Đồ án 2 đề tài nghiên cứu một số phương pháp điều chế số cơ bản

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG - ĐỒ ÁN Đề tài: “Nghiên cứu số phương pháp điều chế số bản” Người hướng dẫn: Ths Phạm Thị Thúy An Nhóm sinh viên thực hiện: Vũ Thành Chung– DT040208 Nguyễn Xuân Bắc – DT040205 Ngô Tuấn Duy – DT040216 HÀ NỘI - 2023 LỜI CẢM ƠN Chúng em trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Phạm Thị Thúy An – giảng viên khoa Điện tử - Viễn thông Cô nguồn động viên quan trọng, trang bị cho chúng em kiến thức kỹ cần thiết cho Đồ án Chúng em cảm ơn cô lịng khoan dung, sẵn sàng hướng dẫn giúp đỡ chúng em vượt qua khó khăn trình học tập Sự tận tâm giúp chúng em khơng chun mơn mà cịn phát triển thân Chúng em hứa ghi nhớ kiến thức lời dạy cô, cố gắng để phát huy điều học Lời cảm ơn chân thành đến cô Phạm Thị Thúy An, người nguồn động viên quan trọng hành trình học tập chúng em Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2023 Nhóm sinh viên thực đồ án i Mục Lục LỜI CẢM ƠN .i Mục Lục .ii DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .iii DANH MỤC CÁC BẢNG .iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH iii Chương 1: Tổng quan điều chế 1.1 Giới thiệu điều chế 1.2 Khái niệm mục đích điều chế 1.3 Phân loại điều chế 1.4 Tham số đánh giá hiệu điều chế .9 Chương Phương pháp điều chế số 12 2.1 Phương pháp điều chế ASK .12 2.1.1 Khái niệm 12 2.1.2 Mục đích: 12 2.1.3 Công thức: 13 2.1.4 Ưu nhược điểm kỹ thuật điều chế ASK: 13 2.2 Phương pháp điều chế FSK 15 2.2.1 Khái niệm 15 2.2.2 Ưu điểm nhược điểm FSK 16 2.3 PHương pháp điều chế PSK .17 2.3.1 Khái niệm : .17 2.3.2 Điều chế BPSK 17 2.3.2 Điều chế QPSK 19 2.4 Phương pháp điều chế QAM 23 Chương 3: Thực mô phần mềm Matlab 23 ii DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1 Mơ hình chung hệ thống truyền tin Hình Mơ hình chi tiết hệ thống truyền tin Hình Tín hiệu tần số thấp Signal được điều chế biên độ tương tự AM (đỏ) điều chế tần số FM (lam) 10 Hình Các phương pháp điều chế .12 Hình Phương pháp điều chế ASK 15 Hình 2 Ví dụ ASK 16 Hình Đầu FSK .18 Hình Ví dụ điều chế FSK 18 Hình 5Đồ thị thời gian trạng thái 20 Hình Sơ đồ khối thực điều chế PSK 21 Hình Quan hệ pha / thời gian đầu điều chế 22 Hình Sơ đồ khối điều chế QPSK 22 Hình 9Thành phần I,Q điều chế QPSK 23 Hình 10 Giản đồ pha điều chế QPSK 23 Hình 11 Ví dụ điều chế QPSK .24 Hình 12 Sự thay đổi sóng mang theo chuỗi bit đầu vào 25 iii Mở Đầu Lý chọn đề tài Điều chế số khía cạnh quan trọng truyền thơng số viễn thơng đại Nó liên quan trực tiếp đến việc truyền liệu tín hiệu qua kênh truyền thông khác Nghiên cứu phương pháp điều chế số giúp hiểu rõ cách tín hiệu biến đổi truyền tải, điều có ứng dụng rộng ngành truyền thông, viễn thông, kỹ thuật điện tử.Công nghệ điều chế số không ngừng phát triển với đời phương pháp kỹ thuật Nghiên cứu phương pháp điều chế số giúp cập nhật kiến thức tiến lĩnh vực hiểu rõ cách chúng hoạt động.Kiến thức điều chế số áp dụng vào nhiều lĩnh vực, bao gồm viễn thông di động, truyền thông qua mạng, truyền hình số, Internet of Things (IoT), nhiều ứng dụng khác Nghiên cứu lĩnh vực giúp cải thiện hiệu suất chất lượng hệ thống này.Nhiều người có mối quan tâm đặc biệt truyền thông điện tử, việc nghiên cứu điều chế số thỏa mãn quan tâm cung cấp hội để phát triển kỹ kiến thức lĩnh vực u thích.Nghiên cứu phương pháp điều chế số cung cấp hội để đóng góp vào lĩnh vực khoa học cơng nghệ Bằng cách hiểu rõ cách hệ thống truyền thơng hoạt động, bạn đóng góp vào việc phát triển hệ thống truyền thông cải thiện hiệu suất hệ thống có Mục đích nghiên cứu - Hiểu rõ khái niệm liên quan đến điều chế số, bao gồm phương pháp, thuật ngữ, yếu tố quan trọng - Khám phá phân tích phương pháp điều chế số PSK, QAM, FSK, ASK để hiểu cách chúng hoạt động cách chúng tương tác với tín hiệu liệu - Đi sâu vào ưu điểm hạn chế phương pháp điều chế, đặc biệt ngữ cảnh ứng dụng cụ thể - Học cách sử dụng Matlab để tạo mô hình số hóa mơ hệ thống điều chế số - Tìm hiểu cách thực phân tích đánh giá chất lượng hệ thống Matlab Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Các phương pháp điều chế số bản: Nghiên cứu tập trung vào việc hiểu rõ phân tích phương pháp điều chế số PSK, QAM, FSK, ASK Đối tượng nghiên cứu bao gồm cách hoạt động phương pháp, ưu điểm hạn chế chúng Phần mềm Matlab: Đối tượng nghiên cứu tập trung vào việc tìm hiểu sử dụng phần mềm Matlab để mô hệ thống điều chế số Nghiên cứu áp dụng cho người muốn tìm hiểu cách sử dụng Matlab mô phân tích hệ thống truyền thơng số Hệ thống truyền thông số: Mục tiêu cuối nghiên cứu mô đánh giá chất lượng hệ thống truyền thông số sử dụng phương pháp điều chế số khác Hệ thống truyền thông số phần quan trọng việc đánh giá hiệu suất phương pháp điều chế 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi điều chế số bản: Nghiên cứu tập trung vào nắm vững khái niệm, nguyên tắc ưu điểm/hạn chế phương pháp điều chế số PSK, QAM, FSK, ASK Điều bao gồm việc hiểu cách tín hiệu biến đổi truyền tải thơng qua phương pháp điều chế Phạm vi phần mềm Matlab: Nghiên cứu Matlab tập trung vào khả sử dụng phần mềm để mô đánh giá hệ thống điều chế số Phần mềm Matlab sử dụng để tạo mơ hình số hóa thực phân tích Phạm vi mô hệ thống truyền thông số: Đối tượng nghiên cứu bao gồm việc mô hệ thống truyền thông số sử dụng phương pháp điều chế số khác phần mềm Matlab Phạm vi bao gồm việc chuẩn bị liệu đầu vào, mô hệ thống đánh giá chất lượng Phạm vi ứng dụng lĩnh vực: Nghiên cứu mở rộng để xem xét ứng dụng lĩnh vực cụ thể mà phương pháp điều chế số áp dụng, ví dụ truyền thơng di động, truyền hình số, IoT, nhiều lĩnh vực khác Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu điều chế số bản: a Lý thuyết điều chế số: Hiểu nguyên tắc điều chế số, bao gồm cách tín hiệu biến đổi thông qua pha, tần số biên độ b Phương pháp điều chế số bản: Xem xét phương pháp điều chế số PSK, QAM, FSK, ASK Điều bao gồm đánh giá cách hoạt động phương pháp so sánh chúng Tìm hiểu phần mềm mơ Matlab: a Giới thiệu Matlab: Học cách sử dụng phần mềm Matlab cho mơ phân tích tín hiệu số Điều bao gồm cách cài đặt cấu hình Matlab b Xử lý tín hiệu với Matlab: Tìm hiểu cách thực phép biến đổi xử lý tín hiệu số sử dụng Matlab Mô hệ thống điều chế số với Matlab: a Chuẩn bị liệu đầu vào : Xác định tạo liệu đầu vào để mô hệ thống điều chế số b Mô hệ thống với phương pháp điều chế khác : Sử dụng Matlab để mô hệ thống sử dụng phương pháp điều chế số bản, bao gồm PSK, QAM, FSK, ASK c Đánh giá chất lượng hệ thống : Sử dụng số phương pháp đánh giá để xác định chất lượng hệ thống mô Chương 1: Tổng quan điều chế 1.1 Giới thiệu điều chế Trước tìm hiểu điều chế, cần phải bắt đầu việc nghiên cứu mô hình chung hệ thồng truyền tin n(t) Nguồn tin Thiết bị phát Kênh truyền Thiết bị thu Nhận tin Hình 1 Mơ hình chung hệ thống truyền tin Mơ hình chứa đựng phần tử hệ thống truyền tin Tuy nhiên, mơ hình chưa phản ánh hoạt động cần thực vào thống tin trình truyền từ nguồn đến người sử dụng Vì , có mơ hình chi tiết mơ hình hệ thống truyền tin Nguồn tin Mã hóa nguồn Mật mã Mã hóa kênh n(t) Kênh truyền MODE CODE Người nhận Giải mã nguồn Giải mật mã Điều chế Giải mã kênh Giải điều chế Hình Mơ hình chi tiết hệ thống truyền tin Các chức đặc trưng khối hình 1.2: -Nguồn tin: nơi sản sinh hay chứa đựng thông tin cần truyền -Thiết bị phát: +Mã hóa nguồn: có chức biến đổi thơng tin từ dạng ban đầu thành dạng phù hợp cho trình truyền tải, bao gồm mã hóa, nén, chuyển đổi tín hiệu để đảm bảo tính tồn vẹn hiệu suất q trình truyền tải thơng tin +Mật mã: đảm bảo bảo mật thông tin việc mã hóa giải mã liệu trước sau trình truyền tải +Mã hóa kênh: biến đổi thơng tin trước truyền tải qua kênh truyền, thường cách thêm định dạng, mã lỗi mã hóa tín hiệu để bảo vệ thông tin khỏi nhiễu lỗi truyền tải +Điều chế: có chức làm cho tin tức nguồn, chuỗi ký hiệu nhị phân phối hợp với đặc tính kênh truyền, truyền đồng thời tín hiệu từ nhiều nguồn tin tức tín hiệu sau điều chế truyền khoảng cách xa -Kênh truyền: đại diện cho môi trường phương tiện mà thơng tin truyền qua, kết nối dây, sóng radio, mạng cáp, phương tiện truyền thơng khác Kênh truyền gây nhiễu biến dạng thơng tin q trình truyền tải -Thiết bị thu: +Giải điều chế: chuyển đổi tín hiệu điều chế từ dạng tín hiệu truyền tới dạng thông tin ban đầu để sử dụng hiển thị Điều bao gồm việc trích xuất thơng tin, giải mã (nếu cần), tái tạo thông tin gốc +Giải mã kênh: giải mã thông tin truyền qua kênh truyền, khắc phục nhiễu biến dạng, khôi phục thông tin gốc - Khả đa dạng hóa (Spectral Efficiency): Khả đa dạng hóa đo lường khả truyền tải nhiều liệu dải tần số hẹp Nó liên quan đến việc sử dụng băng thông cách hiệu - Độ lệch pha biên độ (Phase and Amplitude Deviation): Đo lường độ lệch pha biên độ so với giá trị mong đợi, ảnh hưởng đến độ tin cậy tín hiệu Các tham số đánh giá hiệu hệ thống điều chế việc truyền tải nhận liệu cách hiệu đáng tin cậy 11 Chương Phương pháp điều chế số 2.1 Phương pháp điều chế ASK 2.1.1 Khái niệm Kỹ thuật điều chế tín hiệu ASK (Amplitude Shift Keying) gọi điều chế số theo biên độ tín hiệu kỹ thuật điều chế tín hiệu kỹ thuật số phổ biến sử dụng truyền thông liệu kỹ thuật số cho số lượng lớn 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 = điều khiển khóa K đóng , sóng ASK nhận lối sóng mang truyền qua , có biên độ biên độ sóng mang Khi Data bit= điều khiển khóa K ngắt, sóng mang khơng truyền qua khóa Tín hiệu Ask có biên độ =0 Kỹ thuật cịn gọi On-Off keying sóng mang dao động theo mức thấp cao tín hiệu đầu vào - Hai giá trị nhị phân biểu thị hai biên độ khác tín hiệu sóng mang Hình Phương pháp điều chế ASK 2.1.2 Mục đích: - Kỹ thuật điều chế Amplitude Shift Keying (ASK) kỹ thuật điều chế tín hiệu kỹ thuật số tần số tín hiệu mang khơng đổi, biên độ sóng mang thay đổi theo giá trị tín hiệu điều khiển 12 -Kỹ thuật thường sử dụng việc truyền thơng khơng dây, tín hiệu mang truyền qua sóng vơ tuyến từ phát đến thu Ứng dụng cáp 2.1.3 Công thức: Công thức kỹ thuật điều chế ASK biểu diễn phương trình sau: { s(t)= Acos ( π f c t ) bit 0bit Trong đó: +s(t) tín hiệu điều chế +A biên độ sóng mang cho nhị phân nhị phân tương ứng + fc tần số sóng mang +t thời gian Hình 2 Ví dụ ASK 2.1.4 Ưu nhược điểm kỹ thuật điều chế ASK: -Ưu điểm: 13 + Đơn giản chi phí thấp:ASK kỹ thuật đơn giản dễ triển khai, khơng địi hỏi nhiều tài ngun có chi phí thấp + Dễ dàng triển khai hệ thống thấp tần số: ASK thường sử dụng ứng dụng có tần số thấp, hệ thống vệ tinh truyền hình số +Tiết kiệm băng thông: So với số phương pháp khác Frequency Shift Keying (FSK), ASK thường tiết kiệm băng thơng sử dụng dải tần số hẹp để truyền tải thông tin + Dễ dàng chuyển đổi ASK AM:ASK dễ dàng chuyển đổi AM (Amplitude Modulation) chế độ ASK, điều có ứng dụng hệ thống truyền thơng linh hoạt + Hiệu lượng: ASK thiết kế để tiết kiệm lượng truyền tải, đặc biệt ứng dụng di động IoT -Nhược điểm: + Độ chậm trễ (Slow Data Rate):ASK thường có tốc độ truyền liệu thấp so với số kỹ thuật điều chế số khác FSK (Frequency Shift Keying) PSK (Phase Shift Keying) Điều làm giảm hiệu suất truyền dẫn liệu + Dễ bị ảnh hưởng nhiễu (Susceptible to Noise): ASK dễ bị ảnh hưởng nhiễu so với số phương pháp điều chế khác Sự thay đổi biên độ tín hiệu làm cho nhạy cảm nhiễu biến dạng tín hiệu + Khả hiệu chỉnh thấp (Low Bandwidth Efficiency): ASK có khả sử dụng băng thông không hiệu quả, đặc biệt so sánh với số kỹ thuật điều chế khác QAM (Quadrature Amplitude Modulation) hay PSK + Khả truyền tải liệu hạn chế (Limited Data Rate): Do cách ASK biểu diễn liệu cách thay đổi biên độ, điều hạn chế khả truyền tải liệu so với phương pháp sử dụng biên độ mực 14 + Kích thước anten cần lớn (Large Antenna Size): Trong số trường hợp, kích thước anten cần lớn để đảm bảo hiệu suất tốt, đặc biệt tần số tín hiệu cao 2.2 Phương pháp điều chế FSK 2.2.1 Khái niệm FSK (Frequency Shift Keying) kỹ thuật điều chế số tần số tín hiệu sóng mang thay đổi theo thay đổi tín hiệu số Đầu FSk truyền chuỗi bit nhị phân thể sau: + Bit nhị phân dùng để thay cho tần số sóng mang: f+∆ f + Bit nhị phân dùng để thay cho tần số sóng mang: f-∆ f Hình Đầu FSK Như với sóng mang: xc(t)= Xc cos(2 π f c t ¿ Thì ta cơng thức: { s(t)= X c cos ( π (f c +∆ f )t ) ,d ( t)=binary X c cos ( π (f c −∆ f ) t ) , d(t)=binary 15