điều chế và giải điều chế khóa biên độ amplitude shift keying

biểu thị dữ liệu số dưới dạng các biến của biên độ trong sóng mang, tức là biên độ của tínhiệu điều chế được đặt chồng lên biên độ của sóng mang và do đó biên độ của sóng mangthay đổi th

1 Điều chế và giải điều chế khóa biên độ

1.1 Cơ sở lý thuyết và ý tưởng 4

1.1.1 Amplitude Shift Keying(ASK) 4

1.1.2 Bộ truyền ASK 5

1.1.3 Bộ nhận ASK 5

1.2 Mã code và giải thích 6

1.3 Kết quả 11

2 Điều chế và giải điều chế khóa pha (Phase Shift Keying) 13 2.1 Cơ sở lý thuyết và ý tưởng 13

2.1.1 Binary Phase Shift Keying(BPSK) 13

2.1.2 Bộ truyền BPSK 14

2.1.3 Bộ nhận BPSK 14

2.2 Mã code và giải thích 15

2.3 Kêt quả 17

3 Điều chế và giải điều chế khóa tần số (Frequency Shift Keying) 19 3.1 Cơ sở lý thuyết và ý tưởng 19

3.1.1 Binary Frequency Shift Keying(BFSK) 19

3.1.2 Điều chế 20

3.1.3 Giải điều chế theo BFSK nhất quán 21

3.2 Mã code và giải thích 22

3.3 Kết quả 25

4 Kênh AWGN để tạo nhiễu cho bộ truyền 27 4.1 Định nghĩa tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (Signal to noise ratio - SNR) 27

4.2 Mô hình kênh AWGN 28

4.3 Tỷ lệ lỗi ký hiệu theo lý thuyết 29

2

1.1.2 Bộ giả điều chế ASK không đồng bộ 6

1.1.3 Bộ giả điều chế ASK đồng bộ 6

2.1.1 Bộ truyền BPSK 14

2.1.2 Thiết bị phát hiện tương đồng theo kiểu tương quan của BPSK 14

3.1.1 Mô hình tương đương thời gian rời rạc 21

3.1.2 Mô hình tương đương thời gian rời rạc cho giải điều chế BFSK nhất quán 22 4.2.1 Mô hình kênh AWGN - Tính toán và thêm véc tơ nhiễu white Gaussian vào trong một giá trị SNR đã cho 28 4.3.1 Tỷ lệ lỗi ký hiệu đối với các sơ đồ điều chế khác nhau trên kênh AWGN 29

3

biểu thị dữ liệu số dưới dạng các biến của biên độ trong sóng mang, tức là biên độ của tínhiệu điều chế được đặt chồng lên biên độ của sóng mang và do đó biên độ của sóng mangthay đổi theo biên độ của tín hiệu điều chế.

Trong hệ thống ASK, mỗi bit được đặc trưng bởi biên độ khác nhau của tín hiệu Vídụ: Tín hiệu ASK có tần số 100 KHz, biên độ tín hiệu bằng 0 cho bit 0 và biên độ tín hiệubằng 1 cho bit 1

Biểu thức của tín hiệu ASK:

Tốc độ truyền tín hiệu ASK bị giới hạn bởi các đặc tính vật lý của môi trường truyền.Truyền dẫn ASK thường rất nhạy cảm với nhiễu Nhiễu này thường là các tín hiệu điện

áp xuất hiện trên đường dây từ các nguồn tín hiệu khác ảnh hưởng được lên biên độ củatín hiệu ASK

Có một phương pháp ASK thông dụng được gọi là OOK( on-off keying) Trong OOKthì có một giá trị bit tương đương với không có điện áp Điều này cho phép tiết kiệm đáng

kể năng lượng truyền tin

4

signal) được biến đổi để cho đầu ra đơn cực chỉ gồm giá trị năng lượng cao hoặc thấp Bộtạo sóng mang gửi một sóng mang liên tục Khi tín hiệu cao, đóng công tắc cho phép sóngmang đi qua nên đầu ra sẽ là tín hiệu sóng mang ở đầu vào cao Khi năng lượng tín hiệuđầu vào thấp, công tắc đóng, không cho phép xuất hiện điện áp Do đó, giá trị đầu ra làthấp.

→Bit nhị phân 1 được thay thế cho một sóng mang trong một thời gian xen giữa cụthể

phức tạp nhưng chống nhiễu tốt, trong trường hợp thứ hai thì mạch đơn giản và thường sửdụng mạch tách sóng hình bao

• Giải điều chế ASK không đồng bộ:

Bộ giải điều chế ASK không đồng bộ gồm: Mạch chỉnh lưu, Bộ lọc thông thấp,Mạch so sánh Tín hiệu ASK đã điều chế được cấp cho bộ chỉnh lưu nửa sóng, chođầu ra nửa dương Bộ lọc thông thấp triệt tiêu các tần số cao hơn và cho đầu ra theodạng đường bao mà từ đó bộ so sánh có thể cung cấp đầu ra của tín hiệu kỹ thuậtsố

5

Bộ giải điều chế ASK đồng bộ gồm: Square-law detector, bộ lọc thông thấp, mạch

so sánh, công cụ giới hạn điện áp

Tín hiệu đầu vào đã điều chế ASK được cấp cho Square-law detector Square-lawdetector là thiết bị có điện áp đầu ra tỉ lệ với bình phương của điện áp đầu vào đượcđiều biến biên độ Bộ lọc thông thấp giảm thiểu tần số cao hơn Bộ so sánh và bộgiới hạn điện áp giúp có được đầu ra kỹ thuật số rõ ràng

trị bit, bit rate(tốc độ bit là số bit được truyền đi hoặc xử lý trong mỗi đơn vị thờigian) và data rate để tính tần số f, signal time là từ lúc truyền đi tín hiệu số đầu tiênnoise.

• Lập 2 trường hợp bit 0 và 1 để có được sóng y từ sóng mang sau đó biểu diễn sóng

y theo t(thời gian truyền hết bit được nhập vào)

• Truyền nhiễu vào sóng y có 2 cách như trong mã code

• Giải tín hiệu điều chế:

sin về tín hiệu digital.Một vài hàm cần thiết như trapz(trapezoidal) để tính gần đúngtích phân xác định.Vì khi chuyển từ digital bit thành tín hiệu sin, từ mỗi 1 bit emtạo ra 100 giá trị gần kề từ hàm y để vẽ biểu đồ Sau khi tính gần đúng các cụm giátrị thì tính chính xác giá trị digital bit bằng cách xét logic giá trị với 0 và 1.

• Thể hiện trên biểu đồ tương tự như điều chế ASK

• Cuối cùng là tạo sóng mang( Carrier sine wave )

Tính xác suất lỗi em phải làm thành 1 phần riêng vì khi lập hàm demodulation tạo raquá nhiều biến ฀Khi thêm nhiễu Gauss vào không thể thay đổi được giá trị của digital bitnên phải lập chương trình mới thêm nhiễu Gauss từ digital input Sau khi nhiễu, tính sốlượng bit lỗi bằng hàm logic xor Lấy số bit lỗi chia cho tổng số bit truyền.

Tính BER trên lý thuyết thì em sử dụng công thức:

Thay vì chọn EbN0 thì cho EbN0 chạy trên khoảng để thu được đường BER trên biểu đồ

12

0 và 1 trong dãy bít đầu vào đại diện cho hai trạng thái pha khác nhau của sóng mang: bit

1 ứng với pha bằng 0 và bit 0 ứng với pha bằng 180 ◦

Trong các kỹ thuật điều chế số, tập các hàm nền tảng được chọn cho một phương phápđiều chế nhất định Thông thường các hàm nền tảng này trực giao lẫn nhau Các hàm nàythì được suy ra dựa vào quy tắc trực chuẩn hóa Graham Schmidt Một khi các hàm nềntảng đã được lựa chọn, bất kỳ véc tơ nào trong không gian tín hiệu đều có thể được xemnhư là một sự kết hợp tuyến tính của chúng Trong BPSK, chỉ có một được xét để làm làmhàm nền tảng Việc điều chế được thực hiện bằng cách xét giá trị pha của đường hình sinmang được đại diện như sau:

13

các bit đầu vào sử dụng mã hóa NRZ(Non-return Zero) (1 đại diện cho điện áp dương và

0 đại diện cho điện áp âm) và nhân kết quả đầu ra với một dao động tham chiếu chạy tần

được sử dụng cho việc triển khai bộ nhận Trong kỹ thuật phát hiện tương đồng, việc biết

về tần số sóng mang và pha phải được biết đến bộ nhận Điều này có thể đạt được bằngcách sử dụng một vòng lặp Costas hoặc một vòng lặp Phase Lock Loop (PLL) tại bộ nhận.Đối với mục đích mô phỏng, chúng ta chỉ giả định rằng việc phục hồi pha của sóng mang

đã hoàn thành và vì vậy chúng ta trực tiếp sử dụng tần số tham chiếu được tạo ra tại bộ

sử dụng điều chế BPSK, bổ sung nhiễu AWGN theo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm đã chọn vàgiải điều chế tín hiệu nhiễu sử dụng máy thu kết hợp.

của hàm là băng tần cơ sở và có thể tùy chọn nhân với tần số sóng mang bên ngoài hàm.

Để có được các đường cong liên tục tốt, nhân tố gia tăng kích thước mẫu (L) trong môphỏng phải được chọn thích hợp Nếu tín hiệu sóng mang được sử dụng, thì sẽ thuận tiện

Đối với mô phỏng dạng sóng băng tần cơ sở, nhân tố gia tăng kích thước mẫu có thể đơn

kì lấy mẫu phải đủ nhỏ so với chu kỳ bit

tần số sóng mang như PLL hoặc Costas loop Ở đây, giả sử rằng PLL/Costas loop đang

16

có sẵn và đầu ra được đồng bộ hoàn toàn Đầu ra được tích lũy trong một chu kỳ bit bằngcách sử dụng một bộ tích lũy Một bộ quét ngưỡng quyết định cho mỗi bit tích lũy dựa trênmột ngưỡng Vì sử dụng định dạng tín hiệu NRZ trong bộ phát, ngưỡng cho bộ quét sẽđược đặt là 0 Hàm bpsk_demod thực hiện bộ thu băng tần cơ sở BPSK theo Hình 2.1.2.

Để sử dụng hàm này trong mô phỏng dạng sóng, trước tiên, tín hiệu nhận được phải đượcchuyển đổi xuống băng tần cơ sở và sau đó hàm có thể được gọi

18

thiên tần số của tín hiệu sóng mang Cấu hình FSK đơn giản nhất, gọi là BFSK (BinaryFSK), sử dụng hai tần số riêng biệt để biểu diễn dữ liệu nhị phân, một tần số để biểu diễn

số nhị phân 0 và một tần số khác để biểu diễn số nhị phân 1

19

Dạng sóng BFSK được tạo ra như sau

(3.2)được gọi là BFSK nhất quán (coherent BFSK), ngược lại thì nó được gọi là BFSK khôngnhất quán (non-coherent BFSK) Như ở trong bài này chúng em sẽ chỉ sử dụng mô hìnhBFSK nhất quán Từ các phương trình 3.1 và 3.2, mô hình BFSK được biểu diễn như sau

Các hàm cơ sở của BFSK có thể được trực giao trong không gian tín hiệu bằng cách chọnchính xác các chỉ mục điều chế h hoặc độ rộng tầng số

20

khiển Điện áp (VCO) là trong số những giải pháp phổ biến nhất Giải điều chế cho FSKnhất quán cũng có thể được thực hiện chỉ với một liên kết, và mô hình tương đương thờigian rời rạc của nó được hiển thị trong Hình 3.1.2 Tại đây, giải điều chế yêu cầu thông tinNếu thông tin này không được biết chính xác tại bộ nhận, giải mã sẽ hoàn toàn thất bại.

21

một tín hiệu BFSK nhất quán tại bộ truyền Tín hiệu được tạo ra sau đó được truyền quamột kênh AWGN để tạo nhiễu Tín hiệu đã nhận được sau đó được giải điều chế độc lậpbằng một bộ giải điều chế nhất quán Hiệu suất tỷ lệ lỗi được đánh giá trên một phạm vi

BFSK, được hiển thị trong hình 3.1.1 Nó hỗ trợ tạo ra cả hai dạng BFSK nhất quán và

cả không nhất quán nhưng ở đây ta chỉ xét trường hợp nhất quán.Hàm trả về pha ban đầupha này quan trọng cho việc phát hiện sự nhất quán tại bộ nhận

23

điều chế nhất quán (bfsk_coherent_demod)

26

lý thuyết thông tin để bắt chước tác động của nhiều quá trình ngẫu nhiên xảy ra trong tựnhiên Được đặc trưng bởi các tính chất sau:

• Tính thêm vào (Additive) bởi vì nó được thêm vào bất kỳ nhiễu nào có sắn trong hệthống thông tin

• Tính trắng (White) đề cập đến ý tưởng rằng nó có công suất đồng đều trên dải tầncho hệ thống thông tin Nó tương tự như màu trắng có phát xạ đồng đều ở tất cả cáctần số trong quang phổ nhìn thấy được

• Gaussian vì nó có phân phối chuẩn trong miền thời gian với giá trị miền thời giantrung bình bằng không

hiệu, năng lượng tín hiệu trên mỗi ký hiệu đã điều chế được cho bởi công thức:

27

SNR trên mỗi ký hiệu được cho bởi công thức:

bộ truyền cần phải được thêm vào với nhiễu ngẫu nhiên với cường độ cụ thể Độ mạnhcủa nhễu được tạo ra phụ thuộc vào mức SNR mong muốn thường là đầu vào trong các

mô phỏng như Trong thực tế, SNR được chỉ định bằng dB

độ phù hợp và thêm nó vào tín hiệu Phương pháp được mô tả có thể được áp dụng cho cả

1 Giả sử, s là một vectơ đại diện cho tín hiệu truyền đi Ta muốn tạo ra một vectơ r đạidiện cho tín hiệu sau khi đi qua kênh AWGN Lượng nhiễu do kênh AWGN thêm

2 Đối với mô hình mô phỏng dạng sóng, đặt tỷ lệ gia tăng kích thước lấy mẫu đã chođược ký hiệu là L

3 Gọi N là độ dài của vectơ s Công suất tín hiệu cho vectơ s có thể được đo bằng:

28

4 Mật độ phổ công suất cần thiết của vectơ nhiễu n được tính là:

5 Phương sai nhiễu cần thiết (công suất nhiễu) để tạo ra nhiễu ngẫu nhiên Gaussian

6 Cuối cùng, tạo vectơ nhiễu ngẫu nhiên Gaussian n có độ dài N có mẫu được lấy từGaussian phân phối với giá trị trung bình được đặt là 0 và độ lệch chuẩn như đượctính trong phương trình 4.6

7 Cuối cùng, thêm vectơ nhiễu được tạo vào tín hiệu s

được liệt kê trong hình 4.3.1 Tỷ lệ lỗi ký hiệu lý thuyết được mã hóa thành một hàm có

Như vậy, từ hình 4.3.1 và phương trình 4.9 ta có thể suy ra được tỷ lệ lỗi theo lý thuyếtcủa các mô hình điều chế nhị phân như BPSK là:

Đối với BFSK thì ta có:

Đối với ASK thì ta có:

30