhưng thường chọn trạng thái ngược pha,

tức là φ=1800 Kiểu điều chế này gọi là điều chế khóa đảo pha PRK

Hình 2.3 Điều chế PRK: dạng sóng, bộ điều chế, phổ

a Tín hiệu băng gốc

b Phổ điện áp của tín hiệu băng gốc

c Bộ điều chế PRK

d Tín hiệu PRK thông dải

e Phổ điện áp của tín hiệu PRK thông dảiTách sóng PRK là kiểu tách sóng kết hợp, có thể thực hiện bằng bộ lọc phối hợp hoặc tương quan Vì ký tự 1 và 0 ngược pha nên chỉ cần bộ thu một kênh

Mức điện áp quyết định sau khi lọc:

f ( 0)

Chọn số 1Chọn số 0

Chọn số 1Chọn số 0

2.1.3 Điều chế khóa dịch tần nhị phân (BFSK)

BFSK biểu diễn số 1 và số 0 bằng các xung sóng mang với hai tần số là f1 và f2:







Π

=

t f T

t A

t f T

t A t f

2 0

1 0

2cos

2cos)

(

ππ

Bộ điều chế BFSK thường là một bộ dao động điều khiển số Có thể thấy tín hiệu BFSK là xếp chồng của hai tín hiệu OOK, do vậy phổ điện áp của tín hiệu BFSK

là xếp chồng của hai phổ điện áp OOK, một biểu diễn tín hiệu cho f1 và một OOK biểu diễn cho f2 Phổ tín hiệu bị chồng lấn, nếu khoảng cách giữa f1 và f2 lớn thì sự chồng lấn coi như không đáng kể

Bộ tách sóng BFSK có thể kết hợp hay không kết hợp Tách sóng không kết hợp có tỷ số CNR không tốt bằng tách sóng kết hợp giống như trong hệ thống OOK

Nếu các ký tự nhị phân trong hệ thống BFSK trực giao có nghĩa là :

cos(

T

dt t f t

Hình 2.6 Bình phương khôi phục sóng mang

Mạch khôi phục này có thể cho ra sóng mang trùng pha hoặc ngược pha so với sóng mang phát Điều này sẽ làm cho ký tự trong dữ liệu giải điều chế bị đảo ngược

Để khắc phục, có thể sử dụng phương pháp mã hóa vi sai trước khi điều chế PRK và được gọi là điều pha vi sai DPSK Số 1 được biểu diễn bằng một sự dịch pha còn số 0 thì không dịch pha

2.2 Điều chế tăng hiệu suất phổ

2.2.1 Điều chế khóa dịch pha M mức

Độ rộng băng yêu cầu thường tỷ lệ với 1/Tb Nếu sử dụng điều chế hạng M=2n thì độ rộng băng chỉ còn 1/nTb Đây chính là kỹ thuật điều chế có hiệu suất sử dụng băng tần cao Song giá phải trả ở đây là tỷ lệ lỗi bít cao hơn PSK hạng M:

n f

M i

i M t f T

E S

c c

c i

=

=

−

−+

= 2 cos((2π 2π ( 1), 1,2

Sơ đồ với M=8

8sin2

18 12

π

E d

Hình 2.7 Giản đồ pha của PSK 16 mức

2.2.2 Điều biên cầu phương QAM

Đối với bộ phát, ta có thể kết hợp điều biên với điều pha để cải thiện sự phân bố trạng thái pha trong chòm sao Phương pháp này được giới thiệu lần đầu tiên vào năm

1960 với 2 mức biên độ (tương đương 2 vòng) và 8 mức pha trên mỗi vòng Vì đây là

sự kết hợp giữa điều biên và điều pha nên nó được gọi là điều chế khóa biên độ/pha APK Sau đó người ta nhận thấy rằng nếu số điểm ở vòng trong giảm còn 4, số điểm ở vòng ngoài tăng lên 12 thì các điểm trên chòm sao cách đều nhau hơn Đến năm 1962, người ta đưa ra một cách chọn biên độ và pha khác Người ta nhận thấy kiểu này dễ thực hiện hơn và Pe có được cải thiện đôi chút Vì tín hiệu APK này có thể xem là cặp ASK nhiều mức được điều chế trên các sóng mang vuông góc nên nó thường được gọi

là điều biên cầu phương QAM Như vậy QAM là một trường hợp riêng của APK

Hình 2.8 Chòm sao của các tín hiệu điều chế

b APK 16(4,12),

c QAM 16( 4x4)Cũng như PSK nhiều mức, tất cả các ký hiệu trong APK hoặc QAM đều chiếm cùng một dải tần số như nhau, do vậy hiệu suất phổ của tín hiệu điều chế APK/QAM (danh định và tối đa) cũng giống PSK nhiều mức

2.2.3 Điều chế pha cầu phương QPSK

Khi thiết kế hệ truyền thông ngoài mục tiêu quan trọng là xác suất lỗi bit phải thấp còn có mục tiêu là sử dụng có hiệu suất độ rộng băng Khóa dịch vuông pha là trường hợp riêng của hợp kênh sóng mang vuông góc, ở đó mỗi dạng sóng mang thông tin 2 bit nên cần tất cả 4 dạng sóng ứng với 4 pha có hiệu suất băng tần cao Dạng sóng của ký hiệu là:

( t T)

i f T

E

S i =  + − 4 0≤ ≤

1)12(2cos

2

0π

Với 4 dạng sóng trên, 2 hàm cơ sở được xác định là:

T t t f T

t

T t t f T

t

≤

≤

=Φ

≤

≤

=Φ

0),2sin(

2)(

0),2cos(

2)(

0 2

0 1

ππ

Dạng sóng ứng với tín hiệu 01 10 10 00 sẽ được tạo nên như sau:

Dãy được chia thành 2 dãy con: Những bit được đánh số chẵn gộp vào một dãy

và những bit đánh số lẻ vào một dãy Ứng với 2 dãy này là các dạng sóng ứng với tín hiệu PSK đặt trên sóng cosin và sin riêng rẽ Khi cộng lại chúng sẽ cho QPSK

Hình 2.9 a Dãy nhị phân vào; b Bít lẻ lối vào và dạng sóng BPSK liên kết

c Bít chẵn lối vào và dạng sóng BPSK liên kết; d Dạng sóng QPSK

2.3 Điều chế không đồng bộ

2.3.1 Điều chế trực giao không đồng bộ

Tại bên thu nếu không biết pha của sóng mang khi truyền tới nơi, có thể sử dụng kỹ thuật ách không đồng bộ Điều này thường gặp phải khi đường truyền không xác định Về nguyên tắc điều chế nhị phân khi đó dùng 2 tín hiệu trực giao s1(t) và s2(t)

có năng lượng bằng nhau Giả sử tín hiệu qua kênh nhận được là g1(t) và g2(t) vẫn giữ tính trực giao và năng lượng bằng nhau Bộ thu sẽ gồm 2 bộ lọc phù hợp với các hàm

cơ sở 1 t φ và 2 t φ là các phiên bản của s1(t) và s2(t) Vì pha của sóng mang là không biết, bộ thu chỉ dựa trên sự phân biệt biên độ nên lối ra bộ lọc được tách đường bao, lấy mẫu và so sánh với nhau Nếu l1>l2 thì quyết định là s1(t), ngược lại thì là s2(t) Khi

đó mỗi bộ lọc phù hợp không đồng bộ tương đương như bộ thu vuông góc 2 nhánh: nhánh trên là đồng pha ở đó x(t) được tương quan với Φi (t)là phiên bản của s1(t) hoặc

s2(t) với pha sóng mang bằng 0, nhánh dưới là kênh vuông góc, x(t) được tương quan với Φi (t) là phiên bản của Φˆi( )t dịch pha đi -900, với Φˆi( )t và Φi (t)là trực giao với

nhau

2.3.2 Khóa dich tần nhị phân không đồng bộ

Trong trường hợp FSK nhị phân: