tìm hiểu kỹ thuật điều chế trong thông tin vô tuyến [truyền dẫn vô tuyến]

1.2 Mục đích điều chế Mục đích chính của điều chế là gắn tín hiệu mang tin thường là băng gốc vào tín hiệusong mang có phổ thích hợp hơn, tạo thành tín hiệu thông dải để: - Làm cho tín h

LỜI NÓI ĐẦU

Vào đầu thế kỷ 20 Marconi thành công trong việc liên lạc vô tuyến qua Đại TâyDương, Kenelly và Heaviside phát hiện một yếu tố là tầng điện ly hiện diện ở tầngphía 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) đãđược nghiên cứu liên tục sau chiến tranh thế giới - đã trở thành hiện thực nhờ sự pháttriển các linh kiện điện tử dùng cho VHF và UHF, chủ yếu là để phát triển ngànhrađa.Với sự gia tăng không ngừng của lưu lượng truyền thông, tần số của thông tin vôtuyến 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 chuyểntiếp bằng tán xạ qua tầng đối lưu của khí quyển đã xuất hiện Do những đặc tính ưuviệt 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 tuyếnđạo hàng, hàng không, quân sự, quan sát khí tượng, liên lạc sóng ngắn, thông tin vệtinh - vũ trụ v.v Tuy nhiên, can nhiễu với lĩnh vực thông tin khác là điều không tránhkhỏi, bởi vì thông tin vô tuyến sử dụng chung phần không gian làm môi trường truyềndẫn

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

Đồ án được chia làm ba phần :

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU CHẾ

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ LOẠI ĐIỀU CHẾ

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TÍN HIỆU VỚI MATLAB

Do thời gian không nhiều nên trong khi tìm hiểu chúng em còn nhiều thiếu sótmong thầy cô và các bạn góp ý để bài làm hoàn chỉnh hơn

Xin chân thành cảm ơn !

1

MỤC LỤC

1.3.2 Phân loại theo sự thay đổi của các tham số sóng mang 5Tần số tức thời cho bởi : 10Hình 2.12 Điều chế pha 2PSK 14

DANH MỤC HÌNH ẢNH

1.3.2 Phân loại theo sự thay đổi của các tham số sóng mang 5Tần số tức thời cho bởi : 10Hình 2.12 Điều chế pha 2PSK 14

3

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa của các từ Chức năng

tương tự

biên độ nhị phân

tần số

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU CHẾ

1.1 Khái niệm điều chế

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

1.2 Mục đích điều chế

Mục đích chính của điều chế là gắn tín hiệu mang tin (thường là băng gốc) vào tín hiệusong 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 điqua 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 chophép

1.3 Phân loại điều chế

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 tựđược 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 đượcgọi là FM (Frequency Modulation) Điều chế tần số số được gọi là FSK (FrequencyShift 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 hiệuđiều chế tác động vào sóng mang thì cả biên độ và pha của sóng mang đều thay đổitheo quy luật của tín hiệu điều chế

5

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ LOẠI ĐIỀU CHẾ

2.1 Điều chế tín hiệu tương tự

2.1.1 Điều chế tần số (FM)

FM là viết tắt của ( Fryquency Moducation : Điều chế tần số ) là điều chế theo phươngthức làm thay đổi tần số của tín hiệu cao tần theo biên độ của tín hiệu âm tần, khoảng tần sốbiến đổi là 150KHz

Sóng FM là sóng cực ngắn đối với tín hiệu Radio, sóng FM thường phát ở dải tần từ76MHz đến 108MHz

Hình 2.1 Mạch điều chế tần số FMVới mạch điều chế tần số thì sóng mang có biên độ không đổi, nhưng tần số thayđổi theo biên độ của tín hiệu âm tần, khi biên độ tín hiệu âm tần tăng thì tần số cao tầntăng, khi biên độ âm tần giảm thì tần số cao tần giảm Như vậy sóng mang FM có tần

số tăng giảm theo tín hiệu âm tần và giới hạn tăng giảm này là +150KHz và -150KHz ,như vậy tần số sóng mang điều tần có dải thông là 300KHZ

Thí dụ nếu đài tiếng nói việt nam phát trên sóng FM 100MHz thì nó truyền đimột dải tần từ 99,85 MHz đến 100,15 MHz

Hình 2.2 Dạng sóng của mạch điều chế tần số FM

a Tín hiệu điều chế; b Sóng mang; c Tín hiệu sau khi điều chế

Ưu và nhược điểm của sóng FM.

Sóng FM có nhiều ưu điểm về mặt tần số, dải tần âm thanh sau khi tách sóng điềutần có chất lượng rất tốt, cho âm thanh trung thực và có thể truyền âm thanh Stereo ,sóng FM ít bị can nhiễu hơn só với sóng AM

Nhược điểm của sóng FM là cự ly truyền sóng ngắn, chỉ truyền được cự ly từ vàichục đến vài trăm Km , do đó sóng FM thường được sử dụng làm sóng phát thanh trêncác địa phương.

2.1.2 Điều chế biên độ (AM)

Điều chế AM là quá trình điều chế tín hiệu tần số thấp( như tín hiệu âm tần, tín hiệu video ) vào tần số cao tần theo phương thức => Biến đổi biên độ tín hiệu cao tần theo hình dạng của tín hiệu âm tần => Tín hiệu cao tần thu được gọi là sóng mang

Hình 2.3 Tín hiệu vào và ra của mạch điều chế AMTín hiệu âm tần có thể lấy từ Micro sau đó khuếch đại qua mạch khuếch đại âmtần, hoặc có thể lấy từ các thiết bị khác như đài Cassette, Đầu đĩa CD

Tín hiệu cao tần được tạo bởi mạch tạo dao động, tần số cao tần là tần số theoquy định của đài phát

Tín hiệu đầu ra là sóng mang có tần số bằng tần số cao tần, có biên độ thay đổitheo tín hiệu âm tần

2.1.2.1 Quá trình phát tín hiệu ở đài phát

Hình 2.4 Quá trình phát sóng Radio AM

7

Tín hiệu sau khi điều chế thành sóng mang được khuếch đại lên công xuất hàngngàn Wat sau đó được truyền ra Anten phát

Sóng điện từ phát ra từ Anten truyền đi trong không gian bằng vận tốc của ánhsáng, sóng AM có thể truyền đi rất xa hàng ngàn Km và chúng truyền theo đườngthẳng, và cũng có các tính chất phản xạ, khúc xạ như ánh sáng

2.1.2.2 Đường truyền từ đài phát đến máy thu cách nửa vòng trái đất.

Với các đài phát ở xa cách chúng ta nửa vòng trái đất như đài BBC phát từ AnhQuốc, sóng điện từ truyền theo đường thẳng gặp tầng điện ly chúng phản xạ xuống tráiđất rồi lại phản xạ ngược lên nhiều lần mới đến được máy thu, vì vậy tín hiệu đi tớimáy thu rất yếu và sóng không ổn định

Để có thể truyền tín hiệu đi xa, các đài phát thường phát ở băng sóng ngắn có tần sóng mang từ 4 MHz đến khoảng 23 MHz

Hình 2.5 Đường truyền sóng của các Đài phát ở xa máy thu

2.1.2.3 Ưu và nhược điểm của phát thanh trên sóng AM

Ưu điểm : của sóng AM là có thể truyền đi xa tới hàng nghìn Km

Nhược điểm : của sóng AM là dễ bị can nhiễu, dải tần âm thanh bị cắt sén do đặc

điểm của mạch tách sóng điều biên, do đó chất lượng âm thanh bị hạn chế

2.1.3 Điều chế cầu phương QAM

Điêu biên cầu phương QAM là phương pháp mã hóa dữ liệu trên một tần số sóngmang đơn Sự mã hóa dữ liệu bằng cách thay đổi cả biên và pha cua sóng mang QAMdùng một dạng sóng sine và một dạng sóng cosine với cùng bộ phận tạo tần số đểchuyển đổi thông tin Các sóng này được gửi đông thời lên kênh truyền, biên độ mỗisóng chứa tin được gửi

Hình 2.6 Mô hình điều chế QAMTrong bộ điều chế QAM, nhánh thực hiện biên độ sóng cosine còn gọi là nhánh phase,biên độ cosine gọi là phase hay I nhánh thực hiện biên độ sóng sine gọi là nhánh cầuphương, biên độ sine gọi là cầu phương hay Q

Tính trực giao giữa sóng sine và cosine cho phép truyền dữ liệu đồng thời trênkênh Xem xét một chu kỳ đơn mỗi sóng, nguyên lý trực giao có thể trình bày như môhình 2.6

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

máy phát sóng cosine

máy phát sóng sine

X

X

Giá trị x Giá trị y

Nhánh I

Nhánh Q + Dạng sóng ra

So sánh hai công thức trên xem mp là chỉ số điều chế pha, tương đương với mr trong

FM, ta có thể xác định được băng thông của tín hiệu PM Là độ di tần tương đương của PM

2.2.1 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 haigiá 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 đượcgọi là biểu diễn khóa on-off OOK và ký hiệu BASK được biểu diễn như sau :







Π

=

φπ

π

t f T

t A

t f T

t A t f

0 0

0 0

2cos

2cos)

(

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 chếcân bằng, nhân sóng mang với tín hiệu OOK đơn cực băng gốc Bộ tách sóng OOK cóthể 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 ngưỡngvới đồng hồ lấy ra từ bộ khôi phục đồng hồ STR

Cho số 1Cho số 0

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

Hình 2.7 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:

0

kE nT

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:

11Chọn số 1

Chọn số 0

1

N

E erf

P e

Hình 2.8 a Bộ thu dùng bộ lọc phối hợp; b Bộ thu tương quan

c Bộ thu tách sóng đường bao; d Bộ thu 2 kênh

2.2.2 Điều chế pha cầu phương QPSK

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

Hình 2.9 Dạng sóng ứng với tín hiệu 01 10 10 00

2.2.3 Điều chế tần số với tín hiệu số (FSK)

Khi tín hiệu điều chế là tín hiệu số thì điều chế tần số được gọi là FSK

(Frequency Shift Keying: khóa dịch tần số) Hiện nay có nhiều kiểu điều chế FSK: 2 FSK, 4 FSK, 8 FSK

Hình 2.10 Sơ đồ khối mạch điều chế 2FSK

- LO1 và LO0: hai bộ dao động độc lập: LO1 tạo ra sóng mang có tần số f1, LOo tạo

ra sóng mang có tần số fo

- Mo và M1: các cổng truyền dẫn được điều khiển bởi tín hiệu điều chế

- Σ: bộ cộng có nhiệm vụ kết hợp các sóng mang fo và f1 để tạo thành tín hiệu 2FSK

Nguyên lý hoạt động của mạch ở hình 4.14 như sau: Mạch dao động LO0 tạo ra tín hiệu sóng mang có tần số fo đưa đến ngõ vào của cổng truyền dẫn Mo Mạch dao động LO1 tạo ra sóng mang có tần số f1 đưa đến ngõ vào của cổng truyền dẫn M1 Tín hiệu điều chế được đưa đến điều khiển các cổng truyền dẫn Mo và M1 Khi tín hiệu điều chế là bit 0 thì cổng truyền dẫn M1 không được điều khiển nên không cho tín hiệusóng mang f1 đi qua, cổng truyền dẫn Mo được điều khiển nên cho tín hiệu sóng mang

fo đi qua Khi tín hiệu điều chế là bit 1 thì cổng truyền dẫn Mo không được điều khiển nên không cho sóng mang fo đi qua, cổng truyền dẫn 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 Mo

và M1 Kết quả là ở ngõ ra của mạch cộng ta thu được sóng mang đã điều chế 2 FSK gồm hai tần số fo và f1 ứng với các bit số liệu đưa vào điều chế

13

Hình 2.11 Dạng sóng điều chế 2FSKa) Tín hiệu điều chế, b) Sóng mang f0 , c) Sóng mang f1, d) Sóng mang sau điều chế

2.2.4 Điều chế pha hai trạng thái (2 PSK)

Hình 2.12 Điều chế pha 2PSK

a) Sơ đồ khối của mạch điều chế 2 PSK b) Dạng sóng của điều chế 2 PSK

c) Biểu đồ pha của điều chế pha 2 PSKĐiều chế pha hai trạng thái là điều chế mà sau khi điều chế sóng mang đã điềuchế có hai trạng thái pha so với pha của sóng mang chưa điều chế

Số liệu nhị phân cần điều chế trước hết được đưa vào mạch chuyển mã để biếnđổi từ mã NRZ đơn cực sang NRZ luỡng cực Sau đó, số liệu được đưa đến bộ nhân M

để nhân với sóng mang 2 cos(A ω ϕt+ o) tạo ra từ mạch tạo dao động sóng mang Ởngõ ra của bộ nhân ta thu được một tín hiệu mà thành phần chính là d(t)

2 cos(A ω ϕt+ o +ϕt)và một số thành phần phát sinh không mong muốn Các tín hiệu

này được đưa qua mạch lọc băng để loại bỏ các thành phần không cần thiết Kết quả,

ở ngõ ra ta thu được một tín hiệu đã điều chế 2 PSK:

U t( )=d t( ) 2 cos(A ω ϕt+ o) Trong đó: d(t) là số liệu số cần điều chế, ϕo: pha banđầu của sóng mang, A 2: biên độ của sóng mang

Vì bộ nhân M nhân tín hiệu điều chế d(t) với sóng mang 2 cosA ωt theo miềnpha nên có thể viết lại U(t) như sau:U t( )= A 2.cos(ω ϕt+ t +ϕo)

Trong đó ϕt là góc lệch pha do số liệu điều chế gây ra tại thời điểm điều chế (ϕt = 0hoặc ϕt = π) Dễ dàng nhận thấy rằng khi số liệu điều chế là bit 0 thì d(t) = -1 và sóngmang sau điều chế là:U t( )= A 2.cos(ω ϕt+ o +0)

Khi số liệu điều chế là bit 1 thì d(t) = 1 và sóng mang sau điều chế là:

U t( )= A 2.cos(ω ϕt+ o +π) Như vậy sóng mang sau điều chế pha có hai trạng thái là đồng pha với sóng mangchưa điều chế (khi điều chế bit 0) và ngược pha với sóng mang chưa điều chế (khi điềuchế bit 1) Phía thu sẽ dựa vào sự chuyển pha của sóng mang để thực hiện giải điều chế

2.2.5 Điều chế ASK

Điều chế ASK là điều chế biên độ áp dụng cho tín hiệu điều chế là tín hiệu số

Hình 2.13 Điều chế ASK

- S(t): tín hiệu điều chế (tín hiệu số)

- LO: mạch dao động tạo sóng mang (Local Ocsilator)

- A.sinωt: sóng mang được tạo ra từ mạch dao động LO

- M: Bộ nhân

- BPF: bộ lọc thông băng (BPF: Band Pass Filter)

- S(t).Asinωt: sóng mang đã được điều chế biên độ

15