điều chế và giải điều chế tín hiệu số [truyền dẫn vô tuyến]

LỜI MỞ ĐẦUNgày nay với sự phát triển công nghệ thông tin thì tín hiệu số ngày càng được sử dụng rộng rãi, và trong kỹ thuật thông tin vô tuyến khi muốn truyền tín hiệu số đi xa người ta

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển công nghệ thông tin thì tín hiệu số ngày càng được sử dụng rộng rãi, và trong kỹ thuật thông tin vô tuyến khi muốn truyền tín hiệu số

đi xa người ta phải chuyển tần số của tín hiệu ấy lên một mức tần số cao hơn rất nhiều Công việc thực hiện chuyển phổ của tín hiệu số lên vùng có tần số cao hơn được gọi là điều chế bằng phương pháp sử dụng các mạch trộn tần, và ở phía thu phải

có một quá trình chuyển đổi ngược lại, quá trình đó gọi là tách sóng hay giải điều chế

Và đó cũng là lý do mà hôm nay chúng em xin chọn đề tài “ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU SỐ” để làm đề tài cho bài đồ án cuối kỳ môn truyền dẫn

vô tuyến nhằm tìm hiểu thêm về vấn đề điều chế và giải điều chế trong tín hiệu số cũng như ứng dụng phần mềm MATLAB trong điều chế, giải điều chế số

Đồ án gồm có 3 phần:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Chương 2: ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ SỐ

Chương 3: DÙNG MATLAB MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU SỐ

Do chúng em còn nhiều hạn chế về kiến thức và thực tiễn nên trong quá trình làm

đề tài này chúng em không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy chúng em kính mong nhận được sự chỉ bảo của thầy và ý kiến đóng góp của các bạn để rút kinh nghiệm trong những lần sau

Chúng em xin được chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Vũ Anh Quang, người thầy đã trực tiếp giúp đỡ tận tình chúng em hoàn thành đồ án này

Đề tài: điều chế và giải điều chế

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC BẢNG 4

DANH MỤC HÌNH 5

CHƯƠNG 1 6

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN 6

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG 6 1.1.1 Khái niệm thông tin vô tuyến 6

1.1.2 Khái niệm hệ thống thông tin vi ba 6

1.1.2.1 Khái niệm 6

1.1.2.2 Cấu trúc giả định 6

1.1.2.3 Đặc điểm và phân loại 7

1.2 CÁC KHÁI NIỆM ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ 7 1.2.1 Khái niệm 7

1.2.1.1 Tín hiệu điều chế 7

1.2.1.2 Tín hiệu sóng mang 7

1.2.1.3 Điều chế 7

1.2.1.4 Giải điều chế 7

1.2.2 Phân loại 8

1.2.2.1 Phân loại theo tín hiệu đưa vào điều chế 8

1.2.2.2 Phân loại theo sự thay đổi của các tham số sóng mang 8

1.2.3 So sánh điều chế tương tự và điều chế số 8

CHƯƠNG 2 9

ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ SỐ 9

2.1 ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ (KHÓA DỊCH BIÊN ĐỘ ASK) 9 2.1.1 Điều chế ASK (Amplitude Shift Keying) 9

2.1.1.1 Khái niệm 9

2.1.1.2 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động 9

2.1.1.3Ưu điểm và nhược điểm 9

2.1.2 Giải điều chế ASK (Amplitude Shift Keying) 10

2.1.2.1 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động 10

Đề tài: điều chế và giải điều chế

2.2.1 Điều chế FSK (Fryquency Moducation) 11

2.2.1.1 Khái niệm 11

2.2.1.2 Nguyên tắc điều chế 11

2.2.1.3 Điều chế 2FSK: 12

2.2.1.4 Giải điều chế FSK: 13

2.1.2 điều chế số theo phase tín hiệu PSK (Phase Shift Keying): 13

2.1.2.1 Định nghĩa: 13

2.1.2.2 Điều chế pha 4 trạng thái - Giải điều chế pha 4 trạng thái 13

2.3 Đ IỀU CHẾ BIÊN ĐỘ VUÔNG GÓC QAM (Q UADRATURE P HASE S HIFT K EYING ): 15 LỜI CẢM ƠN 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

DANH MỤC BẢNG BẢNG 1.1: BẢNG SO SÁNH GIỮA ĐIỀU CHẾ TƯƠNG TỰ VÀ ĐIỀU CHẾ SỐ 8 BẢNG 2.1 TÍN HIỆU QPSK 15

DANH MỤC HÌNH

HÌNH 1.1: THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA THÔNG TIN VÔ TUYẾN HAI

CHIỀU 6

HÌNH 1.2: CẤU TRÚC GIẢ ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP CỐ ĐỊNH 6

HÌNH 2.1: SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐIỀU CHẾ ASK 9

HÌNH 2.2: DẠNG SÓNG CỦA ĐIỀU CHẾ ASK 9

HÌNH 2.3: SƠ ĐỒ KHỐI GIẢI ĐIỀU CHẾ ASK 10

HÌNH 2.4: DẠNG SÓNG CỦA GIẢI ĐIỀU CHẾ ASK 10

HÌNH 2.5: SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐIỀU CHẾ 2FSK 11

HÌNH 2.6: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ 2FSK 12

HÌNH 2.7 PHƯƠNG PHÁP GIẢI ĐIỀU CHẾ FSK 13

HÌNH 2.8: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU QPSK 14

HÌNH 2.9: TÍN HIỆU 4-PSK 14

HÌNH 2.10: SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐIỀU CHẾ PSK 4-PHA 14

HÌNH 2.11: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ GIẢI ĐIỀU CHẾ PHA 4-PSK 15

HÌNH 2.12: MẠCH GIÃI MÃ PSK 4-PHA 15

HÌNH 2.13: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU M-QAM 16

HÌNH 2.14: SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐIỀU CHẾ QAM 8 PHA 16

Hình 1.2: Cấu trúc giả định của hệ thống vô

tuyến chuyển tiếp cố định

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.1 Khái niệm chung

1.1.1 Khái niệm thông tin vô tuyến

Thông tin vô tuyến sử

dụng khoảng không gian làm

môi trường truyền dẫn bằng

phương pháp là phía phát bức

xạ các tín hiệu thông tin bằng

sóng điện từ ra không gian tự do, phía thu nhận sóng điện từ bên phát gửi tới trong không gian và tách lấy tín hiệu

gốc

1.1.2 Khái niệm hệ thống thông tin vi ba

1.1.2.1 Khái niệm

Thông tin vi ba là thông tin vô tuyến ở giải sóng cực ngắn và thực hiện thông tin nhiều kênh

1.1.2.2 Cấu trúc giả định

Trạm đầu cuối có nhiệm vụ: ở

hướng phát nhận thông tin từ trung

tâm truyền hình, truyền số liệu, tổng

đài hoặc thuê bao sau đó ghép kênh

tạo ra một luồng số tốc độ cao và điều

chế với sóng mang siêu cao tần để

phát sang phía thu sau đó ở hướng thu

sẽ thu nhận thông tin từ phía phát,

giải điều chế tạo lại luồng số nguyên

thuỷ sau đó phân kênh xử lý thành các

tín hiệu riêng biệt để đưa về các trung tâm truyền truyền hình, truyền số liệu, tổng đài

và thuê bao

Trạm trung gian có nhiệm vụ thu nhận thông tin là từ trạm phía trước, giải điều chế tạo lại luồng số nguyên thuỷ và đưa tới máy phát để phát tiếp sang trạm phía sau Trạm rẽ xen có hai máy phát, hai máy thu, các máy ghép tách kênh và hai anten

để thông tin với hai phía khác nhau Trạm rẽ xen có nhiệm vụ thu nhận thông tin từ

Hình 1.1: Thành phần cơ bản của thông tin vô

tuyến hai chiều

trạm phía trước và giải điều chế để tạo lại luồng số nguyên thuỷ và đưa tới máy ghép xen kênh để lấy ra và/hoặc xen vào một số kênh sau đó đưa tới máy phát để phát tiếp sang trạm phía sau

1.1.2.3 Đặc điểm và phân loại

- Có dải tần rộng

- Thông tin ổn định

- Có thể áp dụng công nghệ anten và tăng tần số công tác để giảm nhỏ công suất máy phát

- Chỉ thực hiện thông tin trong tầm nhìn thẳng

1.2 Các khái niệm điều chế và giải điều chế.

1.2.1 Khái niệm

1.2.1.1 Tín hiệu điều chế

Là các tín hiệu tin tức cần truyền đi có tần số thấp

1.2.1.2 Tín hiệu sóng mang

Là các tín hiệu điện cao tần có thể mang được thông tin, biểu thức toán học là:

U(t) = A sin (ωt + ϕ) Trong đó: - A là biên độ của sóng mang

- ω = 2πf là tần số góc của sóng mang (f là tần số sóng mang)

- ϕ: pha của sóng mang

- Các tham số A, f và ϕ đều có thể mang thông tin

1.2.1.3 Điều chế

Điều chế là quá trình đưa tín hiệu điều chế tác động vào sóng mang làm cho một hoặc nhiều tham số của sóng mang thay đổi theo quy luật của tín hiệu điều chế

1.2.1.4 Giải điều chế

Quá trình tách tín hiệu tin tức cần truyền ra khỏi sóng mang đã điều chế ở bên phát được gọi là giải điều chế

1.2.2 Phân loại

1.2.2.1 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

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

- Điều chế biên độ: Điều chế biên độ tương tự AM (Amplitude Modulation) và điều chế biên độ số ASK (Amplitude Shift Keying).

- Điều chế tần số: Điều chế tần số tương tự FM (Frequency Modulation), điều chế tần số số FSK (Frequency Shift Keying).

- Điều chế pha: Điều chế pha tương tự 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

1.2.3 So sánh điều chế tương tự và điều chế số

Bảng 1.1: Bảng so sánh giữa điều chế tương tự và điều chế số

Băng thông nhỏ (thuận lợi) Băng thông lớn (bất lợi)

Khả năng chống lại tiếng ồn thấp

(bất thuận lợi)

Khả năng chống lại tiếng ồn cao (rất thuận tiện)

mã hóa và xác thực

Chỉ sử dụng công nghệ FDM Có thể sử dụng các công nghệ

FDM, TDM, CDM và OFDM Trong truyền thông di động chỉ

hỗ trợ dịch vụ thoại

Trong truyền thông di động có thể

hỗ trợ dịch vụ thoại, SMS, dữ liệu, thông tin, cuộc gọi video…

Khó thiết kế bằng phần mềm Dễ dàng thiết kế bằng phần mềm

Chương 2 ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ SỐ

2.1 Điều chế và giải điều chế biên độ (khóa dịch biên độ ASK)

2.1.1 Điều chế ASK (Amplitude Shift Keying)

2.1.1.1 Khái niệm

Điều chế biên độ ASK là tác động tín hiệu số điều chế vào sóng mang và làm thay đổi biên độ của sóng mang theo quy luật của tín hiệu điều chế

2.1.1.2 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động

Tín hiệu số điều chế S(t) đưa vào đầu

thứ nhất của bộ nhân M Sóng mang

A.sinωt được tạo ra từ bộ dao động LO

(Local Oscillator) sẽ đưa đến đầu vào

thứ hai của bộ nhân Bộ nhân sẽ nhân

tín hiệu điều chế với tín hiệu sóng

mang tạo ra tín hiệu với thành phần cơ

bản là S(t).Asinωt và một số thành

phần khác Tín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông băng (BPF: Band Pass Filter) để loại bỏ các thành phần không mong muốn Kết quả ta thu được tín hiệu đã điều chế biên độ (ASK) là S(t).Asinωt

2.1.1.3Ưu điểm và nhược điểm

- Ưu điểm: là mạch điện điều chế và giải điều chế đều rất đơn giản.

- Nhược điểm: là khả năng chống nhiễu thấp.

Hình 2.2: Dạng sóng của điều chế ASK

Hình 2.1: Sơ đồ khối mạch điều chế ASK

2.1.2 Giải điều chế ASK (Amplitude Shift Keying)

2.1.2.1 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động

- Biến áp T1 kết hợp với tụ C1

tạo thành biến áp cộng hưởng

- D là diode nắn cao tần

- R và C2 tạo thành tải của mạch

giải điều chế

- N là bộ khuếch đại thuật toán

- U chuẩn là điện áp lớn hơn 0V

Khi không có sóng mang: điện áp đặt vào chân (+) của N là 0V (điện áp chân (+)

âm hơn điện áp ở chân (-)) nên ngõ ra của N có mức 0

Khi có sóng mang: tín hiệu được diode D nắn nửa chu kỳ và tụ C2 lọc san bằng tạo ra một điện áp tương đối bằng phẳng trên điện trở tải R để được đặt vào chân (+) của N làm cho điện áp ở chân (+) của N dương hơn điện áp ở chân (-) nên ngõ ra của

N có mức cao

Kết quả là ở ngõ ra của mạch so sánh N ta thu được tín hiệu điều chế

Hình 2.4: Dạng sóng của giải điều chế ASK

Hình 2.3: Sơ đồ khối giải điều chế ASK

2.2 Điều chế và giải điều chế tần số FSK

2.2.1 Điều chế FSK (Fryquency Moducation)

2.2.1.1 Khái niệm

Là phương pháp điều chế làm thay đổi tần số của tín hiệu cao tần theo biên độ của tín hiệu âm tần, khoảng tần số biến đổi là 150KHz

2.2.1.2 Nguyên tắc điều chế

Giả sử có sóng mang: x(t) = acos (ωct +φ) = acos[θ(t)] với θ(t) =ωct+φ

Ta giữ nguyên biên độ, pha và chỉ

thay đổi tần số:

ωi = dθ’/dt =(dωct+ dφ)/dt = ωct+ dφ/dt

Trong đó : ωi là tần số tức thời

Dφ/dt là sự thay đổi tần so với tần số

sóng mang [khi dφ/dt = kf.s(t) gọi là điều

tần - kf là hệ số điều tần]

s(t) là tín hiệu sin

0

0

t

t

∫

∫ Trong trường hợp điều chế số FSK thì s t( ) 1bit1 '1''0'

bit



= −



Khi đó: y t( ) =a.cos(ωc t kf t + ) =a.cos(ωc kf t+ )

Tần số sóng mang tương ứng với bít “0” là f1, ta có ω1=ωc-∆ω và với bít “1”

là f2, ta có ω2=ωc+∆ω

Độ rộng băng khi điều chế FSK là:

Bw =F1+2π/Tp-(F2-2π/Tp)=F1-F2+2π/Tp=2π(∆F+1/Tp)

Trong đó: Bw là độ rộng băng tần

Tp là độ rộng xung

Độ rộng băng tần khi điều chế FSK phụ thuộc vào độ dịch tần ∆F (khoảng cách giữa hai tần số F1 và F2) và độ rộng bít số liệu Tp

Hình 2.5: Sơ đồ khối mạch điều chế

2FSK

2.2.1.3 Điều chế 2FSK:

 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của điều chế 2FSK

- Là điều chế tần số mà sau khi điều chế sóng mang chỉ có hai tần số

+ LO1 và LO0: hai bộ dao động tạo sóng mang f1 và f0 tương ứng

+ M0 và M1: cổng truyền dẫn được điều khiển bởi tín hiệu điều chế

+ Σ: bộ cộng để kết hợp sóng mang f0 và f1 tạo thành tín hiệu 2 FSK

 Nguyên lý hoạt động

Mạch LO0 tạo ra tín hiệu sóng mang có tần số f0 đưa đến ngõ vào cổng M0 và mạch LO1 tạo ra sóng mang f1 đưa vào cổng M1 Tín hiệu điều chế được đưa vào điều khiển cổng M0 và M1 Khi tín hiệu điều chế là bit 0 thì cổng M1 không được điều khiển nên không cho tín hiệu sóng mang f1 đi qua, cổng M0 được điều khiển nên cho tín hiệu sóng mang f0 đi qua Khi tín hiệu điều chế là bit 1 thì cổng M0 không được điều khiển nên không cho sóng mang f0 đi qua, cổng M1 được điều khiển cho sóng mang f1 đi qua Mạch cộng Σ kết hợp các tín hiệu ở ngõ ra của các cổng truyền dẫn M0 và M1 và ta thu được sóng mang đã điều chế 2 FSK gồm hai tần số f0 và f1 ứng với các bit số liệu đưa vào điều chế

 Phương pháp điều chế 2FSK

Trên hình 2.6.a Khi Data bit = 1,

điều khiển khoá K ở vị trí nối sóng

mang tần số F1 với lối ra FSK Khi

Data bit = 0, điều khiển khoá K ở vị trí

nối sóng mang tần số F2 với lối ra

FSK

Trên hình 2.6.b ta sử dụng máy

phát điều khiển bằng điện thế VCO

(Voltage Control Oscillator) Ứng dụng

trạng thái “0” hoặc “1” của data, VCO

sẽ phát ra hai tần số và tương ứng

Trên hình 2.6.c là sơ đồ điều chế sử dụng các bộ chia với các hệ số chia khác nhau là : N và: M Data bit sử dụng để điều khiển chọn hệ số chia Ví dụ Data bit = 1,

bộ chia có hệ số chia N, tạo chuỗi xung ra có tần số còn khi Data bit = 0, bộ chia có

hệ số chia M, tạo chuỗi xung ra có tần số

Hình 2.6: Phương pháp điều chế 2FSK

2.2.1.4 Giải điều chế FSK:

 Sơ đồ giải điều chế:

Mạch phổ biến nhất của bộ giải điều chế các tín hiệu FSK là vòng khoá pha (PLL) Tín hiệu FSK ở lối vào của vòng khoá pha lấy hai giá trị tần số Điện thế lệch một chiều ở lối ra của bộ so pha theo dõi những sự dịch chuyển tần số này và cho ta hai mức (mức cao và mức thấp) của tín hiệu lối vào FSK

Bộ giải điều chế PLL được kèm theo

một mạch lọc thông thấp để lấy đi

những thành phần còn dư của sóng mang

và một mạch tạo lại dạng xung để khôi

phục dạng xung chính xác nhất cho tín

hiệu điều chế

Giải điều chế FSK có thể thực hiện trên

cơ sở hình 2.Tín hiệu FSK chứa hai thành

phần tần số được giải điều chế bằng sơ đồ

vòng giữ pha (PLL)

2.1.2 điều chế số theo phase tín hiệu PSK (Phase Shift Keying):

2.1.2.1 Định nghĩa:

 Điều chế PSK:

Khoá dich pha (PSK – phase shift keying) là một dạng điều chế góc, biên độ không đổi Khoá dịch pha cũng tương tự như điều chế pha thông thường chỉ có khác là

ở PSK thì tín hiệu vào là tín hiệu nhị phân và pha đầu ra là có số lượng giới hạn

Điều chế PSK là một phương pháp hiệu quả nhất để truyền tín hiệu số Có thể nói phương pháp PSK là phương pháp điều chế triệt để sóng mang do đó băng thông của tín hiệu PSK nhỏ hơn băng thông của tín hiệu FSK nếu dùng cùng một tín hiệu dải nền Nhưng ở máy thu phải có mạch dao động tạo sóng mang để thực hiện việc giải điều chế; tín hiệu dao động này phải có cùng tần số và pha của sóng mang ở máy phát

2.1.2.2 Điều chế pha 4 trạng thái - Giải điều chế pha 4 trạng thái

 Điều chế

Sơ đồ nguyên lý bộ điều chế 4-PSK sử dụng một trong 4 pha lệch nhau 90o, được

gọi là 4-PSK hay QPSK

Hình 2.7 Phương pháp giải điều chế

FSK

Tín hiệu băng gốc được đưa vào bộ

biến đổi nối tiếp thành song song, đầu ra

được hai luồng số liệu có tốc độ bit giảm

đi một nửa, đồng thời biến đổi tín hiệu

đơn cực thành tín hiệu Hai sóng mang

đưa tới hai bộ trộn làm lệch pha nhau 90o

Tổng hợp tín hiệu đầu ra 2 bộ trộn ta

được tín hiệu 4-PSK Tín hiệu ra ở 2 bộ

trộn:

Tín hiệu ra 4-PSK là :

Mạch chia bit (bit splitter) : chuyển

dòng dữ liệu vào theo hai ngã I

(In-phase) và Q (Quadrature)

Những bit vào ngã I sẽ điều chế sóng

mang có pha ban đầu và những bit vào

ngã Q sẽ điều chế sóng mang đã được

làm lệch pha 90°

-Vì các dữ liệu vào có thể là bit 1

hoặc 0, nên tín hiệu ở ngã ra mạch

nhân I có thể là sinωct hoặc - sinωct và

ở ngã ra Q có thể là cosωct hoặc

-cosωct, các tín hiệu này được tổng hợp

ở mạch tổng để cho ra 1 trong 4 tín

hiệu mô tả ở (bảng 2.1)

* Thí dụ: với các bit ở ngã vào

ab=01, tín hiệu ở ngã ra là

- sinωct + cosωct, tín hiệu này có thể

thay thế bởi tín hiệu duy nhất có pha là 135°

Kênh Giá trị nhị phân Hiệu thế Tín hiệu ra từ mạch cân bằng

I

Q

1 0 1

+ -+

sinωct - sinωct sin(ωct + π/2)

= cosωct - sin(ωct + π/2)

=-cosωct

Hình 2.9: Tín hiệu 4-PSK Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu QPSK

Hình 2.10: Sơ đồ khối mạch điều chế PSK

4-pha