Tổng quan về điều chế
Giới thiệu về điều chế
Trước khi tìm hiểu về điều chế, chúng ta cần phải bắt đầu bằng việc nghiên cứu mô hình chung nhất của mọi hệ thồng truyền tin. n(t)
Hình 1 1 Mô hình chung của hệ thống truyền tin
Mô hình này bao gồm các yếu tố cơ bản của mọi hệ thống truyền tin, nhưng chưa đầy đủ để phản ánh tất cả các hoạt động cần thiết trong quá trình truyền thông tin từ nguồn đến người sử dụng Do đó, chúng ta cần một mô hình chi tiết hơn, được gọi là mô hình hệ thống truyền tin n(t).
Nguồn tin phát Nhận tin
Mã hóa Mật mã kênh
Hình 1 2 Mô hình chi tiết của hệ thống truyền tin
Các chức năng và đặc trưng chính của khối trên hình 1.2:
-Nguồn tin: là nơi sản sinh ra hay chứa đựng thông tin cần truyền đi.
Mã hóa nguồn là quá trình chuyển đổi thông tin từ dạng ban đầu thành dạng tối ưu cho việc truyền tải, bao gồm các bước mã hóa, nén và chuyển đổi tín hiệu nhằm đảm bảo tính toàn vẹn và hiệu suất Trong khi đó, mật mã đóng vai trò quan trọng trong việc bảo mật thông tin bằng cách mã hóa và giải mã dữ liệu trước và sau khi truyền tải.
Mã hóa kênh là quá trình biến đổi thông tin trước khi truyền tải qua kênh truyền, nhằm bảo vệ dữ liệu khỏi nhiễu và lỗi trong quá trình truyền Điều này thường được thực hiện bằng cách thêm định dạng, mã lỗi hoặc mã hóa tín hiệu để đảm bảo tính toàn vẹn của thông tin.
Điều chế là quá trình quan trọng giúp biến đổi tin tức nguồn hoặc chuỗi ký hiệu nhị phân, kết hợp với đặc tính của kênh truyền, cho phép truyền đồng thời tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau Nhờ vào điều chế, tín hiệu sau khi được xử lý có khả năng truyền đi một khoảng cách xa mà vẫn đảm bảo chất lượng thông tin.
Kênh truyền là môi trường hoặc phương tiện mà thông tin được truyền tải, bao gồm các kết nối dây, sóng radio, mạng cáp và nhiều phương tiện truyền thông khác Trong quá trình truyền tải, kênh truyền có thể gây ra nhiễu và biến dạng thông tin.
Giải điều chế là quá trình chuyển đổi tín hiệu điều chế về dạng thông tin ban đầu để có thể sử dụng hoặc hiển thị Quá trình này bao gồm việc trích xuất thông tin, giải mã nếu cần thiết, và tái tạo lại thông tin gốc.
+Giải mã kênh: giải mã thông tin đã truyền qua kênh truyền, khắc phục nhiễu và biến dạng, và khôi phục thông tin gốc
Giải mã là quá trình chuyển đổi và tái tạo thông tin đã được mã hóa từ tín hiệu truyền tải, nhằm khôi phục lại thông tin gốc và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu.
Giải mã nguồn là quá trình chuyển đổi thông tin đã được mã hóa trở lại dạng thông tin ban đầu, giúp người dùng hiểu và sử dụng thông tin một cách chính xác.
Nhận tin là điểm cuối cùng nơi thông tin được giải mã và xử lý Tại đây, thông tin được truyền đến để sử dụng hoặc hiển thị một cách hiệu quả.
-Quá trình điều chế diễn ra trong thiết bị phát, sau quá trình mã hóa nguồn, mật mã và mã hóa kênh
Khái niệm và mục đích điều chế
Điều chế tín hiệu là quá trình thay đổi một hoặc nhiều thông số của tín hiệu tuần hoàn, được gọi là sóng mang, nhằm truyền tải thông tin đi xa Tín hiệu mang thông tin, hay tín hiệu được điều chế, sẽ được tái tạo lại ở đầu thu thông qua bộ giải điều chế, dựa vào sự biến đổi của các thông số sóng mang Các thông số này có thể bao gồm biên độ, pha và tần số.
Tín hiệu tiếng nói có tần số thấp không thể truyền xa, vì vậy người ta sử dụng sóng hình sin tần số cao làm sóng mang để truyền tín hiệu Biến đổi biên độ của sóng sin theo tín hiệu tiếng nói cho phép truyền tải thông tin hiệu quả Tại đầu thu, sự thay đổi biên độ của tín hiệu thu được được sử dụng để tái tạo tín hiệu tiếng nói ban đầu.
Hình 1 3 Tín hiệu tần số thấp Signal được điều chế biên độ tương tự AM (đỏ) và điều chế tần số FM (lam)
Mục đích của điều chế là đảm bảo thông tin được truyền tải qua khoảng cách xa mà không bị biến dạng, đồng thời có thể được nhận và tái tạo một cách hiệu quả tại điểm đích Các mục tiêu chính của quá trình điều chế bao gồm việc tối ưu hóa chất lượng tín hiệu và tăng cường khả năng truyền thông tin.
Điều chế cho phép truyền tải thông tin từ xa mà không cần dây cáp, giúp việc truyền thông trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn.
Trong quá trình truyền tải, tín hiệu có thể bị nhiễu và biến dạng do nhiều yếu tố như đội sóng, nhiễu và suy hao tín hiệu Việc điều chế tín hiệu đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tín hiệu khỏi những thách thức này, từ đó đảm bảo tính toàn vẹn của thông tin.
Điều chế cho phép truyền tải đa dạng thông tin như âm thanh, hình ảnh, văn bản và dữ liệu số qua một kênh truyền duy nhất.
Điều chế là một phương pháp hiệu quả để kiểm soát băng thông tín hiệu, giúp tối ưu hóa tốc độ truyền tải dữ liệu hoặc tiết kiệm băng thông theo nhu cầu sử dụng.
Tích hợp âm thanh và hình ảnh trong truyền hình và phát thanh thông qua việc điều chế âm thanh và video đã giúp số hóa các phương tiện này, nâng cao chất lượng truyền tải và cho phép tích hợp đa dạng thông tin.
Điều chế số đóng vai trò quan trọng trong viễn thông di động và Internet, là nền tảng cho các hệ thống di động và mạng Internet, cũng như các dịch vụ truyền thông hiện đại khác Nó cung cấp khả năng kết nối và truyền tải thông tin một cách hiệu quả, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ truyền thông.
Phân loại điều chế
Hình 1 4 Các phương pháp điều chế Điều chế tương tự:
+Điều chế đơn băng (SSB hoặc SSB-AM)
+Điều chế đơn băng triệt sóng mang (SSB-SC)
+Biến điệu băng cạnh sót (VSB hoặc VSB-AM)
+Điều tần-Frequency modulation (FM)
+Điều pha-Phase modulation (PM)
Điều chế số là quá trình biến đổi sóng mang tương tự theo chuỗi bit có chiều dài cố định hoặc thay đổi, được xem như một dạng biến đổi tương tự-số Hình dạng sóng mang được lấy từ một tập hợp hữu hạn các ký hiệu.
Sau đây là những phương pháp cơ bản:
+Trong PSK, người ta dùng một số hữu hạn pha.
+Trong FSK, người ta dùng một số hữu hạn tần số.
+Trong ASK, người ta dùng một số hữu hạn biên độ.
+Trong QAM, tín hiệu đồng pha (tín hiệu I, ví dụ tín hiệu cos) và tín hiệu trực pha (tín hiệu Q, ví dụ tín hiệu sin) được điều biên
+Delta Modulation (DM): Là một phương pháp điều chế sự thay đổi của tín hiệu, thay vì giá trị tín hiệu chính thức.
+Pulse Code Modulation (PCM): Chuyển đổi tín hiệu analog thành dạng số bằng cách lấy mẫu và lượng tử hóa.
Tham số đánh giá hiệu năng điều chế
Để đánh giá hiệu năng của hệ thống điều chế, có nhiều tham số quan trọng cần xem xét Trong số đó, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise Ratio - SNR) là một chỉ số quan trọng, đo lường sự cân bằng giữa tín hiệu và nhiễu trong quá trình truyền tải Một SNR cao cho thấy hiệu suất truyền tải tốt hơn và giảm thiểu biến dạng, từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu.
Công thức tính SNR cơ bản:
SNR (Signal-to-Noise Ratio) = P (signal) / P (noise)
Hoặc chúng ta có thể dùng công thức dưới đây:
SNRdB = 10 Anoise 2 SNRdB log 10 [ ( A A signal noise ) 2 ] = 20 log 10 ( A A signal noise ) = 2(A signal,dB -
-Các yếu tố ảnh hưởng đến SNR:
+Điều kiện môi trường: Gió, rung động, lực hấp dẫn của mặt trăng, sóng điện từ của môi trường, nhiệt độ, độ ẩm,v.v
+Dây giắc kết nối các thiết bị.
Công suất tín hiệu đầu ra là một yếu tố quan trọng trong việc điều chế tín hiệu, ảnh hưởng trực tiếp đến khoảng cách truyền tải và độ phủ sóng của tín hiệu.
Băng thông là chỉ số đánh giá khả năng truyền tải dữ liệu, với băng thông rộng cho phép truyền tải nhiều dữ liệu hơn trong thời gian ngắn Tuy nhiên, việc kiểm soát băng thông là cần thiết để tránh xung đột và quá tải trong quá trình truyền tải thông tin.
Độ biến dạng là chỉ số đo lường mức độ thay đổi của tín hiệu so với tín hiệu gốc Để đảm bảo việc truyền tải thông tin chính xác, độ biến dạng cần được giữ ở mức thấp nhất có thể.
Tốc độ truyền (Data Rate) là thước đo lượng dữ liệu được truyền tải trong một khoảng thời gian nhất định, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng truyền thông dữ liệu nhanh như mạng di động và Internet.
Hiệu suất biên độ (Amplitude Efficiency) là chỉ số đánh giá mức độ sử dụng hiệu quả biên độ tín hiệu Một hiệu suất biên độ cao không chỉ nâng cao khả năng truyền tải mà còn giảm thiểu độ biến dạng của tín hiệu.
Hiệu suất pha (Phase Efficiency) là thước đo hiệu quả sử dụng pha của tín hiệu Một hiệu suất pha cao không chỉ đảm bảo sự đồng bộ hóa của tín hiệu mà còn giảm thiểu hiện tượng suy hao pha.
Khả năng đa dạng hóa, hay còn gọi là hiệu suất quang phổ, là thước đo cho khả năng truyền tải một lượng lớn dữ liệu trong một dải tần số hẹp Khía cạnh này liên quan chặt chẽ đến việc sử dụng băng thông một cách hiệu quả, giúp tối ưu hóa quá trình truyền thông và cải thiện hiệu suất mạng.
Độ lệch pha và biên độ là các chỉ số quan trọng để đo lường sự sai lệch của pha và biên độ so với giá trị mong đợi Những chỉ số này có ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của tín hiệu, giúp đánh giá chất lượng và hiệu suất của hệ thống truyền thông Việc kiểm soát độ lệch này là cần thiết để đảm bảo tính chính xác và ổn định trong các ứng dụng kỹ thuật.
Các tham số này đánh giá hiệu suất của hệ thống điều chế trong việc truyền và nhận dữ liệu một cách hiệu quả và đáng tin cậy.
Phương pháp điều chế số cơ bản
Phương pháp điều chế ASK
Kỹ thuật điều chế tín hiệu ASK (Amplitude Shift Keying) là một phương pháp điều chế số phổ biến, sử dụng biên độ tín hiệu để truyền thông dữ liệu kỹ thuật số Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng RF tần số thấp.
Phương pháp điều chế ASK cho phép tạo tín hiệu ASK dạng sin với hai biên độ. Biên độ tín hiệu ASK tùy thuộc giá trị bit tài liệu:
Khi Data bit = 1 sẽ điều khiển khóa K đóng , sóng ASK nhận được ở lối ra chính là sóng mang truyền qua , có biên độ bằng biên độ sóng mang
Khi Data bit= 0 sẽ điều khiển khóa K ngắt, sóng mang không truyền qua khóa Tín hiệu Ask có biên độ =0
Kỹ thuật này còn được gọi là On-Off keying vì sóng mang dao động giữa 0 và
1 theo mức thấp và cao của tín hiệu đầu vào - Hai giá trị nhị phân được biểu thị bằng hai biên độ khác nhau của tín hiệu sóng mang.
Hình 2 1 Phương pháp điều chế ASK
Kỹ thuật điều chế Amplitude Shift Keying (ASK) là phương pháp điều chế tín hiệu kỹ thuật số, trong đó tần số của tín hiệu mang giữ nguyên, trong khi biên độ của sóng mang biến đổi tương ứng với giá trị của tín hiệu điều khiển.
Kỹ thuật truyền thông không dây sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín hiệu từ bộ phát đến bộ thu Ứng dụng của kỹ thuật này cũng được mở rộng trong lĩnh vực cáp.
Công thức của kỹ thuật điều chế ASK có thể được biểu diễn bằng phương trình sau: s(t)={ Acos ( 0bit 2 π f 0 c t ) bit 1
+s(t) là tín hiệu điều chế
+A là biên độ sóng mang cho nhị phân là 0 và nhị phân là 1 tương ứng
+ fc là tần số sóng mang
Hình 2 2 Ví dụ về ASK
2.1.4 Ưu nhược điểm của kỹ thuật điều chế ASK:
+ Đơn giản và chi phí thấp:ASK là một kỹ thuật đơn giản và dễ triển khai, không đòi hỏi nhiều tài nguyên và có chi phí thấp.
ASK là phương pháp truyền thông hiệu quả cho các ứng dụng tần số thấp, thường được áp dụng trong hệ thống vệ tinh và truyền hình số, giúp dễ dàng triển khai và tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu.
ASK tiết kiệm băng thông hơn so với các phương pháp như Frequency Shift Keying (FSK) nhờ vào việc sử dụng dải tần số hẹp hơn để truyền tải thông tin.
ASK cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ AM (Điều Biến Biên Độ) và chế độ ASK, mang lại ứng dụng quan trọng trong các hệ thống truyền thông hiện đại.
+ Hiệu quả năng lượng: ASK có thể được thiết kế để tiết kiệm năng lượng trong truyền tải, đặc biệt trong các ứng dụng di động và IoT.
Độ chậm trễ trong truyền dữ liệu của ASK thường thấp hơn so với các kỹ thuật điều chế số khác như FSK hoặc PSK, dẫn đến hiệu suất truyền dẫn dữ liệu giảm Hơn nữa, ASK cũng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu, do sự thay đổi biên độ tín hiệu khiến nó nhạy cảm với nhiễu và biến dạng tín hiệu.
Kỹ thuật điều chế ASK (Amplitude Shift Keying) có nhược điểm về khả năng hiệu chỉnh băng thông, sử dụng băng thông không hiệu quả hơn so với các phương pháp khác như QAM và PSK Hơn nữa, do cách thức biểu diễn dữ liệu thông qua việc thay đổi biên độ, ASK cũng gặp hạn chế trong khả năng truyền tải dữ liệu, khiến tốc độ truyền tải không cao như các phương pháp điều chế khác.
Kích thước của anten cần phải lớn hơn trong một số trường hợp để đảm bảo hiệu suất tối ưu, đặc biệt khi tín hiệu có tần số cao.
Phương pháp điều chế FSK
FSK (Frequency Shift Keying) là một kỹ thuật điều chế số, trong đó tần số của tín hiệu sóng mang thay đổi theo tín hiệu số Khi truyền một chuỗi bit nhị phân, đầu ra của FSK được thể hiện bằng cách sử dụng tần số sóng mang f+ ∆ f để đại diện cho bit nhị phân 1.
+ Bit nhị phân 0 được dùng để thay thế cho tần số sóng mang: f- ∆ f
Hình 2 3 Đầu ra của FSK
Như vậy với sóng mang: xc(t)= Xc cos( 2 π f c t ¿
Thì ta công thức: s(t)={ X X c c cos cos ( ( 2 2 π π (f ( f c c −∆ f +∆ f ) ) t t ) ) ,d , d( ( t t )=binary )=binary 1 0
Hình 2 4 Ví dụ về điều chế FSK
2.2.2 Ưu điểm và nhược điểm của FSK
+Dễ triển khai và đơn giản: FSK là một kỹ thuật điều chế số đơn giản, dễ triển khai, và thường không đòi hỏi quá nhiều tài nguyên.
FSK (Frequency Shift Keying) có khả năng chống nhiễu vượt trội so với nhiều kỹ thuật khác nhờ vào việc sử dụng hai tần số riêng biệt, điều này giúp giảm thiểu tác động của nhiễu lẫn nhau.
FSK (Frequency Shift Keying) là một phương pháp dễ dàng tích hợp vào các hệ thống truyền thông, phù hợp cho nhiều ứng dụng như viễn thông, mạng di động và truyền thông không dây.
FSK (Frequency Shift Keying) hoạt động hiệu quả trong các môi trường tương tác, đặc biệt là trong mạng di động và ứng dụng không dây, nơi có nhiều tín hiệu tương tác.
+ Tốc độ truyền thấp: So với một số kỹ thuật điều chế số khác như Quadrature Amplitude Modulation (QAM), FSK thường có tốc độ truyền thấp hơn.
FSK sử dụng băng thông không hiệu quả, đặc biệt khi so sánh với các kỹ thuật khác như Phase Shift Keying (PSK) và Quadrature Amplitude Modulation (QAM).
FSK (Frequency Shift Keying) là phương pháp truyền dữ liệu thường được áp dụng cho các ứng dụng cần tốc độ truyền dữ liệu thấp Tuy nhiên, nó không phải là sự lựa chọn tối ưu cho những ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao.
Sử dụng hai tần số riêng biệt để biểu diễn hai trạng thái trong FSK có thể dẫn đến việc sử dụng tần số không hiệu quả, đặc biệt trong các hệ thống truyền thông yêu cầu băng thông hẹp.
PHương pháp điều chế PSK
+Pha của sóng mang hình sin tần số cao sẽ biến thiên theo mức logic 0 và 1 của chuỗi số
+ M = 2 N là số pha trạng thái khác nhau của sóng mang với N số bit nhị phân.Ta cóm các kiểu điều chế M-ary:BPSK, QPSK.
Giả sử sóng mang được biểu diễn : x0(t)= A.cos( ω 0 t + φ ¿
Biểu thức tín hiệu gốc :s(t) là tín hiệu nhị phân (0,1) hay chuỗi NRZ
Các tín hiệu nhị phân tác dụng lên song mang làm thay đổi pha của song mang.
Bit 1: pha của sóng mang là 0 °
Bit 0: pha của sóng mang là 180 °
Các giá trị này có thể ngược lại nhưng nguyên tắc chung là khi có sự đảo bit thì pha của sóng mang lệch đi 180 °
Hình 2 5Đồ thị thời gian và trạng thái
Hình 2 6 Sơ đồ khối thực hiện điều chế PSK
Phương pháp điều chế BPSK hay điều chế ngược PRK được giới thiệu ở hình Sơ đồ tạo tín hiệu BPSK dạng sin vs 2 giá trị pha tùy thuộc Data:
+Khi Data bit =1, tín hiệu BPSK cùng pha
+Khi Data=0 ,tín hiệu BPSK ngược pha (180) vs sóng mang
Hình 2 7 Quan hệ pha / thời gian ở đầu ra bộ điều chế
BPSK theo tín hiệu vào
QPSK, hay điều chế pha cầu phương, là một kỹ thuật điều chế pha vuông góc Trong phương pháp này, dữ liệu được truyền theo từng bộ 2 bit, được gọi là ký hiệu Mỗi vị trí pha tương ứng với một ký hiệu trong quá trình truyền dữ liệu.
Hình 2 8 Sơ đồ khối của bộ điều chế QPSK
Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song chia dữ liệu thành hai luồng tín hiệu với tốc độ bằng một nửa tốc độ dữ liệu gốc Mỗi luồng tín hiệu được biểu diễn bằng 2 bit cho mỗi ký hiệu Nhờ vào sóng mang được điều chế lệch pha 90 độ, hai thành phần I và Q trở nên vuông góc với nhau, và khi kết hợp qua bộ cộng, chúng tạo ra giản đồ 4 trạng thái pha.
Hình 2 9Thành phần I,Q của điều chế QPSK
Từ hình trên ta có :
Hình 2 10 Giản đồ pha của điều chế QPSK
Hình 2 11 Ví dụ về điều chế QPSK
Trong ví dụ trên, tín hiệu được chia thành hai thành phần lẻ và chẵn, tương ứng với thành phần I và Q Nhìn vào hình 2.9, ta có thể xác định pha của từng thành phần, sau đó kết hợp với bảng 2.10 để thu được tín hiệu QPSK.
Ta có ví dụ về sự thay đổi của sóng mang theo chuỗi bit vào :
Hình 2 12 Sự thay đổi sóng mang theo chuỗi bit đầu vào