phương pháp điều chế gmsk và ứng dụng của nó trong thông tin di động

Mục Lục 1.2.3. Xác suất lỗi tín hiệu ASK: 8 1 Lời nói đầu Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ như điện tử, tin học, công nghệ viễn thông trong những năm vừa qua phát triển rất mạnh mẽ cung cấp ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn chất lượng cao đáp ứng ngày càng tốt các yêu cầu của khách hàng. Thế kỷ 21 sẽ chứng kiến sự bùng nổ của thông tin vô tuyến trong đó tin tức di động đóng vai trò rất quan trọng. Nhu cầu về thông tin ngày càng tăng cả về số lượng, chất lượng và các loại hình dịch vụ, điều này sẽ thúc đẩy thế giới phải tìm kiếm những phương thức thông tin mới, những công nghệ mới. Hiện nay,có 1 loại phương pháp điều chế số có tính ưu việt cao, vượt trội hơn các phương thức điều chế cũ đó là GMSK. GMSK đã được đề xuất đầu tiên bởi Murota và Hirade cho điện thoại vô tuyến di động số. Ngày nay GMSK được sử dụng hệ thống GSM (hệ thống di động toàn cầu). Xuất phát từ những suy nghĩ như vậy nên em đã chọn đề tài: “Phương pháp điều chế GMSK và ứng dụng của nó trong thông tin di động.” Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, mặc dù em đã cố gắng nhiều nhưng do trình độ còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Phương Lâm cùng các thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, tháng 2 năm 2011 Sinh viên Nguyễn Văn Quang 2 Chương I Các phương pháp điều chế số cơ bản. 1.1. Giới thiệu các phương pháp điều chế số. Điều chế là quá trình mà trong đó đặc tính nào đó của sóng mang được thay đổi theo tín hiệu điều chế. Thường sóng mang là hàm sin biểu thị theo công thức: ( ) cos( ) c s t A t ω θ = + (1.1) Các thông số của sóng mang có thể thay đổi là biên độ, tần số và pha. Trong đó: 2 c c f ω π = : là tần số góc của sóng mang. c f : là tần số sóng mang. θ : là pha sóng mang. Nếu sử dụng tín hiệu thông tin để thay đổi biên độ A, tần số sóng mang f c và pha θ ta được các kiểu điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha tương ứng. Nếu tín hiệu thông tin là tín hiệu liên tục thì ta được các kiểu điều chế tương tự, nếu tín hiệu thông tin là tín hiệu số ta có các kiểu điều chế số tương ứng. Ở dạng điều chế số, tín hiệu thông tin thường ở dạng 2 mức hoặc nhiều mức. Trong trường hợp điều chế số tín hiệu thông tin làm thay đổi biên độ, tần số, hay pha của sóng mang các tên gọi tương ứng là điều chế khoá chuyển biên (ASK), điều chế khoá chuyển tần (FSK), và điều chế khoá chuyển pha (PSK). Dạng sóng các kiểu điều chế mô tả như hình vẽ: Hình 1.1 – Các dạng sóng điều chế. a)ASK. b)PSK .c)FSK. 3 Như ở hình 1.1 ta thấy các dạng sóng PSK và FSK có đường bao biên độ không đổi, đặc điểm này cho phép chúng không bị ảnh hưởng của tính phi tuyến thường gặp ở đường truyền vi ba số và vệ tinh. Vì vậy FSK và PSK thường được sử dụng hơn ASK. Tuy nhiên để có thể tăng dung lượng đường truyền dẫn số khi băng thông của kênh truyền có hạn người ta sử dụng điều chế PSK và ASK kết hợp, phương pháp điều chế này được gọi là điều chế biên độ vuông góc QAM. Trong trường hợp điều chế M trạng thái tổng quát, bộ điều chế tạo ra một tập hợp M=2 m tuỳ theo tổ hợp m bit của luồng dữ liệu vào. Điều chế 2 trạng thái là trường hợp đặc biệt với M = 2. Có thể phân loại các kĩ thuật điều chế số như sau: Điều chế đồng bộ gồm: - đồng bộ nhị phân có: ASK (ít được dùng), PSK, FSK. - đồng bộ hạng M có: ASK hạng M, PSK hạng M, FSK hạng M.ví dụ: QPSK,QAM… Điều chế không đồng bộ có: - không đồng bộ nhị phân: ASK không đồng bộ, FSK không đồng bộ, với PSK không có không đồng bộ (vì không đồng bộ nghĩa là không có thông tin về pha nên cũng không có PSK), nhưng thay vào đó ta có DPSK không đồng bộ. Dưới đây chúng ta sẽ lần lượt giới thiệu về các loại điều chế số thường gặp. 4 1.2. Phương pháp điều chế ASK. 1.2.1.Điều chế ASK: Tín hiệu ASK có thể được xác định bởi công thức: ( ) ( ) . os2 c s t A m t c f t π = 0 t T ≤ ≤ (1.2) Trong đó: A: là hằng số ( ) m t : Nhận giá trị bằng “1” hoặc “0” c f : Tần số sóng mang T: Thời gian tồn tại một bit Bản chất của phương pháp điều chế biên độ là biên độ của sóng mang được chuyển đổi giữa 2 mức với tốc độ được xác định trước bởi tốc độ bít của tín hiệu nhị phân được truyền. Về mặt toán học, điều chế ASK tương đương với việc nhân tín hiệu sóng mang với tín hiệu nhị phân. Hình 1.2 – Dạng sóng của tín hiệu ASK Hình 1.2 minh họa quá trình điều chế biên độ một sóng mang với tín hiệu nhị phân 101100010. Nếu nguồn số có M trạng thái hoặc mức, và mỗi một mức đại 5 diện cho một chu kỳ T, thì dạng sóng đã điều chế tương ứng với trạng thái thứ i là ( ) i S t theo kiểu khóa dịch biên độ sẽ là: S i (t) = A 0 .m i (t). cos ω 0 t (1.3) Trong đó m i (t) là mức thứ i của dạng sóng nhiều mức có độ rộng T. Giả sử số mức giới hạn là 2 và như vậy tần số sóng mang tương quan đến độ rộng T của dạng sóng vuông nhị phân như sau: 0 2n T π ω = (1.4) Dẫn tới mật độ phổ công suất (psd) có biểu thức: 2 2 2 0 0 ASK 0 0 2 2 0 0 sin (f - f ) sin (f + f ) psd ( ). (f - f ) + (f + f ) + + 16 (f - f ) (f + f ) T T A T T π π δ δ π π   =     (1.5) Hình 1.3 –Mật độ phổ công suất của tín hiệu ASK hai trạng thái. Phổ vẽ trên hình chứa 95% công suất của nó trong độ rộng băng 3/T (hoặc 3 nhân với tốc độ bit). Độ rộng băng có thể giảm bằng cách dùng xung cosin-tăng. Kết quả là các điểm 0 của phổ xuất hiện ở những khoảng 0 /f n T± , ở đây n = 1, 2, Do đó tất cả các thành phần phổ gián đoạn biến mất, trừ trường hợp f = f 0 và f =f 0 ± 1/T. Phổ của xung cosin-tăng có búp sóng chính rộng hơn làm cho độ rộng băng ASK. Đối với phương pháp ASK, để tăng tốc độ truyền ta tăng số mức điều chế M, đồng thời phải tăng công suất của tín hiệu lên rất nhiều nếu muốn duy trì một tỷ lệ lỗi bit nào đó. Điều này không mang lại hiệu quả kinh tế, vì để thiết kế một bộ khuếch đại công suất có hệ số khuếch đại lớn, tuyến tính là rất khó thực hiện. Hơn nữa, với tín 6 hiệu ASK tin tức phản ánh qua biên độ của tín hiệu, vì vậy khả năng chống nhiễu sẽ rất kém do biên độ của tín hiệu bị ảnh hưởng của can nhiễu, tạp âm và hiện tượng điều biên kí sinh dẫn tới xác xuất thu lỗi của hệ thống tăng lên. Vì vậy, phương pháp điều chế ASK không được áp dụng rộng rãi nhiều trong các hệ thống truyền dẫn và chỉ được áp dụng trong các hệ thống truyền số liệu thấp. 1.2.2. Giải điều chế ASK: Hình 1.4 – Bộ giải điều chế kết hợp ASK 2 trạng thái. Với một tín hiệu ASK hai trạng thái, máy thu trên hình trên có thể dùng để tách sóng kết hợp. Ta có u 1 và u 0 là những mức đi vào mạch quyết định với đầu vào “1” hoặc “0”. Trị số của u 1 : 2 1 1 0 1 0 0 ( ). ( ). ( ). T T u s t dt s t s t dt= − ∫ ∫ (1.6) Và khi s 0 (t) đã thu được: 2 0 0 1 0 0 0 ( ). ( ) ( ). T T u s t s t s t dt= − ∫ ∫ (1.7) Nếu u 1 > u 0 tức là mức vào lớn hơn mức ngưỡng thì bộ tách sóng sẽ xác định là s 1 (t) là tín hiệu được phát đi. Tương tự, nếu mức vào nhỏ hơn mức ngưỡng thì quyết định s 0 (t) được phát đi. Hai dạng sóng tín hiệu ASK hai trạng thái có thể được biểu thị: s 1 (t) = A 1 .cos ω 0 t s 0 (t) = A 0 cos ω 0 t (1.8) Phân biệt những sóng này ở đàu ra của bộ tích phân, xác định độ chênh lệch ∆ về mức cũng giống như xác định độ chênh lệch các mức lượng tử. 7 Như vậy: [ ] 2 1 0 1 0 0 ( ) ( ) T u u s t s t dt∆ = − = − ∫ (1.9) Trị số u 1 vượt quá ngưỡng ∆ /2 và u 0 nằm dưới ngưỡng ∆ /2. Thay biểu thức (1.9) và (1.8) vào có thể tìm được trị số ∆ đối với tín hiệu ASK hai trạng thái: 2 2 2 1 0 0 1 0 0 ( ) os . ( ) .( / 2) T A A c t dt A A T ω ∆ = − = − ∫ (1.10) = A c 2 .T/2 trong trường hợp không có tổn hao biên độ. Như vậy việc đặt ngưỡng tách sóng tối ưu sẽ là: (Ngưỡng) opt = 2 1 0 ( ) / 2 / 2 4 c A T u u+ = = ∆ (1.11) Vì tín hiệu s 1 (t) có ở đầu vào máy thu trung bình chỉ một nửa thời gian, công suất tín hiệu thu trung bình: S av = A c 2 /4 (1.12) 1.2.3. Xác suất lỗi tín hiệu ASK: Khi tạp âm Gauss có phương sai 2 σ được đưa vào mạch quyết định, một mức sai có thể được tách ra. Ta có xác suất như sau: P e = P(1).P(0/1) + P(0).P(1/0) (1.13) Nên: P e = P(1).P(n<- ∆ /2) + P(0).P(n> ∆ /2) (1.14) Trong đó n là công suất tạp âm. Giả sử các bít số có xác suất như nhau, ta có: P e = P(n> ∆ /2) = 2 2 /2 (1/ 2 . ). exp( / 2 ).n dn π δ δ ∞ ∆ − ∫ = (1/ 2).er 2 2 . fc π δ ∆ (1.15) Trong đó δ 2 là phương sai của phân bố công suất tạp âm. Mà ta có: δ 2 = ( η /4). ∆ ⇒ P e = (1/2)erfc[( ∆ /2 η ) 1/2 ] (1.16) Lại có: C/N = ∆ / η .W/r b = ∆ / η 2 ∆ / η ≤ r b /W = 2 ∆ / η 8 Từ đó có : P e(ASK 2 trạng thái) = (1/2)erfc[(1/2).(W/r b ) 1/2 (C/N) 1/2 ] (1.17) Hình 1.5 – Xác suất lỗi bit của điều chế ASK. 9 1.3. Phương pháp điều chế FSK. 1.3.1. Điều chế FSK: Dạng đơn giản nhất của điều chế tần số là khóa dịch tần số nhị phân – FSK. Trong FSK nhị phân, ta sử dụng hai tần số khác nhau 1 f và 2 1 f f f= + ∆ , để truyền một chuỗi thông tin nhị phân. Như vậy hai sóng tín hiệu có dạng : 1 1 2 ( ) os2 f b b E u t c t T π = ; 0 t T ≤ ≤ (1.18) 2 2 2 ( ) os2 f b b E u t c t T π = ; 0 t T≤ ≤ Trong đó E b là năng lượng trên một bit, còn T b là độ dài thời gian của một khoảng bit, sự khác nhau cơ bản giữa hai sóng mang là tần số. Như đã trình bày trên hình vẽ 1.6, hoạt động điều chế sẽ tương đương với sự tổng hợp các lối ra của hai bộ điều chế ASK riêng biệt, một thực hiện trên sóng mang thứ nhất với mức 1 và một thực hiện trên sóng mang thứ hai với mức thấp. Hình 1.6 - Dạng sóng tín hiệu FSK. 10 [...]... chất pha liên tục làm cho nó ưa dùng hơn với các tải trở kháng cao Thêm vào các ưu điểm đó, MSK có các mạch giải điều chế và đồng bộ đơn giản Vì lẽ đó MSK là phương pháp điều chế phổ biến trong thông tin vô tuyến di động 2.1.3 Sơ đồ phát và thu tín hiệu MSK: Có hai kĩ thuật chung để điều chế và giải điều chế MSK Những phương pháp này đều dựa vào các phương pháp song song và nối tiếp Cả 2 tương đương... giảm đi đáng kể, trong khi cho phép sự khuyếch đại RF hiệu quả hơn Giải điều chế OQPSK thì dòng dI( t) bị làm trễ T =Ts/2 để trở lại có cùng trạng thái thời gian gốc như dQ(t) 22 1.5 Phương pháp điều chế QAM 1.5.1 Điều chế QAM: Một tín hiệu điều chế biên độ vuông góc QAM sử dụng hai sóng mang vuông góc là cos2π f ct và sin 2π f ct mỗi chúng được điều chế bởi một chuỗi độc lập các bit thông tin Dạng sóng... Chương II Phương pháp điều chế MSK và GMSK 2.1 Phương pháp điều MSK: 2.1.1 Phương pháp điều chế tín hiệu MSK: MSK là một trường hợp đặc biệt của FSK pha liên tục (CP-FSK), với độ di tần 2fd = 0,5 và sử dựng tách sóng kết hợp Kỹ thuật này đạt được chất lượng cũng như PSK kết hợp, và có đặc tính phổ cao hơn CP-FSK MSK có ưu điểm là thực hiện tự đồng bộ tương đối đơn giản hơn CP-FSK kết hợp với độ di tần... hai phương pháp Một là ước lượng M lượng dịch pha sóng mang { θ m } và thực hiện giải điều chế và tách tín hiệu kết hợp về pha Các pha sóng mang được bỏ qua không quan tâm đến trong quá trình giải điều chế và tách tín hiệu hay còn gọi là giải điều chế và tách tín hiệu không kết hợp Trong giải điều chế và tách tín hiệu kết hợp về pha, tín hiệu thu được r(t) được tính tương quan với từng tín hiệu một trong. .. -90/P và 90/P độ và phải khác với pha sóng mang thực bởi bội số nguyên lần của 180/P độ Hay nói một cách khác P chính là nhân tố quyết định giá trị ước lượng pha hay độ chính xác của phương pháp đã sử dụng trong khối khôi phục pha mang d.Giải điều chế tín hiệu MSK: Giải điều chế tín hiệu MSK sử dụng thuật toán Viterbi Thuật toán Viterbi là thuật toán tối ưu nhất trong việc tìm đường đi trong mạng của. .. sở phương pháp trễ và nhân Đó là thuật toán đặc biệt vòng hở không cần sự trợ giúp của dữ liệu và đó là thuật toán có sự trợ giúp của đồng hồ dựa trên phương pháp luỹ thừa 2P c Kỹ thuật khôi phục pha mang: Do kênh truyền có tạp âm nhiễu và bị dịch pha nên tín hiệu đến nơi thu phải được khôi phục lại Khôi phục pha sóng mang của tín hiệu lối vào sử dụng phương pháp luỹ thừa 2P (2P-Power) Đó là phương pháp. .. ρ12 = -1 và El = E2 = Eb nên ta có:  2 Eb Pb ( MSK ) = Q   N 0    ÷ P ( BPSK ) = Q  b ÷    2 Eb N0  ÷ ÷  (1.36) Hình 1.13 sẽ cho chúng ta thấy đường biểu di n xác suất lỗi bit của BPSK được vẽ cùng với NCBFSK và CFBFSK 17 Hình 1.13 – Xác suất lỗi bit của BPSK so sánh cùng NCBFSK và CBFSK 1.4.4 Điều chế QPSK: Trong loại điều chế này gọi là điều chế 4-PSK, khoá dịch pha 90 0 hay điều chế vuông... hợp của điều chế biên độ số và điều chế pha số Các dạng sóng của tín hiệu QAM có thể biểu di n được theo : 23 um (t ) = Am gT (t )cos(2π f ct + θ n ) (1.40) m = 1, 2, ,M1 và n = 1, 2, ,M2 với M1 = 2k ; M2 = 2k Thì phương pháp điều chế biên độ và pha kết hợp dẫn đến việc truyền dẫn đồng thời k1 + k2 = log2M1M2 bit nhị phân xảy ra với một tốc độ symbol là R b/(k1 + k2) Hình 12 minh họa sơ đồ khối của. .. đặt theo thời gian của dòng bit chẵn và lẻ Trong tín hiệu QPSK, sự chuyển dịch của các dòng bit chẵn và lẻ xảy ra tại cùng thời điểm, nhưng trong báo hiệu OQPSK, các dòng bit chẵn và lẻ d I(t) và dQ(t) đã 20 lệch đi trong sự xắp đặt tương đối bởi một chu kì bit (nửa chu kì của kí hiệu) Do sự xếp đặt của dI( t) và dQ(t) trong QPSK chuẩn, các sự chuyển pha xảy ra chỉ tại mỗi Ts = 2T giây và sẽ cực đại khi... hiệu CBSFK và NCBFSK 14 1.4 Phương pháp điều chế PSK 1.4.1 Điều chế PSK: Hình dưới minh họa quá trình điều chế pha sóng mang với tín hiệu nhị phân 1011001 Trong PSK 2 trạng thái (BPSK), có hai loại sóng có thể biểu thị bằng: s1 (t ) = A.cosω0t (1.29) s0 (t ) = − A.cosω0t = A.cos(ω0t + π ) Hình 1.10 - Dạng tín hiệu PSK S1(t) đại di n cho nhị phân 1 và s 0(t) đại di n cho nhị phân 0 Như đã nói trước đây, . chọn đề tài: Phương pháp điều chế GMSK và ứng dụng của nó trong thông tin di động. ” Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, mặc dù em đã cố gắng nhiều nhưng do trình độ còn hạn chế nên không. hạn người ta sử dụng điều chế PSK và ASK kết hợp, phương pháp điều chế này được gọi là điều chế biên độ vuông góc QAM. Trong trường hợp điều chế M trạng thái tổng quát, bộ điều chế tạo ra một. 2 Chương I Các phương pháp điều chế số cơ bản. 1.1. Giới thiệu các phương pháp điều chế số. Điều chế là quá trình mà trong đó đặc tính nào đó của sóng mang được thay đổi theo tín hiệu điều chế. Thường